船舶制造基础

1、l焊接结构的破坏情况焊接结构的破坏情况 l影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 l预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 焊接结构的破坏情况焊接结构的破坏情况 焊接结构的破坏情况焊接结构的破坏情况 焊接结构的破坏情况焊接结构的破坏情况 损坏日期结构类别、地点破坏简况和主要原因 1919年1月 制糖容器(铆接) 美国马萨诸塞州波士顿 高14m 直径30m 入孔处开始，安全系数不足，强度不足，可看到典型指向裂纹源的人字纹。 1944年10月 圆筒形压力容器 (直径24m，高 13m) 美国俄亥俄州 双层容器，内层用质量分数为3.5的Ni钢制成。选材不当，低温脆性断裂。 1962年 原

2、子能电站压力容器 法国chlon 由厚100mm的锰钼钢焊制，环焊缝热影响区出现严重裂纹沿母材扩展。 1965年 储氨罐 英国 用厚度为150mm的Mn-Cr-Mo-V钢板和锻钢制造，从一侧的10mm三角形裂纹处引 起破坏，应力退火温度控制不好，造成脆化及锻钢件偏析带。 1968年4月 球形容器(容积2226m3) 日本德山 厚29mm、800MPa级的高强度钢，修补时，焊接热输入过大，造成熔合区脆化。 1974年12月 圆筒形大型石油储罐 日本 用厚12mm的600MPa级强度钢焊制。在环形板与罐壁拐角处的底角部有13m长的 裂纹，使大量油溢出。 1975年5月 容积为1000m3的球罐 我

3、国岳阳石油化工厂 用厚34mm的15MnVR钢焊制。制造时存有较大角变形、错边、咬边。一半焊缝采 用酸性焊条焊接，造成焊缝和热影响区塑性很差，在超载情况下爆炸。 1962年1月 直径2 2m、高21m的水洗塔 我国吉林化学工业公司 用厚44mm的前苏联CT3钢制成，介质为H2-CO2混合气体，在正常操作条件下爆炸， 裂成43个碎片，死伤多人，直接块经济损失272万元。 焊缝、热影响区的冲击韧度很低，造成低应力脆性断裂。 1979年12月 400m3石油液化气储罐(球罐) 我国吉林煤气公司 用厚28mm的15MnVR钢焊制，北温带与赤道带的环缝熔合线开裂，迅速扩展至 13.5m，液化石油气冲出至

4、明火处引起爆炸。 1992年1月 4000m3糖蜜罐 我国 罐底与罐壁的连接焊缝有较长的未焊透。罐体位置正处在风口，北面向风，破裂 时有偏北风，气温为 -17，南侧和西南侧罐体根部又被焦炭覆盖，造成温差，导 致附加应力。在不利因素综合作用下，使罐体突发脆性断裂。 焊接结构的破坏情况焊接结构的破坏情况 焊接结构的破坏情况焊接结构的破坏情况 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 u应力状态的影响应力状态的影响 u温度的影响温度的影响 u加载速度的影响加载速度的影响 u材料状态的影响材料状态的影响 图示为图示为构件受均匀拉应力时，其中一个缺口根部出构件受均匀拉应力时，其中一个缺口根部出 现高

5、值的应力和应变集中情况；缺口越深越尖，其局部现高值的应力和应变集中情况；缺口越深越尖，其局部 应力和应变也越大。应力和应变也越大。 三三向应力产生机理：在受力过程中，缺口根部材料向应力产生机理：在受力过程中，缺口根部材料 的伸长，必然引起沿宽度和厚度方向的收缩，但由于缺的伸长，必然引起沿宽度和厚度方向的收缩，但由于缺 口尖端以外的材料受到的应力较小，引起收缩也较小；口尖端以外的材料受到的应力较小，引起收缩也较小； 由于收缩不均匀，缺口根部收缩受阻，结果产生宽度和由于收缩不均匀，缺口根部收缩受阻，结果产生宽度和 厚度方向的拉应力厚度方向的拉应力x和和z，导致缺口根部形成三向应力，导致缺口根部形成

6、三向应力 状态。状态。 在在三向应力情况下，材料的屈服点较单向应力时提三向应力情况下，材料的屈服点较单向应力时提 高，即缺口根部材料的屈服点提高，从而使该处材料变高，即缺口根部材料的屈服点提高，从而使该处材料变 脆脆。 因此，脆性断裂事故多起源于因此，脆性断裂事故多起源于具有严重应力集中效具有严重应力集中效 应的缺口应的缺口处。处。 实验证明，许多材料处于单向或双向拉应力时，呈现延性；当处于三向拉应力时，实验证明，许多材料处于单向或双向拉应力时，呈现延性；当处于三向拉应力时， 不发生塑性断裂而呈现脆性。不发生塑性断裂而呈现脆性。 在实际结构中，三向应力可能由三向载荷产生，但更多情况是由于在实际

