焊接結構的脆性斷裂

1、1 焊接結構的脆性斷裂焊接結構的脆性斷裂 2 本章重點本章重點: 2.1 結構的脆性斷裂事故及其結構的脆性斷裂事故及其特征特征 2.2 金屬材料脆性斷裂的金屬材料脆性斷裂的能量理論能量理論 2.3 金屬材料脆性斷裂及其影響因素金屬材料脆性斷裂及其影響因素 2.3.1 金屬材料斷裂的金屬材料斷裂的基本概念基本概念 2.3.2 典型的典型的斷裂機制斷裂機制 2.3.3 影響金屬材料脆性斷裂的影響金屬材料脆性斷裂的主要因素主要因素 2.4 焊接焊接結構的特點結構的特點和和工藝因素工藝因素對脆性斷裂的影響對脆性斷裂的影響 2.4.1 焊接焊接結構的特點結構的特點對脆性斷裂的影響對脆性斷裂的影響 2.4

2、.2 焊接結構焊接結構制造工藝制造工藝的特點對脆性斷裂的影響的特點對脆性斷裂的影響 2.5 焊接結構防脆性斷裂焊接結構防脆性斷裂設計原則設計原則及相關的評定方法及相關的評定方法 2.6 防止焊接結構發(fā)生脆性斷裂的防止焊接結構發(fā)生脆性斷裂的途徑途徑 3 2.1 結構的結構的脆性斷裂事故脆性斷裂事故及其及其特征特征 自從自從焊接結構焊接結構廣泛應用以來，許多國家都發(fā)生過一些焊接結構廣泛應用以來，許多國家都發(fā)生過一些焊接結構 的的脆性斷裂事故脆性斷裂事故。雖然發(fā)生脆性斷裂事故的焊接結構數(shù)量較少。雖然發(fā)生脆性斷裂事故的焊接結構數(shù)量較少, 但其后果是但其后果是嚴重嚴重的，甚至是的，甚至是災難性災難性的。

3、所以脆性斷裂引起世界的。所以脆性斷裂引起世界 范圍有關人員的高度重視。目前脆性斷裂事故已趨于減少，但范圍有關人員的高度重視。目前脆性斷裂事故已趨于減少，但 并未杜絕。并未杜絕。 例如：例如： 1972年年1月月美國美國建造的大型輪船，船長建造的大型輪船，船長189m，建成，建成9個月后在紐個月后在紐 約的杰佛遜港斷成兩截并沉沒；約的杰佛遜港斷成兩截并沉沒； 1979年年12月月18日日我國我國吉林液化石油氣廠吉林液化石油氣廠的球罐連鎖性爆炸的球罐連鎖性爆炸(死傷死傷 86人，損失約人，損失約627萬元萬元)； 1992年年1月月26日日我國我國黑龍江省黑龍江省某糖廠的某糖廠的4000m3糖蜜罐

4、的罐體突糖蜜罐的罐體突 然破裂。然破裂。 下面再介紹幾起下面再介紹幾起典型典型焊接結構脆性斷裂焊接結構脆性斷裂事故事故，以便了解脆，以便了解脆 性斷裂的性斷裂的概貌概貌，并可得到，并可得到相關經(jīng)驗相關經(jīng)驗。 4 典型脆性斷裂事故典型脆性斷裂事故 橋梁橋梁：最典型的是最典型的是1938年年3月月比利時比利時阿爾拜特運河上阿爾拜特運河上Hesselt 橋的斷塌事故。這座橋是用橋的斷塌事故。這座橋是用st-42轉爐鋼轉爐鋼焊制成焊制成，跨度為，跨度為 74.52m,僅使用僅使用14個月，就在橋上個月，就在橋上僅有一輛電車僅有一輛電車和和一些行人一些行人的的 載荷作用下發(fā)生斷塌。事故發(fā)生時載荷作用下發(fā)

5、生斷塌。事故發(fā)生時氣溫為氣溫為-20，6min橋身就橋身就 突然斷為三截。突然斷為三截。 時過不久，時過不久，1940年年1月該運河上月該運河上另外兩座橋梁另外兩座橋梁又發(fā)生局部又發(fā)生局部 脆性斷裂。總計從脆性斷裂。總計從19381940年在所建造的年在所建造的50座座橋梁中共有橋梁中共有10 余座余座出現(xiàn)脆性斷裂事故。出現(xiàn)脆性斷裂事故。加拿大、法國加拿大、法國也發(fā)生過類似的事故也發(fā)生過類似的事故 。 輪船輪船：在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國制造的4694艘船中，在 970艘船上發(fā)現(xiàn)有1442處裂紋，這些裂紋多出現(xiàn)在萬噸級的“ 自由型”貨輪上，其中24艘甲板橫斷，1艘船舶的船底發(fā)生完 全斷裂。另有

6、8艘從中腰斷為兩截，其中4艘沉沒。 另外，Schenectady號T-2型油輪1942年10月建成，在1943年 1月16日在裝備碼頭停泊時發(fā)生突然斷裂事故。當時海面平靜 ，天氣溫和，其甲板的計算應力只有70MPa。 5 儲罐儲罐：在在1944年前后，發(fā)生幾起年前后，發(fā)生幾起球形球形和和圓筒形容器圓筒形容器的脆性的脆性 斷裂事故。如斷裂事故。如1944年年10月美國的月美國的液化天然氣液化天然氣儲藏基地的球罐儲藏基地的球罐 和圓筒形儲罐，這些罐的內層用質量分數(shù)為和圓筒形儲罐，這些罐的內層用質量分數(shù)為3.5的的Ni鋼鋼制成制成 。事故是由圓筒儲罐引起的。首先在。事故是由圓筒儲罐引起的。首先在圓筒

7、形罐圓筒形罐13l2高高 處處開裂開裂并噴出氣體和液體，接著起火，然后儲罐爆炸，并噴出氣體和液體，接著起火，然后儲罐爆炸， 20min后后1臺臺球罐球罐因底腳過熱而倒塌爆炸因底腳過熱而倒塌爆炸，造成，造成128人死亡，人死亡， 損失損失680萬美元。萬美元。 上述我國在上述我國在吉林液化石油氣廠吉林液化石油氣廠的的球罐球罐爆炸事故，是一臺爆炸事故，是一臺 400m3球罐在上溫帶與赤道帶的球罐在上溫帶與赤道帶的環(huán)縫熔合區(qū)破裂環(huán)縫熔合區(qū)破裂并迅速擴展并迅速擴展 為為13.5m的大裂口的大裂口，液化石油氣沖出形成巨大的，液化石油氣沖出形成巨大的氣團氣團，遇到，遇到 明火明火引燃，其引燃，其附近的球罐

