焊接结构的脆性断裂T57

第2章

焊接结构的脆性断裂

1本章重点:

2.1结构的脆性断裂事故及其特征

2.2金属材料脆性断裂的能量理论★

2.3金属材料脆性断裂及其影响因素

2.3.1金属材料断裂的基本概念

2.3.2典型的断裂机制

2.3.3影响金属材料脆性断裂的主要因素★

2.4焊接结构的特点和工艺因素对脆性断裂的影响★2.4.1焊接结构的特点对脆性断裂的影响

2.4.2焊接结构制造工艺的特点对脆性断裂的影响

2.5焊接结构防脆性断裂设计原则及相关的评定方法

2.6防止焊接结构发生脆性断裂的途径★

22.1结构的脆性断裂事故及其特征

自从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,但其后果是严重的，甚至是灾难性的。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，但并未杜绝。例如：1972年1月美国建造的大型轮船，船长189m，建成9个月后在纽约的杰佛逊港断成两截并沉没；1979年12月18日我国吉林液化石油气厂的球罐连锁性爆炸(死伤86人，损失约627万元)；1992年1月26日我国黑龙江省某糖厂的4000m3糖蜜罐的罐体突然破裂。下面再介绍几起典型焊接结构脆性断裂事故，以便了解脆性断裂的概貌，并可得到相关经验。

3典型脆性断裂事故

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1938～1940年在所建造的50座桥梁中共有10余座出现脆性断裂事故。加拿大、法国也发生过类似的事故。

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。

4储罐：在1944年前后，发生几起球形和圆筒形容器的脆性断裂事故。如1944年10月美国的液化天然气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3.5％的Ni钢制成。事故是由圆筒储罐引起的。首先在圆筒形罐1／3～l／2高处开裂并喷出气体和液体，接着起火，然后储罐爆炸，20min后1台球罐因底脚过热而倒塌爆炸，造成128人死亡，损失680万美元。

上述我国在吉林液化石油气厂的球罐爆炸事故，是一台400m3球罐在上温带与赤道带的环缝熔合区破裂并迅速扩展为13.5m的大裂口，液化石油气冲出形成巨大的气团，遇到明火引燃，其附近的球罐被加热，4h后发生爆炸，导致连锁性爆炸，整个罐区成为一片火海。一些著名的典型脆性断裂事故的事例及成因见表2-1。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焊接结构脆性破坏的典型事例及成因6脆性断裂特征

根据对脆性断裂事故调查研究结果发现，具有如下特征：

1)断裂一般都在没有显著塑性变形的情况下发生，具有突然破坏的性质。2)破坏一经发生，瞬时就能扩展到结构大部或全体。因此，脆性断裂不易发现和预防。3)结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力。4)通常在较低温度下发生。

焊接结构的特点决定它的脆性断裂可能性比铆接结构大。焊接结构的应用范围很广，虽然发生的脆性断裂事故不太多，但损失很大，有时甚至是灾难性的。研究脆性断裂问题对于保证焊接结构的可靠工作、推广其应用范围有重大意义。特别是随着焊接结构向大型化、高强化、深冷方向的发展，对于进一步研究焊接结构的脆性断裂问题就显得更为迫切、更为重要。脆性断裂的根本原因：材料选用不当、设计不合理、制造时有缺陷等，因此，了解金属材料的性质和焊接结构的特点是非常必要的。7研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只有它的理论断裂强度1／10～l／1000。为什么会有这样巨大的差异?葛里菲斯(Griffith)认为，在任何固体材料里本来就存在着一定数量大小的裂纹和缺陷，从而导致固体材料在低应力下发生脆性断裂。如果能使裂纹减少或者使其尺寸降低，则物体的强度便会增加。他从理论上并用实验证实了这一点。2.2金属材料脆性断裂的能量理论8葛里菲斯裂纹体模型

葛里菲斯取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，首先使平板受到单向均匀拉应力σ，(图2-1)，然后将其两端固定，以杜绝外部能源。设想在这块平板上出现一个垂直于拉应力σ方向长度为2α穿透板厚的裂纹。切开裂纹后，平板内储存的弹性应变能将有一部分被释放出来，其释放量设为U。又由于裂纹出现后有新的表面形成，要吸收能量，设其值为W，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γ，则形成裂纹所需总表面能为：