7、结构中，三向应力可能由三向载荷产生，但更多情况是由于结构的几何不连结构的几何不连 续性续性引起的。虽然整个结构处于单向或双向拉应力状态下，但其局部地区由于设计或工引起的。虽然整个结构处于单向或双向拉应力状态下，但其局部地区由于设计或工 艺不当，往往出现局部三向应力状态的缺口效应。艺不当，往往出现局部三向应力状态的缺口效应。 应力状态的影响应力状态的影响 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 温度的影响温度的影响 当当TTk时，时，b s，无缺口试件单轴拉伸时，无缺口试件单轴拉伸时， 先屈服再断裂，为延性断裂，即处于先屈服再断裂，为延性断裂，即处于塑性状态塑性状态；当；当 TTk，若对材

8、料加载，在破断前只发生弹性变形，若对材料加载，在破断前只发生弹性变形 ，不产生塑性变形，材料呈现脆性断裂，即处于，不产生塑性变形，材料呈现脆性断裂，即处于脆脆 性状态性状态。 脆性转变脆性转变温度温度Tk ：从一个状态向另一个状态转：从一个状态向另一个状态转 变的温度。变的温度。Tk越低，则材料处于延性状态的温度范越低，则材料处于延性状态的温度范 围越广；反之，一切促成围越广；反之，一切促成Tk升高的因素，均将缩小升高的因素，均将缩小 材料塑性状态的范围，增大材料产生脆性断裂的趋材料塑性状态的范围，增大材料产生脆性断裂的趋 势。因此势。因此Tk是衡量材料抗脆性破坏的重要参数是衡量材料抗脆性破坏

9、的重要参数。 金属在高温时，具有良好的变形能力，当温度降低时，其变形能力就减小，金金属在高温时，具有良好的变形能力，当温度降低时，其变形能力就减小，金 属这种低温脆化的性质称为属这种低温脆化的性质称为“低温脆性低温脆性”。它是金属材料屈服点随温度降低急剧增加。它是金属材料屈服点随温度降低急剧增加 的结果。的结果。 任何金属材料都有两个强度指标任何金属材料都有两个强度指标s和和b 。b随温度变化很小，而随温度变化很小，而s却对温度却对温度 变化十分敏感。变化十分敏感。温度降低温度降低，屈服点急剧升高屈服点急剧升高，故两曲线相交于一点，交点对应的温度，故两曲线相交于一点，交点对应的温度 为为Tk

10、-脆性转变温度脆性转变温度。 塑性状态脆性状态 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 加载速度的影响加载速度的影响 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 材料状态的影响材料状态的影响 脆性断裂开始温度与板厚的关系 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 试验条件：试验条件： 10mm10mm、20mm20mm、30mm30mm、40mm40mm板厚的试件板厚的试件 预制预制40mm40mm长的裂纹长的裂纹 施加应力等于施加应力等于1/21/2屈服点屈服点 试验结果：试验结果： 当厚度小于当厚度小于30mm30mm时，发生脆断的脆性转变温度随板厚度增加而直线上升；时，发生脆

11、断的脆性转变温度随板厚度增加而直线上升； 当板厚超过当板厚超过30mm30mm，脆性转变温度增加得较为缓慢。，脆性转变温度增加得较为缓慢。 试验证明试验证明 脆性转变温度和铁素体晶粒直径的关系 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 正确、合理地选用材料正确、合理地选用材料 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 采用合理的焊接结构设计采用合理的焊接结构设计 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 1 尽量减少结构或接头部位的应力集中尽量减少结构或接头部位的应力集中 尖角过渡和平滑过渡

12、的接头 a) 不可采用 b）可以采用 封头设计时合理与不合理的接头 a）不合理 b）合理 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 不同板厚的接头设计方案 a) 可以采用 b) 最好 c) 不可以采用 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 不易施焊的焊态部位举例 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 焊接容器中焊缝之间的最小距离 a) T形交叉 b) 补强和对接焊缝 c) 筒体纵缝 d) 封头上的平行焊缝 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 2 尽量减少结构的刚度尽量减少结构的刚度 威廉德式桥立杆和弦杆的连接 a) 立杆和弦杆连接处 b) 局部放大不合理的连接 c

13、) 局部放大改进的连接 弦杆弦杆 腹杆腹杆 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 3 不采用过厚的截面不采用过厚的截面 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 4 重视附件或不受力焊缝的设计重视附件或不受力焊缝的设计 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 合理安排结构制造工艺合理安排结构制造工艺 预防船体脆性断裂的措施预防船体脆性断裂的措施 疲劳断裂、脆性断裂的区别与联系疲劳断裂、脆性断裂的区别与联系 u断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载； u结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢地，有时需要长达数年时间；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢地，有时需要长达数年时间； u脆断受温度的影响特别明显