钢焊接脆性断裂课件.ppt

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1、IIW Authorised Training Body钢焊接时裂纹的形成钢焊接时裂纹的形成 IWE-1/2.20IIW Authorised Training Body 验证一个结构的安全性是强度计算的任务，而其中要提出的问题是构件是以什么形式“失效”的。1.引 言构件失效的主要原因：a)一般性变形 b)失稳（受力构件丧失保持稳定平衡的能力）c)开裂及断裂传统强度计算：(S235)IIW Authorised Training Body构件受到外界载荷的作用就会在内部引起内应力。内应力：正应力、剪应力2.断裂形式a)疲劳断裂 变动载荷、大约 80%b)韧性断裂(剪切断裂)断裂前发生塑性变形，

2、裂纹扩展较慢。c)正应力断裂(脆性断裂)正应力断裂强度。断裂前没有明显的塑性变形。据断裂形式的不同分为：图1 韧性断裂图2 脆性断裂IIW Authorised Training Body断裂分类及其特征韧性断裂脆性断裂9Cr2Mo工作辊脆断IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body桥梁桥梁工况：冬季寒风、超载重载车辆、工况：冬季寒风、超载重载车辆、伴随较强振动（冲击性）；伴随较强振动（冲击性）；舰船舰船工况：冰雪季节、动荡加载或工况：冰雪季节、动荡加载或 与冰块频繁撞击；与冰块频繁撞击；压力容器压力容器工况：承受高压载荷、

3、内部装工况：承受高压载荷、内部装 载低温介质或裸露在低温环境。载低温介质或裸露在低温环境。工况特点工况特点：低温、高应力（集中）、动载荷低温、高应力（集中）、动载荷！制造这类产品时，应高度重视！易发生脆断的几种典型结构IIW Authorised Training Body 3.1 影响脆性断裂倾向的因素影响脆性断裂倾向的因素1)内部影响因素 a.晶体结构、化学成分 体心立方存在低温脆性 （普通中、低强钢）面心立方一般不存在低温 脆性（Ni、奥氏体不锈钢）b.冷变形、时效、焊接等图3 变形储量的图示IIW Authorised Training Bodya)温度的影响当温度降低时，屈服应力与断

4、裂应力汇交处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性转化为脆性转变的温度，称临界温度(T脆)。2)脆断外部三因素脆断外部三因素Tspc断裂应力屈服极限剪切应力T1：经塑性变形后的剪切断裂T2：经塑性变形后的断裂T脆：T y 无塑性变形，脆断T，脆断图4 温度对脆断倾向的影响IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Bodyc)载荷形式和大小（应力状态）2)外部三因素外部三因素单轴拉伸应力双轴拉伸应力多轴拉伸应力呈现塑性呈现脆性图6 应力状态对脆断倾向的影响断裂应力单轴拉伸多轴拉伸IIW Authorised Training Bod

5、y软性系数软性系数=max/max的大小的大小表示材料在受力状态下发生塑性变形表示材料在受力状态下发生塑性变形 的难易程度。的难易程度。（按最大切应力理论）（按最大切应力理论）max=1(2+3)（按第二强度理论）（按第二强度理论）s smaxs smaxt tmax物体在受外载时，不同的截面上产生不同物体在受外载时，不同的截面上产生不同的的正应力正应力和和剪应力剪应力。最大正应力最大正应力max所在平面称主平面，与主所在平面称主平面，与主平面成平面成45角的平面上作用有最大切应力角的平面上作用有最大切应力max。c)载荷形式和大小（应力状态）max和和max与加载方式有关，与加载方式有关，泊

6、松比，泊松比，而而123IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body 3.1 影响脆性断裂倾向的因素 深入理解：温度条件是引发金属脆断的前提 促成脆性转变！应力状态是决定断裂性质的天平 基于载荷形式！加载速度则是促成脆断的导火索 胜似雪上加霜！2)外部三因素 温度条件、应力状态、加载速度IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body整体试验（在构件上试验）大型试验（与构件尺寸相近的试样）中型试验（宽度明显大

7、于厚度的试样）小型试验（其结果只能偶然与构件行为相一致）4.脆断倾向的检验方法图8 典型试验的试样形式(试样厚度板厚)焊缝上开尖锐缺口IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body4.2 常用的检验方法 对理想的检验方法的要求是：较小的检验费用 适用于较多的材料 定量的结果 检验结果对典型构件载荷的适用性 检验方法可分如下两组：a)转变温度方法 确定材料的韧-脆转变温度（比较性方法）缺口拉伸试验 缺口冲击试验 堆焊弯曲试验 罗伯森（Robertson）试验 b)断裂力学方法 指与试样几何形状无关的材料特性值，临界应力集中系数KI

