焊接结构的脆性断裂ppt课件

1、第二章焊接结构的脆性破坏，1， 本章重点： 2.1结构的脆性破坏事故及其特点2.2金属材料脆性破坏的能量理论2.3.1金属材料的脆性破坏及其影响因素2.3.2影响典型断裂反应历程2.3.3金属材料脆性破坏的主要因素2.4焊接结构的特征和工艺因素对脆性破坏的影响2.4.1焊接结构特征的影响2.4.2焊接结构制造技术的特点对脆性破坏的影响2.5焊接结构的防脆性破坏设定修订原则和相关评价方法2.6焊接结构的防脆性破坏途径、2、2.1结构的脆性破坏事故及其特征是，焊接结构被广泛应用以来，在许多国家发生了一些焊接结构的脆性破坏事故。 发生脆性破坏事故的焊接结构数量虽少，但其结果严重，具有毁灭性。 因此，

2、脆性破坏引起了全世界对知情人员的高度重视。 现在脆性破坏事故有减少的倾向，但还没有达到零。 例如，1972年1月在美国建设的大型轮船，小船长189m，建设9个月后在纽约的杰斐逊港被分割成两半并沉没的1979年12月18日中国吉林液化石油气工厂的球罐连锁爆炸(死伤86人，损失约627万元) 1992年1月26日，中国黑龙江省的某砂糖以下，为了了解脆性破坏的概况，介绍一些典型的焊接结构的脆性破坏事故，并取得一些经验。 3、典型的脆性破坏事故、桥梁：最典型的是1938年3月比利时特运河上Hesselt桥的倒塌事故。 这座桥由st-42转炉钢焊接而成，摇镜头为74.52m，短短14个月，桥上只剩下一台

3、电力动车组和一个行人的负荷就倒塌了。 事故发生时的气温为- 20，6 min，桥体被切断了3个突然地。 不久，1940年1月运河上另外两座桥梁发生了局部脆性破坏。 在1938年至1940年修建的50座桥梁中，有10座发生了脆性破坏事故。 加拿大、法国也发生了同样的事故。 轮船：二战期间，美国造的4694艘船中，970艘发现了1442处裂缝，这些个裂缝目前多为万吨级“自由型”货船，其中24艘横渡甲板，1艘船舶船底完全裂开。 另外8艘从中腰对折，其中4艘沉没。 另外，Schenectady号T-2型油轮于1942年10月建造，1943年1月16日停泊在装备码头时发生了突然地断裂事故。 当时海面平稳

4、，天气温和，甲板的修订应力只有70MPa。 4、储罐： 1944年左右，发生了球形和圆筒形容器的脆性破坏事故。 像1944年10月美国的液化天然气储藏基地的球罐和圆筒形罐一样，这些个的罐的内层是由质量分数为3.5的Ni钢构成的。 事故是由圆筒罐引起的。 首先在圆筒形储罐13l2的高表兄弟过程中破裂喷出气体和液体，接着起火，之后储罐爆炸，20min后一个台球储罐因底部脚丫子过热而倒塌爆炸，造成128人死亡，损失了680万美元。 在上述中国吉林液化石油气工厂发生的球罐爆炸事故中，400m3球罐在上温带和赤道带的环缝熔接区破裂，迅速向13.5m的大裂缝扩散，液化石油气飞出，形成巨大的瓦斯气体块，着火

5、，附近球罐被加热，4h后爆炸，连续爆炸几个萩名典型的脆性破坏事故的事例和原因如表2-1所示。 5、表2-1的焊接结构脆性破坏的典型事例和原因、6、脆性破坏特征，对脆性破坏事故的调查研究结果表明：1)破坏一般在没有显着的塑性形变的情况下发生，具有突然地破坏的性质。 2 )一旦发生破坏就会瞬间扩展到结构的大部分或者整体。 因此，脆性破坏很难发现和预防。 3 )结构破坏时的应力远小于结构设置修订的许用应力。 4 )通常在比较低的温度下发生。 焊接结构的特点决定了脆性破坏的可能性大于铆接结构。焊接结构应用范围广，脆性破坏事故不多，但损失大，有时毁灭性。 研究脆性破坏问题对保证焊接结构的可靠工作，推进其

6、应用范围具有重要意义。 特别是随着焊接结构的大型化、高强化、深冷方向的发展，为了进一步研究焊接结构的脆性破坏问题，更加紧迫、更加重要。 脆性破坏的根本原因：由于材料选择不当、设定修订不合理、制造时有缺陷等原因，了解金属材料的性质和焊接结构的特点是非常必要的。 7、研究和实验表明，固体材料的实际断裂强度仅为其理论断裂强度110l1000。 为什么会有这么大的差异呢？ 格里菲斯(Griffith )认为，任何固体材料原本都存在一定数量大小的龟裂和缺陷，从而导致固体材料在低应力下产生脆性破坏。 如果能够减少裂纹或减小尺寸，物体的强度就会增加。 他在理论上的实验证实了这个。 2.2金属材料脆性破坏的能

