第四章 脆性斷裂

1、.,第4章 焊接結(jié)構(gòu)斷裂分析及控制 金屬材料脆性斷裂與延性斷裂 斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 焊接接頭的斷裂力學(xué)分析 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的影響因素 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制 抗斷裂性能的試驗(yàn)評(píng)定方法,.,4.1 金屬材料脆性斷裂與延性斷裂 斷裂過(guò)程：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂 根據(jù)斷裂前塑性變形的大小，將斷裂分為： （1）脆性斷裂 沒(méi)有明顯的塑性變形、瞬時(shí)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體、突然破壞、應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力 （2）延性斷裂（塑性斷裂或韌性斷裂）斷裂前有明顯塑性變形,.,4.1.1 脆性斷裂 放射狀條紋 人字形花樣,.,脆性斷裂的主要特征： （1）低應(yīng)力脆性斷裂 工作應(yīng)力 屈服極限或許用應(yīng)力 （2）低溫脆性斷裂 （3）裂紋

2、超過(guò)某個(gè)臨界尺寸，將迅速擴(kuò)展，直至斷裂，具有突然性。 （4）脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬中出現(xiàn),.,脆性斷裂機(jī)制：解理斷裂和晶間斷裂,.,4.1.2 延性斷裂（韌性斷裂） 塑性材料的晶體載荷作用下，彈性變形 載荷繼續(xù)增加，發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形 繼續(xù)變形，作用力增加（加工硬化） 加大載荷，產(chǎn)生微裂口或微空隙 微空隙擴(kuò)展匯合成宏觀(guān)裂紋 宏觀(guān)裂紋發(fā)展到一定尺寸 最終快速失穩(wěn)斷裂,.,韌性斷口：微孔洞（韌窩） 韌性斷裂的過(guò)程：微孔成核、微孔長(zhǎng)大和微孔聚合三個(gè)階段。,.,4.1.3 韌性脆性轉(zhuǎn)變 一、影響金屬材料斷裂的主要因素 （1）應(yīng)力狀態(tài) （2）溫度 （3）加載速度 （4）材料的內(nèi)在因素

3、化學(xué)成分、組織狀態(tài),三軸應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng),.,二、韌性脆性轉(zhuǎn)變 溫度降低，塑性斷裂脆性斷裂 韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度,.,4.2 斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 4.2.1 含裂紋件的斷裂行為,.,剩余強(qiáng)度：將含裂紋結(jié)構(gòu)在連續(xù)使用中任一時(shí)刻所具有的承載能力,.,含裂紋結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析應(yīng)解決的主要問(wèn)題： （1）結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度與裂紋尺寸之間的函數(shù)關(guān)系； （2）在工作載荷作用下，結(jié)構(gòu)中容許的裂紋尺寸，即臨界裂紋尺寸或裂紋容限； （3）結(jié)構(gòu)中一定尺寸的初始裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸需要的時(shí)間； （4）結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中容許的缺陷類(lèi)型和尺寸； （5）結(jié)構(gòu)在維修周期內(nèi)，裂紋檢查的時(shí)間間隔。,.,4.2.2 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué) 一、裂紋類(lèi)

4、型 根據(jù)裂紋體的受載和變形情況分為三種類(lèi)型：,.,（1）張開(kāi)型（或稱(chēng)拉伸型）裂紋（型裂紋） 外加正壓力垂直于裂紋面，在應(yīng)力作用下裂紋尖端張開(kāi)，擴(kuò)展方向和正壓力方向垂直 （2）滑開(kāi)型（或稱(chēng)剪切型）裂紋（型裂紋） 剪切應(yīng)力平行于裂紋面，裂紋滑開(kāi)擴(kuò)展 （3）撕開(kāi)型裂紋（型裂紋） 在切應(yīng)力作用下，一個(gè)裂紋面在另一裂紋面上滑動(dòng)脫開(kāi)。裂紋前緣平行于滑動(dòng)方向 大多數(shù)裂紋形式屬于型裂紋，最危險(xiǎn),.,二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng) 設(shè)一無(wú)限大平板中心含有一長(zhǎng)度為2a 的穿透裂紋 Irwin 離裂紋尖端（r，）的點(diǎn),.,薄板平面應(yīng)力狀態(tài) 厚板平面應(yīng)變狀態(tài),.,應(yīng)力強(qiáng)度因子KI：衡量裂紋尖端區(qū)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的重要參數(shù)，下標(biāo)代表型