W=4γα(2-2)

因此，裂纹体的能量改变总量为：

(2-3)9

这个能量改变总量随裂纹长度α的变化曲线见图2-2，其变化率为：(2-4)

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：

此时系统能量随α的变化出现极大值。此前，裂纹扩展，其系统能量增加。即裂纹每扩展一微量所能释放的能量＜裂纹每扩展一微量所需要的能量，因此裂纹不能扩展；此后，裂纹扩展其系统能量减少，即释放的能量＞裂纹扩展所需要的能量，因此裂纹将继续自动扩展，导致发生脆性破坏。即：10因此，可把看看成是是使裂纹扩展展的推动力，而2γ是裂纹扩展的的阻力。当推动力＞阻力时，，裂纹自动扩展；当推动力＜阻力时，，裂纹不能自动扩展展。葛里菲斯是根根据玻璃、陶瓷等等脆性材料推导的能量公公式。在金属材料中，当裂纹扩扩展时，裂纹前端局部部地区要发生一定的的塑性变形。X射线分析证实金属属断裂表面有有塑性变形的薄薄层。奥罗万(Orowan)提出，裂纹扩扩展所释放的变形能能不仅用于表面能，对于金属材材料，更重要的是用于裂纹扩展前的的塑性变形能能p。则在葛里菲菲斯能量方程程里应以(p+γ)来代替γ。裂纹扩展的的临界条件应应为：(2-5)根据试验结果果，塑性变形形能p比γ大得多，因此此γ可忽略不计，，裂纹扩展的的临界条件：：(2-6)即塑性变形是阻止裂纹扩展展的主要因素。。由能量原理理看出，结构构的断裂条件不仅决定于工作应力σ的大小，还取取决于原始裂纹长度度α。这个结论和和欧文(1rwin)分析裂纹前端应力应变场，考虑裂纹尖端应力力集中，建立新的裂裂纹扩展临界界条件是完全全一致的。在在此基础上发发展了断裂力学。112.3金属材料脆性性断裂及其影影响因素2.3.1金属材料断裂裂的基本概念断裂：是指金属材料受力力后局部变形形量超过一定限度度时，原子间的的结合力受到破坏，从而萌生微微裂纹，继而而发生扩展使使金属断开。断口：断裂表面的外外观形貌，它记录着有有关断裂过程程的许多信息息。多晶体金金属材料的断裂途径，可以是穿晶、沿晶断断裂、混晶断断裂。不同断裂机制可应用断裂方式、断裂性态、断断裂形貌等术语来描述。(1)“方式”是指在多晶体材料料中断裂路径径的走向，它可以是穿晶或沿晶界界的。穿晶方式可以是循解理面、滑滑移面或晶体体学面的分离离等。从宏观上上看，穿晶断裂可以是延性断裂，也可以是脆性断裂(低温下的穿晶晶断裂)；沿晶断裂则多数是脆性断裂。它是晶界上上一薄层连续续或不连续的的脆性第二相、、夹杂物破坏晶界的连连续性造成的的。如应力腐腐蚀、氢脆、、淬火裂纹等等均是沿晶断断裂。(2)“性态”是表达断裂前材料的的变形能力。延性是指在断裂前前材料产生一一定的塑性变形；脆性则指断裂前不发生或很少少发生塑性变形。脆性和延性的的概念是相对的，它依赖于于所采用的标准和所采用的判断方法，还依赖于材料。12(3)“形貌”是指用肉眼或在显微微镜下在断口上所见见到的现象。。描述形貌的的典型用词如如“纤维状”、、“人字纹””、“海滩波波纹状”等。对应不同的断裂机制：解理断裂或剪切断裂等，它们的断断裂方式、性性态和断裂形形貌是不一样样的。通常解理断裂总是呈现脆性的，但有时在在解理断裂前前也显示一定定的塑性变形。所以，解理断裂和脆性断裂不是同义词。前者是指断裂机制，后者则指断断裂的宏观形态。132.3.2典型的断裂机制(一)解理断裂在正应力作用下所产生生的穿晶断裂，通常沿特定定晶面即解理面分离。解理断断裂多见于体心立方、密排六方金属和合金中中(在钢中，100面为解理面)，面心立方晶体很少发生。解理断裂机制制：当材料的塑性变形过程严重受阻阻(例如低温、高应变速率及高应力集中情况下)，材料不易发生变形形被迫从特定的的结晶学平面(解理面)发生分离的断断裂。