7、量理论，8、孔口裂体模型，孔口以1单位厚度的“无限”大平板作为研究模型，先使平板承受单向式均匀抗拉应力(图2-1 )，然后固定两端，将外部能量归零。 假设在该平板上产生与抗拉应力方向垂直的长度为2贯通板厚的裂纹。 切开裂缝后，平板内积蓄的弹性应变的一部分被释放，其释放量为u。 另外，由于产生裂纹时会有新的表面形成，因此吸收能量，如果将其值设为w，则这两个能量能够分别进行修正。 (2-1)另一方面，若设裂纹的每单位表面积的吸收的表面能，则裂纹形成所需的总表面能为W=4 (2-2)，因此裂纹体的能量变化总量为(2-3)、9，该能量变化总量为基于裂纹长度的裂纹到目前为止，裂纹发展，其系统能量增加了。

8、 即，每当裂纹扩展到微量时能够释放的能量裂纹扩展到微量时需要的能量，因此裂纹不扩展之后，裂纹扩展是系统能量的减少、即释放的能量裂纹扩展所需要的能量，因此裂纹继续自动扩展也就是说：因为是10，所以可以看作是使裂纹发展的推进力，2是使裂纹发展的阻力。 当推进力抵抗时，裂缝自动发展，当推进力抵抗时，裂缝自动发展。 格里菲斯是由玻璃、塞拉混合双打等脆性材料导出的能量式。 在金属材料中，当裂纹扩展时，在裂纹前端的局部区域产生一定的塑性形变。 x线分析证实，金属断裂表面有塑性形变的薄层。 Orowan提出，裂纹扩展释放的变形能不仅对表面能，对金属材料而言，用于裂纹扩展前的塑性形变能p也是重要的。 格里菲斯

9、的能量方程式应该用(p )来代替。 裂纹扩展的临界条件可以忽略，因为(2-5)塑性形变能量p比远大于试验结果，裂纹扩展的临界条件是： (2-6)即塑性形变是阻止裂纹扩展的主要因素。 从能量原理可知，结构的破坏条件不仅取决于工作应力的大小，还取决于原来的裂缝长度。 该结论与欧文(1rwin )分析裂纹尖端应力应变场，考虑裂纹尖端应力集中，建立新的裂纹扩展临界条件完全一致。 在此基础上发展了断裂力学。11、2.3金属材料的脆性破坏及其影响因素2.3.1金属材料破坏的基本概念、破坏：金属材料受力局部变形量超过一定限度时，原子间的结合力被破坏，产生微裂纹，然后发展破坏金属。切口：截平面的外观形态。 记

10、录了许多关于切割过程的信息。 多晶金属材料的破坏路径可以是通过打孔机、沿晶体的破坏、混晶破坏等。 不同的破坏反应历程可以适用破坏方式、破坏性状态、破坏形态等用语来记述。 (1)“方式”是指在多晶体材料中断裂的路径的流动，可以贯穿晶体，也可以沿着晶界偏聚。 打孔机通过方式也可以是劈开面、滑移面或结晶学面的分离等。 从宏观上看，打孔机贯通断裂沿着既可以是延展性断裂，也可以是脆性破坏(低温下的打孔机贯通断裂)的结晶断裂和脆性破坏较多。 晶界上的薄层为连续或不连续的脆性第二相，夹杂物破坏晶界的连续性。 应力腐蚀、氢脆、淬火裂纹等沿结晶断裂。 (2)“性态”表示破坏前材料的变形能力。 延展性是指在断裂前

11、的材料中产生一定的塑性形变，脆性是指在断裂前产生或不太产生塑性形变。 脆性和延性的概念是相对的，取决于所采用的标准和所采用的判断方法，也取决于材料。 12、(3)“形态”是肉眼或显微镜下可见于切口的现象。 说明形态的典型用语有“纤维状”、“人字纹”、“潮间带波状”等。 根据解理断裂和剪切断裂等断裂反应历程，它们的断裂方式、性状态、断裂形态不同。 通常，解理断裂总是呈现脆性，但在解理断裂前也有显示一定的塑性形变的情况。 因此，解理断裂和脆性破坏不是同义词。 前者指断裂的反应历程，后者指断裂的宏命令形态。 13、2.3.2典型的断裂反应历程如下： (1)解理断裂由正应力产生的打孔机通过断裂通常沿着

12、作为特定的晶面的解理面分离。 劈开断裂多见于体心立方、密排六方金属和合金(钢中，100面为劈开面)，几乎不发生面心立方晶。 劈开破坏反应历程：当材料的塑性形变过程受到显着阻碍时(如低温、高应变速度和高应力集中时)，材料的变形被迫从特定结晶学平面(劈开面)分离破坏。 金属中的夹杂物、脆性析出物和其他缺陷对劈开裂纹的发生有重要影响。 解理断裂通常呈脆性，不产生或不产生小的宏命令塑性形变。图2-3人字条纹模式图d扩张方向o裂源s剪切唇r放射条纹，宏观形态：解理断口呈平坦，断口上的晶面在宏观上呈现不规则的取向，当断口在强光下旋转时，闪烁的闪烁定径套面是“闪烁定径套面”。 另外，劈开断口具有人字条纹或放

