2012焊接結構的疲勞.ppt

焊接結構脆性斷裂 Brittle Fracture,材料成型及控制工程 2012.9,焊接結構脆性斷裂、疲勞斷裂事故時有發(fā)生，典型案例： 實例之一：二戰(zhàn)期間，美國250艘全焊接戰(zhàn)時標準船的斷裂事故，其中10艘在平靜港灣突然一斷為二。 實例之二一：泰坦尼克號的失事是低溫引起材料焊接處脆斷 實例之三：2001年11月7日，四川省宜賓市南門中承拱橋因吊桿脆斷造成大橋橋面坍塌 實例之四：1998年3月5日，西安液化石油氣站2個400 m3球罐發(fā)生特大爆炸事故。一只緊固螺栓的疲勞斷裂,四川天然氣管道曾經發(fā)生多起硫化物應力腐蝕引起的爆裂事故，其中一起發(fā)生在1995年底，泄漏的天然氣引起了火災。管道為7208.16 mm 螺旋焊管，工廠壓力1.92.5MPa。事故管段已經運行16年。爆口長度1440mm，沿焊縫擴展。管道內壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現(xiàn)象。經過試驗分析，結論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣中含有H2S及補焊工藝不合理 使焊縫產生了馬氏體組織和高的殘余應力有關。 塔吊：地角螺栓45鋼、40Cr，焊接部位易脆斷,本章提要： 1）脆性斷裂的危害及其基本特征； 2）造成焊接結構脆斷的主要原因； 3）焊接結構脆斷的主要影響因素； 4）焊接結構脆斷的主要防止措施。 以上內容作為本章的要點。,5.1 焊接結構脆斷的基本原因與脆斷的基本特征,5.1.1 金屬的脆性斷裂 通常指沿一定結晶面劈裂的解理斷裂或晶界斷裂。 5.1.2 脆斷的基本特征 1）脆斷由正應力引起，幾乎沒有塑性變形； 2）脆斷時所需能量小，屬于低應力破壞； 3）裂紋擴展速度快（可達1800km/s），具有突發(fā)性， 措不及防； 4）脆斷對溫度條件敏感，即所謂的金屬冷脆現(xiàn)象；,5.1.3 金屬脆斷的斷口特征： 1）斷面顏色： 解理斷裂：晶狀斷口，閃閃發(fā)光； 晶界斷裂：較灰暗； 2）宏觀斷口形狀： 解理斷裂：斷口平齊，有放射狀撕裂棱形，即 人字紋，其尖鋒指向裂紋源； 晶界斷裂：表面平齊，呈顆?；虼执蔂?，邊緣 有剪切唇；,脆斷的斷口特征,3）微觀斷口形貌： 解理斷裂：河流花樣，舌狀花樣， 扇形花樣； 晶界斷裂：冰糖狀花樣， 巖石狀花樣， 不同程度的晶粒多面體。,35CrMo 870正火 等軸韌窩,鑄鐵 氫脆 沿晶冰糖狀,5.1.4 焊接結構脆斷的產生原因,金屬脆斷理論表明，金屬發(fā)生脆斷的影響因素 很多。情況較為復雜； 焊接結構發(fā)生脆斷的原因更加復雜。專業(yè)人員尤其需要深入研究。 從宏觀上可定性地概括為以下幾點： 1) 結構在使用工況下的韌性不足； 尤其是缺口韌性不足； 這與材料本身的性能、構件的加工質量、載荷作用方式、環(huán)境與介質條件等均有一定關系。,5.1.4 焊接結構脆斷的產生原因,2）結構在設計、制造環(huán)節(jié)上存在工藝缺陷； 這些未能得以及時消除的工藝缺陷，進一步造成了構件承載能力尤指抗開裂能力的惡化。 如：焊接殘余應力、附加殘余變形、熱應變時效以及各種焊接缺陷等引起的應力集中和脆化現(xiàn)象。 3）產品檢驗技術不夠完善，并未對重要結構采取有效的質量跟蹤措施和及時準確的無損評價。 涉及：產品檢驗技術規(guī)范、手段等。,5.1.5 焊接結構發(fā)生脆斷的危害性,1) 金屬結構發(fā)生脆斷的幾率 從總體上并不大，低于0.4 ； 2）脆斷的突發(fā)性 ！ 盡管脆斷發(fā)生的幾率并不大，但由于脆斷發(fā)生具有突發(fā)性，往往難以防范，因而，造成的損失往往是難以想象的，有時甚至是災難性的！