8、C，作为安全设计的依据。IIW Authorised Training Body4.2.1 拉伸试验 通过拉伸试验的特性值可以说明材料的脆断倾向。特性值包括：ReH、Rm、A、Z。4.2.2 堆焊弯曲试验 轧制产品应在这一试验中表现为韧性断裂。脆断表现：焊缝中出现的裂缝不能在试样中中止。在弯曲角度达到90时，裂纹由焊缝向母材中的扩展小于20mm 被认为是允许的。图10 根据DIN17100 的堆焊弯曲试验IIW Authorised Training Body4.2.3 缺口冲击试验 检验脆断倾向的最常用的方法。优点：加工简便，经济和快捷。多轴应力状态、变形速度、温度对脆断倾向的影响通过缺口冲

9、击试验参数的变化：如试样的几何形状、冲击速度、试验温度的变化来检验图图11 11 弹性弯曲试样缺口正应力的分布弹性弯曲试样缺口正应力的分布确定某一温度下的冲击功：A=Fds(J)V通过缺口冲击试验表示出某种材料在某一温度下相对脆断的安全性IIW Authorised Training Body4.2.3 缺口冲击试验图12 转变温度过渡温度(转变温度)：韧性脆性T，脆性IIW Authorised Training Body4.2.3 缺口冲击试验裂纹引入：+区 ：弹性区（脆断或塑性变形）：弹塑性区裂纹扩展：区 a：剪应力断裂 b：正应力断裂 c：剪应力断裂图13 低强度钢在混合断裂区的力弯曲

10、图IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body4.2.5 Pellini 落锤试验 在研究钢的脆断倾向，评定比较止裂行为时使用的。图 15 Pellini 试样的布置及试样尺寸韧性转变温度：在某一温度下试样尚发生断裂，当温度提高 5K时，相同材料和相同处理状态的试样不再发生断裂对应的温度。衡量材料止裂行为的一个特性值。落锤试验优点：比较符合焊接结构实际情况，试样制备简单、操作方便，重复性好，故被广泛应用IIW Authorised Training Bodyl在 Pellini 试验中或者是证明材料的NDT 温度低于或最高等于

11、某一确定的温度，或者是确定精确的NDT（无韧性转变温度）l温度（试验和评定按标准或规程如ASSTM-E208，钢铁检验规程1325，AVSE76A/15B AVSD16C1000）l根据大量的已确定的 NDT 温度和比较试验由Pellini 建立了断裂曲线（Fracture-Analysis-Diagram FAD）l 断裂分析曲线可评估在一定载荷下裂纹的扩展。4.2.5 Pellini 落锤试验IIW Authorised Training BodyNDTFTEFTPa)TNDT 不能保证止裂不能保证止裂 b)T=NDT+16.5 只要公称应力只要公称应力0.5Re，裂纹中止，裂纹中止c)T

12、=NDT+33=FTE 只要公称应力只要公称应力Re 无裂纹扩展无裂纹扩展d)T=NDT+66=FTP 材料无裂纹存在材料无裂纹存在e)止裂温度曲线止裂温度曲线应力低于该曲线，裂纹不扩展应力低于该曲线，裂纹不扩展NDT无韧性转变温度FTE弹性断裂转变FTP 塑性断裂转变抗拉强度Rm温度 Pellini断裂分析曲线（适用于Re600N/mm2的碳钢）明确提供了钢板开裂、裂纹传播、止裂条件100/200200/300300/600IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body 铁碳合金七种类型工业纯铁 C0.0218%亚共析钢 C=

13、0.0218%-0.77%共析钢 C=0.77%过共析钢 C=0.77%-2.11%共晶白口铸铁 C=4.3%亚共晶白口铸铁 C=2.11%-4.3%过共晶白口铸铁 C=4.3%-6.69%一、关于铁碳状态图IIW Authorised Training Body二、关于合金元素在铁中作用1.伴生元素 有益：Mn Si Al 有害:S P O N H2.与铁形成固溶体类型 置换固溶体:Mn Cr Ni Si Mo 间隙固溶体:C O B N3.合金元素对钢的性能 C提高硬度、强度、耐磨性、淬透性；降低韧性、延伸率、机加工性、焊接性、深冲性。Al脱氧脱氮细化晶粒 Mn脱氧、脱硫、固溶强化 Si脱

