焊接結(jié)構(gòu)強度的基本理論

1、第三章焊接結(jié)構(gòu)強度的基本理論焊接結(jié)構(gòu)在使用中，除結(jié)構(gòu)強度不夠時會導(dǎo)致破壞外，還有其他形式的破壞，如疲勞破壞、脆性斷裂等，這些破壞也是焊接結(jié)構(gòu)常見破壞形式。本章主要介紹焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞、脆性斷裂產(chǎn)生的原因，以及提高疲勞強度和防止脆性斷裂的主要措施。第一節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞一、疲勞的定義疲勞定義為由重復(fù)應(yīng)力所引起的裂紋起始和緩慢擴展而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷，疲勞極限是指試樣受“無數(shù)次”應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。在承受重復(fù)載荷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位，當部件所受的公稱應(yīng)力低于彈性極限時，就可能產(chǎn)生疲勞裂紋，由于疲勞裂紋發(fā)展的最后階段一一失穩(wěn)擴展（斷裂）是突然發(fā)生的，沒有預(yù)兆，沒有明顯的塑性變形，

2、難以采取預(yù)防措施，所以疲勞裂紋對結(jié)構(gòu)的安全性有很大危脅。焊接結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，也會由于裂紋引發(fā)（或）擴展而發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般從應(yīng)力集中處開始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產(chǎn)生。二、影響焊接接頭疲勞性能的因素焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，在很大程度上決定于構(gòu)件中的應(yīng)力集中情況，不合理的接頭形式和焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷（如未焊透、咬邊等）是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。除此之外，焊接結(jié)構(gòu)自身的一些特點，如接頭性能的不均勻性，焊接殘余應(yīng)力等，都對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度有影響。1 .應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的影響結(jié)構(gòu)上幾何不連續(xù)的部位都會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，金屬材料表面的缺口和內(nèi)部的缺陷也可造成

3、應(yīng)力集中。焊接接頭本身就是一個幾何不連續(xù)體，不同的接頭形式和不同的焊縫形狀，就有不同程度的應(yīng)力集中，其中具有角焊縫的接頭應(yīng)力集中較為嚴重。構(gòu)件上缺口愈尖銳，應(yīng)力集中愈嚴重（即應(yīng)力集中系數(shù)K愈大），疲勞強度降低也愈大。不同材料或同一材料因組織和強度不同，缺口的敏感性（或缺口效應(yīng)）是不相同的。高強度鋼較低強度鋼對缺口敏感，即在具有同樣的缺口情況下，高強度鋼的疲勞強度比低強度鋼降低很多。焊接接頭中，承載焊縫的缺口效應(yīng)比非承載焊縫強烈，而承載焊縫中又以垂直于焊縫軸線方向的載荷對缺口最敏感。圖3-1是對三種強度不同結(jié)構(gòu)鋼的軋制表面光滑試件、對接接頭和十字接頭（均未加工）的疲勞極限與應(yīng)力比r的關(guān)系曲線（疲

4、勞圖）。圖中說明，表面光滑（無應(yīng)力集中）強度高的材料，其疲勞強度也高；對接接頭有了應(yīng)力集中，這三種材料的疲勞強度都有降低。強度越高降低的幅度也越大；十字接頭因具有更嚴重的應(yīng)力集中，這三種材料的疲勞強度都降低很多，且都在一個應(yīng)力水平上。說明在疲勞載荷的作用下由于應(yīng)力集中的存在使高強鋼失去了其靜載強度方面的優(yōu)勢。圖3-1低、中、高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭疲勞極限與應(yīng)力比的關(guān)系a）軋制板材b）中等質(zhì)量的對接接頭c）中等質(zhì)量的十字接頭圖3-2為低碳鋼搭接接頭疲勞試驗結(jié)果比較。圖3-2a是只有側(cè)面焊縫的搭接接頭，其疲勞強度只達到母材的34%。焊腳為1:1的正面焊縫的搭接接頭（圖3-2b）,其疲勞強度比只有側(cè)面

5、焊縫的接頭略高一些，但仍然很低。正面焊縫焊腳比例為1:2的搭接接頭，應(yīng)力集中獲得改善，疲勞強度有所提高，但效果不大。如果在焊縫向母材過渡區(qū)進行表面機械加工（見圖3-2d）,也不能顯著地提高接頭的疲勞強度。只有當蓋板的厚度比按強度條件所要求的增加一倍，焊腳比例為1:38,并經(jīng)機械加工使焊縫向母材平滑地過渡（圖3-2e）,才可提高到與母材一樣的疲勞強度，但這樣的接頭成本太高，不宜采用。圖3-2f是在對接接頭上加蓋板，這種接頭極不合理，把原來疲勞強度較高的對接接頭大大地削弱了。圖3-2低碳鋼搭接接頭的疲勞極限對比表面狀態(tài)粗糙相當于存在很多微缺口，這些缺口的應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞強度下降。表面越粗糙，疲勞極

6、限降低就越嚴重。材料的強度水平越高，表面狀態(tài)的影響也越大。焊縫表面波紋過于粗糙，對接頭的疲勞強度是不利的。2 .焊接殘余應(yīng)力的影響焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對疲勞強度是有影響的。焊接殘余應(yīng)力的存在，改變了平均應(yīng)力bm的大小，而應(yīng)力幅ba卻沒有改變。在殘余拉應(yīng)力區(qū)使平均應(yīng)力增大，其工作應(yīng)力有可能達到或超出疲勞極限而破壞，故對疲勞強度有不利影響。反之，殘余壓應(yīng)力對提高疲勞強度是有利的。對于塑性材料，當循環(huán)特征r<1時，材料是先屈服后才疲勞破壞，這時殘余應(yīng)力已不發(fā)生影響。由于焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)上是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時存在。如果能調(diào)整到壓殘余應(yīng)力位于材料表面或應(yīng)力集中區(qū)則是十分有利的，如果材料表面或應(yīng)力集

