第2章焊接结构的脆性断裂.ppt

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1、第第2章章 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂一一 结构脆断特征和研究焊接结构脆断意义结构脆断特征和研究焊接结构脆断意义 1.1.结构脆断特征：结构脆断特征：1)断裂过程没有显著塑性变形，具有突然破坏性质；2)破坏发生后瞬时扩展到结构大部,不易发现预防；3）结构破坏时应力远远小于设计许用应力;4）通常在较低温度上发生.2.2.研究焊接结构脆断意义研究焊接结构脆断意义 1）焊接结构特点决定其脆断可能性比铆接结构大;2）焊接结构发生脆断事故损失很大，甚至是灾难性;3）随着焊接结构向大型化/高强化/深冷方向发展，研究焊接结构脆断问题显得更为迫切和重要.第2章 焊接结构的脆性断裂二二 金属材料断裂及

2、其影响因素金属材料断裂及其影响因素 概念：概念：金属材料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.金属材料断裂表面外观形貌称为断口，它记录着有关断裂过程的许多信息.金属断裂分为延性断裂和脆性断裂两大类金属断裂分为延性断裂和脆性断裂两大类.脆性断裂在断裂前不产生显著塑性变形，而延性断裂在断裂前则发生显著塑性变形.延性断裂也称韧性断裂或塑性断裂.注意注意:在载荷作用下，不同材料在相同条件下具有在载荷作用下，不同材料在相同条件下具有不同的变形能力，而同一材料在不同条件下也会出现不不同的变形能力，而同一材料在不同条件下也会出现不同的断裂

3、形式同的断裂形式.第2章 焊接结构的脆性断裂(l)(l)延性断裂及其断口形貌延性断裂及其断口形貌 延性断裂过程延性断裂过程:在外载作用下先发生弹性变形，载荷继续增加，通过滑移发生明显塑性变形，当滑移先晶界后晶内受阻,载荷继续增加,由于脆性夹杂物或第二相粒子与基体界面脱开以及位错积塞引起显微空穴或微孔，当足够显微空穴或微孔串联后形成一条可辨认宏观裂纹，最后导致穿晶断裂.延性断裂宏观断口延性断裂宏观断口:呈纤维状/颜色发暗/有滑移痕迹.类型:杯锥状断口/45斜断口.杯锥状断口特征杯锥状断口特征:杯底部分与主应力方向垂直，该断口由很多细小凹凸小斜面组成，小斜面和拉伸轴线成45呈纤维状.4545斜断口

4、特征斜断口特征:断口平面与拉伸轴线大致成 45，它是由切应力引起的塑性断裂,称为剪切唇.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-1 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 延性断裂微观断口延性断裂微观断口:韧窝 韧窝花样:等轴/剪切/撕裂1)正交韧窝(等轴窝)形态:圆形 形成原因是在拉伸应力作用下，最大主应力方向垂直于断口表面，应力在整个断口表面上分布均匀，因此在垂直于主应力杯底中心部分生核显微空穴向各方向均匀长大，最后形成等轴韧窝.2)剪切韧窝形态:抛物线花样 两个相匹配断口表面上韧窝拉长方向相反,形成原因是由于塑性变形主要由切

5、应力所致.3)撕裂韧窝形态:抛物线花样 两个相匹配断口表面上韧窝拉长方向一致,形成原因是在撕裂应力作用.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-2 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(2(2）脆性断裂及其断口形貌）脆性断裂及其断口形貌 脆性断裂包括沿晶脆性断裂、准解理断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂.最典型脆性断裂是解理断裂:它是一种沿晶内一定结晶学平面分离的晶内断裂，这个结晶学平面称作解理面.解理断裂机理:当材料塑性变形过程严重受阻，材料不易发生变形，被迫从特定结晶学平面发生分离的断裂就是解理断裂(晶内（穿晶）断裂).解理断裂宏观形貌解理断裂宏观

6、形貌:平断口，有金属光泽(晶状断口),呈现人字纹花样人字纹花样，该人字纹尖峰指向裂纹源.解理断口微观形貌解理断口微观形貌:河流花样/舌状花样和扇形花样.金属材料断裂常常是混合机制，断口亦为混合形貌.启裂区:纤维状断口形貌-快速扩展区:放射状人字纹-断口两侧及端部会有剪切唇出现.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-3 人字条纹示意图 D一扩展方向 O一裂源 S一剪切唇 R一放射条纹 第2章 焊接结构的脆性断裂a.冲击断口人字形花样d.舌状花样c.扇形花样b.解理断口河流状花样图2-4 断口花样 3 3 影响金属材料脆性断裂的主要因素影响金属材料脆性断裂的主要因素(1(1）应

