第2章焊接结构的脆性断裂优秀PPT.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 结构脆断特征和探讨焊接结构脆断意义结构脆断特征和探讨焊接结构脆断意义 1.1.结构脆断特征：结构脆断特征：1)1)断裂过程没有显著塑性变形，具有突然破坏性质；断裂过程没有显著塑性变形，具有突然破坏性质；2)2)破坏发生后瞬时扩展到结构大部破坏发生后瞬时扩展到结构大部,不易发觉预防；不易发觉预防；3 3）结构破坏时应力远远小于设计许用应力结构破坏时应力远远小于设计许用应力;4 4）通常在较低温度上发生通常在较低温度上发生.2.2.探讨焊接结构脆断意义探讨焊接结构脆断意义 1 1）焊接结构特点确定其脆断可能性比铆接结构大）焊接结构特点确定其脆断

2、可能性比铆接结构大;2 2）焊接结构发生脆断事故损失很大，甚至是灾难性）焊接结构发生脆断事故损失很大，甚至是灾难性;3 3）随着焊接结构向大型化）随着焊接结构向大型化/高强化高强化/深冷方向发展，探讨深冷方向发展，探讨焊接结构脆断问题显得更为迫切和重要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 金属材料断裂及其影响因素金属材料断裂及其影响因素 概念：金属材料断裂是指金属材料受力后局部变形概念：金属材料断裂是指金属材料受力后局部变形量超过确定限度时原子间结合力受到破坏，从而萌生微量超过确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裂纹，继而发生扩展

3、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很多信息关断裂过程的很多信息.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延性断裂也称韧性断裂或塑性断裂.留意留意: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实力，而同一材料在不同条件下也会出现不不同的变形实力，而同一材料在不同条件下也会

4、出现不同的断裂形式同的断裂形式.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，载荷在外载作用下先发生弹性变形，载荷接着增加，通过滑移发生明显塑性变形，当滑移先晶界后接着增加，通过滑移发生明显塑性变形，当滑移先晶界后晶内受阻晶内受阻,载荷接着增加载荷接着增加,由于脆性夹杂物或其次相粒子与由于脆性夹杂物或其次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分辨宏观裂纹，最终导显微空穴或微孔串联后形成一条可分辨宏观裂纹，最终

5、导致穿晶断裂致穿晶断裂.延性断裂宏观断口延性断裂宏观断口:呈纤维状呈纤维状/颜色发暗颜色发暗/有滑移痕迹有滑移痕迹.类型类型:杯锥状断口杯锥状断口/45/45斜断口斜断口.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口由很多细小凹凸小斜面组成，小斜面和拉伸轴线成4545呈纤维状呈纤维状.45 45斜断口特征斜断口特征:断口平面与拉伸轴线大致成断口平面与拉伸轴线大致成 45 45，它，它是由切应力引起的塑性断裂是由切应力引起的塑性断裂,称为剪切唇称为剪切唇.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性

6、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:韧窝 韧窝花样:等轴/剪切/撕裂1)正交韧窝(等轴窝)形态:圆形 形成缘由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匀整，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匀整长大，最终形成等轴韧窝.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,形成缘由是由于塑性变形主要由切应力所致.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样,形成缘由是在撕裂应力作用.第2章 焊接结构的脆性断裂第2章 焊接结构的脆性

7、断裂图2-2 三种不同形态的韧窝示意图 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、疲惫断裂、应脆性断裂包括沿晶脆性断裂、准解理断裂、疲惫断裂、应力腐蚀断裂力腐蚀断裂.最典型脆性断裂是解理断裂最典型脆性断裂是解理断裂:它是一种沿晶内确定它是一种沿晶内确定结晶学平面分别的晶内断裂，这个结晶学平面称作解理面结晶学平面分别的晶内断裂，这个结晶学平面称作解理面.解理断裂机理解理断裂机理:当材料塑性变形过程严峻受阻，材料不易发当材料塑性变形过程严峻受阻，材料不易发生变形，被迫从特定结晶学平面发生分别的断裂就是解理断裂