8、被加熱附近的球罐被加熱，4h后發(fā)生爆炸，導致后發(fā)生爆炸，導致連鎖連鎖 性爆炸性爆炸，整個罐區(qū)成為一片，整個罐區(qū)成為一片火海火海。 一些著名的典型脆性斷裂事故的事例及成因見表2-1。 6 損壞日期結構類別、地點破壞簡況和主要原因 1919年1月制糖容器(鉚接) 美國馬薩諸塞州波士頓 高14m 直徑30m 入孔處開始，安全系數(shù)不足安全系數(shù)不足，強度不足強度不足，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) 美國俄亥俄州 雙層容器，內層用質量分數(shù)為質量分數(shù)為3.5的的Ni鋼制成。鋼制成。選材不當選材不當，低溫脆性斷裂。，低溫脆性斷裂。 1962年原子能電

9、站壓力容器 法國chlon 由厚100mm的錳鉬鋼焊制，環(huán)焊縫環(huán)焊縫熱影響區(qū)熱影響區(qū)出現(xiàn)嚴重裂紋沿母材擴展。 1965年儲氨罐 英國 用厚度為150mm的Mn-Cr-Mo-V鋼板和鍛鋼制造，從一側的10mm三角形裂紋處引 起破壞，應力退火溫度控制不好應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級的高強度鋼，修補時，焊接熱輸入過大，造成熔合區(qū)脆化熱輸入過大，造成熔合區(qū)脆化。 1974年12月圓筒形大型石油儲罐 日本 用厚12mm的600MPa級強度鋼焊制。在環(huán)形板與罐壁拐角處的底角部有底角部有13m長的長的 裂紋裂

10、紋，使大量油溢出。 1975年5月容積為1000m3的球罐 我國岳陽石油化工廠 用厚34mm的15MnVR鋼焊制。制造時存有較大角變形、錯邊、咬邊存有較大角變形、錯邊、咬邊。一半焊縫采 用酸性焊條焊接酸性焊條焊接，造成焊縫和熱影響區(qū)塑性很差塑性很差，在超載情況下爆炸。 1962年1月直徑2 2m、高21m的水洗塔 我國吉林化學工業(yè)公司 用厚44mm的前蘇聯(lián)CT3鋼制成，介質為H2-CO2混合氣體，在正常操作條件下 爆炸，裂成43個碎片，死傷多人，直接塊經(jīng)濟損失272萬元。 焊縫、熱影響區(qū)的沖擊韌度很低焊縫、熱影響區(qū)的沖擊韌度很低，造成低應力脆性斷裂。 1979年12月400m3石油液化氣儲罐(

11、球罐) 我國吉林煤氣公司 用厚28mm的15MnVR鋼焊制，北溫帶與赤道帶的環(huán)縫熔合線開裂環(huán)縫熔合線開裂，迅速擴展至 13.5m，液化石油氣沖出至明火處引起爆炸。 1992年1月4000m3糖蜜罐 我國 罐底與罐壁的連接焊縫有較長的未焊透較長的未焊透。罐體位置正處在風口，北面向風，破裂 時有偏北風，氣溫為 -17，南側和西南側罐體根部又被焦炭覆蓋，造成溫溫 差，導致附加應力差，導致附加應力。在不利因素綜合作用下，使罐體突發(fā)脆性斷裂。 表表2-1 焊接結構脆性破壞的焊接結構脆性破壞的典型事例及成因典型事例及成因 7 脆性斷裂脆性斷裂特征特征 根據(jù)對根據(jù)對脆性斷裂事故脆性斷裂事故調查研究結果發(fā)現(xiàn)，

12、具有如下調查研究結果發(fā)現(xiàn)，具有如下特征：特征： 1) 斷裂一般都在斷裂一般都在沒有顯著塑性變形沒有顯著塑性變形的情況下發(fā)生，具有的情況下發(fā)生，具有突然破壞突然破壞的性質。的性質。 2) 破壞一經(jīng)發(fā)生，破壞一經(jīng)發(fā)生，瞬時瞬時就能擴展到結構大部或全體。因此，脆性斷裂就能擴展到結構大部或全體。因此，脆性斷裂不易不易 發(fā)現(xiàn)和預防發(fā)現(xiàn)和預防。 3) 結構在結構在破壞時的應力破壞時的應力遠遠小于遠遠小于結構設計結構設計的許用應力。的許用應力。 4) 通常在通常在較低溫度較低溫度下發(fā)生。下發(fā)生。 焊接結構的特點決定它的脆性斷裂可能性比焊接結構的特點決定它的脆性斷裂可能性比鉚接鉚接結構大。焊接結構的結構大。焊

13、接結構的應應 用范圍很廣用范圍很廣，雖然發(fā)生的脆性斷裂事故不太多，但，雖然發(fā)生的脆性斷裂事故不太多，但損失很大損失很大，有時甚至是，有時甚至是災災 難性難性的。的。 研究脆性斷裂研究脆性斷裂問題對于問題對于保證保證焊接結構的焊接結構的可靠工作、可靠工作、推廣推廣其其應用范圍應用范圍有有重重 大意義大意義。特別是隨著焊接結構向。特別是隨著焊接結構向大型化、高強化、深冷方向大型化、高強化、深冷方向的發(fā)展，對于進的發(fā)展，對于進 一步研究焊接結構的脆性斷裂問題就顯得更為迫切、更為重要。一步研究焊接結構的脆性斷裂問題就顯得更為迫切、更為重要。 脆性斷裂的脆性斷裂的根本原因根本原因：材料選用不當材料選用不

14、當、設計不合理設計不合理、制造時有缺陷制造時有缺陷等，因等，因 此，了解此，了解金屬材料的性質金屬材料的性質和和焊接結構的特點焊接結構的特點是非常必要的。是非常必要的。 8 研究和試驗表明，固體材料的研究和試驗表明，固體材料的實際斷裂強度實際斷裂強度只有它的只有它的理論斷裂理論斷裂 強度強度110l1000。為什么會有這樣巨大的差異。為什么會有這樣巨大的差異? 葛里菲斯葛里菲斯(Griffith)認為，在任何固體材料里認為，在任何固體材料里本來就存在著本來就存在著 一定數(shù)量大小的一定數(shù)量大小的裂紋和缺陷裂紋和缺陷，從而導致固體材料在低應力下發(fā)，從而導致固體材料在低應力下發(fā) 生脆性斷裂。如果能使

15、生脆性斷裂。如果能使裂紋減少裂紋減少或者使其或者使其尺寸降低尺寸降低，則物體的，則物體的 強度便會增加。他從強度便會增加。他從理論上理論上并用并用實驗實驗證實了這一點。證實了這一點。 2.2 金屬材料脆性斷裂的能量理論金屬材料脆性斷裂的能量理論 9 葛里菲斯裂紋體模型 葛里菲斯取一塊葛里菲斯取一塊厚度厚度為為1單位單位的的“無限無限”大平板為研究模型，大平板為研究模型，首先首先使平板受到單向均使平板受到單向均 勻拉應力勻拉應力，(圖圖2-1)，然后然后將其兩端將其兩端固定固定，以杜絕外部能源。設想在這塊平板上出現(xiàn)，以杜絕外部能源。設想在這塊平板上出現(xiàn) 一個一個垂直于拉應力垂直于拉應力方向方向長

