焊接结构的脆性断裂（PPT57）

第2章焊接结结构的的脆性性断裂裂1本章重重点:2.1结构的的脆性性断裂裂事故故及其其特征2.2金属材材料脆脆性断断裂的的能量理理论★2.3金属材材料脆脆性断断裂及及其影影响因因素2.3.1金属材材料断断裂的的基本概概念2.3.2典型的的断裂机机制2.3.3影响金金属材材料脆脆性断断裂的的主要因因素★2.4焊接结构的的特点点和工艺因因素对脆性性断裂裂的影影响★★2.4.1焊接结构的的特点点对脆性性断裂裂的影影响2.4.2焊接结结构制造工工艺的特点点对脆脆性断断裂的的影响响2.5焊接结结构防防脆性性断裂裂设计原原则及相关关的评评定方方法2.6防止焊焊接结结构发发生脆脆性断断裂的的途径★22.1结构的的脆性断断裂事事故及其特征自从焊接结结构广泛应应用以以来，，许多多国家家都发发生过过一些些焊接接结构构的脆性断断裂事事故。虽然然发生生脆性性断裂裂事故故的焊焊接结结构数数量较较少,但其后后果是是严重的，甚甚至是是灾难性性的。所所以脆脆性断断裂引引起世世界范范围有有关人人员的的高度度重视视。目目前脆脆性断断裂事事故已已趋于于减少少，但但并未未杜绝绝。例如：：1972年1月美国建造的的大型型轮船船，船船长189m，建成成9个月后后在纽纽约的的杰佛佛逊港港断成成两截截并沉沉没；；1979年12月18日我国吉林液液化石石油气气厂的球罐罐连锁锁性爆爆炸(死伤86人，损损失约约627万元)；1992年1月26日我国黑龙江江省某糖厂厂的4000m3糖蜜罐罐的罐罐体突突然破破裂。。下面再再介绍绍几起起典型焊接结结构脆脆性断断裂事故，以便便了解解脆性性断裂裂的概貌，并可可得到到相关经经验。3典型脆脆性断断裂事事故桥梁：最典型型的是是1938年3月比利时时阿尔拜拜特运运河上上Hesselt桥的断断塌事事故。。这座座桥是是用st-42转炉钢钢焊制成成，跨度度为74.52m,仅使用用14个月，，就在在桥上上仅有一一辆电电车和一些行行人的载荷荷作用用下发发生断断塌。。事故故发生生时气温为为-20℃，6min桥身就就突然然断为为三截截。时过不不久，，1940年1月该运运河上上另外两两座桥桥梁又发生生局部部脆性性断裂裂。总总计从从1938～1940年在所所建造造的50座桥梁中中共有有10余座出现脆脆性断断裂事事故。。加拿大大、法法国也发生生过类类似的的事故故。轮船：在第二二次世世界大大战期期间，，美国国制造造的4694艘船中中，在在970艘船上上发现现有1442处裂纹纹，这这些裂裂纹多多出现现在万吨级级的“自自由型型”货货轮上上，其其中24艘甲板板横断断，1艘船舶舶的船船底发生完全断断裂。另有8艘从中腰腰断为两两截，其中中4艘沉没没。另外，，Schenectady号T-2型油轮轮1942年10月建成成，在在1943年1月16日在装装备码头停停泊时时发生生突然然断裂裂事故。。当时时海面平平静，天气气温和和，其其甲板板的计计算应应力只只有70MPa。4储罐：在1944年前后后，发发生几几起球形和圆筒形形容器器的脆性性断裂裂事故故。如如1944年10月美国国的液化天天然气气储藏基基地的的球罐罐和圆圆筒形形储罐罐，这这些罐罐的内内层用用质量量分数数为3.5％的的Ni钢制成成。。事事故故是是由由圆圆筒筒储储罐罐引引起起的的。。首首先先在在圆筒筒形形罐罐1／3～l／2高处处开裂裂并喷喷出出气气体体和和液液体体，，接接着着起起火火，，然然后后储储罐罐爆爆炸炸，，20min后1台球罐罐因底底脚脚过过热热而而倒倒塌塌爆爆炸炸，造造成成128人死死亡亡，，损损失失680万美美元元。。上述述我我国国在在吉林林液液化化石石油油气气厂厂的球罐罐爆炸炸事事故故，，是是一一台台400m3球罐罐在在上上温温带带与与赤赤道道带带的的环缝缝熔熔合合区区破破裂裂并迅迅速速扩扩展展为为13.5m的大大裂裂口口，液液化化石石油油气气冲冲出出形形成成巨巨大大的的气团团，遇遇到到明火火引燃燃，，其其附近近的的球球罐罐被被加加热热，4h后发发生生爆爆炸炸，，导导致致连锁锁性性爆爆炸炸，整整个个罐罐区区成成为为一一片片火海海。一些些著著名名的的典典型型脆脆性性断断裂裂事事故故的的事例例及及成成因因见表表2-1。5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22m、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。