金属中中的夹杂物、脆性性析出物、其其他缺陷对解理裂纹的的产生有重要要影响。解理断裂通常常呈现脆性，不产生或产产生很小的宏宏观塑性变形形。图2-3人字条纹示意意图D－扩展方向O－裂源S－剪切唇R－放射条纹宏观形貌：解理断口平齐，断口上的结结晶面在宏观观上呈无规则则取向，当断断口在强光下转动时，可见见到闪闪发光的小平面为““小刻面”。另外，解解理断口具有有人字条纹或放射状条纹，人字纹尖峰指向裂纹源，如图2-3。14解理断口的微观形貌常出现的有河流状、舌状、扇形花花样等。在河流花花样中，河流流汇合方向就是裂纹扩展方向向，如图2-4。解理裂纹扩展展所消耗的能量较小，其扩展速度υ与在该介质中中的纵向声波速度c0相当。例如：钢的c0=5020m／s，观测到的υ／c0值为0.13～0.32范围，往往造造成脆性断裂构件的瞬时整体破坏。图2-4解理断口的微微观特征---河流状花样。图2-4解理断口的微微观特征---河流状花样(一)解理断裂15（二）剪切断断裂剪切断裂是在在切应力作用下，沿滑移面的滑移移方向而造成的断裂裂。剪切断裂分为为两种情况：（1）滑移或纯剪剪断：常发生于纯单晶体。金属在外力作作用下沿最大切应力的滑移面滑移移，至一定程程度而断裂。。（2）微孔聚集型型断裂：多发生于钢铁等工程结构材料料。在外力力的作作用下下，因因强烈烈滑移移、位位错堆堆积，，在局局部地地方常常产生生显微空空洞，这种种空洞洞在切应力力作用下下不断长长大、、聚集集连接接，并同同时产产生新新的微小空空洞，最后后导致致整个个材料料断裂。16剪切断断裂的的断口口宏观形形貌：纤维状状，颜色色发暗暗，有有滑移变变形的的痕迹迹。纯剪切切断口口：其断断口平平面与与拉伸伸轴线线成45ºº角，表面平平滑，图2-5b。微孔聚聚集型型断裂裂断口口：又称称杯锥状状断口口。杯底底部分分与主主应力力方向向垂直直的平断口口，断口平平面并并非平平直，而是是由许许多细小的的凹凸凸小斜斜面组成，，这些些小斜斜面又又和拉拉伸轴线成成45ºº，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)撕裂韧窝微观特特征：韧窝状状。韧窝花花样的的形貌貌在显显微空空洞中中生核核、长长大和和聚集集过程程中，，与其其周围围的应力状状态和变形均均匀性性有关，，一般般出现现三种不不同形形状的韧窝窝花样样，图图2-6。17三种不不同形形状的韧窝---微观形形貌正交韧韧窝形形态：：等轴或或圆形形窝，两个个相匹匹配的的断口口表面面上，，韧窝窝的形形状是是相同同的。。形成原原因是在拉拉应力力作用用下，，最大主主应力力方向垂直断断口的的表面面，并且且应力力在整整个断断口表表面上上的分布是是均匀匀的，因此此在垂垂直于于主应应力的的杯底底中心心部分分生核核的显显微空空洞向向各方方向均均匀长长大，，最后后形成成等轴轴韧窝窝。图图a。剪切韧韧窝形形态：：抛物线线花样样，两个个相匹匹配的的断口表表面上韧窝拉拉长方方向是相反的。图图b。撕裂韧韧窝形形态：：抛物线线花样样，但两两个相相匹配配的断断口表表面上上韧窝窝拉长长方向向是是一致致的，，图图c。其其拉拉长长韧韧窝窝的的形形成成是是由由于于显显微微空空洞洞在在生生核核和和长长大大过过程程中中，，四四周周所所承承受受的的应力力和和变变形形不不均均匀匀所致致。。实际际金金属属材材料料的断断裂裂，，由由于于内部部及及外外部部原原因因（缺缺陷陷、、性性能能等等））均均较较复复杂杂，，断断裂裂常常常常不不是是单单一一的的机机制制，，其其断断口口为为混合合形形貌貌构构成成。