16、度為長度為2穿透板厚的穿透板厚的裂紋裂紋。切開切開裂紋后，平板內儲存的裂紋后，平板內儲存的彈性彈性 應變能應變能將有一部分被將有一部分被釋放釋放出來，其釋放量設為出來，其釋放量設為U。又由于裂紋出現(xiàn)后有新的表面形成。又由于裂紋出現(xiàn)后有新的表面形成 ，要，要吸收吸收能量，設其值為能量，設其值為W，此兩種能量可以分別計算出來。，此兩種能量可以分別計算出來。 (2-1) 另一方面，設裂紋的單位表面積吸收的表面能為另一方面，設裂紋的單位表面積吸收的表面能為， 則則形成形成 裂紋所需總表面能裂紋所需總表面能為：為： W= 4 (2-2) 因此，因此，裂紋體裂紋體的能量改變總量為：的能量改變總量為： (2

17、-3) E a U 22 22 4 22 E E 10 這個這個能量改變總量能量改變總量隨裂紋長度隨裂紋長度的變化曲線見的變化曲線見 圖圖2-2，其變化率為：，其變化率為： (2-4) 變化率隨著裂紋長度而變化，見圖變化率隨著裂紋長度而變化，見圖2-2b。 裂紋擴展的臨界條件是：裂紋擴展的臨界條件是： 222 2 (4)4 E EE 0 E 04 2 2 E 此時此時系統(tǒng)能量系統(tǒng)能量隨隨的變化出現(xiàn)的變化出現(xiàn)極大值極大值。 此前此前，裂紋擴展，其，裂紋擴展，其系統(tǒng)能量增加系統(tǒng)能量增加。即裂紋。即裂紋 每擴展每擴展一微量一微量所能所能釋放的能量釋放的能量裂紋每擴展裂紋每擴展 一微量所一微量所需要的

18、能量需要的能量，因此裂紋，因此裂紋不能擴展不能擴展； 此后此后，裂紋擴展其，裂紋擴展其系統(tǒng)能量減少系統(tǒng)能量減少，即釋放的，即釋放的 能量能量裂紋擴展所需要的能量，因此裂紋將裂紋擴展所需要的能量，因此裂紋將 繼續(xù)繼續(xù)自動擴展自動擴展，導致發(fā)生脆性破壞。，導致發(fā)生脆性破壞。 即：即： 11 因此，可把因此，可把 看成是使裂紋擴展的看成是使裂紋擴展的推動力推動力，而，而2是裂紋擴展的是裂紋擴展的阻力阻力。 當推動力當推動力阻力時阻力時 ，裂紋，裂紋自動擴展自動擴展； 當推動力當推動力阻力時阻力時 ，裂紋，裂紋不能自動擴展不能自動擴展。 葛里菲斯是根據(jù)葛里菲斯是根據(jù)玻璃、陶瓷等脆性材料玻璃、陶瓷等脆性

19、材料推導的能量公式。在推導的能量公式。在金屬材料金屬材料中中 ，當裂紋擴展時，當裂紋擴展時，裂紋前端局部地區(qū)裂紋前端局部地區(qū)要發(fā)生一定的要發(fā)生一定的塑性變形。塑性變形。X射線射線分析證實分析證實 金屬斷裂表面有金屬斷裂表面有塑性變形的薄層塑性變形的薄層。 奧羅萬奧羅萬(Orowan)提出，裂紋擴展所提出，裂紋擴展所釋放的變形能釋放的變形能不僅用于不僅用于表面能表面能，對于，對于 金屬材料，金屬材料，更重要更重要的是用于的是用于裂紋擴展前的塑性變形能裂紋擴展前的塑性變形能 p 。則在葛里菲斯能量。則在葛里菲斯能量 方程里應以方程里應以(p+)來代替來代替 。裂紋擴展的臨界條件應為：。裂紋擴展的臨

20、界條件應為： (2-5) 根據(jù)試驗結果，塑性變形能根據(jù)試驗結果，塑性變形能p比比大得多，因此大得多，因此可忽略不計，裂紋擴展的可忽略不計，裂紋擴展的 臨界條件：臨界條件： (2-6) 即即塑性變形塑性變形是是阻止裂紋擴展阻止裂紋擴展的主要因素。由能量原理看出，結構的的主要因素。由能量原理看出，結構的斷裂斷裂 條件條件不僅決定于不僅決定于工作應力工作應力的大小，還取決于的大小，還取決于原始裂紋長度原始裂紋長度。這個結論和。這個結論和歐歐 文文(1rwin)分析分析裂紋前端裂紋前端應力應變場應力應變場，考慮，考慮裂紋尖端應力集中裂紋尖端應力集中，建立新的裂紋，建立新的裂紋 擴展臨界條件是完全一致的

21、。在此基礎上發(fā)展了擴展臨界條件是完全一致的。在此基礎上發(fā)展了斷裂力學斷裂力學。 2 2 E 2 2 E 0)(2 2 p E 02 2 p E 2 E 12 2.3 金屬材料脆性斷裂及其影響因素金屬材料脆性斷裂及其影響因素 2.3.1 金屬材料斷裂的金屬材料斷裂的基本概念基本概念 斷裂斷裂：是指金屬材料受力后局部變形量金屬材料受力后局部變形量超過一定限度超過一定限度時，原子間的時，原子間的結結 合力合力受到受到破壞破壞，從而萌生微裂紋，繼而發(fā)生擴展使金屬斷開，從而萌生微裂紋，繼而發(fā)生擴展使金屬斷開。 斷口斷口：斷裂表面的外觀形貌斷裂表面的外觀形貌，它記錄著有關斷裂過程的許多信息。多 晶體金屬材

22、料的斷裂途徑，可以是穿晶、沿晶斷裂、混晶斷裂。 不同斷裂機制斷裂機制可應用斷裂方式斷裂方式、斷裂性態(tài)、斷裂形貌斷裂性態(tài)、斷裂形貌等術語來描述。 (1) “方式方式”是指在多晶體材料中斷裂路徑的走向在多晶體材料中斷裂路徑的走向，它可以是穿晶或沿穿晶或沿 晶界晶界的。穿晶方式可以是循解理面、滑移面或晶體學面的分離等。從宏觀 上看，穿晶斷裂穿晶斷裂可以是延性斷裂，也可以是脆性斷裂(低溫下的穿晶斷裂) ；沿晶斷裂沿晶斷裂則多數(shù)是脆性斷裂。它是晶界上一薄層連續(xù)或不連續(xù)的脆性第 二相、夾雜物破壞晶界的連續(xù)性造成的。如應力腐蝕、氫脆、淬火裂紋等 均是沿晶斷裂。 (2) “性態(tài)性態(tài)”是表達斷裂前材料的變形能力