5、裂紋 受單向均勻拉伸應(yīng)力作用的無(wú)限大平板有長(zhǎng)度為 的中心裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子為 KI取決于裂紋的形狀和尺寸， 以及應(yīng)力的大小,.,三、裂紋尖端的塑性區(qū) 當(dāng) = 0，切應(yīng)力為零，正壓力最大 當(dāng)r0時(shí)，應(yīng)力趨于，表明裂紋尖端處應(yīng)力場(chǎng)有r -1/2階奇異性（理論上） 塑性區(qū),.,Irwin考慮塑性區(qū)的影響，裂紋長(zhǎng)度 a a + ry ry為塑性區(qū)長(zhǎng)度，型裂紋的ry為 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）,.,將修正后的裂紋尺寸a + ry代入 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）,.,四、斷裂分析的能量原理 Griffith取一塊單位厚度的“無(wú)限”大平板 彈性應(yīng)變能釋放量U 新表面吸收能量W ，總能量變化為 設(shè)裂紋的單位

6、表面吸收的表面能為 ,.,系統(tǒng)能量與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系 裂紋擴(kuò)展的臨界條件 能量釋放率 （裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力） 裂紋擴(kuò)展的阻力,.,裂紋自動(dòng)擴(kuò)展 裂紋不能自動(dòng)擴(kuò)展 若給定裂紋半長(zhǎng)a，則裂紋擴(kuò) 展的臨界應(yīng)力為 若給定應(yīng)力，則裂紋擴(kuò)展的 臨界長(zhǎng)度為 玻璃、陶瓷等脆性材料,.,金屬材料 裂紋尖端局部區(qū)域 塑性變形 Orowan 設(shè)P為裂紋擴(kuò)展單位面積所需的塑性變形能，以（P+）來(lái)代替，裂紋的臨界擴(kuò)展條件為 金屬材料 塑性變形是阻止裂紋擴(kuò)展的主要因素 薄板（平面應(yīng)力）,.,五、斷裂韌度和斷裂判據(jù) 無(wú)限大平板長(zhǎng)為2a的穿透裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子KI與應(yīng)變能釋放率G （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 斷裂韌度 GC與K I

7、C，斷裂準(zhǔn)則 或 KIC是材料常數(shù) KIC通過(guò)有關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)來(lái)獲得 K IC的選取應(yīng)保證平面應(yīng)力的延性斷裂,.,4.2.3 彈塑性斷裂力學(xué) 一、 裂紋張開(kāi)位移（COD） 1961年 Wells COD理論 COD表征裂紋尖端附近的塑性變形程度 COD判據(jù)：裂紋體承受載荷時(shí)，裂紋尖端張開(kāi)位移達(dá)到極限值C（mm）時(shí)，裂紋會(huì)起裂擴(kuò)展，斷裂準(zhǔn)則為 C為材料的裂紋擴(kuò)展阻力，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定。COD判據(jù)是一個(gè)起裂判據(jù),.,COD常用的定義方法 圖a 有明顯的物理意義，但試驗(yàn)中不容易測(cè)得 圖b 便于測(cè)定，在大多數(shù)情況下有滿(mǎn)意的精度 圖c 直觀(guān)易懂，應(yīng)用較廣 圖d 應(yīng)用于中心穿透裂紋，便于有限元分析,.

8、,COD是裂尖變形的直接量度，在材料發(fā)生整體屈服前均適用 小范圍屈服時(shí)無(wú)限大平板中心裂紋受到單向拉伸 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 在大范圍屈服條件下 工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)曲線(xiàn),.,二、J 積分 1968年 Rice 設(shè)有一單位厚度的型裂紋體，J積分的定義為 小范圍屈服條件下 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 斷裂準(zhǔn)則為 JIC 彈塑性斷裂韌度,.,4.2.4 剩余強(qiáng)度 以寬為W的中心裂紋板為例 當(dāng) 時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，剩余強(qiáng)度為,.,4.2.5動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展與止裂 動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展通常有兩種情況： 1）含靜止裂紋的結(jié)構(gòu)承受迅速變化的動(dòng)載荷作用引起的裂紋擴(kuò)展； 2）凈載荷或緩慢變化的載荷作用下的裂紋快速擴(kuò)展 在線(xiàn)彈

9、性材料特性范圍內(nèi)，第一類(lèi)問(wèn)題的裂紋起裂準(zhǔn)則為 式中， KI是動(dòng)載荷下的應(yīng)力強(qiáng)度因子 KId是動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子,.,一、動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展 （G - R）的大小決定了裂紋擴(kuò)展速度的大小 若裂紋擴(kuò)展在恒應(yīng)力下進(jìn)行，G與裂紋擴(kuò)展速度無(wú)關(guān)，且材料的裂紋擴(kuò)展阻力R為常值，裂紋擴(kuò)展速度為,.,當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展時(shí)， K(V)為動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，K(0)是同一載荷及當(dāng)前裂紋長(zhǎng)度下的靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，k(V)是裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù) 瞬時(shí)能量釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系 A(V)是裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù) 動(dòng)態(tài)裂紋能量釋放率與靜態(tài)裂紋能量釋放率之間的關(guān)系 G(V)為動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，g(V)是裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù)，G(0)是靜態(tài)應(yīng)力

