焊接结构的脆性断裂

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，可把看成是使裂纹扩展的推动力，而2γ是裂纹扩展的阻力。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。葛里菲斯是根据玻璃、陶瓷等脆性材料推导的能量公式。在金属材料中，当裂纹扩展时，裂纹前端局部地区要发生一定的塑性变形。X射线分析证实金属断裂表面有塑性变形的薄层。奥罗万(Orowan)提出，裂纹扩展所释放的变形能不仅用于表面能，对于金属材料，更重要的是用于裂纹扩展前的塑性变形能p

。则在葛里菲斯能量方程里应以(p+γ)来代替γ。裂纹扩展的临界条件应为：(2-5)根据试验结果，塑性变形能p比γ大得多，因此γ可忽略不计，裂纹扩展的临界条件：(2-6)即塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素。由能量原理看出，结构的断裂条件不仅决定于工作应力σ的大小，还取决于原始裂纹长度α。这个结论和欧文(1rwin)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。112.3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

断裂：是指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。断口：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、沿晶断裂、混晶断裂。不同断裂机制可应用断裂方式、断裂性态、断裂形貌等术语来描述。(1)“方式”是指在多晶体材料中断裂路径的走向，它可以是穿晶或沿晶界的。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，穿晶断裂可以是延性断裂，也可以是脆性断裂(低温下的穿晶断裂)；沿晶断裂则多数是脆性断裂。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。(2)“性态”是表达断裂前材料的变形能力。延性是指在断裂前材料产生一定的塑性变形；脆性则指断裂前不发生或很少发生塑性变形。脆性和延性的概念是相对的，它依赖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镜下在断口上所见到的现象。描述形貌的典型用词如“纤维状”、“人字纹”、“海滩波纹状”等。

对应不同的断裂机制：解理断裂或剪切断裂等，它们的断裂方式、性态和断裂形貌是不一样的。通常解理断裂总是呈现脆性的，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形。所以，解理断裂和脆性断裂不是同义词。前者是指断裂机制，后者则指断裂的宏观形态。13典型的断裂机制(一)解理断裂

在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常沿特定晶面即解理面分离。解理断裂多见于体心立方、密排六方金属和合金中(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：当材料的塑性变形过程严重受阻(例如低温、高应变速率及高应力集中情况下)，材料不易发生变形被迫从特定的结晶学平面(解理面)发生分离的断裂。金属中的夹杂物、脆性析出物、其他缺陷对解理裂纹的产生有重要影响。

解理断裂通常呈现脆性，不产生或产生很小的宏观塑性变形。

图2-3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：解理断口平齐，断口上的结晶面在宏观上呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的小平面为“小刻面”。另外，解理断口具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、扇形花样等。在河流花样中，河流汇合方向就是裂纹扩展方向，如图2-4。

解理裂纹扩展所消耗的能量较小，其扩展速度υ与在该介质中的纵向声波速度c0相当。

例如：钢的c0=5020m／s，观测到的υ／c0值为0.13～0.32范围，往往造成脆性断裂构件的瞬时整体破坏。图2-4解理断口的微观特征---河流状花样。图2-4解理断口的微观特征---河流状花样(一)解理断裂15（二）剪切断裂

剪切断裂是在切应力作用下，沿滑移面的滑移方向而造成的断裂。

剪切断裂分为两种情况：（1）滑移或纯剪断：常发生于纯单晶体。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。（2）微孔聚集型断裂：多发生于钢铁等工程结构材料。在外力的作用下，因强烈滑移、位错堆积，在局部地方常产生显微空洞，这种空洞在切应力作用下不断长大、聚集连接，并同时产生新的微小空洞，最后导致整个材料断裂。16

剪切断裂的断口宏观形貌：纤维状，颜色发暗，有滑移变形的痕迹。纯剪切断口：其断口平面与拉伸轴线成45º角，表面平滑，图2-5b。微孔聚集型断裂断口：又称杯锥状断口。杯底部分与主应力方向垂直的平断口，断口平面并非平直，而是由许多细小的凹凸小斜面组成，这些小斜面又和拉伸轴线成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。

韧窝花样的形貌在显微空洞中生核、长大和聚集过程中，与其周围的应力状态和变形均匀性有关，一般出现三种不同形状的韧窝花样，图2-6。17三种不同形状的韧窝---微观形貌

正交韧窝形态：等轴或圆形窝，两个相匹配的断口表面上，韧窝的形状是相同的。形成原因是在拉应力作用下，最大主应力方向垂直断口的表面，并且应力在整个断口表面上的分布是均匀的，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向均匀长大，最后形成等轴韧窝。图a。

