1、Chapter 4 焊接结构的脆性断裂 本章内容本章内容：1.焊接结构断裂失效的分类及危害 2.焊接脆性断裂的特征 3.焊接结构脆断的原因及影响因素 4.焊接结构脆断的防治措施 4.1.4.1.焊接结构断裂失效的分类及危害焊接结构断裂失效的分类及危害 4.1 焊接结构断裂失效的分类及危害焊接结构断裂失效的分类及危害 焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。 1.脆性断裂失效l 根据金属材料断裂前塑性变形的大小，断裂可分为延性断裂和脆性断裂两种形式。l 延性断裂 断裂过程是：金属材料在载荷作用下，首先产生弹性变形。当载荷继续增加到某一数值，材料即发生
2、屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。 l 脆性断裂 脆性断裂脆性断裂-通常称为低应力脆断低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的。金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展速度可高达1500200m/s）称为脆性断裂。l 脆性断裂的裂口平整，与正应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。 焊接结构断裂失效的分类及危害焊接结构断裂失效的分类及危害2.疲劳断裂失效疲劳断裂失效 金属材料及其结构
3、因受交变载荷而发生损坏或断裂的现象，称为疲劳断裂。3.应力腐蚀断裂失效应力腐蚀断裂失效 腐蚀是材料与周围介质作用产生的物理化学过程。而应力腐蚀是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用下所产生的腐蚀断裂过程。 应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹4.2 焊接结构脆断事故分析l l 焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。l 自本世纪初以来，桥梁、船舶、
4、压力窗口、管道、球罐、热电站发电设备的汽轮机和发电机转子以及其他设备曾发生脆性断裂事故。近20年来，随着焊接结构的大型化、钢结构截面增厚以及高强度钢的采用，容易引起焊接结构的脆断。例如由于压力窗口的大型化、厚截面或超厚截面压力窗口增多以及化工、石油工业中低温压力容器的使用，使脆断事故迭有发生。这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，英、日本等国家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并提出了工程结构脆断防止措施。（一） 压力容器脆性断裂 l 压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是脆性断裂更引人注意。压力容器一旦发生脆性断裂，则将整个结构毁坏，其后
5、果甚为严重。早基Shank曾对压力容器的破坏作了调查，在调查报告中收入压力容器脆性断裂事故18例，其中最典型的例子为：1919年美国马萨诸塞州糖浆贮罐脆性断裂事故。 l 事故原因是由于整个贮罐强度不够，特别是对局部应力集中缺乏考虑，以致在糖浆的内压作用下产生脆性断裂。本世纪40年代球形贮罐的破坏事故更为突出，1943年美国纽约州有一个直径12米的大型贮气罐，当温度降到12时发生脆断。 （2） 锅炉汽包脆断l 1966年英国Cockenize电厂锅炉汽包在水压试验时发生脆性断裂。汽包是用Mn-Cr-Mo-V钢板制造的，筒体全长23米、内径1.7米、壁厚140毫米。该容器采用了以新的贯通形管接头代
6、替旧的管接头。在沿该管接头的汽包筒身内侧靠近省煤器管接头处潜伏着一个长度为330毫米、深为90毫米的大裂纹，并且裂纹表面已发黑。破坏就是从这里开始的。裂纹呈人字形方向扩展。l 经检查表明：在原始钢板中没有发现任何缺陷，而且在裂纹起始处材料的金相组织未发现异常的特征;汽包的设计、所用材料、制造方法、热处理以及检验均符合于英国标准1113-1958要求。而且焊接完毕后，在消除应力退火前用磁粉探伤并未发现任何裂纹。经研究确定：这条裂纹是在消除应力退火处理的初期阶段就已形成，但尚未扩展成脆性临界裂纹。而且认为这种裂纹产生原因是由于在较低温度时急剧加热所产生的热应力和焊接残余应力相迭加，以及氢的延迟破坏