8、生变形，被迫从特定结晶学平面发生分别的断裂就是解理断裂(晶内（穿晶）断裂晶内（穿晶）断裂).).解理断裂宏观形貌解理断裂宏观形貌:平断口，有金属光泽平断口，有金属光泽(晶状断口晶状断口),),呈现呈现人字纹花样，该人字纹尖峰指向裂纹源人字纹花样，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:河流花样河流花样/舌状花样和扇形花样舌状花样和扇形花样.金属材料断裂常常是混合机制，断口亦为混合形貌金属材料断裂常常是混合机制，断口亦为混合形貌.启裂区启裂区:纤维状断口形貌纤维状断口形貌-快速扩展区快速扩展区:放射状人字纹放射状人字纹-断口两侧及端部会有剪切唇出现断口两侧及端部会有剪切唇出现.

9、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）应力状态影响）应力状态影响 max/maxmax/max表示应力状态软硬程度，表示应力状态软硬程度，称为软性系数称为软性系数.max.max按最大切应力理论计算，按最大切应力理论计算，而而maxmax按其次强度理论计算：按其次强度理论计算：max=1 max=1(2+3)(2+3

10、)式中，式中，为泊松比，而为泊松比，而123.123.当当maxmaxmaxmax时，称为时，称为“软性软性”应力状应力状态，反之当态，反之当maxmaxmaxmax时，称为时，称为“硬性硬性”应应力状态力状态.第2章 焊接结构的脆性断裂 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，反之假如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：三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多状况是由于结构几何不连续性引起.即虽然整体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

11、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：金属脆性断裂很大程度上确定于温度，概念：金属脆性断裂很大程度上确定于温度，金属在高温具有良好变形实力，当温度降低时其金属在高温具有良好变形实力，当温度降低时其变形实力减小，金属这种低温脆化性质称为低温变形实力减小，金属这种低温脆化性质称为低温脆性脆性.理论：低温脆性是金属材料屈服点随温度理论：低温脆性是金属材料屈服点随温度降低急剧增加的结果降低急剧增加的结果.基本规律：材料随着温度降低，破坏方式会基本规律：材料随着温度降低，破坏方式会发生变更

12、，即从延性断裂变为脆性破坏发生变更，即从延性断裂变为脆性破坏.概念：把由延性向脆性断裂转变的温度称为概念：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Tk.Tk.第2章 焊接结构的脆性断裂 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上升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.留意：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-

13、8 b和s 随温度变更示意图(3(3）加载速度影响）加载速度影响 规律：随着加载速度增加，材料屈服点规律：随着加载速度增加，材料屈服点上升，因而促使材料向脆性转变，起作用相上升，因而促使材料向脆性转变，起作用相当于降低温度当于降低温度,随应变速率增加，韧脆转变温随应变速率增加，韧脆转变温度向高温转移度向高温转移.留意：在同样加载速率下，当结构中有留意：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缺口时应变速率可呈现出加倍不利影响.因为因为由于缺口有应力集中，其应变速率比无缺口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结构高得多，从而降低材料局部塑性

14、.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，由以下两种因素来确定：厚度对脆性破坏不利影响，由以下两种因素来确定：对于厚板更简洁形成三轴应力状态对于厚板更简洁形成三轴应力状态;从冶金因素从冶金因素:生产薄板时压延量大，轧制次数多，轧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，内外层匀整性较差高，组织疏松，内外层匀整性较差.2 2）晶粒度影响）晶粒度影响 晶粒

15、度越细，其转变温度越低晶粒度越细，其转变温度越低.3 3）化学成分影响）化学成分影响 碳、氮、氧、硫、磷、硼增加脆性碳、氮、氧、硫、磷、硼增加脆性/锰、铬、镍、铝、锰、铬、镍、铝、钼、钒、妮减小钢脆性钼、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 脆性断裂起先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

