第 5 章 焊接结构的脆性断裂

1、 事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。 dimple (a)微孔聚集模型 (b) 在第二相粒子处形核模型 上海市机械制造工艺研究所有限公司上海市机械制造工艺研究所有限公司 准解理断口准解理断口 介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂 形式。形式。 在电子显微镜中观察其断口时，既有韧窝花样，既有韧窝花样， 但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面，但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面， 但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河 流花样，但又显得短而

2、弯曲，而且又有显示发流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发 生过局部一定塑性变形的撕裂棱。生过局部一定塑性变形的撕裂棱。 准解理断口的特征准解理断口的特征 1024 韧韧 性性 断断 口口 韧韧 性性 断断 口口 -80 -40 0 40 80 120 160 温度， F -80 -40 0 40 80 120 160 温度， F 半镇静低碳钢半镇静低碳钢 0.18C 0.54Mn 0.07Si 半镇静低碳钢半镇静低碳钢 0.18C 0.54Mn 0.07Si Fracture Diagram 1” 8” 12” 24” Figure 3 is a graph of stress versu

3、s temperature, showing fracture initiation curves for various flaw sizes. It is clear from the above discussion that we must operate above the NDT temperature to be Figure 3 Fracture Diagram certain that no brittle fracture can occur. For greater safety, it is desirable that operation be limited abo

4、ve the FTE temperature, or NDT + 60F. Under such conditions, no brittle fracture can occur for purely elastic loads. As previously discussed, irradiation of the pressure vessel can raise the NDT temperature over the lifetime of the reactor pressure vessel, restricting the operating temperatures and

5、stress on the vessel. It should be clear that this increase in NDT can lead to significant operating restrictions, especially after 25 years to 30 years of operation where the NDT can raise 200F to 300F. Thus, if the FTE was 60F at the beginning of vessel life and a change in the NDT of 300F occurre

6、d over a period of time, the reactor coolant would have to be raised to more than 360F before full system pressure could be applied. Figure 3 Fracture Diagram 裂纹尺寸裂纹尺寸脆断应力脆断应力脆性转变温度脆性转变温度 通常脆性断裂系指沿一定结晶面的劈裂的解理断裂(包括半解理断裂)及晶界(沿晶)断裂。 0 e t t max 2 max b E a 21 a b b a 21 2b2a 论断裂强度物理学的固体材料的理 （ ，得：该点的曲率半

7、径 （ ，最大应力为：，短轴长轴 ) ) 0 e t max 2 max b E a 21 a b b a 21 2b2a 物理学中固体材料的 得该点的曲率半径 最大应力 ，短轴长轴 )( , )( 事实。理论断裂强度低得多的 材料实际断裂强度比解释了：有缺陷的固体此例从应力集中的角度 降低。增加， ，所以这与事实不符！应改用 再有强度了。有了理想尖裂纹，就不由上式可见，固体一旦 ：裂的临界应力将上面的式子合并得断 材料才断裂按传统强度观点， c e c 0 0 e 0 e c c tmax 2a 4a E b 4ab E a 21 b E 理论断裂强度 大量的研究和实验表明，固体材 料的实际

8、断裂强度只有它的理论 断裂强度 的1/10 1/1 000。 为什么会有这样巨大的差异呢? 板厚等于1 图5-15、5-16 E = - U + W E a U 22 a4W e 能扩展。所需的能量，故裂纹不 裂纹扩展即裂纹释放的能量小于 能量增加，此前，裂纹要扩展系统 极大值。此时系统能力变化率有 即04 E a2 0 a E 4 E a2 a E a4 E a E e 2 e 2 e 22 , 2 1 e e 2 2E a 4 E a2 ）（经变换得， ：裂纹扩展的平衡条件是 ），（葛里菲斯裂纹条件即 ：裂纹扩展的临界尺寸为 ：裂纹扩展的临界应力为 0 0 0 ee 2 e c e c b

9、 8 0 b 8 4ab E a 2E 2E a a 2E 2 p c p c p 2 e ep pe 2 2E a a 2E 02 E a 02( E a 同样得： 的临界条件为： 纹扩展修正后的金属材料中裂 可以忽略不计， 大得多，比试验结果， ) 即塑性变形能即塑性变形能p是阻止裂纹扩展的主要因素。是阻止裂纹扩展的主要因素。 由能量原理可以看出，结构的断裂条件不仅决定于工作应力由能量原理可以看出，结构的断裂条件不仅决定于工作应力 的大小，还取决于原始裂纹长度的大小，还取决于原始裂纹长度2a。这个结论和欧文。这个结论和欧文( Irwin )分分 析裂纹前端应力应变场，考虑裂纹尖端应力集中，建立新的裂析裂纹前端应力应变场，考虑裂纹尖端应力集中，建立新的裂 纹扩展临界条件是完全一致的。在此基础上发展了断裂力学。纹扩展临界条件是完全一致的。在此基础上发展