7、等因素综合作用的结果。（二） 船舶脆性断裂l 在焊接结构断裂中，船舶的脆性断裂事故颇受人们注意。在第二次世界大战期间，美国的焊接“自由轮”在使用过程中发生大量的破坏事故，其中238艘向完全报废、19艘船沉没。船舶损坏有完全断裂或部分断裂两种情况，据统计有24艘船舶脆断成两半的情况。l Shank等人对船舶的脆性断裂事故作了详细调查，并获得了大量数据。认为造成最主要的原因是钢的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆断是在气温较低的情况下发生的。当时美国船舶技术标准中没有列出对船舶钢板的缺口敏感性和低温韧性的性能要求。 l 第二次世界大战后船舶脆断最典型的例子是：1956年英国最大油轮“世界协和
8、”号，在爱尔兰海的一次大风暴中轮船破裂成两段，当时海上温度为10.5。后经调查表明：裂纹发生在船腹中部，裂纹由船底开始沿船的两侧向上扩展，并穿过甲板。裂纹是不连续的，而是由若干单独的裂纹所组成。l 总结船舶脆性断裂原因大致可归纳为：钢板低温脆性所引起;脆性断裂是由应力集中处开始;钢板具有较大的缺口敏感性.(三)桥梁脆性断裂l 在1935年前后,比利时在Albert运河上建造了大约50座焊接桥梁,这些桥梁在以后几年内不断发生脆性断裂事故.1938年3月比利时Albert运河上Hasseld桥全长74.5米的焊接结构,在气温-20时发生脆性断裂,整个桥梁断成三段坠入河中.1940年又有两座桥梁在-
9、14温度下发生局部断裂,其中一座桥梁在下弦曾发现长达150毫米裂纹,裂纹是由焊接接头处开始的;另一座桥梁在桥架下弦曾发现六条大裂纹.据统计,在1947-1950年期间比利时还有十四座桥梁发生脆断事故,其中六次是在低温下发生的. 4.3 脆性断裂特征及产生机理l 一、特征 l 对各种脆断事故分析后发现，焊接脆断有如下几个特征。l (1)脆断般都是在没有显著塑性变形的情况下发生的；l (2)脆断时材料中的平均应力比屈服极限和设计许用应力小很多l (3)焊接结构刚性大，破坏一旦发生，瞬时就能扩展到结构整体，所以脆断事故难以事先发现且往往造成较严重的后果。脆性断裂的影响因素l综合研究分析认为，一般脆断
10、事故原因与以下几方面因素有关。l(1）结构在低温下工作，低温使材料的性质变脆。l(2)结构中存有一些焊后漏检缺陷，或在使用中发生延迟裂纹。l(3)在许多情况下，焊接残余应力起到不良的作用，焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降。l (4)使用不合格的材料或塑性很差的材料。l (5)结构设计不合理，存在较严重的不连续性。l (6)焊接过程中形成错边和产生角变形等。l 二、断口学分析l 最早的断口学分析只是用肉眼直接观察断口，随后用放大镜和光学显微镜来观察断口。l 从1950年以后，将电子显微镜用于断口研究，使断口分析进人了一个崭新的阶段，从而产生了三大类现代断门分析方法，即宏观断口分析法、光学
11、显微镜断口分析法和电于显微镜断口分析法。l 通过对断口的大量分析研究，目前可以认为断裂过程分为裂纹的起源裂纹生核和缓慢扩展)和裂纹快速扩展(瞬时断裂)两个阶段。一般将断裂按韧性断裂和脆性断裂分类，三、脆性断裂的断裂机理l 典型的脆性断裂可以表现为沿一定结晶平面的劈裂(解理断裂)和沿晶界的断裂。l 解理断裂过程包括裂纹成核和裂纹扩展两个阶段。裂纹核的形成可以有各种方式，大量试险证实，裂纹核(解理胚核)形成的前提是发生定程度的塑性变形。在外力作用下，在某一方向最有利的滑移面上位错发生滑移。当滑移位错遇到晶界中硬颗轮的阻碍时，将会在此处造成位紫塞积，并在位错塞积的端部引起应力集中一旦应力超过金属材料
12、的断裂强度时，就会出现开裂，形成裂纹胚核。l 在合金(如钢)的晶界上如果有硬的二相颗粒分布，而且这些颗粒较脆，不可能使位锗积塞的尖端有较大的应力松弛，因而比较容易外裂，形成裂纹胚核。l 相比之下，在纯金属中裂纹胚核的形成就比较困难。裂纹胚核形成之后，是否能扩展并发生解理断裂，将取决于金属的力学性能和实际应力状态。l 在承受载荷的金属材料中，当某部位形成裂纹胚核之后，它们会进一步聚集长大，当裂纹达到某一临界尺寸时，将会发生解理断裂。在一般情况下首先在承受载荷材料的缺口根部出现应力集中和应变集中形成塑性变形区。当应力达到临界应力两时，便会产生解理裂纹的扩展，在扩记过程中将前方裂纹核连成片，最后导致
