第2章焊接结构的脆性断裂

1、1焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂 2本章重点本章重点: 2.1 结构的脆性断裂事故及其结构的脆性断裂事故及其特征特征2.2 金属材料脆性断裂的金属材料脆性断裂的能量理论能量理论 2.3 金属材料脆性断裂及其影响因素金属材料脆性断裂及其影响因素 2.3.1 金属材料断裂的金属材料断裂的基本概念基本概念 2.3.2 典型的典型的断裂机制断裂机制 2.3.3 影响金属材料脆性断裂的影响金属材料脆性断裂的主要因素主要因素 2.4 焊接焊接结构的特点结构的特点和和工艺因素工艺因素对脆性断裂的影响对脆性断裂的影响 2.4.1 焊接焊接结构的特点结构的特点对脆性断裂的影响对脆性断裂的影响 2.4.2

2、焊接结构焊接结构制造工艺制造工艺的特点对脆性断裂的影响的特点对脆性断裂的影响2.5 焊接结构防脆性断裂焊接结构防脆性断裂设计原则设计原则及相关的评定方法及相关的评定方法2.6 防止焊接结构发生脆性断裂的防止焊接结构发生脆性断裂的途径途径 32.1 结构的结构的脆性断裂事故脆性断裂事故及其及其特征特征 自从自从焊接结构焊接结构广泛应用以来，许多国家都发生过一些焊接结构广泛应用以来，许多国家都发生过一些焊接结构的的脆性断裂事故脆性断裂事故。虽然发生脆性断裂事故的焊接结构数量较少。虽然发生脆性断裂事故的焊接结构数量较少,但其后果是但其后果是严重严重的，甚至是的，甚至是灾难性灾难性的。所以脆性断裂引起

3、世界的。所以脆性断裂引起世界范围有关人员的高度重视。目前脆性断裂事故已趋于减少，但范围有关人员的高度重视。目前脆性断裂事故已趋于减少，但并未杜绝。并未杜绝。 例如：例如： 1972年年1月月美国美国建造的大型轮船，船长建造的大型轮船，船长189m，建成，建成9个月后在纽个月后在纽约的杰佛逊港断成两截并沉没。约的杰佛逊港断成两截并沉没。 1979年年12月月18日日我国我国吉林液化石油气厂吉林液化石油气厂的球罐连锁性爆炸的球罐连锁性爆炸(死伤死伤86人，损失约人，损失约627万元万元)。 1992年年1月月26日日我国我国黑龙江省黑龙江省某糖厂的某糖厂的4000m3糖蜜罐的罐体突糖蜜罐的罐体突然

4、破裂。然破裂。 下面再介绍几起下面再介绍几起典型典型焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂事故事故，以便了解脆，以便了解脆性断裂的性断裂的概貌概貌，并可得到，并可得到相关经验相关经验。 4典型脆性断裂事故：典型脆性断裂事故： 桥梁桥梁：最典型的是1938年3月比利时阿尔拜特运河上Hesselt桥的断塌事故。这座桥是用st-42转炉钢焊制成，跨度为74.52m,仅使用14个月，就在桥上仅有一辆电车和一些行人的载荷作用下发生断塌。事故发生时气温为-20，6min桥身就突然断为三截。 时过不久，1940年1月该运河上另外两座桥梁又发生局部脆性断裂。总计从19381940年在所建造的50座桥梁中共有10余座

5、出现脆性断裂事故。加拿大、法国也发生过类似的事故。 轮船轮船：在第二次世界大战期间，美国制造的4694艘船中，在970艘船上发现有1442处裂纹，这些裂纹多出现在万吨级的“自由型”货轮上，其中24艘甲板横断，1艘船舶的船底发生完全断裂。另有8艘从中腰断为两截，其中4艘沉没。 另外，Schenectady号T-2型油轮1942年10月建成，在1943年1月16日在装备码头停泊时发生突然断裂事故。当时海面平静，天气温和，其甲板的计算应力只有70MPa。 5 储罐储罐：在在1944年前后，发生几起年前后，发生几起球形球形和和圆筒形容器圆筒形容器的脆性的脆性断裂事故。如断裂事故。如1944年年10月美

6、国的月美国的液化天然气液化天然气储藏基地的球罐储藏基地的球罐和圆筒形储罐，这些罐的内层用质量分数为和圆筒形储罐，这些罐的内层用质量分数为3.5的的Ni钢钢制成制成。事故是由圆筒储罐引起的。首先在。事故是由圆筒储罐引起的。首先在圆筒形罐圆筒形罐13l2高高处处开裂开裂并喷出气体和液体，接着起火，然后储罐爆炸，并喷出气体和液体，接着起火，然后储罐爆炸，20min后后1台台球罐球罐因底脚过热而倒塌爆炸因底脚过热而倒塌爆炸，造成，造成128人死亡，人死亡，损失损失680万美元。万美元。 上述我国在上述我国在吉林液化石油气厂吉林液化石油气厂的的球罐球罐爆炸事故，是一台爆炸事故，是一台400m3球罐在上温

7、带与赤道带的球罐在上温带与赤道带的环缝熔合区破裂环缝熔合区破裂并迅速扩展并迅速扩展为为13.5m的大裂口的大裂口，液化石油气冲出形成巨大的，液化石油气冲出形成巨大的气团气团，遇到，遇到明火明火引燃，其引燃，其附近的球罐被加热附近的球罐被加热，4h后发生爆炸，导致后发生爆炸，导致连锁连锁性爆炸性爆炸，整个罐区成为一片，整个罐区成为一片火海火海。 一些著名的典型脆性断裂事故的事例及成因见表2-1。6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，安全系数不足安全系数不足，强度不足强度不足，可看到典型指向裂纹源的人字纹。1

8、944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，内层用质量分数为质量分数为3.5的的Ni钢制成。钢制成。选材不当选材不当，低温脆性断裂。，低温脆性断裂。1962年原子能电站压力容器法国chlon由厚100mm的锰钼钢焊制，环焊缝环焊缝热影响区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，