10、強(qiáng)度因子,.,二、 裂紋止裂的基本原理 利用能量平衡原理進(jìn)行研究 如果G稍微降到R以下，裂紋止裂,.,4.3 焊接接頭的斷裂力學(xué)分析 4.3.1 含裂紋焊接接頭的斷裂模式 影響因素：接頭強(qiáng)度失配比、裂紋尺寸、應(yīng)變硬化性能等相互影響 低匹配 高匹配,.,臨界裂紋尺寸 焊接接頭發(fā)生全面屈服的最大裂紋尺寸ag 焊接接頭母材發(fā)生屈服并斷裂的最大裂紋尺寸abg 在高匹配條件下，焊縫發(fā)生小范圍屈服而母材發(fā)生屈服斷裂的最大裂紋尺寸an,nB 母材的極限強(qiáng)度 KCW 焊縫的斷裂韌度,.,4.3.2 失配性對(duì)焊縫裂紋驅(qū)動(dòng)力的影響 高匹配焊縫中心裂紋寬板（CCT試件）橫向拉伸 2H/B和W一定，當(dāng)a ac1（臨界

11、裂紋尺寸）時(shí)， “凍結(jié)”現(xiàn)象 匹配因子M的 增大，COD曲線(xiàn) 將會(huì)降低,.,裂紋驅(qū)動(dòng)力：低匹配 低估 高匹配 高估 充分考慮非匹配因素的影響,.,4.4 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制 4.4.1影響焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要因素 一、焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響 焊接結(jié)構(gòu)剛性大、整體性強(qiáng)、對(duì)應(yīng)力集中敏感,“自由”輪甲板艙口設(shè)計(jì)對(duì)比 a) 原始設(shè)計(jì) b) 改進(jìn)后設(shè)計(jì),.,二、焊接殘余應(yīng)力的影響 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 對(duì)脆斷影響不大 轉(zhuǎn)變溫度 無(wú)不利影響， c s = 轉(zhuǎn)變溫度 c 急劇下降 轉(zhuǎn)變溫度 c很小， c s,.,拉伸殘余應(yīng)力只限于焊縫附近部位，離開(kāi)焊縫區(qū)迅速減小，峰值殘余應(yīng)力有助于斷裂的產(chǎn)生,平行焊接接頭試樣開(kāi)裂路徑和試

12、件中縱向殘余應(yīng)力,.,三、焊接缺陷的影響 焊接缺陷對(duì)脆斷的影響與缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度和缺陷附近材料的性能有關(guān) （1）平面缺陷如裂紋、分層和未焊透等，其影響取決于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖銳程度 （2）非平面缺陷如氣孔、夾渣等，其影響程度一般低于平面缺陷 40%的脆斷事故是從焊接缺陷處開(kāi)始的，各種缺陷中以裂紋對(duì)脆斷的影響最大,.,四、金相組織改變對(duì)脆性的影響 熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)之一 熱影響區(qū)的金相組織主要取決于鋼材的原始組織、化學(xué)成分、焊接方法和焊接線(xiàn)能量,焊接接頭不同部位的韌性,.,五、應(yīng)變時(shí)效對(duì)脆斷的影響 兩種應(yīng)變時(shí)效： （1）應(yīng)變時(shí)效 鋼材被剪切、冷作和彎曲成形之后，

13、若在150450范圍內(nèi)加熱，材料的性能就會(huì)發(fā)生脆化現(xiàn)象 塑性變形（剪切、冷作矯形） 加熱（150400） 脆化 （2）動(dòng)應(yīng)變時(shí)效（熱應(yīng)變時(shí)效） 在焊接過(guò)程中，材料經(jīng)受應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)，同時(shí)也受到焊接熱循環(huán)的熱作用而發(fā)生的應(yīng)變時(shí)效 加熱和塑變同時(shí) 脆化,.,圖a 預(yù)彎曲量越大，轉(zhuǎn)變溫度越高 圖b 不同溫度下預(yù)彎曲的試件，其轉(zhuǎn)變溫度不同 焊后熱處理消除時(shí)效影響,缺口彎曲試件預(yù)應(yīng)變對(duì)脆斷的影響 a) 預(yù)應(yīng)變量的影響 b) 預(yù)應(yīng)變溫度的影響,.,六、角變形和錯(cuò)邊的影響 角變形和錯(cuò)邊降低結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力 角變形和錯(cuò)邊比較大的接頭 承受拉應(yīng)力，力線(xiàn)不通過(guò)中心，產(chǎn)生附加彎矩 低應(yīng)力破壞 焊縫加厚高在熔合線(xiàn)處的