14、氧、固溶强化、阻碍有些元素偏析 P 偏析较强（热裂纹）、提高强度、降低可焊性、耐腐蚀 S 偏析较强（热裂纹）、降低可焊性、易切削 形成碳化物的元素V Ti Nb Cr Mo W IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body五、关于连续转变CCT图 表现：奥氏体化温度、冷却速度、组织、硬度 用途：预测组织和性能、制定焊接工艺六、力学性能实验l拉伸试验：获得抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率l硬度试验 洛氏硬度：HRC、HRB 表示 50HRC 维氏硬度：HV 180HV5试验压力5g 布氏硬度：HB 表示：120 HB 5/

15、250 120-硬度值 钢球直径-5mm 试验压力值-250g 焊缝的硬度：ISO9015 (EN1043)l弯曲试验：EN910 可变形能力，三点弯曲试验：弯曲角、弯曲变形程度l缺口冲击试验：ISO9016-2001 焊缝的冲击试验(EN875)特征值：缺口冲击功 Av J 缺口冲击韧性 aK J/cm2 缺口冲击功：试验温度、缺口形状、材料种类、取样部位IIW Authorised Training Body七、钢的分类和标记1.钢的分类（EN10020）碳钢(非合金钢)Mn1.65%低合金钢 合金元素5%高合金钢 合金元素5%按合金元素 含量分类 按使用 要求分类普通钢 优质钢特殊优质钢

16、碳素钢和碳锰钢(Mn1%)C25 非、低合金钢 13CrMo4-5 高合金钢 X5CrNi18-10P265、E275S355J0、S355NL S235W、S355WP2.钢的标记(EN10027、ECISS-IC10)(1)数字标记 1 1 0101 1616 注意第一位数字材料分类号 0纯铁 1钢 2重金属 3轻金属(2)符号标记 主要符号 （化学成分）主要符号 +附加符号 IIW Authorised Training Body八、碳钢和碳锰钢 EN10025-2 热轧普通碳钢及优质钢（非合金一般结构钢）1.焊接性(1)S235焊接性好 薄板不预热；厚板需预热(2)S355焊接性一般

17、Wc0.22%，可能产生淬硬M，导致冷裂纹。措施：措施：预热、缓冷K(%)0.4%焊接性良好 不预热或100K(%)=0.40.6%焊接性一般 100250 K(%)0.6%焊接性较差 250 或更高2.预热温度碳当量IIW Authorised Training Body八、碳钢和碳锰钢 EN10025-2 热轧普通碳钢及优质钢（非合金一般结构钢）3.填充材料选择原则：填充材料与母材等强匹配等强匹配屈服强度+熔敷金属最低冲击功47J抗拉强度+熔敷金属最低冲击功27J填充材料：EN499（ISO2560-A）焊条电弧焊用药皮焊条 EN440（ISO14341）气保焊用实芯焊丝 EN756（IS

18、O14171）埋弧焊用焊丝 EN750（ISO14174）埋弧焊用焊剂填充材料完整标记：（S235J2）EN499 E 42 0 Mn1Ni RR 1 2 EN440 G 46 3 M G3Si1 EN756 S 46 3 AB S3IIW Authorised Training Body九、材料的可焊性1.影响焊接质量因素:成分、钢材制造方法、物理性能、工作环境2.HAZ:不同区域组织不同性能不同,熔合区和粗晶区焊接接头簿弱地带,粗晶易产生脆化3.焊接冷却速度:超过临界冷却速度时,产生硬化.硬度高;变形能力小;韧性低;内应力大.产生位置:引弧收弧处短焊道厚结构环境温度小于54.热影响区易产生

19、问题 (1)脆化 粗晶脆化 析出相 时效脆化 氢脆(2)软化:发生在调质钢和时效强化合金(3)综合性能 过热(粗晶区)硬度强度提高塑性韧性延伸率下降 正火区具有更好机械性能IIW Authorised Training Body十、焊缝缺陷 1.裂纹 热裂纹焊接中高温产生冷裂纹预热以下或室温、具有延迟性 热裂纹：材料的脆性 +拉伸应力 (S、P低熔点共晶薄膜低熔点共晶薄膜)冷裂纹：产生三大要素氢、淬硬组织、拘束应力 小铁研试样、插销试验2.气孔:氢气孔、氮气孔、CO气孔 3.脆断：内因：晶体结构、化学成分/冷变形、时效、焊接 外因：温度条件、加载速度、应力状态 检测方法：落锤试验 NDTIIW