13、解理断裂。l 解理断裂后的宏观断口特征是：断口表面平整，颜色光亮呈晶状断口。这是由于解理面往往是晶体内原于排列密度最大的品面，同时多晶体各晶粒的解理面不在同一平面内导致的结果。断口中没有宏观塑性变形，断口平面垂直于主应力作用的方向。l 在解理裂纹的高速扩展断口中，常常可以看到放射状的撕裂痕迹，它们是不连续的裂纹核会合时，在几条裂纹之间形成的“撕裂线”，呈现人字形花纹，人字纹的尖端指向裂纹源，l 解理断裂常常发生在低温、大变形速度、严重血力集中和大品粒度的情况下。l 一般说来，具有面心立方(fcc)晶体结构的金届材料不会发生解理断裂。具有体心立方(bcc)和密排六方(hcp)晶体结构的金属材料，
14、如纯铁、低碳钢、钨、铜、铬(均属bcc)和锌和锰(均属hcp)等金属，都会发生解理断裂。由于奥氏体不锈钢是fcc晶体结构，因此可以在很低的温度下不发生脆性解理断裂：脆性断裂的宏观断口l从下图可看出，脆性断裂的宏观断口分为三个区：纤维区、放射区、剪切唇。脆性断口脆性断口宏观：宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。源区源区l 石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力在工作应力远远低于材料的屈服应力远远低于材料的屈服应力作用下，由作用下，由于材料自身固有的于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然
15、断裂形的突然断裂，称为，称为低应力脆性断裂低应力脆性断裂。 l 低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂解理断裂和和沿晶断裂沿晶断裂。 解理断口解理断口沿晶断口沿晶断口4.4.焊接结构脆性断裂 一、一、 焊接结构脆断的基本现象和特点焊接结构脆断的基本现象和特点l 通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊接通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点：结构脆断有下述一些现象和特点：l 1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。生，故称为低温脆断。l 2）脆断的名义应力较低，通常低于材
16、料的屈服）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆性点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆性破坏。破坏。l 3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。力和应变集中处开始的。l 4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理断裂。l 5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达12001800m/s。当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就
17、停止扩展。l 6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。二、影响金属材料脆性断裂的因素二、影响金属材料脆性断裂的因素l 对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。l 就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，l 就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；l 就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。