表2-1焊接接结结构构脆脆性性破破坏坏的的典型型事事例例及及成成因因6脆性性断断裂裂特征征根据据对对脆性性断断裂裂事事故故调查查研研究究结结果果发发现现，，具具有有如如下下特征征：：1)断裂裂一一般般都都在在没有有显显著著塑塑性性变变形形的情情况况下下发发生生，，具具有有突然然破破坏坏的性性质质。。2)破坏坏一一经经发发生生，，瞬时时就能能扩扩展展到到结结构构大大部部或或全全体体。。因因此此，，脆脆性性断断裂裂不易易发发现现和和预预防防。3)结构构在在破坏坏时时的的应应力力远远远小小于于结构构设设计计的许许用用应应力力。。4)通常常在在较低低温温度度下发发生生。。焊接接结结构构的的特特点点决决定定它它的的脆脆性性断断裂裂可可能能性性比比铆接接结构构大大。。焊焊接接结结构构的的应用用范范围围很很广广，虽虽然然发发生生的的脆脆性性断断裂裂事事故故不不太太多多，，但但损失失很很大大，有有时时甚甚至至是是灾难难性性的。。研究究脆脆性性断断裂裂问题题对对于于保证证焊接接结结构构的的可靠靠工工作作、、推广广其应用用范范围围有重大大意意义义。特特别别是是随随着着焊焊接接结结构构向向大型型化化、、高高强强化化、、深深冷冷方方向向的发发展展，，对对于于进进一一步步研研究究焊焊接接结结构构的的脆脆性性断断裂裂问问题题就就显显得得更更为为迫迫切切、、更更为为重重要要。。脆性性断断裂裂的的根本本原原因因：材料料选选用用不不当当、设计计不不合合理理、制造造时时有有缺缺陷陷等，，因因此此，，了了解解金属属材材料料的的性性质质和焊接接结结构构的的特特点点是非非常常必必要要的的。。7研究究和和试试验验表表明明，，固固体体材材料料的的实际际断断裂裂强强度度只有有它它的的理论论断断裂裂强强度度1／10～l／1000。为为什什么么会会有有这这样样巨巨大大的的差差异异?葛里里菲菲斯斯(Griffith)认为为，，在在任任何何固固体体材材料料里里本来来就就存存在在着着一定定数数量量大大小小的的裂纹纹和和缺缺陷陷，从从而而导导致致固固体体材材料料在在低低应应力力下下发发生生脆脆性性断断裂裂。。如如果果能能使使裂纹纹减减少少或者者使使其其尺寸寸降降低低，则则物物体体的的强强度度便便会会增增加加。。他他从从理论论上上并用用实验验证实实了了这这一一点点。。2.2金属属材材料料脆脆性性断断裂裂的的能能量量理理论论8葛里里菲菲斯斯裂纹纹体体模模型型葛里里菲菲斯斯取取一一块块厚度度为1单位位的““无无限限””大大平平板板为为研研究究模模型型，，首先先使平平板板受受到到单单向向均均匀匀拉拉应应力力σ，(图2-1)，然后后将其其两两端端固定定，以以杜杜绝绝外外部部能能源源。。设设想想在在这这块块平平板板上上出出现现一一个个垂直直于于拉拉应应力力σ方向向长度度为为2αα穿透透板板厚厚的的裂纹纹。切开开裂纹纹后后，，平平板板内内储储存存的的弹性性应应变变能能将有一部部分被释放出来，其其释放量量设为U。又由于于裂纹出出现后有有新的表表面形成成，要吸收能量，设设其值为为W，此两种种能量可可以分别别计算出出来。(2-1)另一方面面，设裂裂纹的单单位表面面积吸收收的表面面能为γ，则形成裂纹所需需总表面面能为：W=4γα(2-2)因此，裂纹体的能量改改变总量量为：(2-3)9这个能量改变变总量随裂纹长长度α的变化曲曲线见图图2-2，其变化化率为：：(2-4)变化率随随着裂纹纹长度而而变化，，见图2-2b。裂纹扩扩展的临临界条件件是：此时系统能量量随α的变化出出现极大值。此前，裂纹扩扩展，其其系统能量量增加。即裂纹纹每扩展展一微量所能释放的能能量＜裂纹每扩扩展一微微量所需要的能能量，因此裂裂纹不能扩展展；此后，裂纹扩扩展其系统能量量减少，即释放放的能量量＞裂纹扩展展所需要要的能量量，因此此裂纹将将继续自动扩展展，导致发发生脆性性破坏。。即：10因此，可可把看看成是是使裂纹纹扩展的的推动力，而2γ是裂纹扩扩展的阻力。当推动力力＞阻力时，，裂裂纹自动扩展展；当推动力力＜阻力时，，裂纹纹不能自动动扩展。葛里菲斯斯是根据据玻璃、陶陶瓷等脆脆性材料料推导的能能量公式式。在金属材料料中，当裂裂纹扩展展时，裂纹前端端局部地地区要发生一一定的塑性变形形。X射线分析证实实金属断断裂表面面有塑性变形形的薄层层。奥罗万(Orowan)提出，裂裂纹扩展展所释放的变变形能不仅用于于表面能，对于金金属材料料，更重要的是用于于裂纹扩展展前的塑塑性变形形能p。则在葛葛里菲斯斯能量方方程里应应以(p+γ)来代替γ。裂纹扩扩展的临临界条件件应为：：(2-5)根据试验验结果，，塑性变变形能p比γ大得多，，因此γ可忽略不不计，裂裂纹扩展展的临界界条件：：(2-6)即塑性变形形是阻止裂纹纹扩展的主要因因素。