23、斷裂前材料的變形能力。延性延性是指在斷裂前材料產(chǎn) 生一定的塑性變形；脆性脆性則指斷裂前不發(fā)生或很少發(fā)生塑性變形。 脆性和延性的概念是相對的，它依賴于所采用的標準和所采用的判斷 方法，還依賴于材料。 13 (3) “形貌形貌” 是指用指用肉眼或在顯微鏡下肉眼或在顯微鏡下在斷口上所見到的在斷口上所見到的 現(xiàn)象。描述形貌的典型用詞如現(xiàn)象。描述形貌的典型用詞如“纖維狀纖維狀”、“人字紋人字紋”、“ 海灘波紋狀海灘波紋狀”等。等。 對應不同的對應不同的斷裂機制斷裂機制：解理斷裂解理斷裂或或剪切斷裂剪切斷裂等，它們的等，它們的 斷裂方式、性態(tài)和斷裂形貌是不一樣的。通常斷裂方式、性態(tài)和斷裂形貌是不一樣的。通

24、常解理斷裂解理斷裂總是總是 呈現(xiàn)呈現(xiàn)脆性脆性的，但有時在解理斷裂前也顯示一定的的，但有時在解理斷裂前也顯示一定的塑性變形。塑性變形。 所以，所以，解理斷裂解理斷裂和和脆性斷裂脆性斷裂不是同義詞不是同義詞。前者是指。前者是指斷裂機制斷裂機制 ，后者則指斷裂的，后者則指斷裂的宏觀形態(tài)宏觀形態(tài)。 14 2.3.2典型的典型的斷裂機制斷裂機制 (一一) 解理斷裂解理斷裂 在在正應力正應力作用下所產(chǎn)生的作用下所產(chǎn)生的穿晶斷裂穿晶斷裂，通常沿特定晶面即，通常沿特定晶面即解理面解理面分離。解理分離。解理 斷裂多見于斷裂多見于體心立方體心立方、密排六方密排六方金屬和合金中金屬和合金中(在鋼中，在鋼中，100面

25、為解理面面為解理面)， 面心立方面心立方晶體晶體很少很少發(fā)生。發(fā)生。 解理斷裂機制解理斷裂機制：當材料的當材料的塑性變形塑性變形過程嚴重受阻過程嚴重受阻(例如例如低溫低溫、高應變速率高應變速率及及 高應力集中高應力集中情況下情況下)，材料，材料不易發(fā)生變形不易發(fā)生變形被迫從特定的被迫從特定的結晶學平面結晶學平面(解理面解理面) 發(fā)生分離的斷裂。金屬中的發(fā)生分離的斷裂。金屬中的夾雜物、脆性析出物、其他缺陷夾雜物、脆性析出物、其他缺陷對解理裂紋的對解理裂紋的 產(chǎn)生有重要影響。產(chǎn)生有重要影響。 解理斷裂通常呈現(xiàn)解理斷裂通常呈現(xiàn)脆性脆性，不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的宏觀塑性變形。，不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的宏觀塑性變形

26、。 圖2-3 人字條紋示意圖 D擴展方向O裂源 S剪切唇R放射條紋 宏觀形貌宏觀形貌：解理：解理斷口平齊斷口平齊，斷口上，斷口上 的結晶面在宏觀上呈無規(guī)則取向，的結晶面在宏觀上呈無規(guī)則取向， 當斷口在當斷口在強光下強光下轉動時，可見到轉動時，可見到閃閃 閃發(fā)光閃發(fā)光的小平面為的小平面為“小刻面小刻面”。另。另 外，解理斷口具有外，解理斷口具有人字條紋人字條紋或或放射放射 狀條紋狀條紋，人字紋，人字紋尖峰尖峰指向指向裂紋源裂紋源， 如圖如圖2-3。 15 解理斷口解理斷口的的微觀形貌微觀形貌常出現(xiàn)的有常出現(xiàn)的有河流狀河流狀、舌狀、扇形花樣舌狀、扇形花樣等。等。 在河流花樣中，河流在河流花樣中，河

27、流匯合方向匯合方向就是就是裂紋擴展方向裂紋擴展方向，如圖，如圖2-4。 解理裂紋擴展所消耗的解理裂紋擴展所消耗的能量較能量較 小小，其，其擴展速度擴展速度與在該介質與在該介質 中的縱向中的縱向聲波速度聲波速度c0相當。相當。 例如：鋼的例如：鋼的c0=5020ms，觀測到的，觀測到的 c0值為值為0.130.32范圍，往往造范圍，往往造 成成脆性斷裂脆性斷裂構件的構件的瞬時整體瞬時整體破壞。破壞。 圖圖2-4解理斷口的微觀特征解理斷口的微觀特征- 河流狀河流狀花樣?；?。 圖圖2-4 解理斷口的微觀特征解理斷口的微觀特征-河流狀花樣河流狀花樣 (一一) 解理斷裂解理斷裂 16 （二）剪切斷裂（

28、二）剪切斷裂 剪切斷裂是在剪切斷裂是在切應力切應力作用下，沿作用下，沿滑移面的滑移方向滑移面的滑移方向而造成的而造成的 斷裂。斷裂。 剪切斷裂分為剪切斷裂分為兩種情況兩種情況： （1）滑移或純剪斷）滑移或純剪斷：常發(fā)生于：常發(fā)生于純單晶體純單晶體。 金屬在外力作用下沿金屬在外力作用下沿最大切應力最大切應力的滑移面滑移，至一定的滑移面滑移，至一定 程度而斷裂。程度而斷裂。 （2）微孔聚集型斷裂）微孔聚集型斷裂：多發(fā)生于：多發(fā)生于鋼鐵等鋼鐵等工程結構材料。工程結構材料。 在外力的作用下，因強烈滑移、位錯堆積，在局部地方在外力的作用下，因強烈滑移、位錯堆積，在局部地方 常產(chǎn)生常產(chǎn)生顯微空洞顯微空洞，

29、這種空洞在，這種空洞在切應力切應力作用下作用下不斷長大、聚集不斷長大、聚集 連接連接，并同時產(chǎn)生新的，并同時產(chǎn)生新的微小空洞微小空洞，最后導致整個材料，最后導致整個材料斷裂斷裂。 17 剪切斷裂的斷口剪切斷裂的斷口宏觀形貌宏觀形貌：纖維狀纖維狀，顏色發(fā)暗，有，顏色發(fā)暗，有滑移變形的痕跡滑移變形的痕跡。 純剪切斷口純剪切斷口：其斷口平面與拉伸軸線成：其斷口平面與拉伸軸線成45角角，表面平滑表面平滑，圖，圖2-5b。 微孔聚集型斷裂斷口微孔聚集型斷裂斷口：又稱：又稱杯錐狀斷口杯錐狀斷口。杯底部分與主應力方向垂直的。杯底部分與主應力方向垂直的平平 斷口斷口，斷口平面并非平直斷口平面并非平直，而是由許

30、多，而是由許多細小的凹凸小斜面細小的凹凸小斜面組成，這些小斜組成，這些小斜 面又和拉伸面又和拉伸軸線成軸線成45，圖，圖2-5a。 圖2-5 剪切斷裂宏觀形貌宏觀形貌(從左至右表示斷裂過程) a) 微孔聚集型斷裂示意圖 b) 純剪斷的示意圖 圖2-6 三種不同形狀的韌窩示意圖 a) 正交韌窩正交韌窩 b) 剪切韌窩剪切韌窩 c) 撕裂韌窩撕裂韌窩 微觀特征微觀特征：韌窩狀韌窩狀。 韌窩花樣的形貌在顯韌窩花樣的形貌在顯 微空洞中生核、長大和微空洞中生核、長大和 聚集過程中，與其周圍聚集過程中，與其周圍 的的應力狀態(tài)應力狀態(tài)和和變形均勻變形均勻 性性有關，一般出現(xiàn)有關，一般出現(xiàn)三種三種 不同形狀不