18、l 研究表明，同一种金属材料由于受到外界因素的影响，其断裂的性质会发生改变，其中最主要的因素是温度、加载速度和应力状态，而且这三者往往是共同起作用。温度的影响l 温度对材料断裂性质影响很大，随着温度降低，材料的屈服应力s和断裂应力b增加。而反映材料塑性的断面收缩率却随着温度降低而降低，约在-200时为零。这时对应的屈服应力与断裂应力接近相等，说明材料断裂的性质已从延性转化为脆性。图中屈服应力s与断裂应力b汇交处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性向脆性转变的温度，又称为临界温度。其他钢材也有类似规律，只是脆性转变温度的高低不同。l 因此，可以用作衡量材料抗脆性断裂的指标。脆性转变温度受试验
19、条件影响，如带缺口试样的转变温度高于光滑试样的转变温度。图 温度与破坏方式关系示意图脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲击断裂功冲击断裂功C Cv vT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线l 加载速度的影响 l 实验证明，钢的屈服点s随着加载速度提高而提高。说明了钢材的塑性变形抗力随加载速度提高而加强，促进了材料脆性断裂。提高加载速度的作用相当于降低温度。 图4-11应变速率与脆性转变温度的关系l 应力状态的影响 l 塑性变形主要是由于金属晶体内沿滑移面发生滑移，引起滑移的力学因素是切应力。因此，金属内有
20、切应力存在，滑移可能发生。l 物体受外载时，在不同载面上产生不同的正应力和切应力。在主平面上作用有最大正应力max，另一与之垂直的主平面上作用着最小主应力min，与主平面成对45角的平面上作用着最大的max。当max达到屈服强度后产生滑移，表现为塑性变形。若max先达到材料的切断抗力，则发生延性断裂。若最大拉正应力max首先达到材料的正断抗力，则发生脆性断裂。因此，发生断裂的性质，既与材料的正断抗力和切断抗力有关，又与max/max的比值有关。 l 两者描述了材料的应力状态。显然比值增大，塑断可能性大。反之，脆断可能性大。 max/max的比值与加载方式和材料的形状尺寸有关，杆件单轴拉伸时，m
21、ax/max=1/2；圆棒纯扭转时，max/max=1；前者发生脆断可能性大于后者。厚板结构易出现三向拉应力状态，若1=2=3，则max/max=0。这时塑性变形受到拘束，必然发生脆断。裂纹尖端或结构上其他应力集中点和焊接残余应力容易出现三向应力状态。l 材料状态的影响 前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的内因。l 1）厚度的影响。l 厚度增大，发生脆断可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松
22、，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较高抗断能力。l 2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。l 3）化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助减小钢的脆性。 l 必须指出，金属材料韧性不足发生脆断既有内因，又有外因，外因通过内因起作用。但是上述三个外因的作用往往不是单独的而是共同作用相互促进。同一材料光滑试样拉伸要达
23、到纯脆性断裂，其温度一般都很低，如果是带缺口试样，则发生脆性断裂的温度将大大提高。缺口越尖锐，提高脆断的温度幅度就越大。说明不利的应力状态提高了脆性转变温度。如果厚板再加上带有尖锐的缺口（如裂纹的尖端），在常温下也会产生脆性断裂。提高加载速度（如冲击）也同样使材料的脆性转变温度大幅度提高。图4-33缺口根部应力分布示意图三、影响焊接结构脆断的设计因素l 焊接结构是根据焊接工艺特点和使用要求而设计的。设计时有些不利因素是这类结构固有特点造成的，因而比其他结构更易于引起脆断。有些则是设计不合理而引起脆断。这些因素包括：l （1）焊接连接是刚性连接 l 焊接接头通过焊缝把两母材熔合成连续的，不可拆卸