這已被歷史所見證。 可見，焊接結構的安全性仍然是每個焊接工作者必須關注的問題。,5.2 影響金屬脆性斷裂的因素,具體分析金屬脆斷的影響因素時，又可從 總體上將它們分為內因和外因。 任務： 1)通過對脆斷影響因素的深入分析，全面認識 脆斷的本質與產生機理； 2)深刻理解聯(lián)合強度理論, 學會使用力學狀態(tài)圖 綜合判定金屬的斷裂性質及相關問題。,5.2.1 影響金屬脆斷的外部因素,1)引起脆斷的外部三要素： 應力狀態(tài)、溫度條件、加載速度。 深入理解： 溫度條件是引發(fā)金屬脆斷的前提 促成脆性轉變！ 應力狀態(tài)是決定斷裂性質的天平 基于載荷形式！ 加載速度則是促成脆斷的導火索 勝似雪上加霜！,具體分析外部三要素,溫度的影響 溫度條件影響斷裂性質的根本原因是： 材料是否有冷脆現(xiàn)象 ！ 實驗證明：有些金屬的沖擊韌性指標 對溫度具有敏感性。 即當溫度由高到低變化到某一臨界范圍時，其沖擊韌性會發(fā)生驟然下降，材料學稱之為冷脆現(xiàn)象，而導致金屬發(fā)生冷脆現(xiàn)象的臨界溫度稱為該金屬的延脆性轉變溫度。 顯然，材料的延脆性轉變溫度越低，在一定溫度下發(fā)生冷脆的傾向越?。?具有冷脆現(xiàn)象金屬的晶格特征,研究表明：具有冷脆現(xiàn)象的金屬多為： 體心立方晶格或密排六方晶格結構。 大多面心立方晶格的金屬，如： 鋁、銅等金屬則沒有冷脆現(xiàn)象。 所以，低溫環(huán)境的壓力容器往往選擇 含鎳量較高的面心立方晶格的金屬。 這類金屬材料具有較高的低溫韌性！,不同材料沖擊韌性與溫度關系曲線,應力狀態(tài)的影響 1）聯(lián)合強度理論 基本概念： 材料某一單元體受力狀態(tài)可能是多種多樣，但是，材料內部產生的最大正應力和最大切應力是有極限的。 當最大切應力未達到極限值時，最大正應力首先達到極限值則發(fā)生脆性斷裂； 當最大正應力未達到極限值時，最大切應力首先達到極限值則發(fā)生延性斷裂。,2）力學狀態(tài)圖： 力學狀態(tài)圖聯(lián)合強度理論的轉化形式！,力學狀態(tài)圖,SoT 正斷抗力； tT 剪切屈服極限； tK 剪斷抗力。,3）應力狀態(tài)指標: 力學狀態(tài)圖中，過坐標原點的直線與橫坐標軸的夾角的正切值，即定義為應力狀態(tài)指標。 顯然， max /max 其數(shù)值對應于一定的應力狀態(tài)是不變的。 在力學狀態(tài)圖中， SoT 正斷抗力； tT 剪切屈服極限； tK 剪斷抗力。,應力狀態(tài)舉例,4）常見加載形式對應的應力狀態(tài) 單軸拉伸 tg=1/2 圓棒扭轉 tg=1 雙向拉伸 tg=1/2 單向壓縮 tg=1/（2），為泊松比， 如對于鋼=0.3，tg=1.66 三向拉伸 tg=（1-3/1）/2 三相等軸拉伸應力狀態(tài)，因1=2=3， 則tg= 0,5）斷裂性質的判定：（力學狀態(tài)圖的應用） 在力學狀態(tài)圖中，應力狀態(tài)可用斜率為tg的直線表示，該斜率即為應力狀態(tài)指標。隨著加載過程的進行，盡管應力狀態(tài)指標保持不變，但實際載荷不斷提高。 脆斷條件:max SoT ，maxtT ； 屈服條件:maxSoT，maxtT ； 延性破壞條件:max SoT，maxtK。 結論: 應力狀態(tài)指標tg的值越低， 發(fā)生脆斷可能性越大!,6）缺口效應對應力狀態(tài)指標的影響,具有尖銳缺口的厚板結構，缺口即使在單向應力作用下，缺口尖端也會出現(xiàn)三向拉應力狀態(tài)，使應力狀態(tài)指標tg嚴重降低，增大了脆斷的可能性！ 