剪切韧窝形态：抛物线花样，两个相匹配的断口表面上韧窝拉长方向是相反的。图b。撕裂韧窝形态：抛物线花样，但两个相匹配的断口表面上韧窝拉长方向是一致的，图c。其拉长韧窝的形成是由于显微空洞在生核和长大过程中，四周所承受的应力和变形不均匀所致。

实际金属材料的断裂，由于内部及外部原因（缺陷、性能等）均较复杂，断裂常常不是单一的机制，其断口为混合形貌构成。

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，除面心立方材料外，所有其他点阵类型的金属材料均同时存有解理面和滑移面，当外界条件变化时，便可能由解理断裂向剪切型断裂转化，或者相反。这一点对于研究金属断裂问题是十分重要的。

18

综上所述，金属材料的脆性断裂特征，除了2.1节介绍的4点外，还具有脆性断裂的断口形貌特征。即：断裂平面一般近似地垂直于板材表面，塑性变形很小，因此其厚度减少不多，一般不超过3％。脆性断裂断口一般是发亮的晶粒断口，断口上常有人字纹或放射状花样。另外，脆性裂纹一般为扩展速度极快的解理裂纹，因此很难预防。

192.3.3影响金属材料脆性断裂的主要因素201.应力状煮态的影吵响物体搂在受膨外载抢时，城不同抓的截绳面上蔬产生桂不同怖的正应谷力σ和切应力。在主损平面作米用最大进正应力仍σma图x，与港主平许面成雀45茅º角史的平初面上径作用弄有最按大切繁应力max。σmax和ma匀x与加赤载方漆式有坝关，软性系他数α=max／σmax表示帮应力间状态软硬爬程度。式中，为泊松科比，而哭σ1>σ２>σ３。当max≥σma龙x时，“软抵性”应力贪状态咐；当ma面x≤σma矩x时，“硬性热”应力状译态。在不同璃加载方漫式下，蚁当σmax未达到愧抗拉强抗度前，ma森x先达到犹屈服点，羊（即ma活x≥σmax）？，则卖发生糊塑性倍变形忘而形桥成延性魄断裂。反之丘，在max达到冲屈服巩点前字，σma抽x先达片到抗洪拉强齐度，（即ma晕x≤σma肃x）？，则雄发生脆性魄断裂。因此，断裂形樱式与加载堪方式亦即应力芝状态有关。（按最比大切应贺力理论高）σma欢x=σ1－(σ2+σ3)（按吸第二皱强度房诚理论配）单轴蚕应力三轴元应力袖状态21图2-晒7为构不件受均丢匀拉应狐力时，根其中一基个缺口根俯部出现挣高值怎的应力粒和应扔变集顺中情况；钓缺口越深越您尖，其局部乏应力围和应册变也越大。三向累应力拦产生倡机理听：在陪受力影过程岔中，缺口根转部材料予的伸长，必童然引丑起沿宽度和库厚度方剧向的收痰缩，但由阶于缺口尖本端以外的材币料受族到的应力棒较小，引收起收缩也较肿小；罪由于收缩总不均兔匀，缺口根后部收缩俯受阻，结称果产给生宽度抢和厚激度方冤向的拉应群力σx和σz牢，导致勒缺口根伴部形成三向哪应力溜状态。在三向应往力情况管下，呆材料哈的屈服吵点较单向吃应力时提高，即辩缺口眠根部斤材料浑的屈服凑点提届高，从而匹使该处材料变复脆。因此，脆性断捆裂事故多起瓦源于闹具有严重皮应力尸集中霸效应的缺口处。实验证勾明，许虑多材料脂处于单向或糊双向拉驴应力时，呈鞋现延性；当处木于三向路拉应导力时，不旦发生塑券性断裂屯而呈现脆性。在实际竞结构中寄，三向应始力可能由三向援载荷产生，宣但更多跨情况是溪由于结构堂的几撕何不妄连续洪性引起掌的。鸭虽然整个劲结构处于单向共或双庆向拉壁应力状态下法，但其局部镇地区由于设射计或工固艺不当陶，往往愚出现局部三胸向应力状态砍的缺口殊效应。222．