24、的整体，两母材之间已没有任何相对松动的可能。结构一旦开裂，裂纹很容易从一个构件穿越焊缝传播到另一构件，继而扩展到结构整体，造成整体断裂，铆钉连接和螺栓连接不是刚性连接，接头处两母材是搭接，金属之间不连续。靠搭接面的磨擦传递载荷，遇到偶然冲击时，搭接面有相对位移可能，起到吸收能量和缓冲作用。万一有一构件开裂，裂纹扩展到接头处因不能跨越而自动停止，不会导致整体结构的断裂。l （2）结构的整体性因其刚性大，导致对应力集中因素特别敏感。l （3）构造设计上存在有不同程度的应力集中因素 l 焊接接头中搭接接头、T字（或十字）接头和角接接头，本身就是结构上不连续部位。连接这些接头的角焊缝，在焊趾和焊根处便
25、是应力集中点。对接接头是最理想的接头形式，但也随着余高的增加，使焊趾的应力集中趋于严重。l （4）结构细部设计不合理 l 焊接结构设计，重视选材和总体结构的强度和刚度计算是必须的，但构造设计不合理，尤其是细部设计考虑不周，也会导致脆断的发生。因为焊接结构的脆断总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。下面列举几种不妥的构造设计，它可能成为脆断的诱因。l 断面突变处不作过渡处理；l 造成三向拉应力状态的构造设计，如用过厚的板，焊缝密集，三向焊缝汇交，造成在拘束状态下施焊，复杂的残余应力分布等；l 在高工作应力区布置焊缝；l 在重要受力构件上随便焊接小附件而又不注意焊接质量；l 不便
26、于施焊的构造设计，这样的设计最容易引起焊缝内外缺陷 四、影响焊接结构脆断的工艺因素 l 焊接结构在生产过程中一般要经历下料、冷（或热）成形、装配、焊接、矫形和焊后热处理工序。金属材料经过这些工序其材质可能发生变化，焊接可能产生缺陷，焊后产生残余应力和变形等，都对结构脆断有影响。 应变时效对结构脆断的影响l 钢材随时间发生脆化的现象称为时效。钢材经一定塑性变形后发生的时效称为应变时效。l 焊接结构生产过程中有两种情况可以产生应变时效，一种是当钢材经剪切、冷成形或冷矫形等工序产生了一定塑性变形（冷作硬化）后经150450温度加热而产生应变时效。另一种是焊接时，由于加热不均匀，近缝区的金属受到不同热
27、循环作用，尤其是当近缝区上有某些尖锐刻槽或在多层焊的先焊焊道中存在有缺陷，便会在刻槽和缺陷处形成焊接应力应变集中，产生了较大的塑性变形，结果在热循环和塑性变形同时作用下产生应变时效，这种时效称热应变时效，或动应变时效。l 研究表明，许多低强度钢应变时效引起局部脆化非常严重，它大大降低了材料延性，提高了材料的脆性转变温度，使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降；热（动）应变时效对脆性的影响比冷作硬化后的应变时效来得大，即前者的脆性转变温度高于后者。l 解决方法：l 焊后热处理（550560）可消除这两类应变时效对碳钢和某些合金钢结构脆断的影响，可恢复其韧性。因此，对应变时效敏感的钢材，焊后热处理是必要
28、的，既可消除焊接残余应力，也可改善这种局部脆化，对防止结构脆断有利。（2）焊接接头非均质性的影响l 焊接接头中焊缝金属与母材之间有强度匹配问题以及焊接的快速加热与冷却使焊缝和热影响区发生金相组织变化问题。这些非均质性对结构脆断有很大影响。l 1）焊缝金属与母材不匹配。l 目前结构钢焊接在选择焊接填充金属时，总是以母材强度为依据。由于焊材供应或焊接工艺需要等原因，可能有三种不同的强度匹配（又称组配）的情况，即焊缝金属强度略高于母材金属的高匹配、等于母材金属和略低于母材金属的低匹配。这三者只考虑了强度问题，忽略了对脆断影响最大的延性和韧性匹配问题，因而不够全面。通常强度级别高的钢材其延性和韧性都较
29、好。很难做到既等强度又等韧性的理想匹配。l 通过对不同强度级别钢材以不同强度匹配的焊接接头抗断裂试验研究发现，焊缝强度高于母材的焊接接头（高匹配）对抗脆断较为有利。这种高匹配接头的极限裂纹尺比等匹配和低匹配的接头来得大，而且焊缝金属的止裂性能也较高。这种现象被认为是高匹配的焊缝金属受到周围软质母材的保护，变形大部分发生在母材金属上。l 采用高匹配并不意味着可放低焊缝金属塑性和韧性的要求。因为焊接工艺方面和焊缝金属抗开裂方面对塑、韧性的基本要求也应满足。因此认为，要求焊缝和母材具有相同的塑性，而强度稍高于母材是最佳的匹配方案。l 2）接头金相组织发生变化。l 焊接局部快速加热和冷却的特点，使焊缝
