1、焊接结构设计焊接结构设计 第十五章焊接结构脆性断裂第十五章焊接结构脆性断裂 授课教师：侯军才授课教师：侯军才 15.1.2影响金属材料断裂的主要因素1.应力状态的影响 实验证明，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。2.温度的影响n对于一定的加载方式（应力状态），当温度降至某一临界值时，将出现由延性到脆性断裂的转变，这个温度称之为韧脆转变温度。转变温度随最大切应力与最大正应力之比值的降低而提高。带缺口的试样的比值比光滑试样低，拉伸试样的比值比扭转试样低，因此转变温度前者比后者高。n由于解理断裂通常发生在体心立方和密集六方点阵的金属和合
2、金中，只在特殊情况下，如应力腐蚀条件下，才在面心立方点阵金属中发生，因此面心立方点阵金属（如奥氏体不锈钢），可以在很低温度下工作而不发生脆性断裂。3.加载速度的影响n提高加裁速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。原因是钢的剪切屈服限不仅取决于温度，而且取决于加载速率，或者说还取决于应变速率。n在同样的加载速率下，结构试样有缺口时，此时有应力集中的影响，应变速率会加倍增加。应变速率比无缺口结构高的多，从而大大降低了材料的局部塑性，这也说明了为什么结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象。韧脆转变温度与应变速率的关系如图 15 一 5 所示。4.组织状态的影响n化学成分的影响 金属材料
3、（特别是钢）除了基本成分外，还含有各种合金元素、杂质、气体和夹杂物，这些对金属材料的性能和断裂都产生重大影响。钢中所含气体主要是氢、氮和氧，它们对钢的性能都是有害的。氢：氢能使钢中产生白点，造成氢脆。材料强度越高，结构尺寸越大，则氢的危害性也越严重。氮：钢中的氮能使钢材丧失塑性。硫：除了氧的夹杂物而外，硫化物也是一种很有害的夹杂物。MnS 通常会使热轧钢板的横向塑性降低，使钢板不适于制造焊接结构。夹杂物：一般钢中的夹杂物都是脆性相，夹杂物的含量越多，则钢的塑性越差。组织和状态 组织和状态金属材料（特别是钢）的组织和状态对材料的性能有重大影响。实验证明，金属材料晶粒度的增大能使其脆性解理断裂的危
4、险性增加。目前大量应用的结构钢，在一般条件下可以证明其断裂强度决定于晶粒大小。板厚影响n断裂力学的研究表明，加大板厚将使其塑性约束加大，断裂将从塑性向脆性转变，并由平面应力状态向平面应变状态转变。15.2金属材料和焊接结构断裂评定方法1.临界转变温度和判据 温度对脆性断裂有重要影响，高加载速度相当于降低转变温度，低温下的缺口、大厚度、焊接缺陷、残余应力对脆断有明显影响。为防止脆断，在采用各种预制缺口、不同温度下对不同尺寸的构件进行试验得到不同的转变温度。15.2.1转变温度法2.防止裂纹发生和阻止裂纹扩展的原则（1）按照止裂原则，当所设计的结构在可能出现的最低温度下工作时，必须能阻止脆性裂纹的
5、自由扩展。根据这一要求，设计者可以用阻止脆性裂纹扩展的相应 临界转变温度来选择合适的结构材料。通常能够发生止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，而且处于较高的应力场中。当裂纹扩展进入韧性区和较低应力场中时，已经裂开的裂纹长度如果小于新区域中裂纹失稳断裂的临界长度，则裂纹将受到阻止。（2）对于只承受静载或压力变化缓慢的焊接压力容器和其他结构，一般适用开裂原则是只要结构能防止裂纹发生，即可认为结构不会脆断，整个设备是安全可靠的。由于影响材料脆性开裂的因素十分复杂，多年来选择钢材和制造工艺都以经验为主。3.防止结构脆断的试验研究方法n冲击试验n落锤试验n逻伯逊试验和 Esso(soD）试验nWells
6、宽板试验15.2.2断裂力学方法断裂力学方法1.断裂韧度判据工程上的断裂事故，总是从存在的宏观缺欠或裂纹为“源”而开始的。在这样的研究基础上新兴了一门学科“断裂力学”。材料中存在的裂纹或缺欠，是否能扩展，扩展有多快，以及断裂强度下降有多快，研究其估算方法并进行估算，就成为断裂力学的任务。不同材料对裂纹的扩展具有不同的阻力，从而提出了断裂韧度的概念。金属断裂有延性断裂与脆性断裂之分。断裂可以分为三个阶段：裂纹形核、裂纹扩展、断裂。该方法属于断裂力学的该方法属于断裂力学的线弹性力学方法，包括金属线弹性力学方法，包括金属材料断裂的能量理论法和应力强度法。材料断裂的能量理论法和应力强度法。一、线弹性力