9、造成熔合区脆化热输入过大，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底角部有13m长的长的裂纹裂纹，使大量油溢出。 1975年5月容积为1000m3的球罐我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、咬边存有较大角变形、错边、咬边。一半焊缝采用酸性焊条焊接酸性焊条焊接，造成焊缝和热影响区塑性很差塑性很差，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

10、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环缝熔合线开裂，迅速扩展至13.5m，液化石油气冲出至明火处引起爆炸。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，造成温温差，导致附加应力差，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。表表2-1

11、焊接结构脆性破坏的焊接结构脆性破坏的典型事例及成因典型事例及成因7脆性断裂脆性断裂特征特征 根据对根据对脆性断裂事故脆性断裂事故调查研究结果发现，具有如下调查研究结果发现，具有如下特征：特征： 1) 断裂一般都在断裂一般都在没有显著塑性变形没有显著塑性变形的情况下发生，具有的情况下发生，具有突然破坏突然破坏的性质。的性质。 2) 破坏一经发生，破坏一经发生，瞬时瞬时就能扩展到结构大部或全体。因此，脆性断裂就能扩展到结构大部或全体。因此，脆性断裂不易不易发现和预防发现和预防。 3) 结构在结构在破坏时的应力破坏时的应力远远小于远远小于结构设计结构设计的许用应力。的许用应力。 4) 通常在通常在较

12、低温度较低温度下发生。下发生。 焊接结构的特点决定它的脆性断裂可能性比焊接结构的特点决定它的脆性断裂可能性比铆接铆接结构大。焊接结构的结构大。焊接结构的应应用范围很广用范围很广，虽然发生的脆性断裂事故不太多，但，虽然发生的脆性断裂事故不太多，但损失很大损失很大，有时甚至是，有时甚至是灾灾难性难性的。的。 研究脆性断裂研究脆性断裂问题对于问题对于保证保证焊接结构的焊接结构的可靠工作、可靠工作、推广推广其其应用范围应用范围有有重重大意义大意义。特别是随着焊接结构向。特别是随着焊接结构向大型化、高强化、深冷方向大型化、高强化、深冷方向的发展，对于进的发展，对于进一步研究焊接结构的脆性断裂问题就显得更

13、为迫切、更为重要。一步研究焊接结构的脆性断裂问题就显得更为迫切、更为重要。 根本原因根本原因：材料选用不当材料选用不当、设计不合理设计不合理、制造时有缺陷制造时有缺陷等，所以了解等，所以了解金属金属材料的性质材料的性质和和焊接结构的特点焊接结构的特点是非常必要的。是非常必要的。8研究和试验表明，固体材料的研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度实际断裂强度只有它的只有它的理论断裂理论断裂强度强度110l1000。为什么会有这样巨大的差异。为什么会有这样巨大的差异? 葛里菲斯葛里菲斯(Griffith)认为，在任何固体材料里认为，在任何固体材料里本来就存在着本来就存在着一定数量大小的一定数量大小的

14、裂纹和缺陷裂纹和缺陷，从而导致固体材料在低应力下发，从而导致固体材料在低应力下发生脆性断裂。如果能使生脆性断裂。如果能使裂纹减少裂纹减少或者使其或者使其尺寸降低尺寸降低，则物体的，则物体的强度便会增加。他从强度便会增加。他从理论上理论上并用并用实验实验证实了这一点。证实了这一点。2.2 金属材料脆性断裂的金属材料脆性断裂的能量理论能量理论9 葛里菲斯裂纹体模型 葛里菲斯取一块葛里菲斯取一块厚度厚度为为1单位单位的的“无限无限”大平板为研究模型，大平板为研究模型，首先首先使平板受到单向均使平板受到单向均匀拉应力匀拉应力，(图图2-1)，然后然后将其两端将其两端固定固定，以杜绝外部能源。设想在这块

15、平板上出现，以杜绝外部能源。设想在这块平板上出现一个一个垂直于拉应力垂直于拉应力方向方向长度为长度为2穿透板厚的穿透板厚的裂纹裂纹。切开切开裂纹后，平板内储存的裂纹后，平板内储存的弹性弹性应变能应变能将有一部分被将有一部分被释放释放出来，其释放量设为出来，其释放量设为U。又由于裂纹出现后有新的表面形成。又由于裂纹出现后有新的表面形成，要，要吸收吸收能量，设其值为能量，设其值为W，此两种能量可以分别计算出来。，此两种能量可以分别计算出来。 (2-1) 另一方面，设裂纹的单位表面积吸收的表面能为另一方面，设裂纹的单位表面积吸收的表面能为， 则则形成形成 裂纹所需总表面能裂纹所需总表面能为：为： W

16、= 4 (2-2) 因此，因此，裂纹体裂纹体的能量改变总量为：的能量改变总量为： (2-3) EaU2222422EE10 这个这个能量改变总量能量改变总量随裂纹长度随裂纹长度的变化曲线见的变化曲线见图图2-2，其变化率为：，其变化率为： (2-4) 变化率随着裂纹长度而变化，见图变化率随着裂纹长度而变化，见图2-2b。裂纹扩展的临界条件是：裂纹扩展的临界条件是：2222(4)4EEE 0E0422E 此时此时系统能量系统能量随随的变化出现的变化出现极大值极大值。此前此前，裂纹扩展，其，裂纹扩展，其系统能量增加系统能量增加。即裂纹。即裂纹每扩展每扩展一微量一微量所能所能释放的能量释放的能量裂纹

17、每扩展裂纹每扩展一微量所一微量所需要的能量需要的能量，因此裂纹，因此裂纹不能扩展不能扩展；此后此后，裂纹扩展其，裂纹扩展其系统能量减少系统能量减少，即释放的，即释放的能量能量裂纹扩展所需要的能量，因此裂纹将裂纹扩展所需要的能量，因此裂纹将继续继续自动扩展自动扩展，导致发生脆性破坏。，导致发生脆性破坏。 即：即：11 因此，可把因此，可把 看成是使裂纹扩展的看成是使裂纹扩展的推动力推动力，而，而2是裂纹扩展的是裂纹扩展的阻力阻力。 当推动力当推动力阻力时阻力时 ，裂纹，裂纹自动扩展自动扩展； 当推动力当推动力阻力时阻力时 ，裂纹，裂纹不能自动扩展不能自动扩展。 葛里菲斯是根据葛里菲斯是根据玻璃、