温度的影份响当T＞Tk时，塑σb>σs，无缺洒口试件硬单轴拉茄伸时，菜先屈服似再断裂蛮，为延规性断裂舒，即处岛于塑性状跟态；当T＜Tk，若盗对材张料加南载，胸在破论断前岛只发餐生弹万性变掉形，不产生蠢塑性变户形，材料嘱呈现脆性断旗裂，即处格于脆性干状态。韧脆转眨变温度Tk：从一陆个状绳态向携另一堪个状劳态转众变的裤温度界。Tk越低，则俱材料饭处于延性状态的岂温度范围渔越广；反孙之，隙一切异促成Tk升高的搂因素，均溉将缩小材料嫩塑性惕状态亩的范围，增大巧材料产最生脆性却断裂的趋拳势。弄因此Tk是衡量讲材料抄抗脆铃性破糟坏的重要参您数。金属在高温时，犬具有良好的铺变形能华力，当温度降站低时，惧其变术形能爸力就减小，金费属这喜种低温荣脆化的性岂质称市为“低温脆故性”。它亲是金属查材料屈服苦点随温药度降低仙急剧喊增加的结概果。任何金洞属材料无都有两讯个强度碍指标—σs和σb。σb随温度株变化很好小，而σs却对端温度冶变化十分灯敏感。温度降统低，屈服点急剧升高，故局两曲擦线相慕交于棚一点图，交探点对盯应的侦温度外为Tk--劫--韧脆漠转变骂温度(见脑图2呀-8绸)。塑性状斗态脆性状扣态σ233．加载茶速度的影响提高加臂载速度能促到进材例料脆性破象坏，其作宴用相当响于降低温秆度。原因：亿钢的屈服点不仅面取决亮于温弱度，置而且事还取神决于加载输速度或应变速肝率。即脆随着应变扁速率的提高底，材料味的屈服点提高盆。在同叼样加刚载速乌率下慕，当而结构睬中有缺口时，应变规速率可呈现伸出加倍不炉利影响抵。由杆于应力永集中的影己响，应变速年率比无缺扑口结构高得李多，从而世大大降柳低材料鹅的局部埋塑性。这也钓说明为讨什么结斤构钢一刻旦产生脸脆性断步裂，就评很容易欲产生扩练展现象棒。原因须：当缺口根毁部小范围杠金属材料发廊生断裂时，则尼在新裂肉纹尖崖端处立即受兵到高应力兵和高应创变的载荷。即：备一旦缺口根奇部开裂秀，就有漏高的应奶变速率，而不蚀管其原枪始加载之条件是袖动载还匠是静载梁，此后谈随着裂纹加速虚扩展雄，应变笑速率更急剧增野加，致浇使结构最后躺破坏。延性忽-脆画性转朽变温惑度与花应变变速率铜的关居系，图2基-9盗。244．材料校状态的影从响1)厚板在缺口摊处容易形妥成三向拉级应力，因穗为沿厚度方畏向的收上缩应恼力和紫变形胳受到较大限愚制，形成平面易应变氧状态；而薄板材料求，在厚度方彻向能比聪较自由揉地收师缩，故菊厚度梢方向呢的应舅力较也小，努接近灵于平面蜘应力伞状态。平面应诱变状态的三向牛应力使材料霉变脆。图2-技10箱脆性渠断裂开牢始温度献与板厚真的关系(1)滤厚度摩的影响厚度对脆性掉破坏的材不利影冻响可由晨以下两种因爆素来决置定：2)嗓冶金因叹素：一孕般说来判，生产薄板时压延福量大，轧制出终了温度较崇低，组织细晃密；相反，厚板轧制次起数较少爽，终轧温度较社高，组织疏术松，内堆外层鹿均匀宜性较禾差。图2育-1虾0信可见捉，钢板越畏厚，其象低温脆挽性倾向蓬越显著氧。25(2)疤晶粒咏度的影弟响晶粒直径越呼小其韧脆疯转变温度越残低，如图余2-1喘1。图2宾-1印1韧脆转芹变温度皆和铁素者体晶粒流直径的税关系26(3览)鸦化学怎成分笔的影伴响有害和元素磨：钢中巾的C、N、O、S、P均增华加钢征的脆性。图2-1爹2，随着含C量的增暑加，钢的痛韧脆转闪变温度香提高。有益辞元素灰：合金雄元素Mn、Ni可以未改善堡钢的举脆性犯，降低韧脆转欺变温度辣。（亡图2-乓13）V、Ti元素在加逝入量午适当拣时，筒也有招助于侧减少扶钢的次脆性幕。272.员4即焊崭接结构特针点和工艺因境素对脆性蓬断裂的氏影响焊接结犬构脆性老断裂事哪故的发枣生，除最了由于材料选酱用不当之获外，结构的允设计和制造不合鞠理也凯是发虏生脆隐性断疯裂的猴重要草原因仁。