第四章焊接结构脆性断裂2

第四章

焊接结构脆性断裂

§4-1材料断裂及影响因素

§4-2断裂评定方法

§4-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素

§4-4预防焊接结构脆性断裂的措施

§4-5缺陷安全评定

§4-1材料断裂及影响因素

断裂实例图图1船舶完全断裂实例1图2船舶完全断裂实例2

§4-1材料断裂及影响因素

断裂分类及特征

按塑性变形大小可将断裂分为和脆性断裂(解理断裂、晶界断裂)

塑性断裂断口特征：宏观形态呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，有塑性变形和滑移线；微观形态呈韧窝，韧窝是塑性变形形成微孔洞聚集长大留下的凹坑，坑底含有第二相粒子或夹杂物。

§4-1材料断裂及影响因素

断裂分类及特征解理脆性断裂断口特征：宏观形态表现为断口平整，塑性变形几乎为零，有金属光泽，呈现放射状撕裂棱形(人字纹花样)；微观特征出现河流花样、舌状花样、扇形花样。晶界脆性断裂断口特征：呈颗粒状，色泽较灰暗，无明显塑性变形，微观形貌为多面体，如岩石状或冰糖状。晶界各种析出相、夹杂物、及元素偏析是其产生的原因。

§4-1材料断裂及影响因素

断口形貌图图3塑性断裂断口图4解理断裂河流花样

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断的因素(温度)

温度是造成材料产生脆性断裂的重要因素。温度降低，屈服极限升高，逐渐达到材料的强度极限；晶粒滑移困难，形成裂纹的表面能降低。造成塑性断裂向脆性断裂转变。当材料或结构带有缺口时其转变温度明显升高。最终造成在某一温度区间的冲击能急剧下降，该温度称为脆性转变温度。

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断的因素(应力状态)

横坐标为σmax，纵坐标为τmax，sOT为正断抗力，tT为剪切屈服极限，tK为剪断抗力。当剪应力达到屈服极限tT，产生塑性变形，达到剪断抗力tK时，产生剪断。当正应力达到正断抗力sOT时，产生正断。

在单轴拉伸状态，此时τmax/σmax=1/2，即当sOT足够小时，产生塑性断裂。在三向拉伸时，其脆断的倾向要比单轴拉伸状态大。当σ1=σ2=σ3时，这种受力状态必定是脆断。

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断的因素(平面应力状态示意图)

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断的因素(应力状态分析图)

图5力学状态图

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断因素(加载速度、残余应力)

高的加载速度，材料来不及进行塑性变形和滑移，位错摆脱束缚进行滑移所需的激活时间减小，导致脆性转变温度升高。脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展，因此需要足够的裂纹扩展动力去克服裂纹扩展阻力，才能形成裂纹产生和扩展的能量条件。焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力，同时该区也是材料性能发生变化的区域，非常容易成为脆性断裂的起源。

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断因素(板厚)

板厚增加，塑性变形抗力增加，由平面应力状态向平面应变状态转变；轧制次数少，材料组织结构比较疏松。平面应力：薄板在y轴方向施加均匀拉伸应力，该平面内的应力分量σZ、τZX、τZY全部为零。这样结构三个应力分量σx、σy、τxY。由于板很薄这三个应力分量在厚度方向相等，这种应力状态称为平面应力状态。

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断因素(板厚)

平面应变：研究一个拦河水坝，坝身受水压产生变形。设坝身方向(Z轴)产生的位移为w，垂直于坝身方向(x轴、y轴)产生的位移分别用u、v表示。因坝身很长，认为沿长度方向不产生位移，即w=0，所以εz=∂w/∂z/=0，∂w/∂y=0。另外因坝身很长某个截面受力情况相同，即应力和应变与z坐标无关，∂u/∂z=∂v/∂z=0，综上可知，坝体应变分量只有三个：εx、εy、rxy。根据虎克定律：εz=1/E[σZ-V(σx+σY)]=0即σZ=V(σx+σY)