7、力状态影响）应力状态影响 max/max表示应力状态软硬程度，称为软性系数.max按最大切应力理论计算，而max按第二强度理论计算：max=1(2+3)式中，为泊松比，而123.当maxmax时，称为“软性”应力状态，反之当maxmax时，称为“硬性”应力状态.第2章 焊接结构的脆性断裂 规律：规律：1）在max达到屈服点前，max先达到抗拉强度，则发生脆性断裂，反之如果max先达到屈服点，则发生塑性变形而形成延性断裂.2）材料处于单轴或双轴拉伸应力下，易于呈现塑性；处于三轴拉伸应力下易于呈现脆性.实践表明：实践表明：三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多情况是由于结构几何不连续性引起.即虽然整体

8、结构处于单轴或双轴拉伸应力状态，但局部由于设计不佳、存有缺陷而形成局部三轴载荷拉伸应力状态缺口效应.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-7 缺口根部应力分布示意图（2 2）温度影响）温度影响 概念：概念：金属脆性断裂很大程度上决定于温度，金属在高温具有良好变形能力，当温度降低时其变形能力减小，金属这种低温脆化性质称为低温低温脆性脆性.理论：低温脆性是金属材料屈服点随温度降低急剧增加的结果.基本规律：基本规律：材料随着温度降低，破坏方式会发生变化，即从延性断裂变为脆性破坏.概念：概念：把由延性向脆性断裂转变的温度称为韧脆（延性脆性）转变温度韧脆（延性脆性）转变温度T Tk

9、k.第2章 焊接结构的脆性断裂 规律规律：在其他条件相同时Tk越低则材料处于廷性状态的温度范围越广；反之一切促成Tk升高因素均将缩小材料塑性状态范围，增大材料产生脆性断裂趋势.Tk是衡量材料抗脆性破坏的重要参数.注意：注意：韧脆转变温度不是一个温度而是一个温度区间；体心立方晶格和密集六方晶格金属及其合金具有低温脆性，而面心立方晶格金属及其合金没有低温脆性.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-8 b和s 随温度变化示意图(3(3）加载速度影响）加载速度影响 规律：规律：随着加载速度增加，材料屈服点升高，因而促使材料向脆性转变，起作用相当于降低温度,随应变速率增加，韧脆转变温

10、度向高温转移.注意：注意：在同样加载速率下，当结构中有缺口时应变速率可呈现出加倍不利影响.因为由于缺口有应力集中，其应变速率比无缺口结构高得多，从而降低材料局部塑性.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-9 延性脆性转变温度与应变速率的关系(4(4）材料状态影响）材料状态影响 1 1）厚度影响）厚度影响 厚度对脆性破坏不利影响，由以下两种因素来决定：对于厚板更容易形成三轴应力状态;从冶金因素:生产薄板时压延量大，轧制次数多，轧制温度较低，组织细密；厚板轧制次数少，终轧温度较高，组织疏松，内外层均匀性较差.2 2）晶粒度影响）晶粒度影响 晶粒度越细，其转变温度越低.3 3）化

11、学成分影响）化学成分影响 碳、氮、氧、硫、磷、硼增加脆性/锰、铬、镍、铝、钼、钒、妮减小钢脆性.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-10 脆性断裂开始温度与板厚的关系第2章 焊接结构的脆性断裂图2-11 韧脆转变温度和铁素体晶粒直径的关系第2章 焊接结构的脆性断裂图212 含碳量对钢的韧脆转变温度的影响1bf ft=1.356Nm，1oF=（5/9）K 第2章 焊接结构的脆性断裂图2-13 合金元素对钢的韧脆转变温度的影响四四 焊接结构的特点和工艺因素对脆性断裂的影响焊接结构的特点和工艺因素对脆性断裂的影响 发生焊接结构脆断事故主要原因有两点：1.选材料不当；2.结构设计

12、和制造工艺不合理.为了合理设计和制造焊接结构，必须对焊接结构特点有充分地了解,与脆断有关的焊接结构特点有两点：(1）焊接结构比铆接结构刚性大）焊接结构比铆接结构刚性大 a.由于焊接为刚性连接而容易导致焊接结构因某种原因引起较大附加应力；b.焊接结构比铆接结构刚性大而对应力集中特别敏感.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图214 “自由轮”甲板舱口设计对比a)最初设计 b)改进后设计1一纵桁材 2一角焊缝 3一双角焊缝T形接头 4一缺口1 5一甲板 6一缺口27一叠板 8一缺口3 9一缺口4 10一舱口端梁 11一舱板的焊缝(2）焊接结构具有整体性）焊接结构具有整体性 这一特点