31、同形狀的韌窩花樣，的韌窩花樣， 圖圖2-6。 18 三種不同形狀三種不同形狀的的韌窩韌窩-微觀形貌微觀形貌 正交韌窩形態(tài)：正交韌窩形態(tài)：等軸或圓形窩等軸或圓形窩，兩個相匹配的斷口，兩個相匹配的斷口 表面上，韌窩的形狀是相同的。表面上，韌窩的形狀是相同的。形成原因形成原因是在拉應是在拉應 力作用下，力作用下，最大主應力最大主應力方向方向垂直斷口的表面垂直斷口的表面，并且，并且 應力在整個斷口表面上的應力在整個斷口表面上的分布是均勻的分布是均勻的，因此在垂，因此在垂 直于主應力的杯底中心部分生核的顯微空洞向各方直于主應力的杯底中心部分生核的顯微空洞向各方 向均勻長大，最后形成等軸韌窩。圖向均勻長大

32、，最后形成等軸韌窩。圖a。 剪切韌窩形態(tài)：剪切韌窩形態(tài)：拋物線花樣拋物線花樣，兩個相匹配的，兩個相匹配的斷口表斷口表 面面上上韌窩拉長方向韌窩拉長方向是是相反相反的。圖的。圖b。 撕裂韌窩形態(tài)：撕裂韌窩形態(tài)：拋物線花樣拋物線花樣，但兩個相匹配的斷口，但兩個相匹配的斷口 表面上韌窩拉長表面上韌窩拉長方向是方向是一致一致的，圖的，圖c。其拉長韌窩。其拉長韌窩 的形成是由于顯微空洞在生核和長大過程中，四周的形成是由于顯微空洞在生核和長大過程中，四周 所承受的所承受的應力和變形不均勻應力和變形不均勻所致。所致。 實際金屬材料實際金屬材料的斷裂，由于的斷裂，由于內部及外部原因內部及外部原因（ 缺陷、性能

33、等）均較復雜，斷裂常常不是單一的機缺陷、性能等）均較復雜，斷裂常常不是單一的機 制，其斷口為制，其斷口為混合形貌構成混合形貌構成。 圖2-6 三種不同形狀的韌窩示意圖 a) 正交韌窩 b) 剪切韌窩 c) 撕裂韌窩 另外，另外，除除面心立方材料面心立方材料外外，所有，所有其他點陣類型其他點陣類型的金屬材料均的金屬材料均同時存有同時存有解解 理面理面和和滑移面滑移面，當外界條件變化時，便可能由，當外界條件變化時，便可能由解理斷裂解理斷裂向向剪切型斷裂剪切型斷裂轉化，轉化， 或者相反。這一點對于或者相反。這一點對于研究金屬斷裂研究金屬斷裂問題是問題是十分重要十分重要的。的。 19 綜上所述，金屬材

34、料的綜上所述，金屬材料的脆性斷裂脆性斷裂特征，除了特征，除了2.1節(jié)介節(jié)介 紹的紹的4點外，還具有點外，還具有脆性斷裂脆性斷裂的的斷口形貌特征斷口形貌特征。 即：斷裂平面一般近似地即：斷裂平面一般近似地垂直于板材表面，塑性垂直于板材表面，塑性 變形很小變形很小，因此其厚度減少不多，一般不超過，因此其厚度減少不多，一般不超過3。 脆性斷裂斷口一般是脆性斷裂斷口一般是發(fā)亮的晶粒斷口發(fā)亮的晶粒斷口，斷口上常有，斷口上常有人人 字紋字紋或或放射狀花樣放射狀花樣。 另外，另外，脆性裂紋脆性裂紋一般為一般為擴展速度極快擴展速度極快的的解理裂紋解理裂紋， 因此很難預防。因此很難預防。 20 2.3.3 影響

35、金屬材料脆性斷裂的影響金屬材料脆性斷裂的主要因素主要因素 1. 2. 3. 4. 應力狀態(tài)的影響 溫度的影響 主要因素有 加載速度的影響 材料狀態(tài)的影響 21 1. 應力狀態(tài)應力狀態(tài)的影響的影響 物體在受外載時，不同的截面上產(chǎn)生不同的物體在受外載時，不同的截面上產(chǎn)生不同的正應力正應力和和切應力切應力。在主平面。在主平面 作用最大正應力作用最大正應力max ，與主平面成，與主平面成45角的平面上作用有最大切應力角的平面上作用有最大切應力 max。 。 max和和 max與加載方式有關， 與加載方式有關，軟性系數(shù)軟性系數(shù)= max max 表示應力狀態(tài)表示應力狀態(tài)軟硬程軟硬程 度度。 式中，為泊松

36、比，而1。 當當 max max時， 時，“軟性軟性”應力狀態(tài)；當應力狀態(tài)；當 maxmax 時， 時，“硬性硬性”應力狀態(tài)應力狀態(tài) 。 在不同加載方式下，當在不同加載方式下，當max未達到抗拉強度前，未達到抗拉強度前， max 先達到屈服點 先達到屈服點， （即（即 max max）？ ）？ ，則發(fā)生塑性變形而形成，則發(fā)生塑性變形而形成延性斷裂延性斷裂。 反之，在反之，在 max達到屈服點前， 達到屈服點前，max先達到抗拉強度先達到抗拉強度，（即，（即 maxmax ）？ ）？ ，則發(fā)生，則發(fā)生脆性斷裂脆性斷裂。 因此，斷裂形式斷裂形式與與加載方式加載方式亦即亦即應力狀態(tài)應力狀態(tài)有關有關。

37、 2 31 max （按最大切應力理論）（按最大切應力理論） max =1(2+3)（按第二強度理論）（按第二強度理論） 單單 軸軸 應應 力力 三軸應力狀態(tài)三軸應力狀態(tài) 22 圖圖2-7為構件受均勻拉應力時，其中一個為構件受均勻拉應力時，其中一個缺口缺口 根部根部出現(xiàn)高值的出現(xiàn)高值的應力和應變集中應力和應變集中情況；缺口情況；缺口越深越越深越 尖尖，其，其局部應力和應變局部應力和應變也也越大越大。 三向應力產(chǎn)生機理：在受力過程中，三向應力產(chǎn)生機理：在受力過程中，缺口根部缺口根部 材料的材料的伸長伸長，必然引起沿，必然引起沿寬度和厚度方向的收縮寬度和厚度方向的收縮， 但由于但由于缺口尖端以外缺