20、 Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body s sys szs sxIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body不同材料冲击韧性与温度关系曲线不同材料冲击韧性与温度关系曲线温度韧脆转变温度冲击断裂功温度韧脆转变温度冲击断裂功韧性脆性IIW Authorised Training Body具有冷脆现象金属的晶格特征 研究表明：研究表明：具有具有冷脆现象冷脆

21、现象的金属多为：的金属多为：体心立方晶格或密排六方晶格结构体心立方晶格或密排六方晶格结构。大多大多面心立方晶格面心立方晶格的金属，如：的金属，如：铝、铜等金属则铝、铜等金属则没有冷脆现象没有冷脆现象。所以，低温环境的压力容器往往选择所以，低温环境的压力容器往往选择 含含镍镍量较高的量较高的面心立方晶格面心立方晶格的金属。的金属。这类金属材料具有较高的低温韧性！这类金属材料具有较高的低温韧性！IIW Authorised Training Body 3.1 影响脆性断裂倾向的因素1）内部影响因素内部影响因素包括材料的组织成分以及进一步的加工.如：冷变形，时效，中子辐射和焊接等。焊接时仅能通过材料

22、本身的性能及局部的塑性流动减小约2%的热收缩，冷却后构件中的内应力保持在屈服极限的水平上。运行时受到初次载荷的作用，由于在局部已经超过了屈服极限，因此会产生新的塑性变形，在初次载荷去除后，内应力变小并且应力集中被消除。IIW Authorised Training Body 3.1 影响脆性断裂倾向的因素 深入理解：温度条件温度条件是引发金属脆断的是引发金属脆断的前提前提 促成促成脆性转变脆性转变！应力状态应力状态是是决定断裂性质决定断裂性质的的天平天平 基于基于载荷形式载荷形式！加载速度加载速度则是促成脆断的则是促成脆断的导火索导火索 胜似胜似雪上加霜雪上加霜！2)外部三因素 温度条件、应力

23、状态、加载速度IIW Authorised Training Body 应该指出，在结构应该指出，在结构缺口处缺口处由于应力集中由于应力集中作用，使变形速度作用，使变形速度明显提高明显提高，故脆断危险性，故脆断危险性增大。增大。载荷的冲击性越大，即变形速度越大，对载荷的冲击性越大，即变形速度越大，对工件的危害也就越大！工件的危害也就越大！这使我们不难理解这使我们不难理解为什麽采用为什麽采用落锤落锤试验试验研究材料的研究材料的抗脆断的性能抗脆断的性能！b)变形速度 ，T脆，脆断2)外部三因素外部三因素IIW Authorised Training Body加载速度的影响 研究表明：加载速度加载速

24、度d/dt提高提高，其作用，其作用相当于温度降低相当于温度降低，同样会使剪切屈服极限同样会使剪切屈服极限tT升高升高，而正断抗力，而正断抗力SOT 不变不变，则，则脆断危险性增加！脆断危险性增加！tT，SOT tT d/dt加载速度对脆断的影响规律IIW Authorised Training Body按应力状态分为：单向应力又称线应力线应力，存在于窄板条窄板条结构结构；双向应力又称平面应力平面应力，存在于薄板薄板结构结构；三向应力又称体积应力体积应力，存在于厚板厚板结构结构。三向应力的符号表示：x,y,z。x 纵向应力纵向应力，即平行焊缝方向的内应力；，即平行焊缝方向的内应力；y 横向应力横

25、向应力，即垂直焊缝方向的内应力；，即垂直焊缝方向的内应力；z 板厚方向的应力板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。，即垂直焊缝平面的内应力。2.1.2 焊接应力的分类焊接应力的分类IIW Authorised Training Body2.5.2 断裂的评定方法断裂的评定方法（1）转变温度方法转变温度方法（本书采用的方法）（本书采用的方法）即确定材料的韧即确定材料的韧-脆转变温度特性。脆转变温度特性。（2）断裂力学方法）断裂力学方法 用用KIC、c、JIC等力学指标，作为安全设计的依据。等力学指标，作为安全设计的依据。2.5.3 典型试验方法介绍典型试验方法介绍 1.抗开裂抗开裂性能试验性能