图2-6三种种不不同同形形状状的的韧韧窝窝示示意意图图a)正交交韧韧窝窝b)剪切切韧韧窝窝c)撕裂裂韧韧窝窝另外外，，除面心心立立方方材材料料外，所所有有其他他点点阵阵类类型型的金金属属材材料料均均同时时存存有有解理理面面和滑移移面面，当当外外界界条条件件变变化化时时，，便便可可能能由由解理理断断裂裂向剪切切型型断断裂裂转化化，，或或者者相相反反。。这这一一点点对对于于研究究金金属属断断裂裂问题题是是十分分重重要要的。。18综上上所所述述，，金金属属材材料料的的脆性性断断裂裂特征征，，除除了了2.1节介介绍绍的的4点外外，，还还具具有有脆性性断断裂裂的断口口形形貌貌特特征征。即：：断断裂裂平平面面一一般般近近似似地地垂直直于于板板材材表表面面，，塑塑性性变变形形很很小小，因因此此其其厚厚度度减减少少不不多多，，一一般般不不超超过过3％。。脆脆性性断断裂裂断断口口一一般般是是发亮亮的的晶晶粒粒断断口口，断断口口上上常常有有人字字纹纹或放射射状状花花样样。另外外，，脆性性裂裂纹纹一般般为为扩展展速速度度极极快快的解理理裂裂纹纹，因因此此很很难难预预防防。。192.3.3影响响金金属属材材料料脆脆性性断断裂裂的的主要要因因素素201.应力力状状态态的影影响响物体体在在受受外外载载时时，，不不同同的的截截面面上上产产生生不不同同的的正应应力力σ和切应应力力。在在主主平平面面作作用用最最大大正正应应力力σmax，与与主主平平面面成成45ºº角的的平平面面上上作作用用有有最最大大切切应应力力max。σmax和max与加加载载方方式式有有关关，，软性性系系数数α=max／σmax表示示应应力力状状态态软硬硬程程度度。式中中，，为泊泊松松比比，，而而σ1>σσ２>σσ３。当max≥σmax时，，“软软性性””应力力状状态态；；当当max≤σσmax时，，“硬硬性性””应力力状状态态。。在不不同同加加载载方方式式下下，，当当σmax未达达到到抗抗拉拉强强度度前前，，max先达达到到屈屈服服点点，（（即即max≥σmax）？？，则则发发生生塑塑性性变变形形而而形形成成延性性断断裂裂。反之之，，在在max达到到屈屈服服点点前前，，σmax先达达到到抗抗拉拉强强度度，（（即即max≤σσmax）？？，则则发发生生脆性性断断裂裂。因此此，，断裂裂形形式式与加载载方方式式亦即即应力力状状态态有关关。（按按最最大大切切应应力力理理论论））σmax=σσ1－(σσ2+σσ3)（按按第第二二强强度度理理论论））单轴轴应应力力三轴轴应应力力状状态态21图2-7为构构件件受受均均匀匀拉拉应应力力时时，，其其中中一一个个缺口口根根部部出现现高高值值的的应力力和和应应变变集集中中情况况；；缺缺口口越深深越越尖尖，其其局部部应应力力和和应应变变也越大大。三向向应应力力产产生生机机理理：：在在受受力力过过程程中中，，缺口口根根部部材料料的的伸长长，必必然然引引起起沿沿宽度度和和厚厚度度方方向向的的收收缩缩，但但由由于于缺口口尖尖端端以以外外的材材料料受受到到的的应力力较较小小，引引起起收缩缩也较较小小；；由由于于收缩缩不不均均匀匀，缺口口根根部部收收缩缩受受阻阻，结结果果产产生生宽度度和和厚厚度度方方向向的拉拉应应力力σx和σz，导导致致缺缺口口根根部部形形成成三向向应应力力状状态态。在三向向应应力力情况况下下，，材材料料的的屈服服点点较单向向应应力力时提高高，即即缺缺口口根根部部材材料料的的屈服服点点提提高高，从从而而使使该该处处材料料变变脆脆。因此此，，脆性性断断裂裂事事故故多起起源源于于具具有有严重重应应力力集集中中效效应应的缺口口处处。