§4-1材料断裂及影响因素

影响脆断因素(板厚)

图6平面应力状态图

§4-2断裂评定方法

转变温度

金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度σs和断裂强度σf。温度降低，σs上升速率大于σf上升速率，两线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度，当T<Tk时，σf<σs，材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度，即材料无塑性变形而产生脆断。图7σs和σf随温度变化图

§4-2断裂评定方法

防止裂纹发生和阻止扩展原则

防止结构产生脆性破坏有两种设计原则防止开裂原则：止裂原则：设计的结构在可能出现的最低温度下工作，必须能阻止裂纹的自由扩展。根据断裂力学理论，能够止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，且处于较高的应力场中，当裂纹扩展进入韧性区和低应力场时，该裂纹如果小于失稳断裂的临界长度，则该裂纹被阻止。

§4-2断裂评定方法

转变温度评定方法(冲击试验)(一)冲击试验分为夏比V形缺口冲击试验和梅氏U形缺口冲击试验。夏比V形缺口冲击试验评定：1．

能量准则：以冲击断裂功αk值降低到某一特定数值时的温度作为临界温度Tk。断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定临界温度Tk。延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。

§4-2断裂评定方法

转变温度评定方法(威尔斯宽板试验)

在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环方面模拟实际结构。该试验脆性断裂有三种情况：1．

低应力产生裂纹并立即断裂2．

低应力产生裂纹扩展一定长度后自行停止3．

在较高温度下，要有高达屈服强度的应力才会产生裂纹，最后产生断裂

§4-2断裂评定方法

威尔斯宽板拉伸试样图

图9威尔斯宽板拉伸试样

§4-2断裂评定方法

宽板拉伸试验断裂行为图

图10宽板试验残余应力的影响

§4-2断裂评定方法

转变温度评定方法(落锤试验)

测定厚度大于16mm钢板的NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应，表面堆焊脆性焊道，对热敏感的合金材料难以使用。

§4-2断裂评定方法

转变温度评定方法(动态撕裂试验)

确定材料断裂韧性的全范围的试验方法，属于大型冲击试验。除了确定NDT温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。这类钢与低强度钢相比，各向异性受钢中杂质的影响，难以保证稳定的抗脆断性能；晶粒大小及碳化物金相组织的大小、分布等对显微裂纹的形成有较大的影响。

§4-2断裂评定方法

转变温度评定方法(双重拉伸)

前述各种方法试件中的脆性裂纹都是在冲击载荷作用下开裂的，但大多数焊接结构工作在静载下，所以开裂条件不够真实。通过试验确定止裂应力与温度的关系。利用一块耳板在低温和拉伸负载下将试样拉断，使裂纹向有均匀拉伸负载的试件主体扩展。§4-2断裂评定方法

断裂力学评定方法(特点)

断裂力学是防止焊接结构脆断的得力研究手段，使结构的脆断研究由大量试验的经验总结上升到防止脆断的定量设计计算。具体表现为1．

某些材料的脆性转变温度不明显2．

转变温度方法的试验结果往往受板厚、材料的强度等级、冶金因素、载荷及加载速度的影响转变温度方法未能建立许用应力和缺陷尺寸之间可靠的定量关系

§4-2断裂评定方法

断裂力学评定方法(内容)

1．

应力强度因子KⅠ和临界应力强度因子KⅠC

应力强度因子是描述裂纹前端应力强弱的力学参量，与裂纹及物体的大小、现状和外加应力等参数有关，如应力增大应力强度因子也会增大。临界应力强度因子也称为断裂韧性，是评定材料阻止宏观裂纹扩展能力的一种机械性能指标，与裂纹的大小、现状和外加应力的大小无关，是材料本身的特性，是应力强度因子的临界值。

§4-2断裂评定方法

断裂力学评定方法(KⅠC试验测得P-V图)

§4-2断裂评定方法

断裂力学评定(裂纹尖端张开位移COD)

