焊接结构断裂性能课件

1、焊接结构第三章 焊接结构断裂性能本章学习要点第3章 焊接结构断裂性能知识要点掌握程度相关内容金属材料脆性断裂了解脆性断裂的特征，掌握金属材料断裂的机制、形态，熟悉金属材料脆性断裂的影响因素。低温、快速、无塑性变形；脆性断裂、延性断裂和韧性-脆性断裂；应力状态、温度、加载速度、材质状态和厚度。焊接结构脆性断裂掌握焊接结构和制造工艺特点，熟悉其对脆性断裂的影响。刚性大、整体性强；应变时效、金相组织、焊接缺陷、残余应力。抗开裂性能和止裂性能了解焊接结构的设计准则，熟悉抗开裂性能和止裂性能，及其试验方法。引发临界温度、止裂临界温度；Wells宽板拉伸试验、断裂韧性试验、Niblink试验；落锤试验、动

2、态撕裂试验、落锤撕裂试验。焊接结构脆断的预防措施熟悉正确选用焊接结构材料的方法，掌握焊接结构合理设计的原则。尽量减少应力集中、尽量降低结构刚度、不采用过厚板材、重视次要焊缝的设计焊接结构安全评定了解焊接结构安全评定的作用，熟悉焊接结构安全评定方法，掌握评定过程和具体程序。“合于使用”原则及其作用；面型缺陷评定方法，体型缺陷评定方法。晶间断裂晶内断裂图 各种断裂微观形貌解理型断口穿晶韧窝断裂序言： 焊接结构应用的数十年间，为人类文明做出了巨大的贡献，这是不可磨灭的。 但是，由于人类对于焊接结构的特性认识不足，制造工艺不当，维护不及时，历史上也出现过一些灾难性的事故。 因此，焊接工作者尤其应该深刻

3、汲取历史留给人们的惨痛教训，发挥自身的聪明才智，更为科学合理地利用资源，保护环境，创造更加辉煌的未来！易发生脆断的几种典型结构桥 梁工况：冬季寒风、超载重载车辆、 伴随较强振动（冲击性）；舰 船工况：冰雪季节、动荡加载或 与冰块频繁撞击；压力容器工况：承受高压载荷、内部装 载低温介质或裸露在低温环境。工况特点：低温、高应力（集中）、动载荷！ 制造这类产品时，应高度重视！断裂：金属材料受力后局部变形量超过一定限度时，原子间的结合力受到破坏，从而萌生微裂纹，继而发生扩展使金属断开，是材料失效的主要形式之一。断裂脆性断裂延性断裂(塑性断裂、韧性断裂)第一节 脆性断裂的特征3.1.1 研究脆断的意义T

4、ITANIC断裂事故1912年当年最为豪华、号称永不沉没的Titanic首航沉没于冰海，成了20世纪令人难忘的悲惨海难。1985年以后，探险家们数次潜到12612英尺的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国Popular Science杂志发表了R Cannon的文章，标题是“what really sank the titanic”，付标题是”为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Tita

5、nic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果 1968年4月，高强度钢制造球形容器，在最后耐压试验升压阶段发生破裂事故。德山球形容器脆断事故 日本德山球形容器(2226m3)的脆断事故就是由于采用了过大的焊接线能量而造成的。该容器采用HT80高强钢焊接，板厚为30mm，焊后进行水淹试验时破裂。按工艺规定，应采用的焊接线能量为48kJ/cm，但由于冬季施工，焊接时采用的预热温度偏高，焊接线能量也偏大，事故分析表明，脆断起源点的焊接线能量为80kJ/cm，大大超过了规定的线能量，致使焊缝和热影响区的韧性显著降低。3.1.2 脆性断裂的特征 几乎没有塑性变形，具有突然破坏的性质； 脆断时所需能量小，破坏

6、应力往往低于材料的屈服强度，属于低应力破坏； 裂纹扩展速度快，瞬时扩展到结构大部分或全体，直至断裂。断裂不易发现和预防。 脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；通常在较低温度下发生。 本节提要： 具体分析金属脆断的影响因素时，又可从总体上将它们分为内因和外因。 本节的任务就是： 1)通过对脆断影响因素的深入分析，全面认识脆断的本质与产生机理； 2)学会使用应力状态图综合判定金属的断裂性质及相关问题。第二节 金属材料的断裂及其影响因素3.2.1 金属材料断裂的机制和形态3.2.1.1 脆性断裂脆性断裂：沿一定结晶面劈裂的解理断裂及晶界断裂。脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。解理断裂是材