30、和热影响区发生一系列金相组织的变化，因而相应地改变了接头部位的缺口韧性，在这种情况下焊缝金属具有最高转变温度，这可能与焊缝的铸造组织有关。热影响区中的粗晶区和细晶区的缺口韧性相差很多，粗晶区是焊接接头的薄弱环节之一，有些钢的试验表明，它的临界转变温度可比母材提高50100。l 热影响区的显微组织主要取决于母材的原始显微组织、材料的化学成分，焊接方法和焊接热输入。l 对于确定的钢种和焊接方法来说，主要取决于焊接热输入。实践表明，对高强度钢的焊接，用过小的热输入，接头散热快，造成淬火组织并易产生裂纹；过大热输入造成过热，因晶粒粗大而脆化，降低材料的韧性。通常需要通过工艺试验，确定出最佳的焊接热输入
31、。l 采用多层焊可获得较满意的接头韧性，因为每道焊缝可以用较小的工艺参数，且每道焊缝的焊接热循环对前一道焊缝和热影响区起到热处理作用，有利于改善接头韧性。焊接残余应力的影响l 焊接残余应力对结构脆断的影响是有条件的，在材料的开裂转变温度以下（材料已变脆）时，焊接拉伸残余应力有不利影响，它与工作应力叠加，可以形成结构的低应力脆性破坏；而在转变温度以上时，焊接残余应力对脆性破坏无不利影响。 l 焊接拉伸残余应力具有局部性质，一般只限于焊缝及其附近部位，离开焊缝区其值迅速减小。峰值残余拉应力有助于断裂产生，若在峰值残余拉应力处存在有应力集中因素则是非常不利的。焊接工艺缺陷的影响l 焊接接头中，焊缝和
32、热影响区是最容易产生焊接缺陷的地方。美国对第二次世界大战中焊接船舶脆断事故调查表明，40%的脆断事故是从焊缝缺陷处引发的。可以把缺陷和结构几何不连续性划分为三种类型：l 平面缺陷：包括未熔合、未焊透、裂纹以及其他类裂纹缺陷；l 体积缺陷：气孔、夹渣和类似缺陷，但有些夹渣和气孔（如线性气孔）常与未熔合有关，这些缺陷可按类裂 纹缺陷处理；l 成形不佳：焊缝太厚、角变形、错边等。焊接热烈纹焊接热烈纹焊缝内气孔焊缝内气孔l 这三类缺陷中以平面缺陷结构断裂影响最为严重，而平面缺陷中又以裂 纹缺陷影响为甚。裂纹尖端应力应变集中严重，最易导致脆性断裂。裂纹的影响程度不但与其尺寸、形状有关，而且与其所在位置有
33、关。若裂纹位于高值拉应力区，就更容易引起低应力破坏。若在结构的应力集中区（如压力容器的接管处、钢结构的节点上）产生焊接缺陷，则很危险。因此，最好将焊缝布置在结构的应力集中区以外。 l 体积缺陷也同样削减工作截面而造成结构不连续。也是产生应力集中的部位，它对脆断的影响程度决定于缺陷的形态和所处位置。l 试验表明，焊接角变形越大，破坏应力也越低；对接接头发生错边，就与搭接接头相似，会造成载荷与重心不同轴，产生附加弯曲应力。 问答题l 1.试述应力状态对焊接结构产生脆性断裂的影响。试述应力状态对焊接结构产生脆性断裂的影响。l 当物体受外载时，在主平面上作用有最大正当物体受外载时，在主平面上作用有最大
34、正应力应力max（另一个与之相垂直的平面上作用有（另一个与之相垂直的平面上作用有最小正应力最小正应力min）与主平面成）与主平面成45的平面上作的平面上作用有最大切应力用有最大切应力max。如果在。如果在max达到屈服达到屈服点前，点前，max先达到抗拉强度，则结构发生脆性先达到抗拉强度，则结构发生脆性断裂；反之，如断裂；反之，如max先达到屈服点，则发生塑先达到屈服点，则发生塑性变形及形成延性断裂。性变形及形成延性断裂。l 实验证明，当材料处于单向或双向拉应力作用下，呈实验证明，当材料处于单向或双向拉应力作用下，呈现塑性；在三向拉应力作用下，呈现脆性。三向拉应力可现塑性；在三向拉应力作用下，
35、呈现脆性。三向拉应力可能由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性能由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性所引起。虽然此时整个结构处于单向、双向拉应力状态下，所引起。虽然此时整个结构处于单向、双向拉应力状态下，但其局部地区由于设计不佳、工艺不当或产生焊接缺陷但其局部地区由于设计不佳、工艺不当或产生焊接缺陷（如裂纹），往往会出现形成局部三向应力状态的缺口效（如裂纹），往往会出现形成局部三向应力状态的缺口效应，见图应，见图41。l 在三向拉应力的作用下，材料的屈服点较单向应力时在三向拉应力的作用下，材料的屈服点较单向应力时提高，结果在缺口根部形成很高的局部应力而材料尚不发提高，结果