7、学评价法一、线弹性力学评价法 金属材料断裂的能量理论法n格里菲斯取一块厚度为单位 l 的“无限”大平板为研究模型，先使平板在无穷远处受到单向均匀拉伸应力作用，如图，然后将其两端固定，以杜绝外部能源。设想在这块平板上中心区域出现一个垂直于拉应力，方向长度为 2a 穿透板厚的裂纹。切开裂纹后，平板内贮存的弹性应变能将有一部分被释放出来，其释放量设为 U。又由于裂纹出现后有新的表面形成，要吸收能量，设其值为 W，则其能量的总改变量 E。PEa22WUECaEecr02式的左边被称为能量的释放率(G)，。它表示裂纹扩展单位面积系统所释放的弹性能，即单位裂纹表面积的弹性能。右边表示表面能的增加，它被称为
8、裂纹扩展阻力（R）。由此可知，裂纹要发生失稳扩展，G必须至少等于 R。如果 R 为常数，则意味着必须超过某一临界值（GC）。因此，当 发生断裂。当GGC被称为裂纹失稳扩展的能量准则，简称准则或判据。n应当指出，格里菲斯是根据玻璃、陶瓷等脆性材料推导能最公式的。在金属材料中，当裂纹扩展时，裂纹前端局部区域要发生一定的塑性变形，裂纹尖端也因期性变形而钝化，此时格里菲斯理论失效。X 射线分析证实了金属断裂表面有塑性变形的薄层。根据试骏结果，塑性变形能 比 大得多，因此 可忽略不计，此时修正后的金属材料中裂纹扩展的临界条件可写成aEpecr)(20pee裂纹扩展必须满足裂纹扩展必须满足Griffith
9、-OrowanGriffith-Orowan能量条件能量条件 裂纹扩展的临界拉应力弹性模量裂纹面单位面积的表面能裂纹扩散单位面积所需塑性变形能裂纹半长 cr0EPa（公式1）aEaEPpecr002)(2只有当外力超过临界值时，或裂纹长度达到临界尺寸时，裂纹才能自动迅速扩展，其速度接近声速；当裂纹扩展后a值变大，临界应力下降，断裂可加速发展。n(2）应力强度方法由于格里菲斯能量理论适用范围的限制，欧文（Irwin）提出了应力强度方法，对线弹性断裂力学做出了重要推进。n首先，他根据线弹性理论指出，在裂纹尖端附近的应力应该取下列形式坏，这显然与实际情况不符，这意味着，不能再用应力大小来判断裂纹是否
10、扩展，破坏是否发生；第二应力与参量K成正比，K是裂纹尖端弹性应力场强弱的参量，被称为裂纹尖端应力场强度因子，简称为应力强度因子。应力强度因子的通式可表示为n式中，是无量纲参数，它取决于试n样的几何因素、裂纹形状和加载方式，称为几何形状因子。具有中心穿透裂纹的宽平板的应力强度因子表达式为waf应力强度法应力强度法 （1 1）K KICIC判据（与材料性质有关的常数）判据（与材料性质有关的常数）K Ic临界应力强度或临界能量G Ic 都可以称为材料的断裂韧度。由于通过弹应力分析就能确定不同儿何形状的 K 因子值，这就使得应力强度方法在解决断裂问题上非常得对于某种材料来说，KIC参量是个与裂纹几何特
11、征类型、构件形状、载荷类型、裂纹长度等因素无关的参数。实践证明：在一定温度下，只要材料厚度超过一定值，KIC就是材料常数。焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 （公式2）02ICPKE02PaE 由公式1可得 此式左边显然与材料无关而为力学变量，设为KI表示，联立上式可得此材料的临界条件为：K KI I=K=KICIC 对于一定尺寸的裂纹，材料KIC越高，脆断所需临界应力就越高。容许工作应力和材料的屈服应力s存在如下关系 对于无限宽板，有 若通过实验已知材料的KIC值，可得 sICscrKa221ICcrsKaa弹塑性力学弹塑性力学 （2 2）判据判据KI
12、C判据是在线弹性条件下成立的，属于线弹性断裂力学的范畴。当有屈服现象时，必须对KIC进行修正。而当大屈服或全面屈服时，KIC将失效。这时，属于塑性断裂力学范畴，而引进该判据（即临界裂纹张开位移COD）。COD理论是利用裂纹尖端在外力作用下张开位移的大小作为力学量和材料韧性来处理问题。用位移量来解决弹塑性问题较应力梁的优势在位移在塑性变形时比应力敏感。塑性变形时，材料的变形大而应力的变化小，变形随材料的增大而增大。当裂纹尖端只有小的屈服时，与KIC有下列近似关系 08lnsec2sccsaE20ICcsKE若cr/s0.60.7，上式成立。2.缺欠合用验收规范 这一规范的基础是断裂力学，主要运用
13、KIC与 判据。考虑一定的安全系数以后给出适用的公式，用以计算容许的缺欠尺寸。由于缺欠各种各样，必须加以规格化处理，确定一个“等效缺欠尺寸”。还要分析实际的应力应变情况，以求出总的作用应力或应变。然后通过计算求得容许的最大裂纹尺寸 ，或计算出KI或 。最后通过对比，最终做出判断该缺欠是否容许存在。cama绪论绪论-焊接缺欠容限规范焊接缺欠容限规范 IIW-VIIW-V委员委员会提出的两会提出的两个质量标准个质量标准QA-用于正常质量管理的质量水平，是生产厂家努力目标，用户期望的标准。QB-按合用性准则提出的最低的合用验收标准。缺欠中不能满足这一标准要求的即判定为缺陷。焊接结构的失效分析焊接结构