16、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缘由有两点：发生焊接结构脆断事故主要缘由有两点：1.选材料不当；选材料不当；2.结构设计和制造工艺不合理结构设计和制造工艺不合理.为了合理设计和制造焊接结构，必需对焊接结为了合理设计和制造焊接结构，必需对焊接结构特点有充分地了解构特点有充分地了解,与脆断有关的焊接结构特点与脆断有关的焊接结构特点有两点：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简洁导致焊接结构因由于焊接为刚性连接而简洁导致焊接结构因某种缘由引起较大附加应力；某种缘由引起较大附加应力；b.焊接结构

17、比铆接结焊接结构比铆接结构刚性大而对应力集中特殊敏感构刚性大而对应力集中特殊敏感.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 这一特点为设计制造合理结构供应了广泛可这一特点为设计制造合理结构供应了广泛可能性，因此整体性强是焊接结构优点，但假如设计能性，因此整体性强是焊接结构优点，但假如设计不当或制造不良，这一优点反而增加焊接结构脆断不当

18、或制造不良，这一优点反而增加焊接结构脆断危急危急.因为由于焊接结构整体性，将给裂纹扩展创因为由于焊接结构整体性，将给裂纹扩展创建特别有利条件建特别有利条件,当焊接结构一旦有不稳定脆性裂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，因而避开更大灾难出现接头处可自然止住，因而避开更大灾难出现.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

19、在焊接结构制造过程中,经过冷加工经过冷加工(剪切剪切/冷作成型冷作成型/弯曲弯曲)产生确定塑性变形，随后又经产生确定塑性变形，随后又经 150450 温度范温度范围加热就会引起应变时效，导致脆化围加热就会引起应变时效，导致脆化(静应变时效）静应变时效）.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旁边，金属受到热和塑变循环（约焊道中缺陷旁边，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）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，亦称热应变脆化引起的应变时效，称为动应

20、变时效，亦称热应变脆化.焊后热处理可以消退两类应变时效影响，复原其韧性。焊后热处理可以消退两类应变时效影响，复原其韧性。因此焊后热处理不但可以消退焊接残余应力，而且可以消因此焊后热处理不但可以消退焊接残余应力，而且可以消退应变时效脆化影响，无疑这对防止结构脆断是有利的退应变时效脆化影响，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COD试验结果1一母材 2一母材热应

21、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）焊接接头金相组织变更对脆性的影响）焊接接头金相组织变更对脆性的影响 焊接不匀整加热使焊缝和近缝区金相组织变焊接不匀整加热使焊缝和近缝区金相组织变更而变更了接头部位缺口韧性更而变更了接头部位缺口韧性,导致焊缝和热影响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.钢材原始显微组织钢材原始显微组织/化学成分化学成分;b.焊接方法焊接方法;c.焊接线能量焊接线能量.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

22、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,建议接建议接受多层焊受多层焊/小焊接工艺参数来获得满足韧性小焊接工艺参数来获得满足韧性.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取功的影响 3）焊接缺陷影响）焊接缺陷影响焊接接头焊接接头-焊缝和热影响区最简洁产生各种缺陷焊缝和热影响区最简洁产生各种缺陷.美国对船舶脆断事故调查表明美国对船舶脆断事故调查表明:40%脆断事故是从焊脆断事故是从焊缝缺陷处起先缝缺陷处起先,焊接缺陷焊接缺陷(裂纹裂纹/未焊透未焊透/夹渣夹渣/咬边咬边/气孔气孔)可成为脆断发源地

23、可成为脆断发源地.焊接缺陷影响脆断缘由焊接缺陷影响脆断缘由:a.产生应力集中产生应力集中;b.降低有效承载面积降低有效承载面积.焊接缺陷影响程度焊接缺陷影响程度:a.尺寸尺寸;b.形态形态;c.缺陷所在部位有关缺陷所在部位有关(高拉应力区高拉应力区/结构应力集中区危急结构应力集中区危急).第2章 焊接结构的脆性断裂4）焊接残余应力影响）焊接残余应力影响 依据日本大板试验依据日本大板试验:当工作温度高于材料韧当工作温度高于材料韧-脆转变脆转变温度时拉伸残余应力对结构强度无不利影响，但是当工作温度时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温度低于韧-脆转变温度时拉伸残余应力则有不利影