14、應(yīng)力集中將其更加嚴(yán)重 可加焊防裂焊縫，消除咬肉，整形焊縫，改變?nèi)酆暇€(xiàn)方向，改善焊縫的受力條件,.,4.4.2 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制 一、正確選材 基本原則：安全性 經(jīng)濟(jì)效益 應(yīng)使所選用的鋼材和焊接充填金屬保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性 選材方法：（1）用缺口韌性評(píng)定 （2）用斷裂韌性評(píng)定（斷裂韌度與屈服點(diǎn)之比） 二、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）盡量減少結(jié)構(gòu)和焊接接頭部位的應(yīng)力集中,.,1）構(gòu)件截面改變的地方，設(shè)計(jì)成平緩過(guò)渡，不要形成尖角 2）盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭 a）設(shè)計(jì)不合理，在使用中曾多次出現(xiàn)焊縫破壞現(xiàn)象 b）應(yīng)力集中程度，結(jié)構(gòu)的承載能力,.,3）不同厚度的對(duì)接接頭應(yīng)采用圓

15、滑過(guò)渡 b 最好 焊縫部位應(yīng)力集中最小 a 和 c 雖將厚板減薄，但焊接部位應(yīng)力集中相當(dāng)大 4）將焊縫設(shè)計(jì)布置在便于焊接和檢驗(yàn)的地方 有效避免焊接缺陷產(chǎn)生,.,5）避免焊縫密集 防止焊接部位材質(zhì)性能變壞和復(fù)雜的殘余應(yīng)力場(chǎng),.,（2）盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度 b 設(shè)計(jì)極不合理，施焊對(duì)接焊縫時(shí)產(chǎn)生較大應(yīng)力，易引起焊接缺陷脆斷起源 c 立桿的翼板和弦桿的翼板之間不焊接，避免產(chǎn)生高拘束應(yīng)力 為減小焊接部位的剛性，開(kāi)“緩和槽”以減小拘束度 （3）不采用過(guò)厚的截面,.,（4）對(duì)次要焊縫的設(shè)計(jì)，應(yīng)與主要焊縫一樣給予足夠重視。不在受力構(gòu)件上隨意加焊附件。 （5）減少和消除焊接殘余拉應(yīng)力的不利影響,.,4.4.3 焊

16、接結(jié)構(gòu)斷裂性能的試驗(yàn)評(píng)定方法 一、脆斷過(guò)程及焊接結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)原則 脆斷過(guò)程由兩各階段組成： 第一階段 裂紋的產(chǎn)生階段或引發(fā)階段（即裂紋起源、生核和緩慢擴(kuò)展階段） 第二階段 裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展階段 焊接結(jié)構(gòu)防止脆性破壞的兩種設(shè)計(jì)原則： （1）防止裂紋引發(fā)原則，即抗裂原則。 （2）止裂原則 焊接接頭的抗開(kāi)裂性能和母材的止裂性能,.,二、轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)評(píng)定方法 （1）沖擊試驗(yàn) 常用的是夏比V形缺口和 U形缺口沖擊試驗(yàn)等,.,二、轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)評(píng)定方法 （1）沖擊試驗(yàn) 1）能量標(biāo)準(zhǔn)（圖a） 按某一固定沖擊能量確定TK 2）斷口標(biāo)準(zhǔn)（圖b） 一般按斷口晶粒狀斷面百分 率達(dá)到某一百分?jǐn)?shù)（例如50） 的溫度作為T(mén)K 3）延性標(biāo)準(zhǔn)（圖c） 一般側(cè)面膨脹率為3.8% 時(shí)的 溫度作為T(mén)K,.,（2）爆炸膨脹試驗(yàn)和落錘試驗(yàn) 1）爆炸膨脹試驗(yàn) 全厚度355mm355mm正方形鋼板,.,無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)NDT 彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)FTE 延性斷裂轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)FTP 對(duì)于25cm厚的低強(qiáng)度鋼板 FTE = NDT + 33 FTP = FTE + 33 = NDT + 66 ,.,2）落錘試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)試件有3種尺寸： P1型：25mm90mm360mm P2型：19mm51mm127mm P3型：16mm51mm127mm