18、陶瓷等脆性材料玻璃、陶瓷等脆性材料推导的能量公式。在推导的能量公式。在金属材料金属材料中中，当裂纹扩展时，当裂纹扩展时，裂纹前端局部地区裂纹前端局部地区要发生一定的要发生一定的塑性变形。塑性变形。X射线射线分析证实分析证实金属断裂表面有金属断裂表面有塑性变形的薄层塑性变形的薄层。 奥罗万奥罗万(Orowan)提出，裂纹扩展所提出，裂纹扩展所释放的变形能释放的变形能不仅用于不仅用于表面能表面能，对于，对于金属材料，金属材料，更重要更重要的是用于的是用于裂纹扩展前的塑性变形能裂纹扩展前的塑性变形能 p 。则在葛里菲斯能量。则在葛里菲斯能量方程里应以方程里应以(p+)来代替来代替 。裂纹扩展的临界条

19、件应为：。裂纹扩展的临界条件应为： (2-5) 根据试验结果，塑性变形能根据试验结果，塑性变形能p比比大得多，因此大得多，因此可忽略不计，裂纹扩展的可忽略不计，裂纹扩展的临界条件：临界条件： (2-6) 即即塑性变形塑性变形是是阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展的主要因素。由能量原理看出，结构的的主要因素。由能量原理看出，结构的断裂断裂条件条件不仅决定于不仅决定于工作应力工作应力的大小，还取决于的大小，还取决于原始裂纹长度原始裂纹长度。这个结论和。这个结论和欧欧文文(1rwin)分析分析裂纹前端裂纹前端应力应变场应力应变场，考虑，考虑裂纹尖端应力集中裂纹尖端应力集中，建立新的裂纹，建立新的裂纹扩展临界条

20、件是完全一致的。在此基础上发展了扩展临界条件是完全一致的。在此基础上发展了断裂力学断裂力学。22E22E0)(22pE022pE2E122.3 金属材料脆性断裂及其影响因素金属材料脆性断裂及其影响因素2.3.1 金属材料断裂的金属材料断裂的基本概念基本概念 断裂断裂：是指金属材料受力后局部变形量金属材料受力后局部变形量超过一定限度超过一定限度时，原子间的时，原子间的结合力结合力受到受到破坏破坏，从而萌生微裂纹，继而发生扩展使金属断开，从而萌生微裂纹，继而发生扩展使金属断开。 断口断口：断裂表面的外观形貌断裂表面的外观形貌，它记录着有关断裂过程的许多信息。多晶体金属材料的断裂途径，可以是穿晶、沿

21、晶断裂、混晶断裂。 不同断裂机制断裂机制可应用断裂方式断裂方式、断裂性态、断裂形貌断裂性态、断裂形貌等术语来描述。 (1) “方式方式”是指在多晶体材料中断裂路径的走向在多晶体材料中断裂路径的走向，有穿晶穿晶或或沿晶界沿晶界两种两种。 穿晶方式穿晶方式可以是循解理面、滑移面或晶体学面的分离等。从宏观上看，穿晶断裂穿晶断裂可以是延性断裂，也可是脆性断裂(低温下的穿晶断裂)。 沿晶断裂沿晶断裂多数是脆性断裂。它是晶界上一薄层连续或不连续的脆性第二相、夹杂物破坏晶界的连续性造成的。如应力腐蚀、氢脆、淬火裂纹等均是沿晶断裂。13 (2) “性态性态”是表达断裂前材料的变形能力。是表达断裂前材料的变形能

22、力。延性延性是指在断裂前材料产生是指在断裂前材料产生一定的一定的塑性变形塑性变形；脆性脆性则指断裂前则指断裂前不发生或很少发生不发生或很少发生塑性变形。塑性变形。 脆性和延性的概念是脆性和延性的概念是相对相对的，它依赖于所采用的的，它依赖于所采用的标准标准和所采用的和所采用的判断方法判断方法，还依赖于，还依赖于材料材料。 (3) “形貌形貌” 是指用指用肉眼肉眼或或在显微镜在显微镜下在断口上所见到的现象。描述形貌下在断口上所见到的现象。描述形貌的典型用词如的典型用词如“纤维状纤维状”、“人字纹人字纹”、“海滩波纹状海滩波纹状”等。等。 对应不同对应不同断裂机制断裂机制，如，如解理断裂解理断裂或

23、或剪切断裂剪切断裂等，它们的断裂方式、等，它们的断裂方式、性态和断裂形貌是不一样的。通常性态和断裂形貌是不一样的。通常解理断裂解理断裂总是呈现总是呈现脆性脆性的，但有时的，但有时在解理断裂前也显示一定的在解理断裂前也显示一定的塑性变形。塑性变形。所以，所以，解理断裂解理断裂和和脆性断裂脆性断裂不不是同义词是同义词。前者指。前者指断裂机制断裂机制，后者则指断裂的，后者则指断裂的宏观形态宏观形态。142.3.2典型的典型的断裂机制断裂机制 (一一) 解理断裂解理断裂 在在正应力正应力作用下所产生的作用下所产生的穿晶断裂穿晶断裂，通常沿特定晶面即，通常沿特定晶面即解理面解理面分离。解理分离。解理断裂

24、多见于断裂多见于体心立方体心立方、密排六方密排六方金属和合金中金属和合金中(在钢中，在钢中，100面为解理面面为解理面)，面心立方面心立方晶体晶体很少很少发生。发生。 解理断裂机制解理断裂机制：当材料的当材料的塑性变形塑性变形过程严重受阻过程严重受阻(例如例如低温低温、高应变速率高应变速率及及高应力集中高应力集中情况下情况下)，材料，材料不易发生变形不易发生变形被迫从特定的被迫从特定的结晶学平面结晶学平面(解理面解理面)发生分离的断裂。金属中的发生分离的断裂。金属中的夹杂物、脆性析出物、其他缺陷夹杂物、脆性析出物、其他缺陷对解理裂纹的对解理裂纹的产生有重要影响。产生有重要影响。 解理断裂通常呈