13、为设计制造合理结构提供了广泛可能性，因此整体性强是焊接结构优点，但如果设计不当或制造不良，这一优点反而增加焊接结构脆断危险.因为由于焊接结构整体性，将给裂纹扩展创造十分有利条件,当焊接结构一旦有不稳定脆性裂纹出现，有可能穿越接头扩展至结构整体.而铆接结构出现不稳定脆性裂纹后只要扩展到接头处可自然止住，因而避免更大灾难出现.第2章 焊接结构的脆性断裂(3）焊接结构制造工艺的特点）焊接结构制造工艺的特点 1）两类应变时效引起局部脆性）两类应变时效引起局部脆性 在焊接结构制造过程中,经过冷加工(剪切/冷作成型/弯曲)产生一定塑性变形，随后又经 150450 温度范围加热就会引起应变时效，导致脆化(静

14、应变时效）.另一类应变时效是焊接过程中近缝区或多层焊已完成焊道中缺陷附近，金属受到热和塑变循环（约150450）作用，产生焊接应力应变集中导致较大塑性变形而引起的应变时效，称为动应变时效，亦称热应变脆化.焊后热处理可以消除两类应变时效影响，恢复其韧性。因此焊后热处理不但可以消除焊接残余应力，而且可以消除应变时效脆化影响，无疑这对防止结构脆断是有利的.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-15 不同温度下预应变对COD值的影响1一母材 2一+20预弯，250下时效12h3150预弯 4350下预弯5250下预弯第2章 焊接结构的脆性断裂图2-16 某碳锰钢焊接接头不同部位的C

15、OD试验结果1一母材 2一母材热应变时效区 3一细晶粒热影响区4一粗晶粒热影响区 5一焊缝2）焊接接头金相组织改变对脆性的影响）焊接接头金相组织改变对脆性的影响 焊接不均匀加热使焊缝和近缝区金相组织变化而改变了接头部位缺口韧性,导致焊缝和热影响区具有比母材高的转变温度而成为薄弱环节.热影响区显微组织取决于热影响区显微组织取决于:a.钢材原始显微组织/化学成分;b.焊接方法;c.焊接线能量.过小焊接线能量易造成淬硬组织，过大焊接线过小焊接线能量易造成淬硬组织，过大焊接线能量又易造成晶粒粗大和脆化而降低韧性能量又易造成晶粒粗大和脆化而降低韧性,建议采建议采用多层焊用多层焊/小焊接工艺参数来获得满意

16、韧性小焊接工艺参数来获得满意韧性.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图217 不同焊接热输入对某碳-锰钢焊接接头的热影响区冲击吸收功的影响 3）焊接缺陷影响）焊接缺陷影响焊接接头-焊缝和热影响区最容易产生各种缺陷焊缝和热影响区最容易产生各种缺陷.美国对船舶脆断事故调查表明:40%脆断事故是从焊缝缺陷处开始,焊接缺陷(裂纹/未焊透/夹渣/咬边/气孔)可成为脆断发源地.焊接缺陷影响脆断原因焊接缺陷影响脆断原因:a.产生应力集中;b.降低有效承载面积.焊接缺陷影响程度焊接缺陷影响程度:a.尺寸;b.形状;c.缺陷所在部位有关(高拉应力区/结构应力集中区危险).第2章 焊接结构的脆性

17、断裂4）焊接残余应力影响）焊接残余应力影响 根据日本大板试验:当工作温度高于材料韧-脆转变温度时拉伸残余应力对结构强度无不利影响拉伸残余应力对结构强度无不利影响，但是当工作温度低于韧-脆转变温度时拉伸残余应力则有不利影响拉伸残余应力则有不利影响，它将和工作应力叠加共同起作用，在外加载荷很低时，发生脆性破坏，即所谓低应力破坏.拉伸残余应力具有局部性质，只限于在焊缝及其附近部位，离开焊缝区迅速减小。所以峰值拉伸残余应力有助于断裂产生,随着裂纹增长离开焊缝一定距离后残余应力急剧减小,当工作应力较低时裂纹可能中止扩展，当工作应力较大时裂纹将一直扩展至结构破坏.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构