7、料在正应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿晶内一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。是一种晶内断裂。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。(1)解理断裂宏观特征：不产生或产生较小的宏观塑性变形 宏观断口平齐 断口有金属光泽 与主应力方向垂直微观特征：河流花样、舌状花样、扇形花样解理断裂的特征图 解离断裂a-宏观断口-人字行花样；b，c-微观断口-河流花样；A-台阶；B-河流花样D-扩展方向 O-裂纹源 S-剪切唇 R-放射条纹图3-1 人字纹示意图 图3-2断口微观特征-河流状花样 沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原

8、子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。(2)晶界断裂(沿晶断裂)沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相 微量有害杂质元素在晶界上偏聚 由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。图 沿晶断裂的断口形貌宏观特征：无塑性变形 颗粒状或粗瓷状 色泽较灰暗 断口表面平齐 边缘有剪切唇微观特征：明显的多面体，岩石状花样、冰糖块状花样晶界断裂的特征金属脆断的断口特征： 1）断面颜色： 解理断裂：金属光泽； 晶界断裂：较灰暗； 2）宏观断口： 解理断裂：断口平齐，有放射状撕裂棱形，即 人字纹，

9、其尖锋指向裂纹源； 晶界断裂：表面平齐，呈颗粒或粗瓷状，边缘有剪切唇； 3）微观断口： 解理断裂：河流花样、舌状花样、扇形花样； 晶界断裂：岩石状、冰糖状。3.2.1.2 延性断裂 大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断裂，往往只发生延性断裂。 延性断裂滑移或纯剪切断裂微孔聚集型断裂(1)滑移或纯剪断裂金属在外力作用下沿最大切应力的滑移面滑移，至一定程度而断裂。常发生在纯的单晶体中。断口平面与拉伸轴线大致呈45角，表面平滑。图3-4a 纯剪断的示意图(2)微孔聚集型(杯锥状)断裂外力作用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在使周围形成位错塞积。随外力继续增加，形成微空穴。随外力继

10、续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会聚集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。杯底部分一般与主应力方向垂直的平断口，断口平面并非完全平直，由许多细小的凹凸小斜面组成，小斜面和拉伸轴线成45角图3-4b 微孔聚集型断裂示意图延性断裂的特征：宏观断口：纤维状、色泽灰暗、有剪切唇、有塑性变形微观断口：韧窝图3-5 韧窝状花样断口电镜图像 韧窝的形成机理为空洞聚集： 图 空洞聚集的过程图 棒材拉伸断口示意图材料特性 材料强度第二相颗粒的尺寸形态分布应力状态类型大小韧窝的尺寸和形状与 图3-6 三种韧窝的形成过程 (a) 等轴韧窝 (b) 剪切韧窝(c) 撕裂韧窝图 按断裂路径分类示意图a-穿晶断裂；b

11、-沿晶脆断；c-沿晶韧断3.2.1.3韧性脆性断裂大多数塑性金属材料随温度的下降会发生从韧性断裂向脆性断裂过渡的情况，这种断裂类型的转变称为韧性-脆性的转变，所对应的温度称为韧性-脆性转变温度。一般体心立方金属韧性-脆性转变温度高，而面心立方金属一般没有这种温度效应。 3.2.2 影响金属脆断的主要因素 1)引起脆断的外部三要素： 应力状态、温度条件、加载速度。 深入理解： 温度条件是引发金属脆断的前提促成脆性转变！ 应力状态是决定断裂性质的天平基于载荷形式！ 加载速度则是促成脆断的导火索胜似雪上加霜！ 2)引起脆断的内部要素：材料状态 1）联合强度理论 基本概念： 材料某一单元体受力状态可能

12、是多种多样，但是，材料内部产生的最大正应力和最大切应力是有极限的。 当最大切应力未达到极限值时，最大正应力首先达到极限值则发生脆性断裂； 当最大正应力未达到极限值时，最大切应力首先达到极限值则发生延性断裂。具体分析外部三要素3.2.2.1应力状态的影响2）力学状态图： 力学状态图联合强度理论的转化形式！ 应力状态图mamax12切断抗力bSOT正断抗力b屈服抗力s3）应力状态指标: 力学状态图中，过坐标原点的直线与横坐标轴的夹角的正切值，即定义为应力状态指标。 显然，r max /max 其数值对应于一定的应力状态是不变的。 在力学状态图中， SoT 正断抗力； ts 剪切屈服极限； tb 剪

13、断抗力。 r小则材料易于脆性断裂，r大则材料倾向于延性断裂。 4）常见加载形式对应的应力状态载荷状态正应力最大剪切应力应力状态断裂形式拉三向等轴1=2=3max=0r=0脆性断裂三向应力123max=(1-3)/20r23max=(1-3)/20r珠光体上贝氏体下贝氏体回火马氏体（3）晶粒度和各向异性Tc为转变温度（K）；d为晶粒直径（mm）。 图3-11 转变温度和屈服点与低碳钢晶粒度的关系(1)尺寸的影响实际上由于屈服和断裂经常是从材料表面开始，所以表面缺陷数目增加将导致流动和断裂的倾向。在厚板的截面中，存有缺陷的可能性更大；大截面造成的拘束度可引发高值应力；快速屈服和断裂时，所释放的弹性