由由能量原原理看出出，结构构的断裂条件件不仅决定定于工作应力力σ的大小，，还取决决于原始裂纹纹长度α。这个结结论和欧文(1rwin)分析裂纹前端端应力应变变场，考虑裂纹尖端端应力集集中，建立新新的裂纹纹扩展临临界条件件是完全全一致的的。在此此基础上上发展了了断裂力学学。112.3金属材料料脆性断断裂及其其影响因因素2.3.1金属材料料断裂的的基本概念念断裂：是指金属材料料受力后后局部变变形量超过一定定限度时，原子子间的结合力受到破坏，从而萌萌生微裂裂纹，继继而发生生扩展使使金属断断开。断口：断裂表面面的外观观形貌，它记录录着有关关断裂过过程的许许多信息息。多晶晶体金属属材料的的断裂途径径，可以是是穿晶、沿沿晶断裂裂、混晶晶断裂。不同断裂机制制可应用断裂方式式、断裂性态态、断裂裂形貌等术语来描述。。(1)““方式”是指在多晶体体材料中中断裂路路径的走走向，它可以以是穿晶或沿沿晶界的。穿晶方式式可以是循解理面面、滑移移面或晶晶体学面面的分离离等。从宏宏观上看看，穿晶断裂裂可以是延性断裂裂，也可以以是脆性断裂裂(低温下的的穿晶断断裂)；沿晶断裂裂则多数是是脆性断裂裂。它是晶晶界上一一薄层连连续或不不连续的的脆性第二二相、夹夹杂物破坏晶界界的连续续性造成成的。如如应力腐腐蚀、氢氢脆、淬淬火裂纹纹等均是是沿晶断断裂。(2)““性态”是表达断裂前材材料的变变形能力力。延性是指在断断裂前材材料产生生一定的的塑性变形形；脆性则指断裂裂前不发生或或很少发发生塑性变形形。脆性和延延性的概概念是相对的，它依依赖于所所采用的的标准和所采用用的判断方法法，还依赖赖于材料。12(3)““形貌”是指用肉眼或在在显微镜镜下在断口上上所见到到的现象象。描述述形貌的的典型用用词如“纤维状状”、““人字纹纹”、““海滩波波纹状””等。对应不同同的断裂机制制：解理断裂裂或剪切断裂裂等，它们们的断裂裂方式、、性态和和断裂形形貌是不不一样的的。通常常解理断裂裂总是呈现现脆性的，但有有时在解解理断裂裂前也显显示一定定的塑性变形形。所以，解理断裂裂和脆性断裂裂不是同义义词。前者是是指断裂机制制，后者则则指断裂裂的宏观形态态。132.3.2典型的断裂机制制(一)解理断裂裂在正应力作用下所所产生的的穿晶断裂裂，通常沿沿特定晶晶面即解理面分离。解解理断裂裂多见于于体心立方方、密排六方方金属和合合金中(在钢中，，100面为解理理面)，面心立方方晶体很少发生。解理断裂裂机制：当材料的的塑性变形形过程严重重受阻(例如低温、高应变速速率及高应力集集中情况下)，材料不易发生生变形被迫从特特定的结晶学平平面(解理面)发生分离离的断裂裂。金属属中的夹杂物、、脆性析析出物、、其他缺缺陷对解理裂裂纹的产产生有重重要影响响。解理断裂裂通常呈呈现脆性，不产生生或产生生很小的的宏观塑塑性变形形。图2-3人字条纹纹示意图图D－扩展方方向O－裂源S－剪切唇唇R－放射条条纹宏观形貌貌：解理断口平齐齐，断口上上的结晶晶面在宏宏观上呈呈无规则则取向，，当断口口在强光下转动时，，可见到到闪闪发光光的小平面面为“小刻面”。另外外，解理理断口具具有人字条纹纹或放射状条条纹，人字纹纹尖峰指向裂纹源，如图2-3。14解理断口口的微观形貌貌常出现的的有河流状、舌状、扇扇形花样样等。在河河流花样样中，河河流汇合方向向就是裂纹扩展展方向，如图2-4。解理裂纹纹扩展所所消耗的的能量较小小，其扩展速度度υ与在该介介质中的的纵向声波速度度c0相当。例如：钢钢的c0=5020m／s，观测到到的υ／c0值为0.13～0.32范围，往往往造成成脆性断裂裂构件的瞬时整体体破坏。图2-4解理断口口的微观观特征---河流状花样。图2-4解理断口口的微观观特征---河流状花花样(一)解理断裂裂15（二）剪剪切断裂裂剪切断裂裂是在切应力作用下，，沿滑移面的的滑移方方向而造成的的断裂。。剪切断裂裂分为两种情况况：（1）滑移或或纯剪断断：常发生生于纯单晶体体。金属在外外力作用用下沿最大切应应力的滑移面面滑移，，至一定定程度而而断裂。。（2）微孔聚聚集型断断裂：多发生生于钢铁等工程结构构材料。。在外力的的作用下下，因强强烈滑移移、位错错堆积，，在局部部地方常常产生显微空洞，这种空洞在在切应力作用下不断长大、聚聚集连接，并同时产生生新的微小空洞，最后导致整整个材料断裂。16剪切断裂的断断口宏观形貌：纤维状，颜色发暗，，有滑移变形的痕痕迹。纯剪切断口口：其断口平平面与拉伸伸轴线成45º角，表面平滑，图2-5b。微孔聚集型型断裂断口口：又称杯锥状断口口。杯底部分分与主应力力方向垂直直的平断口，断口平面并并非平直，而是由许许多细小的凹凸凸小斜面组成，这些些小斜面又又和拉伸轴线成45º，图2-5a。