18、的脆性断裂图2-18 近距离平行焊接接头试件的开裂路径和纵向残余应力分布a)残余应力分布图 b)试件图第2章 焊接结构的脆性断裂图2-19 近距离平行焊接接头试件的开裂路径和纵向残余应力分布a)残余应力分布图 b)试件图第2章 焊接结构的脆性断裂图2-20 裂纹扩展路径路径五五 焊接结构断裂评定方法和设计原则焊接结构断裂评定方法和设计原则 脆断事故脆断事故:低温大厚度存有残余应力大应变速率缺口，而应变速率可用降低温度采描述，温度是个主要因素,故在一定温度下对具有缺口的全厚度试样迸行试验最能反映材料和结构抗脆性破坏能力。1 1 断裂评定方法断裂评定方法 两种:转变温度方法/断裂力学方法.(l(l

19、）转变温度方法特点转变温度方法特点 a.建立在实验和使用经验上;b.试验方法简单;c.结果便于工程应用.应当说明，对于一种材料采用不同试验方法所得到的韧脆转变温度并不相同;同一试验方法，但试样形式不同（如缺口形状和尺寸不一等）其结果也不相同.第2章 焊接结构的脆性断裂(2(2）断裂力学方法）断裂力学方法 由于构件不可避免地会产生缺陷，且许多缺陷应用现代技术尚不能准确地、经济地检验出来。而许多缺陷的修复既昂贵又危险。因此，只有承认裂纹存在，研究裂纹扩展的条件和规律才能更有效地防止脆断事故。断裂力学就是从构件中存在宏观裂纹这一点出发，利用线弹性力学和弹塑性力学的分析方法，对构件中的裂纹问题进行理论

20、分析和实验研究的一门学科。断裂力学提出了一些新力学指标，KIC、C和JIC。K 因子即应力强度因子，它是反映线弹性体裂纹尖端应力场强度的力学参量。临界值应力强度因子KIC称作平面应变断裂韧度,也是材料特性，材料断裂条件是KI=KIc。应当指出:断裂韧度不是一个材料绝对常数，它随温度、加载速度等而变化。第2章 焊接结构的脆性断裂 应力强度因子是建立在线弹性断裂力学基础上，对于解决高强度钢和超高强度钢断裂问题是很有成效.而对于中低强度钢由于裂尖存在塑性区，当小范围屈服，经过修正线弹性断裂力学分析尚可应用，当大范围屈服，以弹塑性断裂力学为基础，用临界裂纹张开位移 CTOD(C)值和 J 积分临界值J

21、IC（延性断裂韧度）作断裂判据.通过断裂力学分析，把构件内部裂纹大小和构件工作应力以及材料抵抗断裂能力定量联系起来，从而对含裂纹构件安全性和寿命给出估算，为工程构件安全设计、制定合理验收标准和选材原则提供理论基础.标准:GB416184 金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法 ；GB235880 裂纹张开位移（COD）试验方法 ；GB2038-80 利用JR阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度的试验方法;BS7448(1-4).第2章 焊接结构的脆性断裂2.焊接结构防脆断设计原则焊接结构防脆断设计原则 脆性断裂分两阶段:断裂产生或引发阶段/扩展阶段.在裂纹扩展阶段:裂纹进入应力较低区域，或者裂纹进

22、入韧性较好材料或同一材料，但温度较高，韧性增加,受到较大阻力无法继续扩展而止裂.对一种材料:有脆性裂纹引发临界温度即开裂温度和止住裂纹扩展的止裂温度.开裂和止裂温度可用来衡量材料抗开裂和止裂性能，开裂和止裂临界温度越低，材料抗开裂和止裂性能越好.应变速率敏感材料其抗开裂温度低于止裂温度；对应变速率敏感材料其抗开裂温度低于止裂温度；对于应变速率不敏感材料，开裂和止裂温度相差不多或相同，于应变速率不敏感材料，开裂和止裂温度相差不多或相同，但任何情况，止裂温变不低于开裂温度但任何情况，止裂温变不低于开裂温度.第2章 焊接结构的脆性断裂 防止脆性破坏设计原则：防止脆性破坏设计原则：一抗开裂原则，二止裂

23、原则一抗开裂原则，二止裂原则 抗开裂原则要求焊接结构最薄弱部位即焊接接头处具有抵抗脆性裂纹产生能力，即抗开裂能力；止裂原则要求产生脆性裂纹后周围材料具有将其迅速止住能力.设计原则使用方法：主要以开裂控制作为设计依据,同时要求母材具有一定止裂性能.由于止裂转变温度不低于开裂转变温度，因由于止裂转变温度不低于开裂转变温度，因此采用止裂准则进行设计时对材料要求将比开裂此采用止裂准则进行设计时对材料要求将比开裂原则苛刻原则苛刻.第2章 焊接结构的脆性断裂3 典型试验方法介绍典型试验方法介绍 防脆断设计要求通过有关试验测出材料抗开裂性能或止裂性能，供设计者参考应用.凡反映裂纹产生前韧性参量指标的试验皆属