38、口尖端以外的材料受到的的材料受到的應力較小應力較小，引起，引起 收縮收縮也較?。挥捎谝草^?。挥捎谑湛s不均勻收縮不均勻，缺口根部收縮受阻缺口根部收縮受阻 ，結果產(chǎn)生，結果產(chǎn)生寬度和厚度方向寬度和厚度方向的拉應力的拉應力x和和z，導致，導致 缺口根部形成缺口根部形成三向應力狀態(tài)三向應力狀態(tài)。 在在三向應力三向應力情況下，材料的情況下，材料的屈服點屈服點較較單向應力單向應力 時時提高提高，即缺口根部材料的，即缺口根部材料的屈服點提高屈服點提高，從而使該，從而使該 處處材料變脆材料變脆。 因此，因此，脆性斷裂事故脆性斷裂事故多起源于具有多起源于具有嚴重應力集嚴重應力集 中效應中效應的的缺口處缺口處。

39、實驗證明，許多材料處于實驗證明，許多材料處于單向或雙向拉應力單向或雙向拉應力時，呈現(xiàn)時，呈現(xiàn)延性延性；當處于；當處于三向拉應三向拉應 力力時，不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)時，不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)脆性脆性。 在實際結構中，在實際結構中，三向應力三向應力可能由可能由三向載荷三向載荷產(chǎn)生，但更多情況是由于產(chǎn)生，但更多情況是由于結構結構 的幾何不連續(xù)性的幾何不連續(xù)性引起的。雖然引起的。雖然整個結構整個結構處于處于單向或雙向拉應力單向或雙向拉應力狀態(tài)下，但其狀態(tài)下，但其 局部地區(qū)局部地區(qū)由于設計或工藝不當，往往出現(xiàn)由于設計或工藝不當，往往出現(xiàn)局部三向應力局部三向應力狀態(tài)的狀態(tài)的缺口效應缺口效應。 23 2溫度溫

40、度的影響的影響 當當TTk時，時，b s，無缺口試件單軸拉伸，無缺口試件單軸拉伸 時，先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于時，先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于塑性塑性 狀態(tài)狀態(tài)；當；當TTk，若對材料加載，在破斷前只，若對材料加載，在破斷前只 發(fā)生彈性變形，發(fā)生彈性變形，不產(chǎn)生塑性變形不產(chǎn)生塑性變形，材料呈現(xiàn)，材料呈現(xiàn)脆脆 性斷裂性斷裂，即處于，即處于脆性狀態(tài)脆性狀態(tài)。 韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度Tk ：從一個狀態(tài)向另一個從一個狀態(tài)向另一個 狀態(tài)轉變的溫度。狀態(tài)轉變的溫度。Tk越低越低，則材料處于，則材料處于延性延性狀狀 態(tài)的溫度態(tài)的溫度范圍越廣范圍越廣；反之，一切促成；反之，一切促成Tk升高的升高

41、的 因素因素，均將，均將縮小縮小材料塑性狀態(tài)的材料塑性狀態(tài)的范圍范圍，增大材，增大材 料產(chǎn)生料產(chǎn)生脆性斷裂脆性斷裂的趨勢。因此的趨勢。因此Tk是是衡量材料抗衡量材料抗 脆性破壞脆性破壞的的重要參數(shù)重要參數(shù)。 金屬在金屬在高溫高溫時，具有時，具有良好的變形能力良好的變形能力，當，當溫度降低溫度降低時，其變形能力就時，其變形能力就減減 小小，金屬這種，金屬這種低溫脆化低溫脆化的性質稱為的性質稱為“低溫脆性低溫脆性”。它是金屬材料。它是金屬材料屈服點屈服點隨溫隨溫 度度降低急劇增加降低急劇增加的結果。的結果。 任何金屬材料都有兩個強度指標任何金屬材料都有兩個強度指標s和和b 。b隨溫度變化很小，而隨

42、溫度變化很小，而s卻卻 對溫度變化對溫度變化十分敏感十分敏感。溫度降低溫度降低，屈服點屈服點急劇急劇升高升高，故兩曲線相交于一點，故兩曲線相交于一點， 交點對應的溫度為交點對應的溫度為Tk -韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度(見圖見圖2-8)。 s 塑性狀態(tài)脆性狀態(tài) 24 3加載速度加載速度的影響的影響 提高加載速度提高加載速度能促進材料能促進材料脆性破壞脆性破壞，其作用相當于，其作用相當于降低溫度降低溫度。 原因：鋼的原因：鋼的屈服點屈服點不僅取決于溫度，而且還取決于不僅取決于溫度，而且還取決于加載速度加載速度或或應變速率應變速率。 即隨著即隨著應變速率應變速率的提高，材料的的提高，材料的屈服點屈服

43、點提高。提高。 在同樣加載速率下，當結構中在同樣加載速率下，當結構中有缺口有缺口時，時，應變速率應變速率可呈現(xiàn)出可呈現(xiàn)出加倍不利加倍不利影響。影響。 由于由于應力集中應力集中的影響，的影響，應變速率應變速率比無缺口結構比無缺口結構高得多高得多，從而大大降低材料的，從而大大降低材料的 局部塑性局部塑性。這也說明為什么結構鋼一旦產(chǎn)生脆性斷裂，就很容易產(chǎn)生擴展現(xiàn)象 。 原因：當原因：當缺口根部缺口根部小范圍金屬小范圍金屬材料發(fā)生材料發(fā)生斷裂斷裂時，則在時，則在新裂紋尖端處新裂紋尖端處立即受立即受 到到高應力和高應變高應力和高應變的的載荷載荷。即：一旦。即：一旦缺口根部開裂，就有高的應變速率缺口根部開

44、裂，就有高的應變速率，而，而 不管其原始加載條件是動載還是靜載，此后隨著不管其原始加載條件是動載還是靜載，此后隨著裂紋裂紋加速擴展，加速擴展，應變速率應變速率更更 急劇增加，致使結構急劇增加，致使結構最后破壞最后破壞。 延性延性-脆性轉變溫度與應變速率的關系，脆性轉變溫度與應變速率的關系， 圖圖2-9。 25 4材料狀態(tài)材料狀態(tài)的影響的影響 1) 厚板厚板在在缺口處缺口處容易形成容易形成三向拉應力三向拉應力，因為沿，因為沿厚度方向厚度方向的收縮應力和變形的收縮應力和變形 受到受到較大限制較大限制，形成，形成平面應變狀態(tài)平面應變狀態(tài)；而；而薄板薄板材料，在材料，在厚度方向厚度方向能比較能比較自由

45、自由 地收縮地收縮，故厚度方向的應力較小，接近于，故厚度方向的應力較小，接近于平面應力狀態(tài)平面應力狀態(tài)。 平面應變狀態(tài)平面應變狀態(tài)的的三向應力三向應力使材料變脆。使材料變脆。 圖2-10 脆性斷裂開始溫度與板厚的關系 (1) 厚度的影響厚度的影響 厚度厚度對脆性破壞的不利影響可由以下對脆性破壞的不利影響可由以下兩種因素兩種因素來決定：來決定： 2) 冶金因素：一般說來，生產(chǎn)冶金因素：一般說來，生產(chǎn)薄板薄板時時壓延壓延 量大量大，軋制終了，軋制終了溫度較低溫度較低，組織細密組織細密； 相反，相反，厚板厚板軋制次數(shù)較少，終軋軋制次數(shù)較少，終軋溫度溫度 較高較高，組織疏松組織疏松，內外層均勻性較差。