14、的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 焊接缺欠合用验收评定程序焊接缺欠合用验收评定程序-二二（1 1）KIC的测试方法的测试方法 对于三点弯曲试样，对于紧凑拉伸试样，B-试样的厚度，W-试样的高度，W=2B，a-裂纹长度（预制疲劳裂纹的长度必须大于1.3mm，以保证裂纹尖端的尖锐），Pc-裂纹失稳扩展时的临界载荷。和 可查表获得。具体可参阅文献断裂韧性测试（褚武扬等编著）（科学出版社，1979）a)三点弯曲试样 焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 标准标准KIC试样试样 b)紧凑拉伸试样 焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方
15、法焊接缺欠的评定方法 焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 （2 2）临界应力强度因子临界应力强度因子KIC 的间接确定的间接确定 根据文献钢的动态力学性能及应用P122-127中的介绍，我们可以用夏比V型缺口冲击吸收功AKV的值预测材料的临界应力强度因子KIC。由于夏比V型缺口试样具有简单、便宜等优点，促使人们寻求AKV和KIC间的关系，并通过夏比试验结果与温度的关系来预测KICT关系。研究材料包括从低强度碳钢到超高强度合金钢及马氏体时效钢，得到的关系都是经验的。焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 根据中低强度钢的
16、数据，在转变温度范围内求KIC和AKV可建立以下关系：23/2/2()ICKVKEA 以1b.in-3/2为单位；E弹性模量，以1b.in-2为单位；AKV以ft-lb为单位。根据试验的数据，的概率散度大约是25%，对一定的弹性模量E，的概率散度大约是12%。焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 （3 3）临界临界COD的测试（即的测试（即 ）测试试样采用三点弯曲试样，计算公式为：()1()cVahr Wa这里:a-裂纹长度；V-引伸计刀口间的张开位移（毫米）；W-试样的高度；r-转动因子；h-刀口高度。要获得临界COD值，关键要知道转动因子r，并正确地定
17、出临界点。但非常复杂，误差也较大，具体参看文献断裂韧性测试（褚武扬等编著）（科学出版社，1979）。（4 4）单试样法测单试样法测 对于短跨距（S/W=35）、深裂纹（a/W0.5）的三点弯曲试样：这里:-恒位移条件下的临界应变能或形变功。2()cICUJB Wa焊接结构的失效分析焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 对于标准紧凑拉伸试样：有关 的确定，比较复杂，具体参看文献断裂韧性测试（褚武扬等编著）（科学出版社，1979）。2.3()0.65cICaUWJaB WaW在线弹性条件下，有：22/1ICICEKJEEE平面应力 其中平面应变焊接结构的失效分析焊接结构的失效分
18、析-焊接缺欠的评定方法焊接缺欠的评定方法 6.脆断评定YTM560-6电机转轴承载两端存在裂纹情况电机转轴承载两端存在裂纹情况下焊缝静载强度评估下焊缝静载强度评估3/2KV11223/2-3/22()2 2 100.225 39.37 b in(27 0.225 3.28ft-1b)71867.6755(1b in)ICKE A-3/23/2-3/2=71867.6755 0.4536 9.8N0.0254m79MN m因此，YTM560-6电机转轴承载两端存在裂纹情况电机转轴承载两端存在裂纹情况下焊缝静载强度评估下焊缝静载强度评估(2)裂纹容限 m的确定 根据文献焊接结构（田锡唐主编，机械工业出版社1981）P153中的介绍：计算时，不考虑缺陷本身所产生的应力集中效应。当上述平均一次应力 和二次应力的总和超过焊缝金属或母材的单轴拉伸屈服极限时（视缺陷所在部位确定用焊缝金属或母材的屈服极限），应将应力转换成为当量应变。在应力集中区，当计算塑性应变超过2倍屈服应变，应通过弹塑性分析或试验结果对最大应变作出估计。a1Thanks!