25、现解理断裂通常呈现脆性脆性，不产生或产生很小的宏观塑性变形。，不产生或产生很小的宏观塑性变形。 图2-3 人字条纹人字条纹示意图D扩展方向O裂源 S剪切唇R放射条纹宏观形貌宏观形貌：解理：解理断口平齐断口平齐，断口上，断口上的结晶面在宏观上呈无规则取向，的结晶面在宏观上呈无规则取向，当断口在当断口在强光下强光下转动时，可见到转动时，可见到闪闪闪发光闪发光的小平面为的小平面为“小刻面小刻面”。另。另外，解理断口具有外，解理断口具有人字条纹人字条纹或或放射放射状条纹状条纹，人字纹，人字纹尖峰尖峰指向指向裂纹源裂纹源，如图如图2-3。矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的

26、性质称为解理，这些平面称为解理面解理面。15微观形貌：微观形貌：常出现的有常出现的有河流状河流状、舌状、扇形花样舌状、扇形花样等。在河流花等。在河流花样中，河流样中，河流汇合方向汇合方向就是就是裂纹扩展方向裂纹扩展方向，如图，如图2-4。 解理裂纹扩展所消耗的解理裂纹扩展所消耗的能量较小能量较小，其，其扩展速扩展速度度与在该介质中的纵向与在该介质中的纵向声波速度声波速度c0相当。相当。 例如：钢的例如：钢的c0=5020ms，观测到的，观测到的c0值为值为0.130.32范围，往往造成范围，往往造成脆性断裂脆性断裂构件的构件的瞬时整体瞬时整体破坏。破坏。 声音在不同介质中的速度：声音在不同介质

27、中的速度： 真空真空 0m/s（也就是不能传播）（也就是不能传播） 空气（空气（15）340m/s 空气（空气（25）346m/s 软木软木 500m/s 煤油（煤油（25）1324m/s 蒸馏水（蒸馏水（25）1497m/s 海水（海水（25）1531m/s 铜（棒）铜（棒）3750m/s 大理石大理石 3810m/s 铝（棒）铝（棒）5000m/s 铁（棒）铁（棒）5200m/s 水水 (常温）常温）1500m/s 图图2-4解理断口的微观特征解理断口的微观特征-河流状河流状花样。花样。图图2-4 解理断口的微观特征解理断口的微观特征-河流状花样河流状花样(一一) 解理断裂解理断裂16（二

28、）剪切断裂（二）剪切断裂-延性断裂延性断裂 剪切断裂是在剪切断裂是在切应力切应力作用下，沿作用下，沿滑移面滑移面的滑移方向而造成的的滑移方向而造成的断裂。断裂。 剪切断裂分为剪切断裂分为两种情况两种情况： （1）滑移或纯剪断）滑移或纯剪断（常发生（常发生纯单晶体纯单晶体） 金属在外力作用下沿金属在外力作用下沿最大切应力最大切应力的滑移面的滑移面滑移滑移，到一定，到一定程度而断裂。程度而断裂。 （2）微孔聚集型断裂）微孔聚集型断裂（多发生（多发生钢铁等钢铁等材料）材料） 在外力的作用下，因强烈滑移、位错堆积，在局部地方在外力的作用下，因强烈滑移、位错堆积，在局部地方常产生常产生显微空洞显微空洞，

29、这种空洞在，这种空洞在切应力切应力作用下作用下不断长大、聚集不断长大、聚集连接连接，并同时产生新的，并同时产生新的微小空洞微小空洞，最后导致整个材料，最后导致整个材料断裂断裂。 17 宏观形貌宏观形貌：纤维状纤维状，颜色发暗，有，颜色发暗，有滑移变形的痕迹滑移变形的痕迹。 纯剪切断口纯剪切断口：其断口平面与拉伸轴线成：其断口平面与拉伸轴线成45角角，表面平滑表面平滑，图，图2-5b。 微孔聚集型断口微孔聚集型断口：又称：又称杯锥状断口杯锥状断口。杯底部分与主应力方向垂直的。杯底部分与主应力方向垂直的平断口平断口,断口平面并非平直断口平面并非平直，而是由许多，而是由许多细小的凹凸小斜面细小的凹凸

30、小斜面组成，这些小斜面又和组成，这些小斜面又和拉伸拉伸轴线成轴线成45，图，图2-5a。图2-5 剪切断裂宏观形貌宏观形貌(从左至右表示断裂过程) a) 微孔聚集型断裂示意图 b) 纯剪断的示意图图2-6 三种不同形状的韧窝示意图a) 正交韧窝正交韧窝 b) 剪切韧窝剪切韧窝 c) 撕裂韧窝撕裂韧窝微观特征微观特征：韧窝状韧窝状。 韧窝花样形貌韧窝花样形貌在显微空洞在显微空洞中生核、长大和聚集过程中生核、长大和聚集过程中，与其周围的中，与其周围的应力状态应力状态和和变形均匀性变形均匀性有关，一般有关，一般出现出现三种不同形状三种不同形状的韧窝的韧窝花样，图花样，图2-6。 18三种不同形状的三

31、种不同形状的韧窝韧窝（微观形貌）（微观形貌） 正交韧窝形态：正交韧窝形态：等轴或圆形窝等轴或圆形窝，两个相匹配的断口，两个相匹配的断口表面上，韧窝的形状是相同的。表面上，韧窝的形状是相同的。形成原因：形成原因：在拉应在拉应力作用下，力作用下，最大主应力最大主应力方向方向垂直断口的表面垂直断口的表面，并且，并且应力在整个断口表面上的应力在整个断口表面上的分布是均匀的分布是均匀的，因此在垂，因此在垂直于主应力的杯底中心部分生核的显微空洞向各方直于主应力的杯底中心部分生核的显微空洞向各方向均匀长大，最后形成等轴韧窝。图向均匀长大，最后形成等轴韧窝。图a。 剪切韧窝形态：剪切韧窝形态：抛物线花样抛物线