46、，內外層均勻性較差。 圖圖2-10 可見，可見，鋼板越厚，其低溫脆性鋼板越厚，其低溫脆性 傾向越顯著。傾向越顯著。 26 (2) 晶粒度的影響晶粒度的影響 晶粒晶粒直徑越小直徑越小其韌脆轉變其韌脆轉變溫度越低溫度越低，如圖，如圖2-11。 圖2-11 韌脆轉變溫度和鐵素體晶粒直徑的關系 27 (3) 化學成分的影響化學成分的影響 有害元素：有害元素： 鋼中的鋼中的C、N、O、S、P均增均增 加鋼的加鋼的脆性脆性。 圖圖2-12 ，隨著，隨著含含C量的增加量的增加， 鋼的韌脆轉變溫度提高。鋼的韌脆轉變溫度提高。 有益元素：有益元素： 合金元素合金元素Mn、Ni可以改善鋼可以改善鋼 的脆性，的脆性

47、，降低降低韌脆轉變溫度。韌脆轉變溫度。 （圖（圖2-13） V、Ti元素元素在加入量適當時，在加入量適當時， 也有助于減少鋼的脆性。也有助于減少鋼的脆性。 28 2.4 焊接焊接結構特點結構特點和和工藝因素工藝因素對脆性斷裂的影響對脆性斷裂的影響 焊接結構脆性斷裂事故的發(fā)生，除了由于焊接結構脆性斷裂事故的發(fā)生，除了由于材料選用材料選用不當不當 之外，之外，結構的設計結構的設計和和制造制造不合理也是發(fā)生脆性斷裂的重要原不合理也是發(fā)生脆性斷裂的重要原 因。在因。在60個個脆性破壞事故的實例中，有脆性破壞事故的實例中，有1l例例是由于是由于設計不佳設計不佳 所致，所致，9例例是由于是由于焊接缺陷焊接

48、缺陷所致?？梢?，焊接結構的所致。可見，焊接結構的設計和設計和 制造制造在脆性斷裂事故中的重要性。在脆性斷裂事故中的重要性。 在在設計設計中盡量避免和降低中盡量避免和降低應力集中應力集中，并在，并在制造制造過程中加過程中加 強管理和檢查，防止強管理和檢查，防止工藝缺陷工藝缺陷，是減少和消除，是減少和消除脆性破壞事故脆性破壞事故 的重要措施。的重要措施。 為了合理設計和制造焊接結構，必須對焊接為了合理設計和制造焊接結構，必須對焊接結構的特點結構的特點 有有充分的了解充分的了解。 29 2.4.1 焊接焊接結構的特點結構的特點對脆性斷裂的影響對脆性斷裂的影響 1焊接結構比鉚接結構焊接結構比鉚接結構剛

49、度大剛度大 焊接焊接為為剛性連接剛性連接，連接構件，連接構件不能不能產(chǎn)生產(chǎn)生相對位移相對位移。而。而鉚接鉚接則由于則由于 接頭有一定相對位移的可能性，而使其接頭有一定相對位移的可能性，而使其剛度相對降低剛度相對降低，在工作，在工作 條件下，足以減少因條件下，足以減少因偶然載荷偶然載荷而產(chǎn)生而產(chǎn)生附加應力附加應力的危險。的危險。 在焊接結構中，由于在設計時在焊接結構中，由于在設計時沒有考慮沒有考慮到這一因素，往往能引到這一因素，往往能引 起較大的起較大的附加應力附加應力。特別是在。特別是在溫度降低溫度降低而材料的而材料的塑性變壞塑性變壞時，時， 這些這些附加應力附加應力常常會造成結構的脆性破壞。

50、常常會造成結構的脆性破壞。 附加應力附加應力的例子：的例子： 1947年年12月，原蘇聯(lián)曾發(fā)生幾個月，原蘇聯(lián)曾發(fā)生幾個4500m3儲油器的局部脆性儲油器的局部脆性 斷裂事故。斷裂事故。溫度不均溫度不均所造成的所造成的附加應力附加應力是這些儲油器破壞的重是這些儲油器破壞的重 要原因。當大氣溫度下降到要原因。當大氣溫度下降到-42后，一方面由于材料本身的后，一方面由于材料本身的塑塑 性降低性降低，另一方面由于容器的，另一方面由于容器的內外溫度不同內外溫度不同，底部和筒身的溫，底部和筒身的溫 度不一樣，度不一樣，筒身的向風面筒身的向風面與與背風面的溫度背風面的溫度也有也有差別差別，在筒身就，在筒身就

51、 形成形成復雜的附加應力場復雜的附加應力場，因而造成結構的破壞。，因而造成結構的破壞。 30 另外，焊接結構比鉚接結構另外，焊接結構比鉚接結構剛度大剛度大，所以對，所以對應力集中應力集中特別敏感，如果設計中特別敏感，如果設計中 采用應力集中系數(shù)很高的采用應力集中系數(shù)很高的搭接接頭搭接接頭，或采用，或采用驟然變化的截面驟然變化的截面，當，當溫度降低溫度降低時時, 結構就有發(fā)生結構就有發(fā)生脆性斷裂脆性斷裂的危險。的危險。 美國美國“自由輪自由輪” ，當采用，當采用鉚接結構鉚接結構時，雖然應力集中很大，但并時，雖然應力集中很大，但并未發(fā)生未發(fā)生 過脆性破壞過脆性破壞事故。而在采用事故。而在采用焊接結

52、構焊接結構后，卻發(fā)生了一系列后，卻發(fā)生了一系列脆性破壞脆性破壞事故。事故。 研究發(fā)現(xiàn)：除研究發(fā)現(xiàn)：除材料選用不當材料選用不當外，船體外，船體設計不合理設計不合理也是造成其破壞的重要也是造成其破壞的重要 原因之一。圖原因之一。圖a最初設計由于最初設計由于拐角處為一尖角，應力集中拐角處為一尖角，應力集中很大；很大；圖圖b改進后的改進后的 設計由于采用設計由于采用圓滑過渡的拐角，應力集中得到緩和圓滑過渡的拐角，應力集中得到緩和。改進后的設計。改進后的設計承載能力承載能力 增加到增加到1.4倍倍，而所需，而所需破壞能量破壞能量增加增加25倍倍。 圖圖2-14 “自由輪自由輪”甲板艙口設計對比甲板艙口設

53、計對比 a) 最初設計最初設計 b) 改進后設計改進后設計 31 2焊接結構具有焊接結構具有整體性整體性 這一特點為設計制造合理的結構提供了廣泛的可能性，這一特點為設計制造合理的結構提供了廣泛的可能性， 因此因此整體性強整體性強是是焊接結構焊接結構的的優(yōu)點之一優(yōu)點之一，但是，但是如果設計不當如果設計不當， 或制造不良或制造不良，這一優(yōu)點反而可能增加焊接結構脆性斷裂的危，這一優(yōu)點反而可能增加焊接結構脆性斷裂的危 險。險。 因為由于焊接結構的因為由于焊接結構的整體性整體性，它將給，它將給裂紋的擴展裂紋的擴展創(chuàng)造十創(chuàng)造十 分有利的條件。當焊接結構工作時，一旦有分有利的條件。當焊接結構工作時，一旦有不