图2-5剪切断裂宏观形貌(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b)剪切韧窝c)撕裂韧窝微观特征：韧窝状。韧窝花样的的形貌在显显微空洞中中生核、长长大和聚集集过程中，，与其周围围的应力状态和变形均匀性性有关，一般般出现三种不同形形状的韧窝花样样，图2-6。17三种不同形形状的韧窝---微观形貌正交韧窝形形态：等轴或圆形形窝，两个相匹匹配的断口口表面上，，韧窝的形形状是相同同的。形成原因是在拉应力力作用下，，最大主应力力方向垂直断口的的表面，并且应力力在整个断断口表面上上的分布是均匀匀的，因此在垂垂直于主应应力的杯底底中心部分分生核的显显微空洞向向各方向均均匀长大，，最后形成成等轴韧窝窝。图a。剪切韧窝形形态：抛物线花样样，两个相匹匹配的断口表面上韧窝拉长方方向是相反的。图b。撕裂韧窝形形态：抛物线花样样，但两个相相匹配的断断口表面上上韧窝拉长长方向是一致的，图c。其拉长韧韧窝的形成成是由于显显微空洞在在生核和长长大过程中中，四周所所承受的应力和变形形不均匀所致。实际金属材材料的断裂，由由于内部及外部部原因（缺陷、性性能等）均均较复杂，，断裂常常常不是单一一的机制，，其断口为为混合形貌构构成。图2-6三种不同形形状的韧窝窝示意图a)正交韧窝b)剪切韧窝c)撕裂韧窝另外，除面心立方材材料外，所有其他点阵类类型的金属材料料均同时存有解理面和滑移面，当外界条条件变化时时，便可能能由解理断裂向剪切型断裂裂转化，或者者相反。这这一点对于于研究金属断断裂问题是十分重要的。18综上所述，，金属材料料的脆性断裂特征，除了了2.1节介绍的4点外，还具具有脆性断裂的断口形貌特特征。即：断裂平平面一般近近似地垂直于板材材表面，塑塑性变形很很小，因此其厚厚度减少不不多，一般般不超过3％。脆性断断裂断口一一般是发亮的晶粒粒断口，断口上常常有人字纹或放射状花样样。另外，脆性裂纹一般为扩展速度极极快的解理裂纹，因此很难难预防。192.3.3影响金属材材料脆性断断裂的主要因素201.应力状态的影响物体在受外外载时，不不同的截面面上产生不不同的正应力σ和切应力。在主平面面作用最大大正应力σmax，与主平面面成45º角的平面上上作用有最最大切应力力max。σmax和max与加载方式式有关，软性系数α=max／σmax表示应力状状态软硬程度。式中，为泊松比，，而σ1>σ２>σ３。当max≥σmax时，“软性”应力状态；；当max≤σmax时，“硬性”应力状态。。在不同加载载方式下，，当σmax未达到抗拉拉强度前，，max先达到屈服服点，（（即max≥σmax）？，则发生塑塑性变形而而形成延性断裂。反之，在max达到屈服点点前，σmax先达到抗拉拉强度，（即max≤σmax）？，则发生脆性断裂。因此，断裂形式与加载方式亦即应力状态有关。（按最大切切应力理论论）σmax=σ1－(σ2+σ3)（按第二强强度理论））单轴应力三轴应力状状态21图2-7为构件受均均匀拉应力力时，其中中一个缺口根部出现高值的的应力和应变变集中情况；缺口口越深越尖，其局部应力和和应变也越大。三向应力产产生机理：：在受力过过程中，缺口根部材料的伸长，必然引起起沿宽度和厚度度方向的收收缩，但由于缺口尖端以以外的材料受到到的应力较小，引起收缩也较小；由由于收缩不均匀匀，缺口根部收收缩受阻，结果产生生宽度和厚度度方向的拉应力σx和σz，导致缺口口根部形成成三向应力状状态。在三向应力情况下，材材料的屈服点较单向应力时提高，即缺口根根部材料的的屈服点提高高，从而使该该处材料变脆。因此，脆性断裂事事故多起源于具具有严重应力集集中效应的缺口处。实验证明，，许多材料料处于单向或双向向拉应力时，呈现延性；当处于三向拉应力力时，不发生生塑性断裂裂而呈现脆性。在实际结构构中，三向应力可能由三向载荷产生，但更更多情况是是由于结构的几何何不连续性性引起的。虽虽然整个结构处于单向或双向向拉应力状态下，但但其局部地区由于设计或或工艺不当当，往往出出现局部三向应应力状态的缺口效应。222．温度的影响当T＞Tk时，σb>σs，无缺口试试件单轴拉拉伸时，先先屈服再断断裂，为延延性断裂，，即处于塑性状态；当T＜Tk，若对材料料加载，在在破断前只只发生弹性性变形，不产生塑性性变形，材料呈现现脆性断裂，即处于脆性状态。韧脆转变温温度Tk：从一个状态态向另一个个状态转变变的温度。。Tk越低，则材料处处于延性状态的温度度范围越广；反之，一一切促成Tk升高的因素素，均将缩小材料塑性状状态的范围，增大材料料产生脆性断裂的趋势。