13、射状条纹，人字条纹的尖头指裂缝源，如图2-3所示。 解理断口的微观形态经常出现河川状、舌状、扇形花纹等。 在河川模样中，河川合流方向为龟裂扩展方向，如图24所示。 劈裂扩展所需能量小，其扩展速度相当于该介质中的纵声波速度c0。 例如，钢的c0=5020ms，观测到的c0值在0.130.32的范围，经常导致脆性破坏部件的瞬时整体破坏。 作为图24劈开断口的微观特征的河川状花纹。 作为图2-4劈开口的微观特征的河川状花纹，(1)劈开、15、(2)剪切断裂、剪切断裂是由于剪切应力沿着滑移面的滑动方向发生的断裂。 剪切断裂有时发生在(1)滑动或纯剪切：简单晶体中。 金属在外力作用下沿着最大剪切应力的滑

14、移面滑动，在某种程度上断裂。 (2)微孔集合型断裂：多发生在铁元素钢等工程结构材料上。 外力作用下，强滑动位错堆积，导致局部多产生显微空洞，该空洞随切应力不断增大，聚集连接，云同步产生新的微小空洞，最后整个材料断裂。 16、剪切断裂的断口宏命令形态：纤维状，颜色暗，有滑动变形的痕迹。 纯剪切断口：其断口平面与拉伸轴线成45角，表面平滑，图2-5b。微孔组合型断裂口：又称杯锥状断口。 杯底部分是与主应力方向垂直的平断面，断面平面不平坦，由多个细小凹凸的小斜面构成，这些个的小斜面与拉伸轴线为45，图2-5a。 微观特征：凹窝状。 韧窝花纹的形态在显微空洞中生成核，在生长和凝聚的过程中，与其周围的应

15、力状态和变形的均匀性有关，一般出现3种不同形状的韧窝花纹，如图2-6所示。17、3种不同形状的韧窝微观形态、正交韧窝形态：等轴或圆形凹窝，在两个匹配的截平面中，韧窝的形状相同。 形成原因是，由于抗拉应力的作用，最大主应力方向与断口表面垂直，且应力的分布在断口表面整体上均匀，因此，在与主应力垂直的杯底中心部产生核的显微空洞在各方向上均匀生长，最终形成等轴韧窝。 图a 剪切韧窝形态：抛物线图案，2个一致的截平面中韧窝的延伸方向相反。 图b。 撕裂固件的巢穴形态：抛物线花纹，但2个一致的截平面中固件的巢穴的延伸方向一致，图c。 其延伸的韧窝的形成，是由于微观空洞在生核和生长过程中对周围施加的应力和变

16、形不均匀。 实际的金属材料的断裂，由于内部和外部的原因(缺陷、性能等)复杂，所以断裂不是单个反应历程，其断裂通常以混合形态构成。 图2-6的3种不同形状的凹窝模式图a )正交凹窝b )剪切凹窝c )撕裂凹窝，另外，除了面心立方材料以外的其他所有格子型的金属材料在云同步存在劈开面和滑移面，在外界条件变化时从劈开断裂转变为剪切型断裂，或者与之相反。 这对于研究金属的破坏问题非常重要。 综上所述，金属材料的脆性破坏观特征，在2.1节介绍的4点之外，还具有脆性破坏的断口形态特征。 即，断裂平面一般相对于板材的表面大致垂直，塑性形变小，因此其厚度不怎么减少，一般为3以下。 脆性破坏断口一般是发光的晶粒断

17、口，断口常有人字花纹和放射状花纹。 此外，脆性裂纹一般是发展速度极快的劈开裂纹，因此难以预防。19、2.3.3影响金属材料脆性破坏的主要因素、20、1 .应力状态的影响、物体受到外负荷时，因截面而产生不同的正应力和剪切应力。 最大正应力max作用于主平面，最大剪应力max作用于与主平面成45角的平面。 max和max与加载方式相关，软系数=maxmax表示应力状态的软硬程度。 式中，泊松比，1。 对于max max，“软”应力状态对于max max，“硬”应力状态。 在不同的负载方案中，在max达到极限拉伸强度之前，max达到或塑性形变屈服极限以形成韧性断裂。 相反，在max到达屈服极限之前，max是否达到极限拉伸强度或脆性破坏。 因此，断裂形态与作为载荷方式的应力状态有关。 (根据最大剪切应力理论)、max=1(2 3 )、(根据第二强度理论)、单轴应力、三轴应力状态、21、图2-7在部件受到均匀的抗拉应力的情况下，在其中一个缺