32、花样，两个相匹配的，两个相匹配的断口表断口表面面上韧窝拉长方向上韧窝拉长方向相反相反。图。图b。 撕裂韧窝形态：撕裂韧窝形态：抛物线花样抛物线花样，但两个相匹配的断口，但两个相匹配的断口表面上韧窝拉长方向是表面上韧窝拉长方向是一致一致的，图的，图c。拉长韧窝的。拉长韧窝的形成是由于形成是由于显微空洞显微空洞在生核和长大过程中，四周所在生核和长大过程中，四周所承受的承受的应力和变形不均匀应力和变形不均匀所致。所致。 实际金属材料实际金属材料的断裂，由于的断裂，由于内部及外部原因内部及外部原因（缺陷、性能等）均较复杂，断裂常常不是单一的机缺陷、性能等）均较复杂，断裂常常不是单一的机制，其断口为制，

33、其断口为混合形貌构成混合形貌构成。 图2-6 三种不同形状的韧窝示意图a) 正交韧窝 b) 剪切韧窝 c) 撕裂韧窝 另外，另外，除除面心立方材料面心立方材料外外，所有，所有其他点阵类型其他点阵类型的金属均的金属均同时存有同时存有解理面解理面和和滑移面滑移面，当外界条件变化时，便可能由，当外界条件变化时，便可能由解理断裂解理断裂向向剪切型断裂剪切型断裂转化，或者转化，或者相反。这一点对于相反。这一点对于研究金属断裂研究金属断裂问题是问题是十分重要十分重要的。的。 19 综上所述，金属材料的综上所述，金属材料的脆性断裂脆性断裂特征，除了特征，除了2.1节节介绍的介绍的4点外，还具有点外，还具有脆

34、性断裂脆性断裂的的断口形貌特征断口形貌特征， 即：断裂平面一般近似地即：断裂平面一般近似地垂直于板材表面，塑性变形垂直于板材表面，塑性变形很小很小，因此其厚度减少不多，一般不超过，因此其厚度减少不多，一般不超过3。脆性断。脆性断裂断口一般是裂断口一般是发亮的晶粒断口发亮的晶粒断口，断口上常有，断口上常有人字纹人字纹或或放射状花样放射状花样。 另外，另外，脆性裂纹脆性裂纹一般为一般为扩展速度极快扩展速度极快的的解理裂纹解理裂纹，因此很难预防。因此很难预防。 202.3.3 影响金属材料脆性断裂的影响金属材料脆性断裂的主要因素主要因素1.2.3.4.应力状态的影响温度的影响主要因素有加载速度的影响

35、材料状态的影响211. 应力状态应力状态的影响的影响 物体在受外载时，不同的截面上产生不同的物体在受外载时，不同的截面上产生不同的正应力正应力和和切应力切应力。在主平面。在主平面作用最大正应力作用最大正应力max ，与主平面成，与主平面成45角的平面上作用有最大切应力角的平面上作用有最大切应力max。max和和max与加载方式有关，与加载方式有关，软性系数软性系数=maxmax 表示应力状态表示应力状态软硬程软硬程度度。 式中，为泊松比，而1。 当当max max，“软性软性”应力状态；当应力状态；当maxmax ，“硬性硬性”应力状应力状态。态。 在不同加载方式下，当在不同加载方式下，当ma

36、x未达到抗拉强度前，未达到抗拉强度前，max 先达到屈服点先达到屈服点， （即（即max max） ，则发生塑性变形而形成，则发生塑性变形而形成延性断裂延性断裂。 反之，在反之，在max达到屈服点前，达到屈服点前，max先达到抗拉强度先达到抗拉强度，（即，（即max max ） ，则发生，则发生脆性断裂脆性断裂。 因此，断裂形式断裂形式与与加载方式加载方式亦即亦即应力状态应力状态有关有关。（见表（见表2-2）231max（按最大切应力理论）（按最大切应力理论）max =1(2+3)（按第二强度理论）（按第二强度理论）单单轴轴应应力力三轴应力状态三轴应力状态22 图图2-7为构件受均匀拉应力时，

37、其中一个为构件受均匀拉应力时，其中一个缺口缺口根部根部出现高值的出现高值的应力和应变集中应力和应变集中情况；缺口情况；缺口越深越越深越尖尖，其，其局部应力和应变局部应力和应变也也越大越大。 三向应力产生机理：在受力过程中，三向应力产生机理：在受力过程中，缺口根部缺口根部材料的材料的伸长伸长，必然引起沿，必然引起沿宽度和厚度方向的收缩宽度和厚度方向的收缩，但由于但由于缺口尖端以外缺口尖端以外的材料受到的的材料受到的应力较小应力较小，引起，引起收缩收缩也较小；由于也较小；由于收缩不均匀收缩不均匀，缺口根部收缩受阻缺口根部收缩受阻，结果产生，结果产生宽度和厚度方向宽度和厚度方向的拉应力的拉应力x和和

38、z，导致，导致缺口根部形成缺口根部形成三向应力状态三向应力状态。 在在三向应力三向应力情况下，材料的情况下，材料的屈服点屈服点较较单向应力单向应力时时提高提高，即缺口根部材料的，即缺口根部材料的屈服点提高屈服点提高，从而使该，从而使该处处材料变脆材料变脆。 因此，因此，脆性断裂事故脆性断裂事故多起源于具有多起源于具有严重应力集严重应力集中效应中效应的的缺口处缺口处。 实验证明：许多材料处于实验证明：许多材料处于单向或双向拉应力单向或双向拉应力时，呈现时，呈现延性延性；当处于；当处于三向拉应三向拉应力力时，不发生塑性断裂而呈现时，不发生塑性断裂而呈现脆性脆性。 在实际结构中，在实际结构中，三向应