因因此Tk是衡量材料抗抗脆性破坏坏的重要参数。金属在高温时，具有良好的变形形能力，当温度降低时，其变形形能力就减小，金属这种种低温脆化的性质称为为“低温脆性”。它是金金属材料屈服点随温度降低急剧增增加的结果。任何金属材材料都有两两个强度指指标—σs和σb。σb随温度变化化很小，而而σs却对温度变变化十分敏感。温度降低，屈服点急剧升高，故两曲线线相交于一一点，交点点对应的温温度为Tk----韧脆转变温温度(见图2-8)。塑性状态脆性状态σ233．加载速度的影响提高加载速速度能促进材料料脆性破坏，其作用相相当于降低温度。原因：钢的的屈服点不仅取决于于温度，而而且还取决决于加载速度或应变速率。即随着应变速率的提高，材材料的屈服点提高。在同样加载载速率下，，当结构中中有缺口时，应变速率可呈现出加倍不利影响。由于于应力集中的影响，应变速率比无缺口结结构高得多，从而大大大降低材料料的局部塑性。这也说明明为什么结结构钢一旦旦产生脆性性断裂，就就很容易产产生扩展现现象。原因：当缺口根部小范围金属属材料发生断裂时，则在新裂纹尖端端处立即受到高应力和高高应变的载荷。即：一旦旦缺口根部开开裂，就有有高的应变变速率，而不管其其原始加载载条件是动动载还是静静载，此后后随着裂纹加速扩展，，应变速率更急剧增加，，致使结构构最后破坏。延性-脆性转变温温度与应变变速率的关关系，图2-9。244．材料状态的影响1)厚板在缺口处容易形成三向拉应力力，因为沿厚度方向的收缩应力力和变形受受到较大限制，形成平面应变状状态；而薄板材料，在厚度方向能比较自由地收缩缩，故厚度方方向的应力力较小，接接近于平面应力状状态。平面应变状状态的三向应力使材料变脆脆。图2-10脆性断裂开开始温度与与板厚的关关系(1)厚度的影响响厚度对脆性破坏坏的不利影影响可由以以下两种因素来决定：2)冶金因素：：一般说来来，生产薄板时压延量大，轧制终了了温度较低，组织细密；相反反，，厚板板轧制制次次数数较较少少，，终终轧轧温度度较较高高，组织织疏疏松松，内内外外层层均均匀匀性性较较差差。。图2-10可见见，，钢板板越越厚厚，，其其低低温温脆脆性性倾倾向向越越显显著著。。25(2)晶粒度的影响响晶粒直径越小其韧脆转变温度越低，如图2-11。图2-11韧脆转变温度度和铁素体晶晶粒直径的关关系26(3)化学成分的影影响有害元素：钢中的C、N、O、S、P均增加钢的脆性。图2-12，随着含C量的增加，钢的韧脆转转变温度提高高。有益元素：合金元素Mn、Ni可以改善钢的的脆性，降低韧脆转变温度度。（图2-13）V、Ti元素在加入量适当当时，也有助助于减少钢的的脆性。272.4焊接结构特点和工艺因素对脆性断裂的的影响焊接结构脆性性断裂事故的的发生，除了了由于材料选用不当之外，结构的设计和制造不合理也是发发生脆性断裂裂的重要原因因。在60个脆性破坏事故故的实例中，，有1l例是由于设计不佳所致，9例是由于焊接缺陷所致。可见，，焊接结构的的设计和制造在脆性断裂事事故中的重要要性。在设计中尽量避免和和降低应力集中，并在制造过程中加强管管理和检查，，防止工艺缺陷，是减少和消消除脆性破坏事故故的重要措施。。为了合理设计计和制造焊接接结构，必须须对焊接结构的特点有充分的了解。282.4.1焊接结构的特点对脆性断裂的的影响1．焊接结构比比铆接结构刚度大焊接为刚性连接，连接构件不能产生相对位移。而铆接则由于接头有有一定相对位位移的可能性性，而使其刚度相对降低低，在工作条件件下，足以减减少因偶然载荷而产生附加应力的危险。在焊接结构中中，由于在设设计时没有考虑到这一因素，，往往能引起起较大的附加应力。特别是在温度降低而材料的塑性变坏时，这些附加应力常常会造成结结构的脆性破破坏。附加应力的例子：1947年12月，原苏联曾曾发生几个4500m3储油器的局部部脆性断裂事事故。温度不均所造成的附加应力是这些储油器器破坏的重要要原因。当大大气温度下降降到-42℃后，一方面由由于材料本身身的塑性降低，另一方面由由于容器的内外温度不同同，底部和筒身身的温度不一一样，筒身的向风面面与背风面的温度度也有差别，在筒身就形形成复杂的附加应应力场，因而造成结结构的破坏。。29另外，焊接结结构比铆接结结构刚度大，所以对应力集中特别敏感，如如果设计中采采用应力集中中系数很高的的搭接接头，或采用骤然变化的截截面，当温度降低时,结构就有发生生脆性断裂的危险。美国“自由轮轮”，当采用铆接结构时，虽然应力力集中很大，，但并未发生过脆性性破坏事故。而在采采用焊接结构后，却发生了了一系列脆性破坏事故。