船舶制造基礎(chǔ)

1、l焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況 l影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 l預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況 焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況 焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況 損壞日期結(jié)構(gòu)類別、地點(diǎn)破壞簡(jiǎn)況和主要原因 1919年1月 制糖容器(鉚接) 美國(guó)馬薩諸塞州波士頓 高14m 直徑30m 入孔處開(kāi)始，安全系數(shù)不足，強(qiáng)度不足，可看到典型指向裂紋源的人字紋。 1944年10月 圓筒形壓力容器 (直徑24m，高 13m) 美國(guó)俄亥俄州 雙層容器，內(nèi)層用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5的Ni鋼制成。選材不當(dāng)，低溫脆性斷裂。 1962年 原

2、子能電站壓力容器 法國(guó)chlon 由厚100mm的錳鉬鋼焊制，環(huán)焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋沿母材擴(kuò)展。 1965年 儲(chǔ)氨罐 英國(guó) 用厚度為150mm的Mn-Cr-Mo-V鋼板和鍛鋼制造，從一側(cè)的10mm三角形裂紋處引 起破壞，應(yīng)力退火溫度控制不好，造成脆化及鍛鋼件偏析帶。 1968年4月 球形容器(容積2226m3) 日本德山 厚29mm、800MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼，修補(bǔ)時(shí)，焊接熱輸入過(guò)大，造成熔合區(qū)脆化。 1974年12月 圓筒形大型石油儲(chǔ)罐 日本 用厚12mm的600MPa級(jí)強(qiáng)度鋼焊制。在環(huán)形板與罐壁拐角處的底角部有13m長(zhǎng)的 裂紋，使大量油溢出。 1975年5月 容積為1000m3的球罐 我

3、國(guó)岳陽(yáng)石油化工廠 用厚34mm的15MnVR鋼焊制。制造時(shí)存有較大角變形、錯(cuò)邊、咬邊。一半焊縫采 用酸性焊條焊接，造成焊縫和熱影響區(qū)塑性很差，在超載情況下爆炸。 1962年1月 直徑2 2m、高21m的水洗塔 我國(guó)吉林化學(xué)工業(yè)公司 用厚44mm的前蘇聯(lián)CT3鋼制成，介質(zhì)為H2-CO2混合氣體，在正常操作條件下爆炸， 裂成43個(gè)碎片，死傷多人，直接塊經(jīng)濟(jì)損失272萬(wàn)元。 焊縫、熱影響區(qū)的沖擊韌度很低，造成低應(yīng)力脆性斷裂。 1979年12月 400m3石油液化氣儲(chǔ)罐(球罐) 我國(guó)吉林煤氣公司 用厚28mm的15MnVR鋼焊制，北溫帶與赤道帶的環(huán)縫熔合線開(kāi)裂，迅速擴(kuò)展至 13.5m，液化石油氣沖出至

4、明火處引起爆炸。 1992年1月 4000m3糖蜜罐 我國(guó) 罐底與罐壁的連接焊縫有較長(zhǎng)的未焊透。罐體位置正處在風(fēng)口，北面向風(fēng)，破裂 時(shí)有偏北風(fēng)，氣溫為 -17，南側(cè)和西南側(cè)罐體根部又被焦炭覆蓋，造成溫差，導(dǎo) 致附加應(yīng)力。在不利因素綜合作用下，使罐體突發(fā)脆性斷裂。 焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況 焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 u應(yīng)力狀態(tài)的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響 u溫度的影響溫度的影響 u加載速度的影響加載速度的影響 u材料狀態(tài)的影響材料狀態(tài)的影響 圖示為構(gòu)件受均勻拉應(yīng)力時(shí)，其中一個(gè)缺口根部出圖示為構(gòu)件受均勻拉應(yīng)力時(shí)，其中一個(gè)缺口根部出 現(xiàn)高