39、力三向应力可能由可能由三向载荷三向载荷产生，但更多情况是由于产生，但更多情况是由于结构结构的几何不连续性的几何不连续性引起的。虽然引起的。虽然整个结构整个结构处于处于单向或双向拉应力单向或双向拉应力状态下，但其状态下，但其局部地区局部地区由于设计或工艺不当，往往出现由于设计或工艺不当，往往出现局部三向应力局部三向应力状态的状态的缺口效应缺口效应。232温度温度的影响的影响 当当TTk时，时，b s，无缺口试件单轴拉伸，无缺口试件单轴拉伸时，先屈服再断裂，为延性断裂，即处于时，先屈服再断裂，为延性断裂，即处于塑性塑性状态状态；当；当TTk，若对材料加载，在破断前只，若对材料加载，在破断前只发生弹

40、性变形，发生弹性变形，不产生塑性变形不产生塑性变形，材料呈现，材料呈现脆脆性断裂性断裂，即处于，即处于脆性状态脆性状态。 韧脆转变温度韧脆转变温度Tk ：从一个状态向另一个从一个状态向另一个状态转变的温度。状态转变的温度。Tk越低越低，则材料处于，则材料处于延性延性状状态的温度态的温度范围越广范围越广；反之，一切促成；反之，一切促成Tk升高的升高的因素因素，均将，均将缩小缩小材料塑性状态的材料塑性状态的范围范围，增大材，增大材料产生料产生脆性断裂脆性断裂的趋势。因此的趋势。因此Tk是是衡量材料抗衡量材料抗脆性破坏脆性破坏的的重要参数重要参数。 金属在金属在高温高温时，具有时，具有良好的变形能力

41、良好的变形能力，当，当温度降低温度降低时，其变形能力就时，其变形能力就减减小小，金属这种，金属这种低温脆化低温脆化的性质称为的性质称为“低温脆性低温脆性”。它是金属材料。它是金属材料屈服点屈服点随温随温度度降低急剧增加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却却对温度变化对温度变化十分敏感十分敏感。温度降低温度降低，屈服点屈服点急剧急剧升高升高，故两曲线相交于一点，故两曲线相交于一点，交点对应的温度为交点对应的温度为Tk -韧脆转变温度韧脆转变温度(见图见图2-8)。s塑性状态脆性状态243加载速

42、度加载速度的影响的影响 提高加载速度提高加载速度能促进材料能促进材料脆性破坏脆性破坏，其作用相当于，其作用相当于降低温度降低温度。原因：钢的原因：钢的屈服点屈服点不仅取决于不仅取决于温度温度，而且还取决于，而且还取决于加载速度加载速度或或应变速率应变速率。即即随着应变速率的提高，材料的屈服点提高。随着应变速率的提高，材料的屈服点提高。 在同样加载速率下，当结构中在同样加载速率下，当结构中有缺口有缺口时，时，应变速率应变速率可呈现出可呈现出加倍不利加倍不利影响。影响。由于由于应力集中应力集中的影响，的影响，应变速率应变速率比无缺口结构比无缺口结构高得多高得多，从而大大降低材料的，从而大大降低材料

43、的局部塑性局部塑性。这也说明为什么结构钢一旦产生脆性断裂，就很容易产生扩展现象。 原因：当原因：当缺口根部缺口根部小范围金属小范围金属材料发生材料发生断裂断裂时，则在时，则在新裂纹尖端处新裂纹尖端处立即受立即受到到高应力和高应变高应力和高应变的的载荷载荷。即：一旦。即：一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率缺口根部开裂，就有高的应变速率，而，而不管其原始加载条件是动载还是静载，此后随着不管其原始加载条件是动载还是静载，此后随着裂纹裂纹加速扩展，加速扩展，应变速率应变速率更更急剧增加，致使结构急剧增加，致使结构最后破坏最后破坏。延性延性-脆性转变温度与应变速率的关系，脆性转变温度与应变速率的关系，图

44、图2-9。254材料状态材料状态的影响的影响 1) 厚板厚板在在缺口处缺口处容易形成容易形成三向拉应力三向拉应力，因为沿，因为沿厚度方向厚度方向的收缩应力和变形的收缩应力和变形受到受到较大限制较大限制，形成，形成平面应变状态平面应变状态；而；而薄板薄板材料，在材料，在厚度方向厚度方向能比较能比较自由自由地收缩地收缩，故厚度方向的应力较小，接近于，故厚度方向的应力较小，接近于平面应力状态平面应力状态。 平面应变状态平面应变状态的的三向应力三向应力使材料变脆。使材料变脆。 图2-10 脆性断裂开始温度与板厚的关系(1) 厚度的影响厚度的影响 厚度厚度对脆性破坏的不利影响可由以下对脆性破坏的不利影响

45、可由以下两种因素两种因素来决定：来决定：2) 冶金因素：一般说来，生产冶金因素：一般说来，生产薄板薄板时时压延压延量大量大，轧制终了，轧制终了温度较低温度较低，组织细密组织细密； 相反，相反，厚板厚板轧制次数较少，终轧轧制次数较少，终轧温度温度较高较高，组织疏松组织疏松，内外层均匀性较差。，内外层均匀性较差。 图图2-10 可见，可见，钢板越厚，其钢板越厚，其低温脆性低温脆性倾向越显著。倾向越显著。 26(2) 晶粒度的影响晶粒度的影响 晶粒晶粒直径越小直径越小其韧脆转变其韧脆转变温度越低温度越低，如图，如图2-11。图2-11 韧脆转变温度和铁素体晶粒直径的关系27 (3) 化学成分的影响化

46、学成分的影响 有害元素：有害元素： 钢中的钢中的C、N、O、S、P均增均增加钢的加钢的脆性脆性。 图图2-12 ，随着，随着含含C量的增加量的增加，钢的钢的韧脆转变温度韧脆转变温度提高。提高。有益元素：有益元素： 合金元素合金元素Mn、Ni可以改善钢可以改善钢的脆性，的脆性，降低降低韧脆转变温度。韧脆转变温度。 （图（图2-13） V、Ti元素元素在加入量适当时，在加入量适当时，也有助于减少钢的脆性。也有助于减少钢的脆性。282.4 焊接焊接结构特点结构特点和和工艺因素工艺因素对脆性断裂的影响对脆性断裂的影响 焊接结构脆性断裂事故的发生，除了由于焊接结构脆性断裂事故的发生，除了由于材料选用材料