研究发现：除除材料选用不当当外，船体设计不合理也是造成其破破坏的重要原原因之一。图图a最初设计由于于拐角处为一尖尖角，应力集集中很大；图b改进后的设计计由于采用圆滑过渡的拐拐角，应力集集中得到缓和和。改进后的设设计承载能力增加到1.4倍，而所需破坏能量增加25倍。图2-14““自由轮”甲板板舱口设计对对比a)最初设计b)改进后设计302．焊接结构具具有整体性这一特点为设设计制造合理理的结构提供供了广泛的可可能性，因此此整体性强是焊接结构的优点之一，但是如果设计不当当，或制造不良，这一优点反反而可能增加加焊接结构脆脆性断裂的危危险。因为由于焊接接结构的整体性，它将给裂纹的扩展创造十分有利利的条件。当当焊接结构工工作时，一旦旦有不稳定的脆性性裂纹出现，就有可能穿越接头扩展展至结构整体体，而使结构整整体破坏。而铆接结构，当出现不稳稳定的脆性裂裂纹后，只要要扩展到接头处处，就可自然止止住，避免更大灾难难的出现。因此此在某些大型焊接结构构中，有时仍保留少量的铆铆接接头。例如：在一些些船体中，甲板与舷侧顶顶列板的连接就是采采用铆接连接。312.4.2焊接结构制造工艺的特点对脆性性断裂的影响响焊接过程可给焊接结构构的接头带来来如下一些不利的影响：1．两类应变时效效引起的局部脆脆性2．焊接接头金相组织改变对脆性的的影响3．焊接缺陷的影晌4．焊接残余应力的影响321．两类应变时效效引起的局部脆脆性在焊接结构制造过程中，一般包括切割、冷热成形(剪切、弯曲、、矫正等)、焊接等工序，其中一些工工序可能提高钢材韧-脆转变温度，使材料变脆脆。（1）在焊接结构构生产过程中中的剪切、冷作矫矫形、弯曲等，经过冷加工产生一定的塑性变形，随后又经160～450℃温度范围的加加热就会引起起应变时效，导致脆化。。（2）在焊接时，近缝区某些刻刻槽，即缺口尖端附近近或多层焊道中中已焊完焊道道中的缺陷附近，金属受到热循环和热塑塑变循环(150～450℃)的作用，产生生焊接应力-应变集中，导致较大的的塑性变形，引起应变时效，称为动应变时效(热应变脆化)。钢的应变时效定义：塑性变形时或变形后，固溶状态的的间隙溶质（（C、N）与位错交互互作用，“钉扎”位错错阻止变形的物理本质，，从而导致强度提高，韧韧性下降的力学冶金现现象。33许多碳-锰低强度结构构钢对应变时效脆化比较敏感感，它将大大大降低钢材的塑性，提高材料的韧-脆转变温度，促进焊接结结构的脆性破坏。应变时效导致焊接结构构脆性破坏的的实例很常见的。例如：某储油罐的脆性破坏事事故，破坏始始于罐体和底板的的连接处，扩展后达到到顶部。检查后表明：这种钢材对应变时效非常敏感，离钢材剪切边缘不同距离处缺缺口韧性有急剧的变化。钢板本身的转变温度为为-8℃，但距剪切边缘6mm处，转变温度度为+53℃，距剪切边缘缘20mm处为+36℃。主要原因：剪切引起冷作应变，随后进行的的焊接工序引起应变时效所致。因此，，该对焊接接接头的应变时效区应充分注意。。应变时效:34试验结果：以冷弯变形(20℃预弯)试件的转变温温度为最低，而250℃预弯的转变温度为为最高。焊后热处理(550～650℃)可以消除两类应变时效效对低碳钢和一一些合金结构构钢的影响，，恢复其韧性。因此，对应应变时效敏感的钢材，焊后热处理理不但可以消除焊接残余应力，而且可以消消除应变时效的脆脆化影响，对防止结构构脆性断裂是是有利的。图2-15不同温度下预预应变对COD值的影响1－母材2－+20℃预弯，250℃下时效1／2h3－150℃预弯4－350℃预弯5－250℃预弯对比两类应变变时效：动应变时效对脆性的影响响往往更为不利。图2-15是某碳-锰钢在不同温度下下预应变对断断裂时COD值(裂纹张开位移移)的影响。试验验分4组进行，一组组是在20℃下预弯，再在250℃下时效1／2h(模拟冷变形引起的应变时时效)，其他三组试试件分别在150℃、250℃和350℃下热弯(模拟动应变时效)。所有试件的的预弯处理是是先使缺口张张开约0.1mm，然后向里弯弯曲到原来尺尺寸。动应变时效352．焊接接头金相组织改变对脆性的影响响焊接过程是一一个不均匀的加热热过程，在快速速加热和冷却却的条件下，，使焊缝和近缝区区发生了一系列列金相组织的变化，因而而改变接头部位的缺缺口韧性。图2-16，该接头的焊缝和热影响响区具有比母材高的转变温度，所以，它们们成为焊接接接头的薄弱环环节。图2-16某碳-锰钢焊接接头头不同部位的的COD试验结果1－母材2－母材热应变变时效区3－细晶粒热影影响区4－粗晶粒热影影响区5－焊缝36案例：日本德山球形形容器的脆性断裂事事故是由于采采用过大的焊接热热输入。