24、响，脆转变温度时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，只限于在焊缝及其旁边拉伸残余应力具有局部性质，只限于在焊缝及其旁边部位，离开焊缝区快速减小。所以峰值拉伸残余应力有助部位，离开焊缝区快速减小。所以峰值拉伸残余应力有助于断裂产生于断裂产生,随着裂纹增长离开焊缝确定距离后残余应力随着裂纹增长离开焊缝确定距离后残余应力急剧减小急剧减小,当工作应力较低时裂纹可能中止扩展，当工作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

25、纹将始终扩展至结构破坏应力较大时裂纹将始终扩展至结构破坏.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:低温低温 大厚度大厚度 存有残余应力存有残余应力 大应变速率大应变速率 缺口，而应变速率可用降低温度采描述，温度是个主缺口，而应变速率可用降

26、低温度采描述，温度是个主要因素要因素,故在确定温度下对具有缺口的全厚度试样迸行故在确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实力。试验最能反映材料和结构抗脆性破坏实力。1 1 断裂评定方法断裂评定方法 两种两种:转变温度方法转变温度方法/断裂力学方法断裂力学方法.(l(l）转变温度方法特点）转变温度方法特点 a.a.建立在试验和运用阅历上建立在试验和运用阅历上;b.b.试验方法简洁试验方法简洁;c.c.结果便于工程应用结果便于工程应用.应当说明，对于一种材料接受不同试验方法所得到应当说明，对于一种材料接受不同试验方法所得到的韧脆转变温度并不相同的韧脆转变温度并不相同;

27、同一试验方法，但试样形式同一试验方法，但试样形式不同（如缺口形态和尺寸不一等）其结果也不相同不同（如缺口形态和尺寸不一等）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 由于构件不行避开地会产生缺陷，且很多缺陷应用现由于构件不行避开地会产生缺陷，且很多缺陷应用现代技术尚不能精确地、经济地检验出来。而很多缺陷的修代技术尚不能精确地、经济地检验出来。而很多缺陷的修复既昂贵又危急。因此，只有承认裂纹存在，探讨裂纹扩复既昂贵又危急。因此，只有承认裂纹存在，探讨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

28、件中存在宏观裂纹这一点动身，利用线弹性力学和是从构件中存在宏观裂纹这一点动身，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分弹塑性力学的分析方法，对构件中的裂纹问题进行理论分析和试验探讨的一门学科。析和试验探讨的一门学科。断裂力学提出了一些新力学指标，断裂力学提出了一些新力学指标，KICKIC、CC和和JICJIC。K K 因子即应力强度因子，它是反映线弹性体裂纹尖端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应力场强度的力学参量。临界值应力强度因子KICKIC称作平称作平面应变断裂韧度面应变断裂韧度,也是材料特性，材料断裂条件是也是

29、材料特性，材料断裂条件是KI=KIcKI=KIc。应当指出应当指出:断裂韧度不是一个材料确定常数，它随温断裂韧度不是一个材料确定常数，它随温度、加载速度等而变更。度、加载速度等而变更。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JIC（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反抗断裂实力定量联系起来，从

30、而对含裂纹构件平安性和寿命给出估算，为工程构件平安设计、制定合理验收标准和选材原则供应理论基础.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 脆性断裂分两阶段脆性断裂分两阶段:断裂产生或引发阶段断裂产生或引发阶段/扩展阶段扩展阶段.在裂纹扩展阶段在裂纹扩展阶段:裂纹进入应力较低区域，或者裂纹裂纹进入应力较低区域，或者裂纹进入韧性较好材料或同一材料，但温度

31、较高，韧性增加进入韧性较好材料或同一材料，但温度较高，韧性增加,受到较大阻力无法接着扩展而止裂受到较大阻力无法接着扩展而止裂.对一种材料对一种材料:有脆性裂纹引发临界温度即开裂温度和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