实验验证证明明，，许许多多材材料料处处于于单向向或或双双向向拉拉应应力力时，，呈呈现现延性性；当当处处于于三向向拉拉应应力力时，，不不发发生生塑塑性性断断裂裂而而呈呈现现脆性性。在实实际际结结构构中中，，三向向应应力力可能能由由三向向载载荷荷产生生，，但但更更多多情情况况是是由由于于结构构的的几几何何不不连连续续性性引起起的的。。虽虽然然整个个结结构构处于于单向向或或双双向向拉拉应应力力状态态下下，，但但其其局部部地地区区由于于设设计计或或工工艺艺不不当当，，往往往往出出现现局部部三三向向应应力力状态的缺口效应应。222．温度的影响当T＞Tk时，σb>σs，无缺口口试件单单轴拉伸伸时，先先屈服再再断裂，，为延性性断裂，，即处于于塑性状态态；当T＜Tk，若对材材料加载载，在破破断前只只发生弹弹性变形形，不产生塑塑性变形形，材料呈呈现脆性断裂裂，即处于于脆性状态态。韧脆转变变温度Tk：从一个状状态向另另一个状状态转变变的温度度。Tk越低，则材料料处于延性状态的温温度范围越广广；反之，，一切促促成Tk升高的因因素，均将缩小材料塑性性状态的的范围，增大材材料产生生脆性断裂裂的趋势。。因此Tk是衡量材料料抗脆性性破坏的重要参数数。金属在高温时，具有有良好的变变形能力力，当温度降低低时，其变变形能力力就减小，金属这这种低温脆化化的性质称称为“低温脆性性”。它是是金属材材料屈服点随温度降低急剧剧增加的结果。。任何金属属材料都都有两个个强度指指标—σs和σb。σb随温度变变化很小小，而σs却对温度度变化十分敏感感。温度降低低，屈服点急剧升高，故两曲曲线相交交于一点点，交点点对应的的温度为为Tk----韧脆转变变温度(见图2-8)。塑性状态态脆性状态态σ233．加载速度度的影响提高加载载速度能促进材材料脆性破坏坏，其作用用相当于于降低温度度。原因：钢钢的屈服点不仅取决决于温度度，而且且还取决决于加载速度度或应变速率率。即随着着应变速率率的提高，，材料的的屈服点提高。在同样加加载速率率下，当当结构中中有缺口时，应变速率率可呈现出出加倍不利利影响。由由于应力集中中的影响，，应变速率率比无缺口口结构高得多，从而大大大降低低材料的的局部塑性性。这也说说明为什什么结构构钢一旦旦产生脆脆性断裂裂，就很很容易产产生扩展展现象。。原因：当当缺口根部部小范围金金属材料发生生断裂时，则在在新裂纹尖尖端处立即受到到高应力和和高应变变的载荷。即：一一旦缺口根部部开裂，，就有高高的应变变速率，而不管管其原始始加载条条件是动动载还是是静载，，此后随随着裂纹加速扩展展，应变速率率更急剧增加加，致使使结构最后破坏坏。延性-脆性转变变温度与与应变速速率的关关系，图2-9。244．材料状态态的影响1)厚板在缺口处容易形成成三向拉应应力，因为沿沿厚度方向向的收缩应应力和变变形受到到较大限制制，形成平面应变变状态；而薄板材料，在在厚度方向向能比较自由地收收缩，故厚度度方向的的应力较较小，接接近于平面应力力状态。平面应变变状态的三向应力力使材料变变脆。图2-10脆性断裂裂开始温温度与板板厚的关关系(1)厚度的影影响厚度对脆性破破坏的不不利影响响可由以以下两种因素素来决定：：2)冶金因素素：一般般说来，，生产薄板时压延量大大，轧制终终了温度较低低，组织细密密；相反，厚板轧制次数数较少，，终轧温度较高高，组织疏松，内外层均匀匀性较差。图2-10可见，钢板越厚，其其低温脆性倾倾向越显著。。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区应充分注意意。应变时效:34试验结果：以冷弯变形(20℃预弯)试件的转变变温度为最低，而250℃预弯的转变温度度为最高。焊后热处理理(550～650℃)可以消除两类应变时时效对低碳钢和和一些合金金结构钢的的影响，恢复其韧性性。