在60帮个脆性破漫坏事故驳的实例仍中，有1l例是由势于设计宪不佳所致乌，9例是由够于焊接呀缺陷所致百。可信见，鱼焊接艇结构顾的设计职和制耐造在脆性头断裂事扎故中的钩重要性次。在设计中尽主量避普免和肠降低应力攀集中，并在制造过程中榆加强管婶理和检站查，防挖止工艺边缺陷，是堵减少肯和消浴除脆性破筒坏事故的重要年措施。为了合柄理设计抱和制造方焊接结汤构，必碑须对焊龟接结构的护特点有充分的肝了解。282.庙4.绞1伍焊接结构的膛特点对脆性津断裂的岩影响1．贺焊接话结构移比铆狱接结碍构刚度邮大焊接为刚性连恢接，连接晓构件不能产生相对位域移。而铆接则由展于接样头有锡一定喉相对慕位移把的可拍能性丈，而乘使其刚度相黑对降低，在让工作壶条件役下，械足以墙减少轻因偶然挖载荷而产生附加铺应力的危完险。在焊践接结缸构中逝，由奖于在笔设计金时没有考茄虑到这喉一因绍素，柳往往旗能引钥起较殊大的附加罩应力。特别章是在温度降子低而材料忠的塑性变凭坏时，这盟些附加粱应力常常会攻造成结厦构的脆壶性破坏购。附加魂应力的例子钓：19糕47楼年1搞2月愈，原备苏联之曾发弦生几会个4渡50化0m3储油器魄的局部忍脆性断辈裂事故故。温度怪不均所造成晴的附加应纪力是这奶些储傍油器脊破坏泡的重牙要原在因。供当大炒气温滴度下锦降到-4靠2℃后，产一方劫面由际于材肃料本秃身的塑性曲降低，另块一方撑面由受于容细器的内外长温度齿不同，底或部和草筒身叔的温性度不贩一样染，筒身的侮向风面与背风面痒的温度也有差别，在牛筒身爆就形震成复杂的璃附加应锈力场，因闲而造最成结淘构的讨破坏添。29另外庆，焊将接结蚊构比刑铆接瞎结构刚度大，所以沟对应力炼集中特别环敏感泪，如蝴果设咐计中必采用菜应力鬼集中应系数昼很高嚷的搭接奖接头，或采犁用骤然变仍化的截夜面，当温度降慈低时,糕结构倡就有卵发生脆性断本裂的危险唉。美国岭“自劝由轮揉”，当怜采用铆接结阿构时，虽点然应力荡集中很多大，但舱并未发勉生过日脆性戏破坏事故截。而获在采兵用焊接结添构后，却画发生了杰一系列脆性野破坏事故圈。研究完发现颠：除材料猎选用芳不当外，船粥体设计把不合俘理也是造磨成其破纠坏的重涌要原因番之一。叉图a最洞初设计被由于拐角流处为适一尖趁角，惹应力买集中很大断；图b改进后撤的设计锐由于采链用圆滑枯过渡忽的拐纯角，斧应力住集中赵得到俯缓和。改进捆后的设筹计承载君能力增加昌到1.4殖倍，而所爬需破坏在能量增加25穴倍。图2垫-1撒4摧“腹自由骡轮”殿甲板报舱口现设计触对比a)毁最初设辟计绒b)沃改进润后设计302．泻焊接与结构欢具有整体性这一特梯点为设拜计制造屑合理的徐结构提姑供了广姿泛的可撤能性，傲因此整体性布强是焊接结哪构的优点之程一，但潜是如果勾设计净不当，或制六造不丸良，这堂一优托点反像而可灶能增峰加焊柱接结杀构脆鲜性断拾裂的已危险查。因为由披于焊接吹结构的整体性，它将绩给裂纹的殖扩展创造谷十分泰有利屠的条籍件。保当焊泰接结籍构工构作时菌，一拳旦有不稳罗定的袖脆性浑裂纹角出现，就有迈可能穿越诵接头话扩展议至结岸构整等体，而慈使结研构整巧体破弹坏。而铆接结冲构，当出廉现不稳产定的脆秒性裂纹斤后，只大要扩展到凉接头处，就吊可自铺然止先住，避免更亡大灾难的出苍现。凑因此简在某遗些大型焊破接结构中，有熄时仍保留少闸量的铆末接接头。例如：国在一些腰船体中谜，甲板与辨舷侧顶歇列板的连接粱就是采烦用铆接连接。312.4象.2吼焊接前结构制造工幕艺的特也点对蛙脆性千断裂芒的影塘响焊接么过程可给沉焊接病结构晃的接烛头带押来如仔下一积些不利共的影非响：1．两类宴应变滤时效引起的惜局部脆础性2．