26、试验 反映反映裂纹产生前裂纹产生前韧度参量指标的试验。韧度参量指标的试验。2.止裂止裂性能试验性能试验 测量测量脆性裂纹产生后脆性裂纹产生后韧性指标的实验。韧性指标的实验。IIW Authorised Training Body落锤试验IIW Authorised Training Body温度韧脆转变温度冲击断裂功温度韧脆转变温度冲击断裂功韧性脆性IIW Authorised Training Body 在不同加载方式下，当在不同加载方式下，当max未达未达到抗拉强度前，到抗拉强度前，max 先达到屈服点先达到屈服点，（即（即 max max）？）？，则发生塑性变形，则发生塑性变形而形成而形

27、成延性断裂延性断裂。反之，在反之，在 max达到屈服点前，达到屈服点前，max先达到抗拉强度先达到抗拉强度，（即，（即 maxmax）？）？，则发生，则发生脆性断裂脆性断裂。因此，断裂形式断裂形式与与加载方式加载方式亦即亦即应力状态应力状态有关有关。IIW Authorised Training Body(2)落锤试验 属于止裂性能试验。用标准试样在系列温度下进行动载简支弯曲,测定材料无塑性转变温度DNT。标准规定，在落锤冲击下,试样产生的裂纹扩展到它的受拉面两个棱边或一个棱边才算断裂这时的最高试验温度为NDT。IIW Authorised Training BodyIIW Authorise

28、d Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body(3)宽板试验 是在实验室中重现低应力脆性断裂的大型试验，由于它能够对结构的一些参数如材料板厚、焊接工艺影响、载荷和应变量、整体尺寸、裂纹部位(尖锐度和尺寸)、加载速率等一系列因素进行实际模拟，所以宽板试验在研究焊接接头抗开裂和止裂性能以及研究各种影响因素等方面是行之有效的试验方法。IIW

29、 Authorised Training BodyIIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body1、应力状态的影响 许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性，当处许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性，当处于三轴拉伸应力下，因不易发生塑性变形，呈现脆性。于三轴拉伸应力下，因不易发生塑性变形，呈现脆性。在主平面作用最大正应力在主平面作用最大正应力 ，与主平面成，与主平面成4545度的平面度的平面上作用有最大切应力上作用有最大切应力 。和 与加载方式有关。IIW Authorised Training Body缺口效应缺口效应

30、 如果如果 先达到屈服点，则发生塑性变形而形成延性断先达到屈服点，则发生塑性变形而形成延性断裂，反之，裂，反之，先达到抗拉强度，则发生脆性断裂。断裂的先达到抗拉强度，则发生脆性断裂。断裂的形式与加载方式亦应力状态有关。形式与加载方式亦应力状态有关。缺口越深越尖，其局部应力和应变也越大。缺口越深越尖，其局部应力和应变也越大。图图2-72-7缺口根部应力分布示意图缺口根部应力分布示意图 在三向应力情况下，在三向应力情况下，材料的材料的屈服点屈服点较单向较单向应力时应力时提高提高，即缺口，即缺口根部材料的屈服点提根部材料的屈服点提高高，使该处材料变脆。，使该处材料变脆。IIW Authorised

31、Training BodyIIW Authorised Training Body当剪切应力达到屈服极限时,产生塑性变形,达到剪切抗力时,产生切断.当正应力达到正断抗力时,产生正断。IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body 4 焊接结构抗脆断性能的评定 焊接结构的抗断性能，拔裂纹的产个、扩展和终止过程可以分为抗开裂性能抗止裂性能。1)转变温度法IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body2)双重拉伸试验,属于止裂试验IIW Authorised Training BodyIIW Authorised Training Body构件受到外界载荷的作用就会在内部引起内应力。内应力：正应力、剪应力2.断裂形式a)疲劳断裂 变动载荷、大约 80%b)韧性断裂 断裂前发生塑性变形，裂纹扩展较慢。c)正应力断裂(脆性断裂)正应力断裂强度。断裂前没有明显的塑性变形。据断裂形式的不同分为：yuF断裂应力断裂应力抗拉强度抗拉强度屈服极限屈服极限yuF断裂应力断裂应力抗拉强度抗拉强度屈服极限屈服极限