24、于开裂型试验；凡测量脆性裂纹产生后韧性指标的试验皆为止裂型试验.(1）抗开裂性能试验 在开裂型试验中裂纹尖端局部材质韧性起决定性作用，它决定构件抗开裂性能.1）威尔斯（wells）宽板拉伸试验 特点:能在实验室重现实际焊接结构低应力断裂现象，能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环影响方面模拟实际焊接结构.不但可研究脆断机理，且可用于选材.分单道焊缝宽板拉伸试验和十字焊缝宽板拉伸试验.第2章 焊接结构的脆性断裂 单道焊缝宽板拉伸试验单道焊缝宽板拉伸试验 试件尺寸规定：试件尺寸规定：原板厚915mm915mm（我国采用 500mm 500mm）方形试件.施焊成方形试件前把两块915mm456mm 板材

25、待焊边加工成双 v 形坡口，在板中央坡口边中部开出一道和坡口边缘垂直，尖端宽度为0.15mm，深为5mm 缺口.焊接时缺口尖端不但处在焊接残余拉伸应力场内，且还在热场温度下产生应变集中，造成动应变时效.动应变时效可能提高缺口尖端局部脆性,将制备试件在大型拉力试验机上分别在不同温度下进行拉伸试验，绘制出整体应力应变和温度之间关系曲线.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-21 单道焊缝宽板拉伸试件及缺口图第2章 焊接结构的脆性断裂图2-22 宽板拉伸试验的典型应力温度关系曲线 09MnTiCuRE：焊态热处理预拉伸 06MnNb：焊态 十字焊缝宽板拉伸试验十字焊缝宽板拉伸试验

26、 某些低合金钢和高强钢对动应变时效不敏感，而熔合线、热影响区或焊缝往往是焊接接头最脆部位,因此缺口应开在这些区域内进行试验，采用十字焊缝型宽板拉伸试件进行试验.制备试件:首先是焊接与拉伸载荷垂直横向焊缝，然后在焊缝/热影响区或熔合区相应部位开出缺口，再焊接纵向焊缝，试验方法与单道焊缝试验相同.宽板试验可测定开裂准则材料最低安全使用温度.规定:在510mm标距内产生0.5整体塑性应变温度作为临界温度;对于强度高钢材:整体塑性应变为4倍屈服点应变时温度作为临界温度.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-23 十字行焊缝宽板拉伸试件2）日本大板拉伸试验 制备:首先将两块 25mm

27、500mm1000mm板件用自动焊焊成一块 25mm1000mm1000mm试件，然后在焊缝中央钻一个直径为10mm圆孔，在直径上开出一个与载荷垂直的尖端圆弧半径为0.lmm 缺口，缺口长度为 36mm,试验方法与 wells 宽板拉伸试验相同.试件上有缺口和残余应力:当试验温度高于Ta Tf时，试件中焊接残余应力对试件断裂强度没有影响，断裂形式为塑断；当试验温度低于Ta Tf时，残余应力将产生不利影响，断裂形式为脆断.钢板最低使用温度原则上是根据大板试验时断裂应力为 1/2 屈服点时的温度规定的.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-24 日本大阪拉伸试件及缺口图 a)试

28、件 b)坡口及焊缝剖面 c)缺口 第2章 焊接结构的脆性断裂图2-25 大阪拉伸试验结果3 3）深缺口试验）深缺口试验 深缺口试件分为两类：一母材试件，二焊接接头试件.缺口开在研究部位，深度可为100、140和180mm(或80120mm),缺口尖端为长25mm，宽0.2mm.亚临界热影响区试件亚临界热影响区试件（研究动应变时效时采用）:坡口为K形-两块边板上开坡口，中间板不开坡口,先在中间板两直边中部开出深为5mm 细缺口，再把两侧边板和中间板焊好，在两个边板上开出粗缺口与中间板细缺口沟通.热影响区试件热影响区试件:先将焊缝焊好，焊缝坡口为 K 形或 v 形,再用锯在焊缝直边热影响区开出粗细

29、相连缺口.焊缝试件焊缝试件:首先施焊和载荷方向平行纵向焊缝，然后再焊接与其垂直横向焊缝，最后在横向焊缝上开出缺口.通过试验可求得不同长度缺口与断裂应力和温度关系曲线.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-26 深缺口试件 a)母材试件 b)亚临界热影响区试件 c)热影响区试件 d)焊缝试件(2(2）止裂性能试验）止裂性能试验 1 1）落锤试验）落锤试验用途用途:测定铁素体钢无塑性转变温度（NDT 温度）.无塑性转变（NDT）温度:指标准试样发生断裂的最高温度,表征含有小裂纹钢材在动态加载应力下发生脆断的最高温度.落锤试验是动载简支弯曲试验,试验时从受拉伸的表面中心平行长边方