47、选用不当不当之外，之外，结构的设计结构的设计和和制造制造不合理也是发生脆性断裂的重要原不合理也是发生脆性断裂的重要原因。在因。在60个个脆性破坏事故的实例中，有脆性破坏事故的实例中，有1l例例是由于是由于设计不佳设计不佳所致，所致，9例例是由于是由于焊接缺陷焊接缺陷所致。可见，焊接结构的所致。可见，焊接结构的设计和设计和制造制造在脆性断裂事故中的重要性。在脆性断裂事故中的重要性。 在在设计设计中尽量避免和降低中尽量避免和降低应力集中应力集中，并在，并在制造制造过程中加过程中加强管理和检查，防止强管理和检查，防止工艺缺陷工艺缺陷，是减少和消除，是减少和消除脆性破坏事故脆性破坏事故的重要措施。的重

48、要措施。 为了合理设计和制造焊接结构，必须对焊接为了合理设计和制造焊接结构，必须对焊接结构的特点结构的特点有有充分的了解充分的了解。292.4.1 焊接焊接结构的特点结构的特点对脆性断裂的影响对脆性断裂的影响 1焊接结构比铆接结构焊接结构比铆接结构刚度大刚度大 焊接焊接为为刚性连接刚性连接，连接构件，连接构件不能不能产生产生相对位移相对位移。而。而铆接铆接则由于则由于接头有一定相对位移的可能性，而使其接头有一定相对位移的可能性，而使其刚度相对降低刚度相对降低，在工作，在工作条件下，足以减少因条件下，足以减少因偶然载荷偶然载荷而产生而产生附加应力附加应力的危险。的危险。 在焊接结构中，由于在设计

49、时在焊接结构中，由于在设计时没有考虑没有考虑到这一因素，往往能引到这一因素，往往能引起较大的起较大的附加应力附加应力。特别是在。特别是在温度降低温度降低而材料的而材料的塑性变坏塑性变坏时，时，这些这些附加应力附加应力常常会造成结构的脆性破坏。常常会造成结构的脆性破坏。 附加应力附加应力的例子：的例子： 1947年年12月，原苏联曾发生几个月，原苏联曾发生几个4500m3储油器的局部脆性储油器的局部脆性断裂事故。断裂事故。温度不均温度不均所造成的所造成的附加应力附加应力是这些储油器破坏的重是这些储油器破坏的重要原因。当大气温度下降到要原因。当大气温度下降到-42后，一方面由于材料本身的后，一方面

50、由于材料本身的塑塑性降低性降低，另一方面由于容器的，另一方面由于容器的内外温度不同内外温度不同，底部和筒身的温，底部和筒身的温度不一样，度不一样，筒身的向风面筒身的向风面与与背风面的温度背风面的温度也有也有差别差别，在筒身就，在筒身就形成形成复杂的附加应力场复杂的附加应力场，因而造成结构的破坏。，因而造成结构的破坏。30 另外另外，焊接结构比铆接结构，焊接结构比铆接结构刚度大刚度大，所以对，所以对应力集中应力集中特别敏感，如果设计中特别敏感，如果设计中采用应力集中系数很高的采用应力集中系数很高的搭接接头搭接接头，或采用，或采用骤然变化的截面骤然变化的截面，当，当温度降低温度降低时时,结构就有发

51、生结构就有发生脆性断裂脆性断裂的危险。的危险。 美国美国“自由轮自由轮” ，当采用，当采用铆接结构铆接结构时，虽然应力集中很大，但并时，虽然应力集中很大，但并未发生未发生过脆性破坏过脆性破坏事故。而在采用事故。而在采用焊接结构焊接结构后，却发生了一系列后，却发生了一系列脆性破坏脆性破坏事故。事故。 研究发现：除研究发现：除材料选用不当材料选用不当外，船体外，船体设计不合理设计不合理也是造成其破坏的重要也是造成其破坏的重要原因之一。图原因之一。图a最初设计由于最初设计由于拐角处为一尖角，应力集中拐角处为一尖角，应力集中很大；很大；图图b改进后的改进后的设计由于采用设计由于采用圆滑过渡的拐角，应力

52、集中得到缓和圆滑过渡的拐角，应力集中得到缓和。改进后的设计。改进后的设计承载能力承载能力增加到增加到1.4倍倍，而所需，而所需破坏能量破坏能量增加增加25倍倍。图图2-14 “自由轮自由轮”甲板舱口设计对比甲板舱口设计对比a) 最初设计最初设计 b) 改进后设计改进后设计31 2焊接结构具有焊接结构具有整体性整体性 这一特点为设计制造合理的结构提供了广泛的可能性，这一特点为设计制造合理的结构提供了广泛的可能性，因此因此整体性强整体性强是是焊接结构焊接结构的的优点之一优点之一，但是，但是如果设计不当如果设计不当，或制造不良或制造不良，这一优点反而可能增加焊接结构脆性断裂的危，这一优点反而可能增加

53、焊接结构脆性断裂的危险。险。 因为由于焊接结构的因为由于焊接结构的整体性整体性，它将给，它将给裂纹的扩展裂纹的扩展创造十创造十分有利的条件。当焊接结构工作时，一旦有分有利的条件。当焊接结构工作时，一旦有不稳定的脆性裂不稳定的脆性裂纹出现纹出现，就有可能，就有可能穿越接头扩展至结构整体穿越接头扩展至结构整体，而使结构整体，而使结构整体破坏。破坏。 而而铆接结构铆接结构，当出现不稳定的脆性裂纹后，只要，当出现不稳定的脆性裂纹后，只要扩展到扩展到接头处接头处，就可自然止住，就可自然止住，避免更大灾难避免更大灾难的出现。因此在某些的出现。因此在某些大型焊接结构大型焊接结构中，有时仍中，有时仍保留少量的