14、应变能依赖于试样尺寸。因此，随着厚度增加，材料的性能降低。3.2.2.5 板厚图 钢的轧制使晶粒细化(2)冶金因素轧棍 一般说来，生产薄板时压延量大，轧制温度较低，组织细密；相反，生产厚板时轧制次数少，终轧温度较高，组织疏松。显然厚板的延、韧性均较差。(3)缺口的影响 厚板结构在受力时沿厚度方向的变形受到很大限制，形成平面应变状态，在缺口处易出现三向拉应力，使脆断倾向增大。图3-12 试样尺寸对应力-应变曲线形状的影响本节提要: 本节侧重焊接工艺引起的新矛盾、新问题第三节 焊接结构的脆性断裂3.3.1 焊接结构的特点对脆断的影响(1)焊接结构刚性大 不能产生相对位移，将引起较大的附加应力 对应

15、力集中特别敏感(2)焊接结构整体性强 给裂纹的扩展创造十分有利的条件a.拐角处为一尖角，应力集中大承载能力为680吨(计算应力相当于166N/mm2)，破坏能量为25870Jb.采用圆滑过渡拐角，应力集中得到缓和承载能力为910吨(计算应力相当于255N/mm2)，破坏能量为660520J图 “自由轮”甲板舱口设计对比a-原始设计； b-改进设计 3.3.2 焊接制造工艺对脆断的影响 1) 时效的概念在一定温度下，材料性能随时间发生变化的现象称为时效。 其英文为aging，即age的现在分词。 2) 应变时效 静应变时效（也称冷变形时效或冷应变脆化）； 动应变时效（也称热应变时效或热应变脆化）

16、。3.3.2.1 应变时效引起的局部脆性应 变 时 效：是指金属经过一定量的塑性变形后，再经历150400温度范围的加热作用而造成的材料塑性下降的现象。静应变时效：是指金属经过“ 冷加工”而产生一定量的塑性变形导致的应变时效。动应变时效：是指金属经过“热循环”而产生一定量的热塑性变形导致的应变时效。 3)应变时效产生的危害 有害的时效往往使材料性能变坏：硬度提高，塑性下降，韧性变差。 热应变时效使材料塑性极度下降，即所谓“塑性耗竭”！4）应变时效的消除 静应变时效：切削时变形小，可铇去冷变形部分；或采用550560热处理。 动应变时效：多产生于应力集中处，危害较大。采用550560热处理，同时

17、还可消除残余应力，改善局部脆性。 焊接过程的快速加热和冷却，使焊缝本身和热影响区发生一系列组织变化，该区具有比母材高的韧-脆转变温度，成为焊接接头的薄弱环节。3.3.2.2 焊接接头微观组织对脆性的影响1-母材 2-母材热应变时效区 3-细晶粒热影响区 4-粗晶粒热影响区 5-焊缝图3-15某碳-锰钢焊接接头不同部位的COD试验结果q过小 导致淬硬组织，易产生裂纹。q过大 导致晶粒粗大，材质脆化，韧性减小。图3-16 不同焊接热输入对某碳-锰钢焊接接头的热影响区冲击韧度的影响 焊接工艺要合理控制焊接线能量。3.3.2.3 焊接缺陷对脆断的影响 焊接接头中，大约40的脆断事故是从焊接缺陷处开始的

18、。在外载作用下，裂纹前沿附近会产生少量塑性变形，同时尖端有一定量的张开位移，使裂纹缓慢发展，当外载增加到某一临界值时，裂纹即以高速度扩展，此时裂纹如位于高值拉应力区，往往引起整个结构的脆性断裂。 除去裂纹以外，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝表面成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏。 区别对待 焊接缺陷的影响与其所在的位置和种类有关! 影响的本质 损失承载截面;形成缺口效应,导致应力集中! 防止措施 改进工艺,加强管理,强化检测手段!运用质量管理体系的功能，尽最大可能消除焊接缺陷！3.3.2.4 残余应力对脆断的影响(1)考虑工作温度时的影响当温度低于脆性转变温度：有不利影响 如果

19、焊接残余应力为拉应力，拉伸残余应力将和工作应力迭加共同起作用，在外加载荷很低时，发生低应力脆性破坏。 拉伸残余应力一般只限于焊缝附近部位，所以在焊缝附近的峰值残余应力有助于断裂的发生。 当温度高于脆性转变温度：无不利影响(2)考虑残余应力分布时的影响较宽的拉应力区裂纹穿过整个试件有较大的残余压应力区裂纹在压应力区拐弯并停止扩展(3) 对脆断裂纹扩展方向的影响图3-19 裂纹扩展路径若试件未经退火，试验时也不施加外力，冲击引发裂纹后，裂纹在残余应力作用下，将沿平行焊缝方向扩展(N30W-3)。随着外加应力的增加，开裂路径越来越接近与外加应力方向垂直的试件中心线。如果试件残余应力经退火完全消除，则