30、向堆焊一段长为 6065mm，宽为1216mm，高为3.55.5mm 的脆性焊道，堆焊焊条采用 45mm EDPMn315（如 D127）焊条.对于厚度超过试件尺寸材料，从一面机加工到标淮厚度，保留一个轧制表面，并以该面作为受拉伸表面，然后在焊道中央垂直焊道方向锯开一个人工缺口，再把试件缺口朝下放在砧座上.砧座两支点中部有限制试件在加载时产生挠度的止挠块.试验时在不同温度下用锤头（是一个半径为 25mm 的半圆柱体，硬度不小于 HRC50）冲击，根据试件类型及试验钢材屈服点按标准选择落锤能量，试验温度应是 5 整数倍.第2章 焊接结构的脆性断裂 根据标准规定:试验以裂纹源焊道形成的裂纹扩展到受

31、拉面的一个或两个棱边判为断裂，反之，裂纹未扩一展到受拉面的棱边为未断裂。NDT 温度的确定是用一组试件（68 块）进行系列温度试验，然后测出试件断裂的最高温度。在比该温度高 5 时至少作两个试件，并且均为未断裂，则将该试件断裂的最高温度确定为 NDT 温度.落锤试验中所测定的 NDT 温度是材料的止裂特性，即落锤试验可代替昂贵的大型止裂试验方法研究材料的止裂性能.特点特点:方法简单/试验结果重复性好/能一定程度模拟焊接结构实际情况.因此国内外均把 NDT 温度定为材料安全使用温度.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-28 落锤试验示意图 1一止挠块 2一砧座 3一锤头 4

32、一脆性焊道 5一试件 6一支座第2章 焊接结构的脆性断裂2 2）动态撕裂试验）动态撕裂试验(DT(DT 试验试验)试验表明:DT 试验在揭示金属材料冲击抗力和温度转变特性方面优于夏比冲击试验，是工程应用较理想的测定金属材料全部转变区断裂特征的试验方法.特点：特点：试件断裂韧带较长，可以提供足够长断裂扩展路径，充分揭示金属材料抵抗撕裂能力；试件开机械缺口，在缺口尖端用刀片压入0.25mm 深，使缺口既尖再加之施以动态冲击载荷，构成非常苛刻试验条件；试验装备/试件制备/试验程序简单/方便/成本低.第2章 焊接结构的脆性断裂 试件外形尺寸（mm）为40180，试件厚度为 516mm，厚度大于 16m

33、m 的材料应加工成 16mm 厚的试件，试件缺口可用铣削或线切割方法加工，但一组试件必须采用同一种机加工方法。对加工好的试件，需用硬度大于 HRC60 的刀片压制缺口，压入深度为 0.25 士 0.13mm，而该压制深度应作为名义净截面（w-a）一部分.试验在冲击式试验机上进行（美国 ASTM 标准规定在摆锤式或落锤式试验机上进行），在每个试验温度下，至少试验两个动态撕裂试件，试验时测出 DTE（动态撕裂能量），与温度的关系曲线，在 ASTME604-83 标准中增加了断口剪切面积测量项目。第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-29 动态撕裂试件尺寸图2-30 动态撕裂试件

34、缺口形状及尺寸第2章 焊接结构的脆性断裂图2-31 焊接接头取样位置第2章 焊接结构的脆性断裂图2-32 一种低合金钢焊接接头的动态撕裂能量与温度关系曲线 焊缝 母材 热影响区 (虚线为12动态撕裂能量峰值所对应的温度)3 3）罗伯逊（）罗伯逊（Robertson Robertson）试验试验 试验目的是确定在某一应力下脆性裂纹在钢板中扩展时被制止的临界温度,分为等温型和温度梯度型试验两种.试件两端为卡头连接板I，中间为试件III，试件与连接板之间焊有两块比试件厚度要薄的屈服板.试件尺寸（mm)为板厚 76510，试件一端为半圆型，头部钻直径25mm圆孔，圆孔内部一侧用细锯开出0.5mm人工缺