54、铆接接头保留少量的铆接接头。 例如：在一些船体中，例如：在一些船体中，甲板与舷侧顶列板甲板与舷侧顶列板的连接就是采的连接就是采用用铆接铆接连接。连接。322.4.2 焊接结构焊接结构制造工艺制造工艺的特点的特点对脆性断裂的对脆性断裂的影响影响 焊接过程焊接过程可给焊接结构的接头带来如下一些可给焊接结构的接头带来如下一些不利的不利的影响影响： 1两类应变时效两类应变时效引起的局部脆性引起的局部脆性 2焊接接头焊接接头金相组织金相组织改变对脆性的影响改变对脆性的影响 3焊接缺陷焊接缺陷的影晌的影晌 4焊接焊接残余应力残余应力的影响的影响 331两类应变时效两类应变时效引起的局部脆性引起的局部脆性

55、在焊接结构在焊接结构制造过程中制造过程中，一般包括，一般包括切割切割、冷热成形冷热成形(剪切、弯曲、剪切、弯曲、矫正等矫正等)、焊接焊接等等工序工序，其中一些工序可能，其中一些工序可能提高提高钢材钢材韧韧-脆转变温脆转变温度度，使材料变脆。，使材料变脆。 （1）在焊接结构生产过程中的）在焊接结构生产过程中的剪切、冷作矫形、弯曲剪切、冷作矫形、弯曲等，等，经过经过冷加工冷加工产生一定的产生一定的塑性变形塑性变形，随后又经，随后又经160450温度范温度范围的加热就会引起围的加热就会引起应变时效应变时效，导致脆化。，导致脆化。 （2）在）在焊接时焊接时，近缝区某些刻槽近缝区某些刻槽，即，即缺口尖端

56、附近缺口尖端附近或多层或多层焊道中已焊完焊道中的焊道中已焊完焊道中的缺陷附近缺陷附近，金属受到，金属受到热循环和热塑变循热循环和热塑变循环环(150450 )的作用，产生的作用，产生焊接应力焊接应力-应变集中应变集中，导致较大的，导致较大的塑性变形塑性变形，引起，引起应变时效应变时效，称为，称为动应变时效动应变时效(热应变脆化热应变脆化)。 钢的钢的应变时效机理应变时效机理：塑性变形时塑性变形时或或变形后变形后，固溶状态的间隙溶质（，固溶状态的间隙溶质（C、N）与位错交互作用，与位错交互作用，“钉扎钉扎”位错位错阻止变形阻止变形的物理本质，从而导致的物理本质，从而导致强度提高，强度提高，韧性下

57、降韧性下降的力学冶金现象。的力学冶金现象。 34 许多许多碳碳-锰低强度结构钢锰低强度结构钢对对应变时效应变时效脆化比较敏感，它将大大脆化比较敏感，它将大大降低降低钢材的钢材的塑性塑性，提高提高材料的材料的韧韧-脆转变温度脆转变温度，促进焊接结构，促进焊接结构的的脆性破坏脆性破坏。 应变时效应变时效导致焊接结构脆性破坏的实例很导致焊接结构脆性破坏的实例很常见的常见的。例如：。例如：某某储油罐储油罐的脆性破坏事故，破坏始于的脆性破坏事故，破坏始于罐体和底板的连接处罐体和底板的连接处，扩，扩展后达到展后达到顶部顶部。 检查后表明检查后表明：这种：这种钢材钢材对应变时效对应变时效非常敏感非常敏感，离

58、钢材，离钢材剪切剪切边缘边缘不同距离处缺口韧性有不同距离处缺口韧性有急剧的变化急剧的变化。钢板本身钢板本身的转变温度的转变温度为为-8，但距，但距剪切边缘剪切边缘6mm处，转变温度为处，转变温度为+53，距剪切边，距剪切边缘缘20mm处为处为+36。 主要原因主要原因：剪切剪切引起引起冷作应变冷作应变，随后进行的，随后进行的焊接工序焊接工序引起引起应变时效应变时效所致。因此，该对焊接接头的所致。因此，该对焊接接头的应变时效区应变时效区应充分注意应充分注意。 应变时效应变时效:钢材经一定量塑性变形之后在常温下长期停留，钢材经一定量塑性变形之后在常温下长期停留，或经或经100300加热一定时间后，

59、其常温冲击功加热一定时间后，其常温冲击功值及塑性下降而硬度提高的现象。值及塑性下降而硬度提高的现象。 35 试验结果试验结果：以以冷弯变形冷弯变形(20预弯预弯)试件的转变温度为试件的转变温度为最低最低，而，而250预弯预弯的转变温度为的转变温度为最高最高。 焊后热处理焊后热处理(550650)可以消除可以消除两类应变时效两类应变时效对低碳钢和一些合金结构对低碳钢和一些合金结构钢的影响，钢的影响，恢复其韧性恢复其韧性。因此，对应变。因此，对应变时效时效敏感的钢材敏感的钢材，焊后热处理不但可以，焊后热处理不但可以消除消除焊接焊接残余应力残余应力，而且可以消除，而且可以消除应变应变时效的脆化影响时

60、效的脆化影响，对防止结构脆性断裂，对防止结构脆性断裂是有利的。是有利的。图2-15 不同温度下预应变对COD值的影响1母材 2+20预弯，250下时效12h3150预弯 4350预弯 5250预弯对比两类应变时效：对比两类应变时效：动应变时效动应变时效对脆性的影响往往对脆性的影响往往更为不利更为不利。 图图2-15是某是某碳碳-锰钢锰钢在不同温度下预应变对断裂时在不同温度下预应变对断裂时COD值值(裂纹张开位移裂纹张开位移)的影响。试验分的影响。试验分4组进行，一组是在组进行，一组是在20下下预弯预弯，再在，再在250下时效下时效12h(模模拟拟冷变形冷变形引起的应变时效引起的应变时效)，其他