该容器采用HT80高强度钢焊接，板厚为为30mm，焊后进行水水压试验时破破裂。按工艺艺规定，应采采用的焊接热输入为48kJ／cm，但由于冬季施工，焊接接时采采用的的预热温温度偏偏高，焊接热热输入入也偏大。分析析表明明，脆脆性断断裂起源点点的焊接接热输输入为为80kJ／cm，大大大超过过规定定的热热输入入，致致使焊缝和和热影影响区区的韧性显显著降降低。图2-17不同焊焊接热热输入入对某某碳-锰钢焊焊接接接头的的热影影响区区冲击吸吸收功功的影影响对于确确定的的钢种和焊接方方法，热影影响区区的显显微组组织主主要取取决于于焊接热热输入入。因此此，合合理地地选择择焊接接热输输入是是十分分重要要的，，尤其其是对对高强度度钢。实践证证明：：高强度度钢，过小焊接热热输入入易造成成淬硬组组织而引起起裂纹纹；过大焊接热热输入入又易易造成成晶粒粗粗大和和脆化化，降低低其韧韧性。。图2-17，随着着焊接热热输入入的增增加，该区区的韧-脆转变变温度度相应地地提高，增加加脆性断断裂危险性性。可可采用用多层焊焊，以适适当的的焊接接参数数焊接接，减小焊焊接热热输入入，获得得满意的的韧性性。2．焊接接接头头金相组组织改改变对脆性性的影影响（续））373．焊接缺缺陷的影晌晌在焊接接接头头中，，焊缝和和热影影响区区最容易易产生生各种缺缺陷。据调调查，，40％的脆脆性断断裂事事故是是从焊缝缺缺陷处开始始的。。焊接缺缺陷(裂纹、、未焊焊透、、夹渣渣、咬咬边、、气孔孔等)都可成成为脆脆性断断裂的的发源地地。吉林某某液化化石油油气厂厂的球罐罐破坏坏事故故，断断裂的的发源源地就就在焊焊缝的的焊趾部部位。焊接缺缺陷都是应力集集中部部位，尤其其是裂纹，裂纹纹的影影响程程度不不但与与其尺尺寸、、形状状有关关，而而且与与其所在部部位有关。。如果裂纹位于高值拉拉应力力区就容易易引起起低应力力破坏坏。若在在应力集集中区区(如压力力容器器接管管处)产生焊接缺缺陷就更加加危险险.所以，，最好好将焊焊缝布布置在在应力集集中区区以外外。384．焊接接残余应应力的影响响焊接过过程存存在的的不均匀匀温度度场，因而而冷却却后结结构中中必然然产生生焊接接残余应应力。根据日日本的的大板板试验验：当工作温温度＞材料的的韧-脆转变变温度度时，拉伸残残余应应力对结构构的强强度无不利利影响；；当工作作温度度＜材料的的韧-脆转变变温度度时，，拉伸伸残余余应力力对结结构的的强度度有不利利影响。拉伸残残余应应力将和工作应应力叠加共同起起作用用，在在外加加载荷荷很低低时，，发生生脆性性破坏坏，即即低应力力破坏坏。拉伸残残余应应力具有局部性性质，它只只限于于在焊缝及及其附附近部部位,离开焊焊缝区区其值值迅速速减小小。所所以，，此峰值拉拉伸残残余应应力有助于于断裂裂的产产生。。随着着裂纹的增长长离开焊焊缝一一定距距离后，残残余应应力急剧减减小。当工作应应力较较低时，裂裂纹可可能中止扩扩展；当工作应应力较较大时，裂裂纹将将一直直扩展至至结构构破坏坏。39裂纹穿过两平行行焊接接头的开裂路路径图2-18，由于于焊缝缝距离离近，，所以以两平平行焊缝间间的残余余应力力为拉应力力，在试试件上上有一一个较较宽的的残余余拉应应力区区。因因此，，在40.2MPa的均匀匀拉应应力下下脆性性开裂裂穿过整整个试试件的宽度度。图2-19，焊缝缝间有有较大大的残余压压应力力，因此此，在在29.4MPa平均应应力下下，裂裂纹在在压应应力区区中拐弯并并停止止。图2-18近距离离平行焊焊接接接头试试件的的开裂裂路径径和纵纵向残残余应应力分分布a)残余应应力分分布图图b)试件图图40残余应应力对脆性性断裂裂裂纹扩扩展方方向的影响响图2-20，若试试件未经退退火，试验验时也也不施加加外力力，冲击引发裂裂纹后后，裂裂纹在在残余应应力作用下下，将将沿平行焊焊缝方向扩扩展(N30W-3)。随着外加应应力的的增加加，开裂裂路径径越来越越接近近与外加应应力方向垂直的试件件中心心线。。如果试试件残残余应应力经经退火完完全消消除，则开开裂路路径与与试件中中心线线重合合(N30WR-1)。412.5焊接结结构防脆性性断裂裂设计原原则及相关关的评定方方法2.5.1焊接结结构防脆性性断裂裂的设计准准则焊接结结构脆性断断裂是瞬时完完成的，但但它仍仍是由由两个阶阶段组成。。即在在结构构某个个部位位，例例如焊接或或冶金金缺陷陷处（焊焊接冷冷、热热裂纹纹、咬咬边、、未焊焊透等等）首先产生一脆性裂裂纹(即不稳定定裂纹纹)----裂纹的的产生生；然后该裂纹纹以极快的速度度扩展，部分分或全全部地地贯穿结结构件件，造成成脆性性失效效。----裂纹的的扩展展失稳扩扩展的的裂纹纹在一定定条件件下可能停停止下来，，即止裂。