35、口.温度梯度型试验是在试件一端裂纹源处用液氮冷却，而另一端加热，在沿裂纹扩展路径上造成温度梯度,对试件施某数值应力，用摆锤方法冲击低温圆弧端部，使低温区缺口产生脆性裂纹，在拉应力作用下沿试件扩展，在试件上某一温度处停止扩展，这个温度即为该材料在给定应力下止裂温度.等温型试验:给定应力进行一系列试验，每个试件温度不同，通过试验找出裂纹扩展和不扩展临界温度，即为止裂温度.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图2-27 罗伯逊试验的试件第2章 焊接结构的脆性断裂图2-33 落锤撕裂试件第2章 焊接结构的脆性断裂图2-34 典型的DWTT断口表面形貌2.2.防止焊接结构发生脆断途径防止

36、焊接结构发生脆断途径 造成结构脆性断裂基本因素：造成结构脆性断裂基本因素：a.材料在工作条件下韧性不足;b.结构上存在严重的应力集中（设计或工艺）;c.过大拉应力（工作应力/残余应力/温度应力）.防止结构脆性断裂防止结构脆性断裂:a.a.选材选材;b.b.设计设计;c.c.制造环节制造环节.第2章 焊接结构的脆性断裂(1(1）正确、合理地选用材料）正确、合理地选用材料 选材原则选材原则:1).保证结构安全使用;2).考虑经济效果.保证结构安全使用保证结构安全使用:1)所选钢材/焊材应保证在使用温度下具有合格缺口韧性-保证结构在工作条件下，焊缝/热影响区/熔合线/热应变时效区等薄弱部位具有足够抗

37、开裂性能，也要使母材具有一定止裂性能.考虑材料费用和结构总费用对比关系考虑材料费用和结构总费用对比关系：a.当材料费用占整体费用比重很少时选用韧性优良材料;b.材料费用是结构主要费用时要对材料费用和韧性要求之间关系作详细对比分析;c.选材时要考虑结构断裂后果严重性.第2章 焊接结构的脆性断裂 通常采用冲击试验方法进行材料选择和评定冲击试验方法进行材料选择和评定.冲击试验使用方法：在不同温度下对一系列试件进行试验找出其韧一脆性特性与温度关系.冲击试验方法特点冲击试验方法特点:a.a.简单简单;b.;b.试件小试件小;c.;c.试件容易制备试件容易制备;d.;d.费用低费用低.夏比夏比v v形和形

38、和U U形缺口冲击试验对比形缺口冲击试验对比:a.尺寸（mm）均为 101055/缺口深度均为 2mm b.缺口形式不同:V 形缺口尖端半径为0.25mm,U 形缺口半径为 lmm.c.V形比U形缺口试件更能反映脆断问题实质.我国采用夏比我国采用夏比v v 形冲击试验进行材料验收和评定形冲击试验进行材料验收和评定,标标准准 GBT229-1994GBT229-1994 金属夏比缺口冲击试验方法金属夏比缺口冲击试验方法 .第2章 焊接结构的脆性断裂 钢材韧性夏比冲击评定方法钢材韧性夏比冲击评定方法:1 1）能量标准）能量标准 实验证明：随着温度上升，打断试件所需冲击吸收功也上升，因此用冲击吸收功

39、衡量材料韧脆转变温度.塑性变形能量和缺口根部形状有关.由于冲击韧度在一定温度区间内是逐渐变化的，所以取对应某固定冲击吸收功时温度为转变温度,可取对应最大冲击吸收功1/2温度为转变温度.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图235 冲击试验及其评定标准 a)冲击吸收功 b)断口形貌 c)横向收缩 1一锁眼夏比 2一V形夏比 2 2）断口标准）断口标准 使用试件断口形貌来衡量转变温度特性，称断口形貌转变温度.断口形貌标志金属特性变化:温度低-扩展快/吸收功低/解理断口；温度高-扩展慢/吸收功高/剪切破坏断口.它是衡量开裂后裂纹扩展行为标志,表示金属由晶粒状破坏向纤维状剪切破坏转变.

40、注意：注意：裂纹扩展时前沿金属承受加载速率高,故断口形貌转变温度不低于断裂能转变温度断口形貌转变温度不低于断裂能转变温度.以断口晶粒状断面百分数（50）温度作为转变温度.第2章 焊接结构的脆性断裂3 3）延性标准）延性标准 测量随着温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口表面横向膨胀量,对应于3.8侧向膨胀率温度为转变温度.总结:不同国家/部门对冲击值要求不一致.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂 英国劳氏船级社英国劳氏船级社:a.0冲击吸收功;b.30纤维状断口形貌.美国船级社（美国船级社（ABSABS）/美国石油学会美国石油学会 API:API:冲击吸收功应满足表 24 规定