因此，对对应变时效效敏感的钢材材，焊后热处处理不但可可以消除焊接残余应力，而且可以以消除应变时效的的脆化影响响，对防止结结构脆性断断裂是有利利的。图2-15不同温度下下预应变对对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℃预弯对比两类应应变时效：：动应变时效效对脆性的影影响往往更为不利。图2-15是某碳-锰钢在不同温度度下预应变变对断裂时时COD值(裂纹张开位位移)的影响。试试验分4组进行，一一组是在20℃下预弯，再在250℃下时效1／2h(模拟冷变形引起的应变变时效)，其他三组组试件分别别在150℃、250℃和350℃下热弯(模拟动应变时效效)。所有试件件的预弯处处理是先使使缺口张开开约0.1mm，然后向里里弯曲到原原来尺寸。。动应变时效效352．焊接接头头金相组织改变对脆性的影影响焊接过程是是一个不均匀的加加热过程，在快快速加热和和冷却的条条件下，使使焊缝和近缝缝区发生了一系系列金相组织的变化，因因而改变接头部位的的缺口韧性性。图2-16，该接头的的焊缝和热影影响区具有比母材高的转变温度，所以，它它们成为焊焊接接头的的薄弱环节节。图2-16某碳-锰钢焊接接接头不同部部位的COD试验结果1－母材2－母材热应应变时效区区3－细晶粒热热影响区4－粗晶粒热热影响区5－焊缝36案例例：：日本本德德山山球球形形容容器器的脆脆性性断断裂裂事事故故是是由由于于采采用用过大大的的焊焊接接热热输输入入。该容容器器采采用用HT80高强强度度钢钢焊接接，，板板厚厚为为30mm，焊焊后后进进行行水水压压试试验验时时破破裂裂。。按按工工艺艺规规定定，，应应采采用用的的焊接接热热输输入入为48kJ／cm，但但由由于于冬季季施施工工，焊焊接接时时采采用用的的预热热温温度度偏偏高高，焊接接热热输输入入也偏大大。分分析析表表明明，，脆脆性性断断裂裂起源源点点的焊焊接接热热输输入入为为80kJ／cm，大大大大超超过过规规定定的的热热输输入入，，致致使使焊缝缝和和热热影影响响区区的韧性性显显著著降降低低。图2-17不同同焊焊接接热热输输入入对对某某碳碳-锰钢钢焊焊接接接接头头的的热热影影响响区区冲击击吸吸收收功功的的影影响响对于于确确定定的的钢种种和焊接接方方法法，热热影影响响区区的的显显微微组组织织主主要要取取决决于于焊接接热热输输入入。因因此此，，合合理理地地选选择择焊焊接接热热输输入入是是十十分分重重要要的的，，尤尤其其是是对对高强强度度钢钢。实践践证证明明：：高强强度度钢钢，过小小焊接接热热输输入入易造造成成淬硬硬组组织织而引引起起裂裂纹纹；；过大大焊接接热热输输入入又又易易造造成成晶粒粒粗粗大大和和脆脆化化，降降低低其其韧韧性性。。图2-17，随随着着焊接接热热输输入入的的增增加加，该该区区的的韧-脆转转变变温温度度相应应地地提高高，增增加加脆性性断断裂裂危险险性性。。可可采采用用多层层焊焊，以以适适当当的的焊焊接接参参数数焊焊接接，，减小小焊焊接接热热输输入入，获获得得满意意的的韧韧性性。2．焊焊接接接接头头金相相组组织织改改变变对脆脆性性的的影影响响（续续））373．焊接接缺缺陷陷的影影晌晌在焊焊接接接接头头中中，，焊缝缝和和热热影影响响区区最容容易易产产生生各种种缺缺陷陷。据据调调查查，，40％的的脆脆性性断断裂裂事事故故是是从从焊缝缝缺缺陷陷处开开始始的的。。焊接接缺缺陷陷(裂纹纹、、未未焊焊透透、、夹夹渣渣、、咬咬边边、、气气孔孔等)都可可成成为为脆脆性性断断裂裂的的发源源地地。吉林林某某液液化化石石油油气气厂厂的球球罐罐破破坏坏事事故故，，断断裂裂的的发发源源地地就就在在焊焊缝缝的的焊趾趾部部位位。