焊陵接接头金相组复织改变絮对脆页性的尘影响3．焊接缺悔陷的影晌4．焊府接残余应滑力的影响321．两类应慈变时效引起遥的局凤部脆头性在焊迎接结秀构制造吗过程迹中，一拆般包矛括切割、冷热经成形(剪切达、弯推曲、锹矫正稠等)、焊接等工序，其中津一些工敬序可能提高钢材韧-户脆转皇变温响度，使姿材料塘变脆总。（1垮）在匠焊接搜结构性生产雅过程残中的剪切借、冷羽作矫晚形、体弯曲等，其经过冷加垫工产生守一定插的塑性变柳形，随后辫又经160拔～45黎0℃温度悔范围建的加魂热就惹会引栋起应变卫时效，导构致脆哪化。（2熊）在焊接时，近缝售区某厌些刻是槽，即缺口尖则端附近或多层昆焊道中置已焊完塑焊道中妙的缺陷附喘近，金辩属受被到热循环厌和热塑误变循环(1酸50买～4跨50卧℃惜)的户作用饶，产蓄生焊接好应力挠-应艇变集便中，导致炎较大的塑性变贱形，引起应变匹时效，称为动应承变时城效(热应变愁脆化)。钢的应变时朵效定义：塑性变摩形时或变形后，固值溶状撑态的芳间隙偿溶质惹（C梨、N晓）与便位错盾交互妙作用轰，“钉看扎”音位错阻止抱变形的物理香本质，赖从而导万致强度燃提高均，韧投性下促降的力捎学冶末金现历象。33许多碳-锰与低强度柄结构钢对应变时劳效脆化泊比较取敏感烤，它庙将大逐大降低钢材妥的塑性，提高材料伪的韧-词脆转待变温烧度，促进起焊接结维构的脆性破油坏。应变造时效导致焊茶接结构版脆性破横坏的实拢例很常见淋的。例隶如：煎某储油罐的脆闷性破筹坏事您故，揭破坏封始于罐体和链底板的秘连接处，扩础展后恳达到顶部。检查册后表伯明：这诞种钢材对应挤变时羡效非常目敏感，离钢么材剪切边典缘不同距帜离处缺爽口韧性妥有急剧夕的变愈化。钢板本敢身的转乳变温占度为-8汉℃，但距剪切会边缘牌6m愉m处，迅转变首温度翁为+53遣℃，距剪僚切边缘萝20m诵m处为巴+36象℃。主要原避因：剪切引起冷作液应变，随后旬进行的焊接工别序引起应变时捞效所致。姐因此，医该对焊哈接接头全的应变镇时效潜区应充度分注矮意。应变时热效:34试验结微果：以冷弯掠变形(2命0℃揉预弯鼓)试言件的恼转变票温度呼为最低，而250雀℃预弯的转脏变温糊度为最高。焊后热点处理(55沿0～6联50℃类)可以迷消除两类应提变时效对低碳搂钢和一驰些合金茧结构钢鸡的影响庭，恢复其侧韧性。因此炕，对应梳变时效敏感条的钢竿材，焊各后热飘处理岭不但竭可以消除焊接残余按应力，而仓且可王以消师除应变滔时效途的脆商化影轧响，对防泄止结构丙脆性断反裂是有蔑利的。图2-柜15碰不同温牢度下预古应变对拒COD贵值的影杂响1－母椒材睁2聪－+20扒℃预弯匙，25吹0℃下商时效1那／2h3－1冷50℃萌预弯逃4－忆350胆℃预弯败5位－25萍0℃缓预弯对比抄两类蚁应变劫时效钢：动应茅变时壤效对脆乡丰性的俱影响贼往往更为不临利。图2-涌15是书某碳-罩锰钢在不梳同温损度下除预应母变对屡断裂软时CO州D值(裂纹醒张开位菌移)的汁影响。汗试验分闭4组进界行，一瓜组是在侮20℃败下预弯，再凑在2稳50锐℃下朱时效救1／车2h早(模迁拟冷变形引起请的应熔变时肠效)斑，其愉他三泻组试托件分锤别在堪15挂0℃折、2追50景℃和思35柄0℃仿下热弯(模释拟动应眼变时倘效)。所片有试件派的预弯秒处理是南先使缺觉口张开符约0.音1mm浇，然后哥向里弯某曲到原召来尺寸呜。动应变五时效352．僻焊接旷接头金相很组织改变对脆煎性的肾影响焊接重过程落是一尸个不均匀馒的加热过程远，在歼快速氧加热功和冷腾却的析条件孙下，通使焊缝和树近缝区发生丢了一伸系列金相姐组织的变管化，巡寿因而骡改变接头梁部位搏的缺仪口韧骨性。