对于中、低强度钢，由于σs低，而KⅠC又较高，此时塑性区域较大，甚至出现大范围屈服现象在这种情况下KⅠC已不适用。线弹性条件下的COD：

临界状态：

§4-2断裂评定方法

各评定方法之间关系

1．

转变温度类型试验间的关系1)大型试验与小型试验结果的关系：大型焊接宽板试验的转变温度与V形缺口冲击试验达到某一温度(σb<450N/mm2的材料冲击能大于27J的温度)有一定的对应关系。2)小型试验结果的关系：落锤试验(DWT)和动态撕裂试验(DT)的NDT温度基本一直，NDT温度与威尔斯宽板拉伸试验之间，NDT温度与止裂温度(CAT)之间也有一定的相互关系，所以可以利用落锤试验确定CAT转变曲线。

§4-2断裂评定方法

各评定方法之间关系

1．

转变温度试验与断裂力学试验结果之间的关系1)

V形缺口冲击试验与COD试验结果的关系

TV=T+112-σS-5B1/2TV―V缺口冲击试验温度(℃)；T―使用温度；

则

δC(T)=0.01VE(TV)(适用低碳及普通钢)VE(TV)―TV温度下V形缺口冲击试验的吸收功

(Kgf.m)

§4-3设计及制造对脆断影响

设计影响焊接结构的整体性及大刚度1．

引起较大的附加应力2．

对应力集中因素特别敏感3．

一旦有不稳定脆性裂纹出现，很可能会穿越接头扩展至整个结构，从而造成整个结构的破坏。不应在高应力集中区布置焊缝

§4-3设计及制造对脆断影响

制造影响(应变时效)

人工时效：钢材在剪切、冷作、弯曲成型之后，如果在150~450℃范围内加热，材料性能会产生脆化，即产生应变时效。该应变时效较动应变时效的影响弱的多。动应变时效：材料在热循环和热塑性变形循环的作用下，在缺陷处和产生较严重的应变集中，具有较大的热应变量，降低了材料的延性，提高了材料的转变温度。

§4-3设计及制造对脆断影响

制造影响(应变时效)§4-3设计及制造对脆断影响

制造影响(接头金相组织、焊接缺陷)

在焊接热循环的作用下，焊缝及近缝区的组织会发生一系列的变化，使接头各部位的缺口韧性不同。金相组织变化取决于材料原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量。过小的线能量，引起淬硬组织，易产生裂纹；过大的线能量，使晶粒粗大，造成韧性降低。1焊接缺陷是造成结构产生脆断的重要因素。其影响程度与缺陷的性质、尺寸、形状及部位有关，其中裂纹、未焊透等影响最为严重。

§4-3设计及制造对脆断影响

制造影响(角变形、错边、残余应力)

产生附加弯曲力矩和新的应力应变集中，在拉伸载荷和附加弯曲力矩的共同作用下，易造成接头破坏。平面缺陷―裂纹、分层、未焊透非平面缺陷―气孔、夹渣1)

试验温度在材料的转变温度以上时对脆断无影响2)

试验温度在材料的转变温度以下时，和拉伸载荷叠加，造成脆断的产生。

§4-4预防脆性断裂措施

设计方面(一)

掌握结构工作条件：最低温度、介质温度和工作载荷的性质。(二)

减少结构和接头的应力集中1．

选择结构传力截面及接头形式要尽量使力线均匀分布，避免截面尺寸突变，防止应力集中。2．

尽量减小结构刚性，大型结构采用较薄的材料。1．

充分考虑到可焊到性。2．

避免焊缝密集和焊缝相交

§4-4预防脆性断裂措施

正确选用材料

按缺口韧性试验验收材料一般对选定的材料用V形缺口冲击试验的结果来验证其适应性，即所选材料和焊接填充金属保证在工作温度下有合格的缺口韧性。

按断裂韧性和屈服极限之比选择材料断裂韧性尚不足以说明材料的脆-塑性，断裂韧性(KIC) 与材料屈服极限之比才能好好地说明这一问题，因为两者之比反映了裂纹尖端处在断裂前塑性区的大小。

§4-4