32、率不敏感材料，开裂和止裂温度相差不多或相同，但任何状况，止裂温变不低于开裂温度但任何状况，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抗开裂原则要求焊接结构最薄弱部位即焊接接头处具有反抗脆性裂纹产生实力，即抗开裂实接头处具有反抗脆性裂纹产生实力，即抗开裂实力；止裂原则要求产生脆性裂纹后四周材料具有力；止裂原则要求产生脆性裂纹后四周材料具有将其快速止住实力将其快速止住实力.设计原则运用方法：主要以开裂限制作为设设计原则运用方法：主要以开裂限制作为设计依据计依

33、据,同时要求母材具有确定止裂性能同时要求母材具有确定止裂性能.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，因此接受止裂准则进行设计时对材料要求将比开裂此接受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，供设计者参考应用或止裂性能，供设计者参考应用.凡反映裂纹产生前韧性凡反映裂纹产生前韧性参量指标的试验皆属于开裂型试验；凡测量脆性裂纹产参量指标的试验皆属于开裂型试验；凡测量脆性裂纹产生后韧性指标的

34、试验皆为止裂型试验生后韧性指标的试验皆为止裂型试验.(1）抗开裂性能试验）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确定性作在开裂型试验中裂纹尖端局部材质韧性起确定性作用，它确定构件抗开裂性能用，它确定构件抗开裂性能.1）威尔斯（）威尔斯（wells）宽板拉伸试验）宽板拉伸试验 特点特点:能在试验室重现实际焊接结构低应力断裂现象，能在试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际焊接结构.不但可探讨脆断机理，且可用于选材不但可探讨脆断机理，且可用于选材.分单道焊缝宽板拉伸试验和十字焊缝

35、宽板拉伸试验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：原板厚试件尺寸规定：原板厚915mm915mm 915mm915mm（我国接（我国接受受 500mm 500mm 500mm 500mm）方形试件）方形试件.施焊成方形试件前把两施焊成方形试件前把两块块915mm456mm 915mm456mm 板材待焊边加工成双板材待焊边加工成双 v v 形坡口，在板形坡口，在板中心坡口边中部开出一道和坡口边缘垂直，尖端宽度为中心坡口边中部开出一道和坡口边缘垂直，尖端宽度为0.15mm0.15mm，深为，深为5mm 5

36、mm 缺口缺口.焊接时缺口尖端不但处在焊接残余拉伸应力场内，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，造成动应变时效且还在热场温度下产生应变集中，造成动应变时效.动动应变时效可能提高缺口尖端局部脆性应变时效可能提高缺口尖端局部脆性,将制备试件在大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

37、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 某些低合金钢和高强钢对动应变时效不敏感，而熔合线、热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因此缺口应开在这些区域内进行试验，接受十字焊缝型宽板拉伸试件进行试验内进行试验，接受十字焊缝型宽板拉伸试件进行试验.制备试件制备试件:首先是焊接与拉伸载荷垂直横向焊缝，然后在焊首先是焊接与拉伸载荷垂直横向焊缝，然后在焊缝缝/热影响区或熔合区相应部位开出缺口，再焊接纵向焊缝，试验热影

38、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平安运用温度宽板试验可测定开裂准则材料最低平安运用温度.规定规定:在在510mm510mm标距内产生标距内产生0.50.5整体塑性应变温度作为临界整体塑性应变温度作为临界温度温度;对于强度高钢材对于强度高钢材:整体塑性应变为整体塑性应变为4 4倍屈服点应变时温度作为倍屈服点应变时温度作为临界温度临界温度.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 25mm500mm1000mm板件用自动焊

39、焊成一块 25mm1000mm1000mm试件，然后在焊缝中心钻一个直径为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.钢板最低运用温度原则上是依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)试件 b)坡口及焊缝剖面 c)缺口