三相等軸拉伸應力狀態(tài)，其應力狀態(tài)指標tg=0，故其破壞形式一定是脆性斷裂！ 通過上述分析，不難理解塑性好的材料也會發(fā)生低應力破壞的道理！,7）用力學狀態(tài)圖解釋溫度降低對脆斷的影響 原理：隨著溫度的降低， 剪切屈服極限tT升高， 而正斷抗力SOT不變， 故脆斷危險性增加！ 聯(lián)想：材料的屈服極限s 隨溫度的提高而降低！反過來，必然提高！,1溫度的影響,溫度對拉伸性能的影響,溫度對沖擊韌性的影響,溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼斷裂韌性的影響,溫度降低斷裂韌性、沖擊韌性都降低，抗沖擊能力、抗裂紋擴張能力降低,加載速度的影響 研究表明： 加載速度d/dt提高，其作用相當于溫度降低， 同樣會使剪切屈服極限tT升高，而正斷抗力SOT 不變，則脆斷危險性增加！,tT， SOT,tT,d/dt,加載速度對脆斷的影響規(guī)律,應力集中對d/dt的影響,應該指出，在結構缺口處由于應力集中作用，使加載速度d/dt明顯提高，故脆斷危險性增大。 載荷的沖擊性越大，即加載速度d/dt越大，對工件的危害也就越大！ 這使我們不難理解為什麼采用落錘試驗研究材料的抗脆斷的性能！,5.2.2 材料狀態(tài)（內部因素）的影響,1)板厚的影響 應力狀態(tài)方面： 厚板結構在受力時沿厚度方向的變形受到很大限制，形成平面應變狀態(tài)，在缺口處易出現(xiàn)三向拉應力，使脆斷傾向增大。 冶金方面： 厚板軋制量小，終軋溫度高，組織疏松，不均勻，韌性相對較差。,2)晶粒度的影響 對軟鋼而言，晶粒愈細,韌性愈高, 延脆性轉變溫度愈低。 3)化學成分的影響 有害元素 C、N、O、H、S、P等合金元素使材料脆性增加； 有益元素 Mn、Ni、Cr、V等合金元素使材料脆性降低！,5.3 影響焊接結構脆斷的主要因素,側重焊接工藝引起的新矛盾、新問題。 5.3.1 應變時效引起的局部脆性 1) 時效的概念在一定溫度下，材料性能隨時間發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為時效。 其英文為aging，即age的現(xiàn)在分詞。 2) 應變時效的分類 靜應變時效（也稱冷變形時效）； 動應變時效（也稱為熱應變脆化）。,應變時效的概念,應變時效 是指金屬經過一定量的塑性變形后，再經歷150400溫度范圍的加熱作用而造成的材料塑性下降的現(xiàn)象。 靜應變時效 是指金屬經過“ 冷加工”而產生 一定量的塑性變形導致的應變時效。 動應變時效 是指金屬經過“熱循環(huán)”而產生 一定量的熱塑性變形導致的應變時效。,3)應變時效產生的危害 有害的時效往往使材料性能變壞：硬度提高，塑性下降，韌性變差。 熱應變時效使材料塑性極度下降， 即所謂“塑性耗竭”！ 4）應變時效的消除 靜應變時效：切削時變形小，可铇去冷變形部分；或采用550560熱處理。 動應變時效：多產生于應力集中處，危害較大。采用550560熱處理，同時還可消除殘余應力，改善局部脆性。,不同應變量對動應變時效的影響,靜應變時效與動應變時效影響的比較,焊后550560回火可消除殘余應力及應變時效脆化傾向,應變時效對脆斷的影響,5.3.2 焊接缺陷的影響 區(qū)別對待 焊接缺陷的影響與其所在的位置和種類有關! 影響的本質: 損失承載截面;形成缺口效應,導致應力集中! 防止措施: 改進工藝,加強管理,強化檢測手段!運用 質量管理體系的功能，盡最大可能消除焊接缺陷！,5.3.3 角變形和錯邊的影響 試驗結果: 角變形增加,轉變溫度升高! 原因分析: 角變形過大使工件承載時產生附加彎矩,造成熔合線處的應力集中程度加大！ 因而，脆斷的危險性增大！ 嚴重錯邊與角變形過大作用等同！ 