41、.I类钢屈服点s 280MPa ,类钢屈服点为280 s 420MPa,类钢屈服点为 420 s 700MPa.英国英国 BS6235 BS6235 规定规定:v 形缺口冲击吸收功为 27J.我国 钢质海船入级与建造规范 冲击功要求:a.级钢-0 冲击功27 J;b.级钢-0 冲击功47;c.级钢要求10 冲击功 61.总之，选材要根据结构类型及相应设计规范进行.英国焊接研究所在对碳钢和碳锰钢进行宽板拉伸试验基础上，提出这类钢材制造低温容器暂行规定建议.规定宽板拉伸试验临界温度作为结构最低设计温度,每种板厚碳钢和碳锰钢最低设计温度与夏比冲击能量不小于 27（对于b450MPa钢材）或 40J（

42、对于b450MPa 钢材）的转变温度对应关系.可在设计制造工作在某个设计温度下的容器时，根据板厚确定该钢材的冲击试验验收温度，试验合格钢材可用于该设计温度下容器.在上述初选基础上，可根据防脆断设计准则进行相关试验，确定工作合理温度或根据国内国际已颁布“合于使用”准则的焊接缺陷验收标准确定允许缺陷尺寸.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图236 焊态构件最低设计温度及参考厚度 第2章 焊接结构的脆性断裂图237 焊态热处理构件最低设计温度及参考厚度(2(2）采用合理焊接结构设计）采用合理焊接结构设计 当设计有脆断倾向焊接结构，应当注意以下原则：1 1）尽量减少结构或接头部位应力

43、集中）尽量减少结构或接头部位应力集中在构件截面改变地方须设计成平缓过渡而不形成尖角;在应尽量采用(应力集中系数小)对接接头，尽量避免采用(应力集中系数大)搭接接头;不同厚度构件对接接头应当尽可能采用圆滑过渡;将焊缝布置在便于焊接和检验地方，消除造成工艺应力集中（缺陷）因素;避免焊缝密集.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图238 尖角过渡和平滑过渡的接头a)不可采用 b)可以采用 图239 封头设计时合理与不合理的接头a)不合理 b)合理 第2章 焊接结构的脆性断裂图240 不同板厚的接头设计方案s)可以采用 b)最好 c)不可以采用 第2章 焊接结构的脆性断裂图241 不宜

44、施焊的焊态部位举例 第2章 焊接结构的脆性断裂图242 焊接容器中焊缝之间的最小距离T形交叉 b)补强和对接焊缝 c)简体纵缝 d)封头上的平行焊缝 第2章 焊接结构的脆性断裂图243 威廉德式桥立杆和弦杆的连接a)立杆和弦杆连接处 b)局部放大不合理的连接 c)局部放大改进的连接 2 2）尽量减少结构刚度）尽量减少结构刚度 在满足结构使用条件下应当尽量减少结构刚度，以期减少应力集中和附加应力影响.第2章 焊接结构的脆性断裂图244 容器开缓和槽举例3 3）不采用过厚截面）不采用过厚截面 应该注意应该注意:采用降低许用应力值设计，结果使构件厚度增加，从而增加了脆断危险性.厚板转变温度比薄板高，

45、钢板厚度每增加 1mm，转变温度将提高 1.4 4）重视附件或不受力焊缝设计）重视附件或不受力焊缝设计 对于附件或不受力焊缝设计应和主要承力焊缝一样给予足够重视.因为脆性裂纹一旦由这些不受到重视接头部位产生就会扩展到主要受力元件使结构破坏.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性断裂图244 附加元件的安装方案 a)能引起裂纹的结构 b)推荐结构 1一次要焊缝(短的不连续角焊缝)2一受拉伸的梁盖板 3一支架 4一卡箍(3)(3)合理安排结构制造工艺合理安排结构制造工艺1 1）充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响）充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响a.a.不造成过大塑性变形;b.注意加热温度;2)2)合理选择焊接材料合理选择焊接材料/方法方法/工艺工艺a.焊缝保证焊缝金属和母材韧性大致相等/适当提高焊缝屈服强度；b.热影响区合理选择热输入.第2章 焊接结构的脆性断裂3 3）必要时采用热处理工艺）必要时采用热处理工艺a.恢复应变时效所造成的韧性损伤；b.减小或消除焊接残余应力.4 4）文明生产）文明生产/妥善运输和保管妥善运输和保管 a.减少造成应力集中几何不连续性;b.防止产生焊接缺陷;c.在工件不随便引弧或焊质量不高工艺附件.d.避免在运输和保管过程产生较大附加应力/温差应力/撞击结构表面.第2章 焊接结构的脆性断裂