40、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.缺口开在探讨部位，深度可为缺口开在探讨部位，深度可为100100、140140和和180mm(180mm(或或8080120mm),120mm),缺口尖端为长缺口尖端为长2 25mm5mm，宽，宽0.2mm.0.2mm.亚临界热影响区试件（探讨动应变时效时接受）亚临界热影响区试件（探讨动应变时效时接受）:坡口坡口为为K K形形-两块边板上开坡口，中间板不开坡口两块边板上开坡口，中间板不开坡口,先在中间先在中间板两直边

41、中部开出深为板两直边中部开出深为5mm 5mm 细缺口，再把两侧边板和中间细缺口，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，焊缝坡口为先将焊缝焊好，焊缝坡口为 K K 形或形或 v v 形形,再用锯在焊缝直边热影响区开出粗细相连缺口再用锯在焊缝直边热影响区开出粗细相连缺口.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，最终在横向焊缝上开出缺口焊接与其垂直横向焊缝，最终在横向焊缝上开出缺口.通过试验可求得不同长度缺

42、口与断裂应力和温度关系曲线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（测定铁素体钢无塑性转变温度（NDT NDT 温度）温度）.无塑性转变（无塑性转变（NDTNDT）温度）温度:指标准试样发生断裂的最高温度指标准试样发生断裂的最高温度,表征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

43、试验是动载简支弯曲试验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试验时从受拉伸的表面中心平行长边方向堆焊一段长为平行长边方向堆焊一段长为 60 6065mm 65mm，宽为，宽为121216mm 16mm，高为，高为3.53.55.5mm 5.5mm 的脆性焊道，堆焊焊条接受的脆性焊道，堆焊焊条接受 4 45mm EDPMn35mm EDPMn31515（如如 D127 D127）焊条）焊条.对于厚度超过试件尺寸材料，从一面机加工到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

44、道中心垂直焊道方向锯开一个人工缺口，再把试件缺口后在焊道中心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砧座两支点中部有限制试件在加载时产生挠度的止挠块的止挠块.试验时在不同温度下用锤头（是一个半径为试验时在不同温度下用锤头（是一个半径为 25mm 25mm 的的半圆柱体，硬度不小于半圆柱体，硬度不小于 HRC50 HRC50）冲击，依据试件类型及试验钢）冲击，依据试件类型及试验钢材屈服点按标准选择落锤能量，试验温度应是材屈服点按标准选择落锤能量，试验温度应是 5 5 整数倍整数倍.第2章 焊接结构的脆性断裂 依据标准规定:试

45、验以裂纹源焊道形成的裂纹扩展到受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探讨材料的止裂性能.特点:方法简洁/试验结果重复性好/能确定程度模拟焊接结构实际状况.因此国内外均把 NDT 温度定为材料平安运用温度.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

46、挠块 2一砧座 3一锤头 4一脆性焊道 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)试验表明试验表明:DT:DT 试验在揭示金属材料冲击抗力和温度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，是工程应用较志向的转变特性方面优于夏比冲击试验，是工程应用较志向的测定金属材料全部转变区断裂特征的试验方法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，可以供应足够长断裂扩展路径，试件断裂韧带较长，可以供应足够长断裂扩展路径，充分揭示金属材料反抗撕裂实力；充分揭示金属材料反抗撕裂实力；试件开机械缺口，在缺口

47、尖端用刀片压入试件开机械缺口，在缺口尖端用刀片压入0.25mm 0.25mm 深深，使缺口既尖再加之施以动态冲击载荷，构成特别苛刻，使缺口既尖再加之施以动态冲击载荷，构成特别苛刻试验条件；试验条件；试验装备试验装备/试件制备试件制备/试验程序简洁试验程序简洁/便利便利/成本低成本低.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 16mm 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，但一组试件必需接受同一种机加工方法。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

48、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 动态撕裂试件缺口形态及尺寸第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

49、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

50、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.a.材料在工作条件下韧性不足材料在工作条件下韧性不足;b.b.结构上存在严峻的应力集中（设计或工艺）结构上存在严峻的应力集中（设计或工