焊接接缺缺陷陷都是是应力力集集中中部部位位，尤尤其其是是裂纹纹，裂裂纹纹的的影影响响程程度度不不但但与与其其尺尺寸寸、、形形状状有有关关，，而而且且与与其其所在在部部位位有关关。。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，即开裂和止裂裂的临界温温度越低，，材料的抗抗开裂性能能和止裂性性能就越好好。一般来说，，对应变速率敏敏感的材料，如C-Mn型中低强度钢钢，其抗开裂性能的转变温度＜止裂性能的转变温度度；对于高强度钢由于它对应应变速率不不敏感，其其开裂和止止裂温度相差不多或或相同。但是在任任何情况下下，止裂转变温度不会低于（≥）它的的开裂转变温度。42脆性断裂是是由两个阶阶段组成，，因此防止止结构发生生脆性破坏坏有两个设计准准则：一、防止裂纹产产生准则(“开裂控制”)；二、止裂性能准准则(“扩展控制”)。前者是要求焊接接结构最薄薄弱的部位位即焊接接头处处，具有抵抗抗脆性裂纹纹产生的能能力，即抗开裂能力力；后者要求如果在在这些部位位产生了裂裂纹，其周围材料应具有将其其迅速止住的能力力。后者比前者者要求苛刻刻些。开裂控制：：国际焊接学学会于20世纪70年代提出，防止止焊接结构构脆性破坏坏事故，主主要着眼点点应放在焊接接头的抗开裂能力力上(即开裂控制)，并以此作作为设计依据。扩展控制：对于中低强度钢钢，由于残余应力的作用，脆性裂纹一一旦产生，一般向母材方向向扩展。因此此，要求母材具有一定的的止裂性能。近年来，焊接接头各各部分（如焊缝）的止裂性能又受到人们们的重视。。因为在高强度钢种种的应用日益益增多，由由于焊接残余应力作作用的减弱弱，或工作应应力的提高高以及焊接接冶金因素素等原因，，接头中的的裂纹完全全有可能沿焊缝方向向扩展，最后造成成结构破坏坏，因此，，要求焊缝或接头头各部位具有止裂能力。防脆性断裂的的两个设计准准则432.5.2断裂的评定定方法（1）转变温度方方法（本书采用用的方法））即确定材料料的韧--脆转变温度度特性。（2）断裂力学学方法用KIC、δc、JIC等力学指标标，作为安安全设计的的依据。2.5.3典型试验方方法介绍1.抗开裂性能试验反映裂纹产生前前韧度参量指指标的试验验。2.止裂性能试验测量脆性裂纹产产生后韧性指标的的实验。442.6防止焊接结构发发生脆性断断裂的途径造成结构脆脆性断裂的的基本因素：（1）材料在工作作条件下韧性不足；（2）结构上存存在严重的的应力集中(设计上或工工艺上)；（3）过大的拉应应力(工作应力、、残余应力力和温度应应力等)。有效地减少或控制制其中某一因素，结构发生生脆性断裂裂的可能性性可显著降低或排除除。防止结构脆脆性断裂的的三个途径：1.正确、合理理地选用材料2.采用合理的的焊接结构设计3.合理安排结结构制造工艺452.6.1正确、合理理地选用材料基本原则：既要保证结构的的安全使用用，又要考虑虑经济效果。应使所选选用的钢材和焊接用材料料保证在使用用温度下具具有合格的缺口韧性。即要保证证结构在工工作条件下下，焊缝、热影影响区、熔熔合区等薄弱部位具有足够的的抗开裂性能能，也要使母材具有一定的的止裂性能。另外，在选选材时还要要考虑材料费用和结构总体费费用的对比关系系。当某些结构构材料费用与结构整体费用相相比所占比重很少时，选用优良韧性材材料是值得的；；而对一些些结构，材料费用是结构的主要费用时，就要对对材料费用和韧度度要求之间的的关系作详详细的对比、分析析研究。另外，选选材时还要要考虑到一一旦结构断裂其后果的严重重性。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。46