图2-砖16，础该接头货的焊缝和阿热影响肿区具有比母材高的转变温段度，所以瞎，它们姓成为焊测接接头戏的薄弱为环节。图2-旗16灶某逗碳-锰百钢焊接禁接头不貌同部位锦的CO增D试验浙结果1－母材2－社母材谊热应狂变时朵效区3－细肌晶粒热汇影响区4－粗继晶粒热铁影响区5－焊缝36案例壶：日本寄德山汉球形其容器的脆跪性断朗裂事辨故是庆由于很采用过大盈的焊夕接热仪输入。该容器蛋采用H厚T80高强度社钢焊接艇，板颈厚为先30责mm宇，焊倒后进地行水主压试奔验时上破裂协。按奋工艺距规定尾，应插采用泄的焊接热劲输入为48k骡J／c恼m，但由疏于冬季朱施工，焊猛接时虾采用谋的预热朝温度俭偏高，焊接热讨输入也偏大。分抱析表染明，首脆性烈断裂起源楼点的焊接滨热输入旗为80全kJ航／c屋m，大樱大超咬过规充定的竟热输厨入，将致使焊缝创和热误影响赶区的韧性弊显著邻降低。图2旦-1棚7象不同星焊接听热输遭入对垦某碳蝇-锰按钢焊瓜接接的头的晒热影生响区冲击吸坐收功的悲影响对于确程定的钢种和焊接吼方法，热接影响矮区的刷显微什组织蚂主要挽取决岸于焊接富热输灶入。因此交，合理怨地选择葡焊接热始输入是励十分重爸要的，参尤其是陵对高强赏度钢。实践膜证明太：高强岗度钢，过小焊接狮热输呆入易造悬成淬硬组核织而引起稿裂纹；过大焊接热钩输入又晨易造成晶粒粗捎大和脆覆化，降樱低其境韧性盒。图2-界17，迈随着焊接热个输入的绝增加，该炎区的韧-脆已转变温恼度相应地提高，增加脆性词断裂危险性右。可采蝇用多层未焊，以适阅当的焊氧接参数左焊接，减小诵焊接幼热输艘入，获仍得满意膏的韧仓性。2．帆焊接监接头金相匪组织截改变对脆性排的影响（续）373．焊接垒缺陷的影伯晌在焊驳接接亲头中分，焊缝和守热影响诞区最容易让产生各种缺挎陷。据调调查，4秃0％的色脆性断朴裂事故仅是从焊缝缺期陷处开讨始的雕。焊接管缺陷(裂纹、杯未焊透少、夹渣料、咬边希、气孔等)回都可阵成为纯脆性朋断裂绞的发源侵地。吉林烟某液策化石周油气厕厂的球罐真破坏事壮故，断袄裂的发稳源地就倍在焊缝超的焊趾灰部位。焊接腹缺陷都是应力集吨中部位，尤其氏是裂纹，裂纹进的影响志程度不咬但与其挺尺寸、突形状有霸关，而年且与其所在部赵位有关佩。如果裂纹位于高值拉凳应力区就容裳易引舰起低应诱力破蜡坏。若在应力卸集中扶区(如压玻力容器女接管处誉)产生焊接毅缺陷就更帮加危繁险.畅所以血，最蛛好将敌焊缝琴布置框在应力集恼中区以堵外。384．那焊接残余意应力的影响焊接过油程存在庄的不均俱匀温版度场，因氏而冷肆却后赞结构流中必践然产幻玉生焊级接残余争应力。根据笨日本逃的大惨板试征验：当工作温员度＞材料的韧-脆球转变温茫度时，拉伸残厌余应力对结构赌的强度无不柄利影响等；当工作煮温度＜材料尺的韧末-脆立转变党温度公时，滔拉伸翼残余拣应力晋对结绪构的险强度有不纸利影响。拉伸氏残余庆应力将和工作斜应力叠加共同起狼作用，搁在外加爽载荷很园低时，吹发生脆僵性破坏巾，即低应邮力破脖坏。拉伸残迅余应力具有局部服性质，它姜只限熔于在焊缝适及其额附近京部位,离开翠焊缝区别其值迅冤速减小赶。所以利，此峰值展拉伸证残余愤应力有助糟于断店裂的惕产生葛。随李着裂纹的增长离开焊毒缝一定华距离后，君残余妥应力急剧减宇小。当工作银应力百较低时，裂为纹可能中止扩鼠展；当工作匹应力鹿较大时，担裂纹农将一棒直扩展至所结构破慌坏。39裂纹穿过两平器行焊接接头的开裂路孔径图2碧-1暴8，名由于宜焊缝州距离艇近，预所以索两平饺行焊缝间的残余徐应力为拉应力，在增试件哪上有作一个肿较宽确的残产余拉鲁应力徐区。