20、开裂路径与试件中心线重合(N30WR-1)。第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施4.1 焊接结构设计准则 焊接结构脆性破坏的两个步骤：产生脆性裂纹裂纹快速扩展结构破坏 焊接结构设计准则：开裂控制即防止裂纹产生准则要求焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗开裂性能扩展控制即止裂性能准则要求如果在焊接结构最薄弱部位产生了裂纹，其周围材料应具有将其迅速止住的能力，即止裂性能总括：焊接结构发生脆断的危险依然存在！ 防止焊接结构脆断的策略应该从多方面着眼： 1）选择与实际工况匹配的低温韧性好的母材；满足缺口韧性指标的要求！ 2）优化结构设计,完善制造工艺，消除焊接缺陷、焊接应力

21、与变形带来的危害！ 3）强化质量意识和质量保证体系,实现产品的全程质量监控！4.2 防止焊接结构脆性断裂的选材原则选择材料的基本原则是既要保证结构的安全使用，又要考虑经济效果。一般地，应使所选用的母材和焊接用材料保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。含义是：第一，焊缝、热影响区、融合区等薄弱部位具有足够的抗开裂性能；母材具有一定的止裂性能。第二，随着钢材强度的提高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降 。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。特别不应该单纯追求强度指标，护士其他性能。夏比冲击试验方法试样尺寸: 101055缺口型式: V型试验方法: 参考GB/T 229-94试验目的：在不同温度下对

22、一系列试件进行试验找出其韧脆特性与温度的关系应用意义: 相对评价材料的性能; 安全评价的依据.图 缺口冲击实验衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度 ak (ak Ak/Fk )冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。钢韧性最高，无明显的Tk ，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk ，低温韧性差；高强度M钢韧性最差，即使室温韧性好很低。能量准则法实验证明，随着温度的上升，打断试件所需的冲击吸收功也显著上升，可以用它来衡量材料的韧-脆转变温度。一般认为，这种能量

23、转变主要取决于裂纹产生前和裂纹开始扩展时缺口根部的塑性变形值:当塑性变形较小时，需要较小的冲击吸收功；当塑性变形较大时，需要较大的冲击吸收功；钢材韧性的评定方法图3-34 冲击试验及其评定标准-冲击吸收功温度（）断口形貌准则法以试件断口形貌来衡量转变温度特性，称为断口形貌转变温度；是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，表示金属由晶粒状破坏向纤维状剪切破坏的转变：在温度较低时，试件具有扩展快、吸收功低的解理断口；在温度较高时，试件具有扩展慢、吸收功高的剪切破坏断口；图3-34 冲击试验及其评定标准-断口形貌法温度（）延性准则法测量冲击试件缺口根部厚度随温度的变化；随温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口

24、表面的横向膨胀量；通常采用的转变温度微对应于3.8%的侧向膨胀率。图3-34 冲击试验及其评定标准-延性法温度（）图 系列冲击试验4.3 防止焊接结构脆断的设计原则 (1) 尽量减少应力集中 焊缝位置应在平滑过渡处； 选用应力集中小的接头形式 接头形状应圆滑过渡； 焊缝应布置在易焊易检的位置； 避免焊缝过于密集；（a）不可采用 （b）可以采用 图3-37 尖角过渡和平滑过渡的接头（a）不合理 （b）合理图3-38 封头设计时合理与不合理的接头 (a) 厚板双面减薄 (b) 厚板单面减薄 (c) 填充材料过渡图3-39 不同板厚接头设计方案图3-40 不易施焊的焊态部位举例不合理 合理图3-41

25、 避免焊缝密集的措施不合理 合理图3-42 避免焊缝交叉的措施(2) 尽量减小结构刚度 不采用过厚截面； 结构重要部位刚性过大应开缓和槽。图3-43 容器开缓和槽(3)不采用过厚的截面厚度大，钢材的转变温度高厚度大，晶粒粗厚度大，刚度大厚度大，易形成三轴应力状态 (4) 充分注意受力构件上的不重要焊缝 例如：船体、容器上的挂钩、支架等。 原则：能不焊就不焊！ 分析：不重要焊缝往往不被重视，产生缺陷的可能性大！然而，这些缺陷又处在受力构件上，因而，导致受力 构件的低应力破坏。 (5) 充分考虑焊接残余应力和变形的影响 在第二章已经重点讨论了焊接残余应力和变形的危害。 重点从两个方面理解： 构成复杂应力场，导致缺口效应使材料变脆，而残余应力对脆性材料的静载破坏