防止措施 盡量減小角變形或錯邊； 亦可在熔合線(焊趾) 堆焊防裂焊縫。,5.3.4 接頭金相組織改變對脆性的影響 主要目標: 充分注意焊接熱影響區(qū)的幾個脆化區(qū)! 如：靠近熔合線附近的粗大的魏氏組織區(qū)； 處于藍脆溫度范圍的脆化區(qū)； 合金鋼接頭中的高硬度馬氏體區(qū)。 處理措施： 必要時進行回火或正火處理。消除脆性組織，同時消除焊接應力！ 焊接工藝要合理控制焊接線能量。,5.3.5 焊接殘余應力和塑性變形的影響 寬板拉伸試驗結果： 殘余應力和塑性變形影響斷裂應力！ ESSO試驗結果： 殘余應力影響裂紋擴展方向 ！ 預防措施： 合理布置焊縫 不使焊縫過于密集 ； 調整殘余應力場局部加熱、熱處理、 機械拉伸等。,C-Mn焊條電弧焊接頭的COD,寬板實驗的結果顯示：在韌脆轉變溫度以上殘余應力無影響，在韌脆轉變溫度以下有不利影響。與工作應力疊加促進脆斷的發(fā)生。 殘余應力的存在還會改變裂紋的走向。,5.4 防止焊接結構脆斷的措施,總括：焊接結構發(fā)生脆斷的危險依然存在！ 防止焊接結構脆斷的策略應該從多方面著眼： 1）選擇與實際工況匹配的低溫韌性好的母材；滿足缺口韌性指標的要求！ 2）優(yōu)化結構設計,完善制造工藝，消除焊接缺陷、焊接應力與變形帶來的危害！ 3）強化質量意識和質量保證體系,實現(xiàn)產品的全程質量監(jiān)控！,5.4.1 防止焊接結構脆斷的設計措施,(1) 盡量減少應力集中 焊縫位置應在平滑過渡處； 搭接接頭形狀應圓滑過渡； 避免焊縫過于密集； 焊縫應布置在易焊易檢的位置。 (2) 盡量減小結構剛度 不采用過厚截面； 結構重要部位剛性過大應開緩和槽。,5.4.1 防止焊接結構脆斷的設計措施,(3) 充分注意受力構件上的不重要焊縫 例如：船體、容器上的掛鉤、支架等。 原則：能不焊就不焊！ 俗話說得好：紅傷藥再好，不如不拉口！ 分析：不重要焊縫往往不被重視，產生缺 陷的可能性大！然而，這些缺陷又 處在受力構件上，因而，導致受力 構件的低應力破壞。 可謂：螻蟻之穴潰千里之堤！,5.4.1 防止焊接結構脆斷的設計措施,(4) 充分考慮焊接殘余應力和變形的影響 在第二章已經重點討論了焊接殘余應力和變形 的危害。從防止脆斷發(fā)生的角度，本章第三節(jié)也對 焊接殘余應力和變形的影響進行了討論。 重點從兩個方面理解： 構成復雜應力場，導致缺口效應使材料變 脆，而殘余應力對脆性材料的靜載破壞是有影響 的！。 角變形和錯邊都會產生附加彎矩!使焊趾處的 應力集中程度加大！,5.4.2 防止焊接結構脆斷的工藝措施,主要是： 控制應變時效； 防止產生脆性組織； 控制焊接缺陷； 控制角變形及錯邊； 注意消除焊接殘余應力。,5.4.3 防止焊接結構脆斷的選材原則,1）滿足結構使用工況的韌性要求： 舉例: 應用時可詳細查閱相關標準.,表4-1 根據(jù)DIN17280 低溫韌性鋼對沖擊韌性的要求(ISO尖型缺口試樣),ISO尖型缺口試樣,試樣尺寸: 101055 缺口型式: V型 試驗方法: 參考GB2650 應用意義: 相對評價材料的性能; 安全評價的依據(jù).,5.4.3 防止焊接結構脆斷的選材原則,2) 按斷裂力學確定選材標準 借鑒寬板拉伸試驗結果指導選材; 不要一味追求材料的高強度! 斷裂力學更強調: 較高的 (KIC /s)2 ,認為該值與裂紋尖端的塑性區(qū)半徑R有關! R , 抗開裂能力越強! 3) 不要選擇過厚的結構形式, 厚壁結構容易造成平面應變狀態(tài)! 必要時,可考慮采用多層結構.,wells寬板拉伸試驗,試件尺寸： 910910(板厚),缺口尺寸：50.15 注意：焊前開缺口！ 適用： 靜載結構的熱應 變脆化研究； 殘余應力的影響； 角變形的影響； 退火、預拉伸等。,wells寬