贪因此焦，在忽40京.2篮MP纽奉a的钓均匀究拉应侄力下城脆性肤开裂穿过铸整个毅试件的宽度柄。图2意-1溉9，蜻焊缝近间有塑较大怀的残余动压应傻力，因赏此，台在2每9.雄4M蓬Pa盟平均脂应力哑下，绣裂纹糊在压反应力乖区中拐弯弟并停各止。图2-遍18近距离平行京焊接掌接头在试件卷的开融裂路洒径和针纵向盟残余环应力汤分布a)浩残余应望力分布输图秤b)伪试件布图40残余应天力对脆性室断裂裂纹扩葡展方向的影响图2-凤20，膊若试件未经违退火，试验伟时也不施驱加外拔力，冲击引发港裂纹牵后，捏裂纹源在残余喝应力作用下挽，将沿平行焊聪缝方向扩宜展(N幸30W鹿-3)房诚。随着外加应拌力的增苍加，开裂弃路径越来越昨接近与外加鸽应力方向垂直的试露件中鸡心线廉。如果试社件残余旦应力经退火完先全消除，则掌开裂盖路径克与试件蛾中心绿线重屡合(N3削0WR架-1)临。412.5商焊更接结构防脆性棒断裂设计涉原则及相霜关的评定岭方法2.筋5.开1皮焊输接结葡构防脆性掠断裂的设计该准则焊接盘结构脆性闲断裂是瞬时完留成的，难但它肝仍是闲由两个轮阶段组成骂。即惨在结习构某功个部桌位，零例如焊接或障冶金缺于陷处（率焊接霉冷、胡热裂阻纹、苦咬边泻、未拔焊透赵等）首先产生一脆性郊裂纹(即不稳宇定裂浑纹)--途--裂纹泻的产充生；然后该裂纹滨以极快的速恒度扩展，部贤分或凳全部世地贯穿结误构件，造锤成脆尿性失都效。圈--仔--裂纹谎的扩蜓展失稳汪扩展膏的裂干纹在一定祥条件下可能停劫止下来白，即止裂。例如铲：当裂架纹进入拉应力棕较低的区域上，没有于足够的档能量来织维持裂靠纹进一誉步扩展记；或者沙裂纹进赶入到韧性挣较好的材料(或挥同一歇材料瞒，但寨温度埋较高患，韧纳性增索加)夺受到元较大则的阻介力，锡无法潮继续留扩展疫。材料都妖有脆性爷裂纹引虑发的临界珍温度即开裂温脊度，止醋住裂彻纹扩湿展的止裂脱温度。开裂和止裂例温度叹的高蝇低可用翠来衡昌量材尘料的抗开恨裂性艇能和止裂犹性能，即开裂和绢止裂的疫临界温透度越低灯，材料洽的抗开赠裂性能哥和止裂粱性能就误越好。一般煎来说钱，对应变妥速率遮敏感的材料汁，如C碎-M块n型中低强宫度钢，其抗开裂性能批的转变连温度＜止裂性替能的转变链温度；烦对于高强束度钢由于它乎对应变对速率不谋敏感，唐其开裂厚和止裂屡温度相差不索多或相牢同。但是悟在任何呢情况下蒜，止裂转变温档度不会低互于（≥凤）它袖的开裂转变温恢度。42脆性断陈裂是由妈两个阶居段组成揪，因此汉防止结下构发生备脆性破割坏有两个设仙计准则：一、防止绪裂纹束产生院准则(“开裂家控制”)布；二秃、止裂璃性能叮准则(“扩展控舱制”)跌。前者是要求边焊接结脆构最薄共弱的部谷位即焊接接牲头处，具镰有抵决抗脆缴性裂朋纹产型生的防能力副，即抗开佛裂能翼力；后者要求如羡果在这按些部位迹产生了毯裂纹，筋其周围有材料应具有撑将其迅巨速止住损的能类力。后者懂比前蜡者要今求苛融刻些。开裂控想制：国际焊妻接学会英于20青世纪帝70板年代提出，允防止焊岛接结构姻脆性破贯坏事故肤，主要长着眼点抖应放在焊接接后头的抗开途裂能车力上(即开裂骂控制)，并南以此殃作为以设计依据临。扩展戚控制：对于中低强览度钢，由捷于残余赢应力的作用姻，脆性裂循纹一旦决产生，一箭般向母造材方丛向扩展。士因此，要求母材具有一钢定的止裂恋性能。近年殊来，焊接接改头各部洽分（如焊缝）的止裂性腰能又受嘴到人训们的甘重视壶。因悦为在高强度悲钢种的应朗用日辜益增阵多，吵由于款焊接残余侍应力耀作用载的减欺弱，或上工作欧应力灰的提步高以岁及焊杰接冶拴金因沃素等命原因治，接训头中凯的裂也纹完自全有夹可能沿焊服缝方成向扩纷展，最锹后造踩成结建构破半坏，换因此逢，要求焊缝或晒接头各惜部位具有止裂能接力。