36、在缺口根部形成很高的局部应力而材料尚不发生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成为脆断的发源生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成为脆断的发源地。因此，地。因此，焊接结构的脆断事故一般都起源于具有严重应焊接结构的脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。力集中效应的缺口处。问答题问答题l 2、试述温度对焊接结构产生脆性断裂的影响？、试述温度对焊接结构产生脆性断裂的影响？什么是脆性转变温度？什么是脆性转变温度？l 如果把一组开有相同缺口的试样在不同温度如果把一组开有相同缺口的试样在不同温度下进行试验，则随着温度的降低，其破坏方式会下进行试验，则随着温度的降低，其破坏方式会发生变化，即从塑性
37、破坏变为脆性破坏，见图发生变化，即从塑性破坏变为脆性破坏，见图42。当温度降到某一临界值时，将出现塑性到脆性断当温度降到某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度称之为脆性转变温度。脆性裂的转变，这个温度称之为脆性转变温度。脆性转变温度高，材料的脆性倾向严重。应当注意，转变温度高，材料的脆性倾向严重。应当注意，同一材料采用不同试验方法，将会得到不同的脆同一材料采用不同试验方法，将会得到不同的脆性转变温度值。性转变温度值。l3、试述加载速度对焊接结构产生脆性断裂、试述加载速度对焊接结构产生脆性断裂的影响。的影响。l 随着加载速度的增加，材料的屈服点提高，因而促使材料向脆性转变，其作用相当
38、于降低温度，使材料的脆性转变温度升高，见图43。l 应当指出，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的不利影响。因为此时有应力集中的影响，应变速率比无缺口高得多，从而大大地降低了材料的局部塑性。因此，结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象。当缺口根部小范围金属材料发生断裂时，在新裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷，即一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动载还是静载，此时随着裂纹加速扩展，应变速率更急剧增加，致使结构最后破坏。l 4、试述材料状态对焊接结构产生脆性断裂的影、试述材料状态对焊接结构产生脆性断裂的影响。响。 l 厚度的影响 l
39、厚板在缺口处容易形成三向拉应力，因此容易使材料变脆。曾经把厚度为45mm的钢板，通过加工制成板厚分别为10、20、30、40mm的试件，研究不同板厚所造成不同应力状态对脆性破坏的影响，发现在预制40mm长的裂纹和施加应力等于1/2屈服点的条件下，当厚度小于30mm时，发生脆断的脆性转变温度随板厚增加面直线上升；当板厚超过30mm时，脆性转变温度的增加较为缓慢。 厚度增大，发生脆断可能性增大。厚度增大，发生脆断可能性增大。 一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受
40、到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较高抗断能力。高抗断能力。l 晶粒度的影响 l 低碳钢和低合金钢的晶粒越细，其脆性转变温度越低。l 化学成分的影响 l 钢中的C、N、O、H、S、P等元素会增加钢的脆性；另一些元素如M
41、n、Ni、Cr、V，如果加入量适当，有助于减少钢的脆性。焊接过程引起的两种脆化 l 焊接时由于加热、冷却引起接头区冶金组织变化，冷却过程中形成的高碳马氏体和粗大晶粒等金相组织将使焊接接头区韧性降低，另外，微量有害元素偏聚和氢含量增加也是导致韧性降低的原因。l 焊接热循环过程中产生的塑性应变会引起热应变脆化。焊接结构脆性断裂的防治方法 1.正确选用材料 选择材料的基本原则是既要保证结构的使用安全，又要考虑经济效果。一般地说，应使所选用的钢材和焊接用填充金属材料保证在使用温度下具有合格的缺口韧性，其含义是： （1 ）在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合线的最脆部位具有足够的抗开裂性能，母材应具有