例如如：当当裂纹纹进入入拉应力力较低低的区域域，没没有足足够的的能量量来维维持裂裂纹进进一步步扩展展；或或者裂裂纹进进入到到韧性较较好的材料(或同一一材料料，但但温度度较高高，韧韧性增增加)受到较较大的的阻力力，无无法继继续扩扩展。。材料都都有脆脆性裂裂纹引引发的的临界温温度即开裂温温度，止住住裂纹纹扩展展的止裂温温度。开裂和止裂温温度的的高低低可用来来衡量量材料料的抗开裂裂性能能和止裂性性能，即开裂和和止裂裂的临临界温温度越越低，，材料料的抗抗开裂裂性能能和止止裂性性能就就越好好。一般来来说，，对应变速速率敏敏感的材料料，如C-Mn型中低强强度钢钢，其抗开裂裂性能的的转变温温度＜止裂性性能的转变变温度度；对对于高强度度钢由于它它对应应变速速率不不敏感感，其其开裂裂和止止裂温温度相差不不多或或相同同。但是是在任任何情情况下下，止裂转变温温度不会低低于（≥））它的的开裂转变温温度。42脆性断断裂是是由两两个阶阶段组组成，，因此此防止止结构构发生生脆性性破坏坏有两个设设计准准则：一、、防止裂裂纹产产生准准则(“开裂控控制”)；二、、止裂性性能准准则(“扩展控控制”)。前者是要求焊焊接结构构最薄弱弱的部位位即焊接接头头处，具有抵抵抗脆性性裂纹产产生的能能力，即即抗开裂能能力；后者要求如果果在这些些部位产产生了裂裂纹，其其周围材料料应具有将将其迅速速止住的能能力。后者比前前者要求求苛刻些些。开裂控制制：国际焊接接学会于于20世纪70年代提出，防防止焊接接结构脆脆性破坏坏事故，，主要着着眼点应应放在焊接接头头的抗开裂能能力上(即开裂控制制)，并以此此作为设设计依据。扩展控制制：对于中低强度度钢，由于残余应力力的作用，，脆性裂纹纹一旦产产生，一般向母材方方向扩展。因因此，要求母材具有一定定的止裂性能能。近年来，，焊接接头头各部分分（如焊缝）的止裂性能能又受到人人们的重重视。因因为在高强度钢钢种的应用日日益增多多，由于于焊接残余应力力作用的的减弱，或工作作应力的的提高以以及焊接接冶金因因素等原原因，接接头中的的裂纹完完全有可可能沿焊缝方方向扩展展，最后造造成结构构破坏，，因此，，要求焊缝或接接头各部部位具有止裂能力力。防脆性断裂裂的两个设计计准则432.5.2断裂的评评定方法法（1）转变温度度方法（本书采采用的方方法）即确定材材料的韧韧--脆转变温温度特性性。（2）断裂力力学方法法用KIC、δc、JIC等力学指指标，作作为安全全设计的的依据。。2.5.3典型试验验方法介介绍1.抗开裂性能试验验反映裂纹产生生前韧度参量量指标的的试验。。2.止裂性能试验验测量脆性裂纹纹产生后后韧性指标标的实验验。442.6防止焊接结构构发生脆脆性断裂裂的途径造成结构构脆性断断裂的基本因素素：（1）材料在工工作条件件下韧性不足足；（2）结构上上存在严严重的应力集中中(设计上或或工艺上上)；（3）过大的拉拉应力(工作应力力、残余余应力和和温度应应力等)。有效地减少或控控制其中某一因素素，结构发发生脆性性断裂的的可能性性可显著著降低或排排除。防止结构构脆性断断裂的三个途径径：1.正确、合合理地选用材料料2.采用合理理的焊接接结构设计计3.合理安排排结构制造工艺艺452.6.1正确、合合理地选用材料料基本原则则：既要保证结构构的安全全使用，又要考考虑经济效果果。应使所所选用的的钢材和焊接用材材料保证在使使用温度度下具有有合格的缺口韧性性。即要保保证结构构在工作作条件下下，焊缝、热热影响区区、熔合合区等薄弱部位位具有足够够的抗开裂性性能，也要使使母材具有一定定的止裂性能能。另外，在在选材时时还要考考虑材料费用用和结构总体体费用的对比关关系。当某些结结构材料费用用与结构整体费用用相比所占比重很少少时，选用用优良韧性性材料是值得的的；而对对一些结结构，材料费用用是结构的的主要费用用时，就要要对材料料费用和韧韧度要求之间间的关系系作详细细的对比、分分析研究究。另外，，选材时时还要考考虑到一一旦结构断裂裂其后果的严严重性。实验方法法：通常采用用夏比冲击击试验方方法进行材料料的选择和评评定。冲击试试验是在在不同温度度下对一系系列试件件进行试试验找出出其韧-脆性特性性与温度的关系。。常用的的有夏比V形和夏比U形缺口冲击击试验。目前多多采用夏比V形缺口冲击击试验。由于冲冲击试验验方法简简单，试试件小，，容易制制备，费费用低，，不论作作为材料质量量控制，还是事故分析析研究，各国普普遍采用用。462.6.2采用合理理的焊接接结构设计计设计有脆性断裂裂倾向的焊接结结构，注注意以下下几个原原则：1．尽量减减少结构构或接