防脆性断剥裂的两个吊设计忧准则432.5附.2依断裂的据评定方宗法（1捆）转变德温度清方法（本书猛采用的允方法）即确定葬材料的纽奉韧--忠脆转变郑温度特再性。（2构）断罢裂力写学方义法用KIC、δc粱、JIC等力转学指迟标，块作为醉安全震设计躬的依芦据。2.煌5.秒3沫典型穗试验涨方法幼介绍1.抗开裂性能砖试验反映裂纹产顶生前韧度孤参量穿指标俘的试依验。2.止裂性能试蜘验测量脆性汗裂纹妈产生朴后韧性指革标的实榆验。442.6防止焊接琴结构泥发生迷脆性坚断裂捷的途径造成结已构脆性泥断裂的基本林因素：（1拥）材料在榨工作条习件下韧性不井足；（2）穗结构上灰存在严饮重的应力斗集中(设幸计上瞎或工桥艺上饥)；（3）过大的观拉应力(工富作应瓦力、起残余僵应力催和温喇度应胳力等怨)。有效地减少或猪控制其中某一台因素，结构熟发生脆停性断裂冬的可能管性可显莲著降低或仙排除。防止结望构脆性邀断裂的三个途器径：1.蛾正让确、膀合理直地选用纪材料2.膛采专用合骆理的电焊接结构设舰计3.徒合历理安杠排结覆构制造工南艺452.6介.1柏正确、任合理地选用材伸料基本原陶则：既腥要保证钓结构塔的安真全使别用，又慢要考怪虑经济效雄果。应翠使所葬选用怀的钢材和焊接杜用材颠料保证窜在使贵用温歼度下溪具有合格悔的缺口韧臣性。即要金保证结胶构在工或作条件薯下，焊缝贤、热蔽影响鸽区、刘熔合博区等薄弱陵部位具有足强够的抗开优裂性走能，也乔要使母材具有一砍定的止裂性师能。另外，匙在选材罗时还要冶考虑材料费械用和结构总医体费用的对比皆关系。当某些洲结构材料费钉用与结属构整体有费用若相比所占比重巷很少时，选责用优良救韧性耍材料是值扭得的新；而脑对一纹些结浅构，材料谣费用是结湖构的主要泼费用时，萍就要香对材狼料费用厉和韧丘度要求双之间敏的关想系作钉详细昼的对比、患分析研般究。另时外，幼选材刮时还咏要考兼虑到六一旦结构断论裂其后果介的严汇重性。实验帐方法雀：通常采梦用夏比广冲击垂试验烈方法进行骑材料奖的选择和牵评定。冲击们试验是绍在不同躬温度下对偿一系激列试犯件进先行试徒验找桥出其韧-脆魔性特性与温度的关补系。赴常用蝇的有夏比渐V形和夏比U稿形缺口洞冲击蜜试验。目余前多袭采用夏比文V形缺口诱冲击污试验。由于愧冲击试捆验方法鞋简单，御试件小临，容易船制备，幼费用低直，不论逢作为材料质测量控制，还边是事故品分析束研究，各召国普灿遍采倦用。462.6腾.2违采用合肿理的焊评接结构设愈计设计有脆性断狮裂倾向的焊接羊结构，愿注意以酷下几个结原则：1．尽漫量减少咏结构或窄接头部科位的应力灰集中；2．尽撒量减少逃结构的刚度绘；3．不档采用过厚截饺面；4．涝重视附件或马不受力记焊缝的设计庙。471．罢尽量厅减少博结构搬或接尼头部傲位的应力让集中1)个在一形些构辨件截面耻改变的地方脖，必须情设计成平缓乡丰过渡，不要形成尖角，图义2-用38呈。图2丝式-3崖8订尖角种过渡弟和平疾滑过押渡的秧接头a)裁不可壶采用脾b爆）可以奋采用图2-将39补封头驶设计时溉合理与余不合理界的接头a）犬不合亲理起b）缸合理2)在设计关中应尽盘量采用搁应力蓄集中系数筐小的对接辣接头，尽量避免应力谈集中拉大的搭接接晨头。图2真-39希a设计琴不合理亦，而图闪b由于效减少焊日缝处应迟力集中编，承载辩能力大西大提高趋。试验版表明，购断裂从焊缝脱以外开始。483)不同厚凳度构件关的对接接闻头应当尽距可能采赶用圆滑过婶渡，图旷2-失40舌。图2禾-4固0惊不同辰板厚仅的接妇头设端计方范案a)功可掩以采吧用斯b)极最