42、一定的止裂性能。 （2 ）随着钢材强度的提高，断裂韧度和工艺性一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料，特别不应该单纯追求强度指标，忽视其他性能。l 2.采用合理的焊接结构设计 l 设计有脆断倾向的焊接结构，应当注意以下几个基本原则：l （1 ）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。在一些构年截面改变的地方，必须设计成平滑过渡，不要形成尖角，见下图 。l 在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头，搭接接头由于应力集中系数大应尽量避免，过去曾经出现过这种结构在焊缝处破坏的事故多次；改成下图 所示l的形式后，由于减小了焊缝处的应力集中，承载能力大为提高，爆炸试验证明，断裂从焊缝以外
43、开始。图 T形接头和角接头的设计方案图4 不同宽度钢板拼接设计方案图4 封头设计 a）合理b）不合理l 不同厚度焊件的对接接头应尽可能采用圆滑过渡，见下图所示：图4 不同板厚的接头设计方案 a）可以；b）最好c）不可以l 避免和减少焊缝的缺陷，应将焊缝设计布置在便于焊接和检验的地方。见下图所示：图4 不易施焊的焊缝部位例举l 避免焊缝的密集，两条焊缝间应保证有最小距离，见下图所示：图4 焊接容器中焊缝的最小距离l （2 ）减少结构刚性。l 在满足结构的使用条件下，应当尽量减少结构的刚性，以降低应力集中和附加应力的影响。在压力容器中，经常要在容器的器壁上开孔焊接接管，为了避免焊接缝在此处刚性过大
44、，可开缓和槽，见下图所示：l。图4 容器开缓和槽例举l （3）不采用大厚度的截面。l 由于焊接可以连接很厚的截面，所以有的焊接结构中常会选用比一般铆接结构厚得多的截面，这样做是不恰当的，因为增大厚度会提高钢材的脆性转变温度，降低断裂韧度值，反而容易引起脆断。l （ 4）重视次要焊缝的设计。l 对于附件或不受力焊缝的设计，应和主要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的接头部位产生，就会扩展到主要受力的元件中，使结构破坏。因此，不要在受力构件上随意加焊附件，见下图所示：l 支架被焊接到受力构件上，焊缝质量不易保证，极易产生裂纹，另外一种方案采用了卡箍就避免了上述缺点，有助于防止脆
45、断。图4 附加元件安装方案a）易裂结构 b）推荐结构l （5 ）减少焊接残余应力。在制订焊接工艺规程时，应当考虑尽量减少焊接残余应力值，以减少其不利影响，在必要时应进行焊后消除应力热处理。图4 几种设计方案正误比较焊接结构脆性断裂的防治方法 3 改善材料的断裂韧性 正确的设计选材 应采用“等韧性”或“等性能”原则，才能保证焊缝区不成为结构的薄弱环节，以避免脆性断裂。 优化焊接工艺 合理制订、严格执行耐压试验规程 第四章小结l 1. 叙述脆性断裂的特点及原因。l 2. 延性断裂的过程及断口特征（宏观及微观）。l 3. 脆性断裂的分类及各自的产生条件。l 4. 解理断裂产生条件、产生原因、断口宏观
46、微观特征。l 5. 沿晶断裂产生条件、产生原因、断口宏观微观特征。l 6. 影响金属脆断的主要因素有哪些？l 7. 单轴拉伸、三轴拉伸应力状态，各有什么特点？l 8. 三轴应力在什么条件下产生？对脆性断裂的影响 ？l 9. 材料状态（厚度、冶金、晶粒度、化学成分）对脆性断裂的影响。l 10. 温度如何影响缺口试样的断裂？结合力学状态图说明。l 11. 加载速度如何影响缺口试样的断裂？结合力学状态图说明。l 12. 材料状态（厚度、冶金、晶粒度、化学成分）对脆性断裂的影响。l 13. 简述焊接结构制造工艺特点对脆性断裂的影响。l 14. 有哪些因素会导致焊接结构的脆性断裂？l 15. 预防焊接结构脆性断裂指施有哪些？l 16. 为预防焊接结构脆性断裂，如何正确选材？l 17. 为预防焊接结构脆性断裂，如何进行合理的结构设计？