54、穩(wěn)定的脆性裂不穩(wěn)定的脆性裂 紋出現(xiàn)紋出現(xiàn)，就有可能，就有可能穿越接頭擴展至結構整體穿越接頭擴展至結構整體，而使結構整體，而使結構整體 破壞。破壞。 而而鉚接結構鉚接結構，當出現(xiàn)不穩(wěn)定的脆性裂紋后，只要，當出現(xiàn)不穩(wěn)定的脆性裂紋后，只要擴展到擴展到 接頭處接頭處，就可自然止住，就可自然止住，避免更大災難避免更大災難的出現(xiàn)。因此在某些的出現(xiàn)。因此在某些 大型焊接結構大型焊接結構中，有時仍中，有時仍保留少量的鉚接接頭保留少量的鉚接接頭。 例如：在一些船體中，例如：在一些船體中，甲板與舷側頂列板甲板與舷側頂列板的連接就是采的連接就是采 用用鉚接鉚接連接。連接。 32 2.4.2 焊接結構焊接結構制造工藝

55、制造工藝的特點對脆性斷裂的的特點對脆性斷裂的 影響影響 焊接過程焊接過程可給焊接結構的接頭帶來如下一些可給焊接結構的接頭帶來如下一些不利的不利的 影響影響： 1兩類應變時效兩類應變時效引起的局部脆性引起的局部脆性 2焊接接頭焊接接頭金相組織金相組織改變對脆性的影響改變對脆性的影響 3焊接缺陷焊接缺陷的影晌的影晌 4焊接焊接殘余應力殘余應力的影響的影響 33 1兩類應變時效兩類應變時效引起的局部脆性引起的局部脆性 在焊接結構在焊接結構制造過程中制造過程中，一般包括，一般包括切割切割、冷熱成形冷熱成形(剪切、彎曲、剪切、彎曲、 矯正等矯正等)、焊接焊接等等工序工序，其中一些工序可能，其中一些工序可

56、能提高提高鋼材鋼材韌韌-脆轉變溫脆轉變溫 度度，使材料變脆。，使材料變脆。 （1）在焊接結構生產(chǎn)過程中的）在焊接結構生產(chǎn)過程中的剪切、冷作矯形、彎曲剪切、冷作矯形、彎曲等，等， 經(jīng)過經(jīng)過冷加工冷加工產(chǎn)生一定的產(chǎn)生一定的塑性變形塑性變形，隨后又經(jīng)，隨后又經(jīng)160450溫度范溫度范 圍的加熱就會引起圍的加熱就會引起應變時效應變時效，導致脆化。，導致脆化。 （2）在）在焊接時焊接時，近縫區(qū)某些刻槽近縫區(qū)某些刻槽，即，即缺口尖端附近缺口尖端附近或多層或多層 焊道中已焊完焊道中的焊道中已焊完焊道中的缺陷附近缺陷附近，金屬受到，金屬受到熱循環(huán)和熱塑變循熱循環(huán)和熱塑變循 環(huán)環(huán)(150450 )的作用，產(chǎn)生的

57、作用，產(chǎn)生焊接應力焊接應力-應變集中應變集中，導致較大的，導致較大的 塑性變形塑性變形，引起，引起應變時效應變時效，稱為，稱為動應變時效動應變時效(熱應變脆化熱應變脆化)。 鋼的鋼的應變時效應變時效定義：定義：塑性變形時塑性變形時或或變形后變形后，固溶狀態(tài)的間隙溶質（，固溶狀態(tài)的間隙溶質（C、N） 與位錯交互作用，與位錯交互作用，“釘扎釘扎”位錯位錯阻止變形阻止變形的物理本質，從而導致的物理本質，從而導致強度提高，強度提高， 韌性下降韌性下降的力學冶金現(xiàn)象。的力學冶金現(xiàn)象。 34 許多許多碳碳-錳低強度結構鋼錳低強度結構鋼對對應變時效應變時效脆化比較敏感，它將大大脆化比較敏感，它將大大 降低降

58、低鋼材的鋼材的塑性塑性，提高提高材料的材料的韌韌-脆轉變溫度脆轉變溫度，促進焊接結構，促進焊接結構 的的脆性破壞脆性破壞。 應變時效應變時效導致焊接結構脆性破壞的實例很導致焊接結構脆性破壞的實例很常見的常見的。例如：。例如： 某某儲油罐儲油罐的脆性破壞事故，破壞始于的脆性破壞事故，破壞始于罐體和底板的連接處罐體和底板的連接處，擴，擴 展后達到展后達到頂部頂部。 檢查后表明檢查后表明：這種：這種鋼材鋼材對應變時效對應變時效非常敏感非常敏感，離鋼材，離鋼材剪切剪切 邊緣邊緣不同距離處缺口韌性有不同距離處缺口韌性有急劇的變化急劇的變化。鋼板本身鋼板本身的轉變溫度的轉變溫度 為為-8，但距，但距剪切邊

59、緣剪切邊緣6mm處，轉變溫度為處，轉變溫度為+53，距剪切邊，距剪切邊 緣緣20mm處為處為+36。 主要原因主要原因：剪切剪切引起引起冷作應變冷作應變，隨后進行的，隨后進行的焊接工序焊接工序引起引起 應變時效應變時效所致。因此，該對焊接接頭的所致。因此，該對焊接接頭的應變時效區(qū)應變時效區(qū)應充分注意應充分注意 。 應變時效應變時效: 35 試驗結果試驗結果：以以冷彎變形冷彎變形(20預彎預彎) 試件的轉變溫度為試件的轉變溫度為最低最低，而，而250預彎預彎 的轉變溫度為的轉變溫度為最高最高。 焊后熱處理焊后熱處理(550650)可以消除可以消除 兩類應變時效兩類應變時效對低碳鋼和一些合金結構對

60、低碳鋼和一些合金結構 鋼的影響，鋼的影響，恢復其韌性恢復其韌性。因此，對應變。因此，對應變 時效時效敏感的鋼材敏感的鋼材，焊后熱處理不但可以，焊后熱處理不但可以 消除消除焊接焊接殘余應力殘余應力，而且可以消除，而且可以消除應變應變 時效的脆化影響時效的脆化影響，對防止結構脆性斷裂，對防止結構脆性斷裂 是有利的。是有利的。 圖2-15 不同溫度下預應變對COD值的影響 1母材 2+20預彎，250下時效12h 3150預彎 4350預彎 5250預彎 對比兩類應變時效：對比兩類應變時效：動應變時效動應變時效對脆性的影響往往對脆性的影響往往更為不利更為不利。 圖圖2-15是某是某碳碳-錳鋼錳鋼在不