5、值的應(yīng)力和應(yīng)變集中情況；缺口越深越尖，其局部現(xiàn)高值的應(yīng)力和應(yīng)變集中情況；缺口越深越尖，其局部 應(yīng)力和應(yīng)變也越大。應(yīng)力和應(yīng)變也越大。 三向應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理：在受力過(guò)程中，缺口根部材料三向應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理：在受力過(guò)程中，缺口根部材料 的伸長(zhǎng)，必然引起沿寬度和厚度方向的收縮，但由于缺的伸長(zhǎng)，必然引起沿寬度和厚度方向的收縮，但由于缺 口尖端以外的材料受到的應(yīng)力較小，引起收縮也較小；口尖端以外的材料受到的應(yīng)力較小，引起收縮也較??； 由于收縮不均勻，缺口根部收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生寬度和由于收縮不均勻，缺口根部收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生寬度和 厚度方向的拉應(yīng)力厚度方向的拉應(yīng)力x和和z，導(dǎo)致缺口根部形成三向應(yīng)力，導(dǎo)致缺口根部形成

6、三向應(yīng)力 狀態(tài)。狀態(tài)。 在三向應(yīng)力情況下，材料的屈服點(diǎn)較單向應(yīng)力時(shí)提在三向應(yīng)力情況下，材料的屈服點(diǎn)較單向應(yīng)力時(shí)提 高，即缺口根部材料的屈服點(diǎn)提高，從而使該處材料變高，即缺口根部材料的屈服點(diǎn)提高，從而使該處材料變 脆。脆。 因此，脆性斷裂事故多起源于因此，脆性斷裂事故多起源于具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效 應(yīng)的缺口應(yīng)的缺口處。處。 實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單向或雙向拉應(yīng)力時(shí)，呈現(xiàn)延性；當(dāng)處于三向拉應(yīng)力時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單向或雙向拉應(yīng)力時(shí)，呈現(xiàn)延性；當(dāng)處于三向拉應(yīng)力時(shí)， 不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)脆性。不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)脆性。 在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，三向應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多情況是由于在實(shí)

7、際結(jié)構(gòu)中，三向應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多情況是由于結(jié)構(gòu)的幾何不連結(jié)構(gòu)的幾何不連 續(xù)性續(xù)性引起的。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)處于單向或雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計(jì)或工引起的。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)處于單向或雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計(jì)或工 藝不當(dāng)，往往出現(xiàn)局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)。藝不當(dāng)，往往出現(xiàn)局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)。 應(yīng)力狀態(tài)的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 溫度的影響溫度的影響 當(dāng)當(dāng)TTk時(shí)，時(shí)，b s，無(wú)缺口試件單軸拉伸時(shí)，無(wú)缺口試件單軸拉伸時(shí)， 先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于塑性狀態(tài)塑性狀態(tài)；當(dāng)；當(dāng) TTk，若對(duì)

8、材料加載，在破斷前只發(fā)生彈性變形，若對(duì)材料加載，在破斷前只發(fā)生彈性變形 ，不產(chǎn)生塑性變形，材料呈現(xiàn)脆性斷裂，即處于，不產(chǎn)生塑性變形，材料呈現(xiàn)脆性斷裂，即處于脆脆 性狀態(tài)性狀態(tài)。 脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk ：從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)：從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn) 變的溫度。變的溫度。Tk越低，則材料處于延性狀態(tài)的溫度范越低，則材料處于延性狀態(tài)的溫度范 圍越廣；反之，一切促成圍越廣；反之，一切促成Tk升高的因素，均將縮小升高的因素，均將縮小 材料塑性狀態(tài)的范圍，增大材料產(chǎn)生脆性斷裂的趨材料塑性狀態(tài)的范圍，增大材料產(chǎn)生脆性斷裂的趨 勢(shì)。因此勢(shì)。因此Tk是衡量材料抗脆性破壞的重要參數(shù)是衡量材料抗脆性破

9、壞的重要參數(shù)。 金屬在高溫時(shí)，具有良好的變形能力，當(dāng)溫度降低時(shí)，其變形能力就減小，金金屬在高溫時(shí)，具有良好的變形能力，當(dāng)溫度降低時(shí)，其變形能力就減小，金 屬這種低溫脆化的性質(zhì)稱為屬這種低溫脆化的性質(zhì)稱為“低溫脆性低溫脆性”。它是金屬材料屈服點(diǎn)隨溫度降低急劇增加。它是金屬材料屈服點(diǎn)隨溫度降低急劇增加 的結(jié)果。的結(jié)果。 任何金屬材料都有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)任何金屬材料都有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)s和和b 。b隨溫度變化很小，而隨溫度變化很小，而s卻對(duì)溫度卻對(duì)溫度 變化十分敏感。變化十分敏感。溫度降低溫度降低，屈服點(diǎn)急劇升高屈服點(diǎn)急劇升高，故兩曲線相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，故兩曲線相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度 為為T(mén)k

10、 -脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度。 塑性狀態(tài)脆性狀態(tài) 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 加載速度的影響加載速度的影響 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 材料狀態(tài)的影響材料狀態(tài)的影響 脆性斷裂開(kāi)始溫度與板厚的關(guān)系 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 試驗(yàn)條件：試驗(yàn)條件： 10mm10mm、20mm20mm、30mm30mm、40mm40mm板厚的試件板厚的試件 預(yù)制預(yù)制40mm40mm長(zhǎng)的裂紋長(zhǎng)的裂紋 施加應(yīng)力等于施加應(yīng)力等于1/21/2屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) 試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)結(jié)果： 當(dāng)厚度小于當(dāng)厚度小于30mm30mm時(shí)，發(fā)生脆斷的脆性轉(zhuǎn)變溫度隨板厚度增加而直線上升；時(shí)，發(fā)生

11、脆斷的脆性轉(zhuǎn)變溫度隨板厚度增加而直線上升； 當(dāng)板厚超過(guò)當(dāng)板厚超過(guò)30mm30mm，脆性轉(zhuǎn)變溫度增加得較為緩慢。，脆性轉(zhuǎn)變溫度增加得較為緩慢。 試驗(yàn)證明試驗(yàn)證明 脆性轉(zhuǎn)變溫度和鐵素體晶粒直徑的關(guān)系 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 正確、合理地選用材料正確、合理地選用材料 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 1 盡量減少結(jié)構(gòu)或接頭部位的應(yīng)力集中盡量減少結(jié)構(gòu)或接頭部位的應(yīng)力集中 尖角過(guò)渡和平滑過(guò)

12、渡的接頭 a) 不可采用 b）可以采用 封頭設(shè)計(jì)時(shí)合理與不合理的接頭 a）不合理 b）合理 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 不同板厚的接頭設(shè)計(jì)方案 a) 可以采用 b) 最好 c) 不可以采用 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 不易施焊的焊態(tài)部位舉例 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 焊接容器中焊縫之間的最小距離 a) T形交叉 b) 補(bǔ)強(qiáng)和對(duì)接焊縫 c) 筒體縱縫 d) 封頭上的平行焊縫 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 2 盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度 威廉德式橋立桿和弦桿的連接 a) 立桿和弦桿連接處 b) 局部放大不合理的連接

13、c) 局部放大改進(jìn)的連接 弦桿弦桿 腹桿腹桿 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 3 不采用過(guò)厚的截面不采用過(guò)厚的截面 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 4 重視附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì)重視附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì) 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 合理安排結(jié)構(gòu)制造工藝合理安排結(jié)構(gòu)制造工藝 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 疲勞斷裂、脆性斷裂的區(qū)別與聯(lián)系疲勞斷裂、脆性斷裂的區(qū)別與聯(lián)系 u斷裂時(shí)的變形都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載；斷裂時(shí)的變形都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載； u結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢地，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年時(shí)間；結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢地，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年時(shí)間； u脆斷受溫度的影響特別明顯