7、中區(qū)存在的是殘余拉應(yīng)力，則極為不利，應(yīng)設(shè)法消除。3 .焊接缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度影響的大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷，其影響比在殘余壓應(yīng)力場內(nèi)的大；同樣的缺陷，位于應(yīng)力集中場內(nèi)（如焊趾裂紋和根部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場中的影響大。三、提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的措施由上面討論知道，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要原因，只有當焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質(zhì)量良好時，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有

8、較高的疲勞強度。提高焊接接頭的疲勞強度，一般采取下列措施：1 .降低應(yīng)力集中疲勞裂紋源于焊接接頭和結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中點，消除或降低應(yīng)力集中的一切手段，都可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強度。（1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)先選用對接接頭，盡量不用搭接接頭；重要結(jié)構(gòu)最好把T形接頭或角接接頭改成對接接頭，讓焊縫避開拐角部位；必須采用T形接頭或角接接頭時，希望采用全熔透的對接焊縫。盡量避免偏心受載的設(shè)計，使構(gòu)件內(nèi)力的傳遞暢、分布均勻，不引起附加應(yīng)力。減小斷面突變，當板厚或板寬相差懸殊而需對接時，應(yīng)設(shè)計平緩的過渡區(qū)；結(jié)構(gòu)上的尖角或拐角處應(yīng)作成圓弧狀，其曲率半徑越大越好。避免三向焊縫空間匯交，焊縫盡量不設(shè)置在應(yīng)力集中區(qū)，盡量

9、不在主要受拉構(gòu)件上設(shè)置橫向焊縫；不可避免時，一定要保證該焊縫的內(nèi)外質(zhì)量，減小焊趾處的應(yīng)力集中。只能單面施焊的對接焊縫，在重要結(jié)構(gòu)上不允許在背面放置永久性墊板；避免采用斷續(xù)焊縫，因為每段焊縫的始末端有較高的應(yīng)力集中。綜上所述，在常溫靜載下工作的焊接結(jié)構(gòu)和在動載或低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造設(shè)計上有著不同的要求，后者更要重視細部設(shè)計。表3-1列出兩種承載情況下構(gòu)造設(shè)計上的差別。表3-1常溫下承受靜載荷與變載荷的焊接結(jié)構(gòu)在細部設(shè)計上的區(qū)別序號靜載荷卜，作變載荷卜工作1表圖3-1表圖3-102表圖3-2表圖3-113表圖3-3表圖3-124表圖3-4表圖3-135表圖3-5表圖3-146表圖3-6表圖

10、3-157表圖3-7表圖3-168表圖3-8表圖3-179表圖3-9表圖3-18(2)正確的焊縫形狀和良好的焊縫內(nèi)外質(zhì)量對接接頭焊縫的余高應(yīng)盡可能小，焊后最好能刨(或磨)平而不留余高；T形接頭最好采用帶凹度表面的角焊縫，不用有凸度的角焊縫；焊縫與母材表面交界處的焊趾應(yīng)平滑過渡，必要時對焊趾進行磨削或僦弧重熔，以降低該處的應(yīng)力集中。任何焊接缺陷都有不同程度的應(yīng)力集中，尤其是片狀焊接缺陷如裂紋、未焊透、未熔合和咬邊等對疲勞強度影響最大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要保證每條焊縫易于施焊、以減少焊接缺陷，同時發(fā)現(xiàn)超標的缺陷必須清除。2 .調(diào)整殘余應(yīng)力殘余壓應(yīng)力可提高疲勞強度，而拉應(yīng)力降低疲勞強度。因此，若能調(diào)

11、整構(gòu)件表面或應(yīng)力集中處存在殘余壓應(yīng)力，就能提高疲勞強度。例如，通過調(diào)整施焊順序、局部加熱等都有可能獲得有利于提高疲勞強度的殘余應(yīng)力場。圖3-3所示工字梁對接，對接“縫1受彎曲應(yīng)力最大且與之垂直。若在接頭兩端預(yù)留一段角焊縫3不焊，先焊焊縫1,再焊腹板對接縫2,焊縫2的收縮，使焊縫1產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。最后焊預(yù)留的角焊縫3,它的收縮使縫1與縫2都產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。試驗表明，這種焊接順序比先焊焊縫2后焊焊縫1疲勞強度提高30%圖3-4為縱向焊縫連接節(jié)點板，在縱縫端部缺口處是應(yīng)力集中點，采取點狀局部加熱，只要加熱位置適當，就能形成一個殘余應(yīng)力場，使缺口處獲得有利的壓殘余應(yīng)力。圖3-3工字梁對接焊接順序圖3-

12、4節(jié)點板局部加熱的殘余應(yīng)力此外，還可以采取表面形變強化，如滾壓、錘擊或噴丸等工藝使金屬表面塑性變形而硬化，并在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以達到提高疲勞強度。對有缺口的構(gòu)件，采取一次性預(yù)超載拉伸，可以使缺口頂端得到殘余壓應(yīng)力。因為在彈性卸載后，缺口殘余應(yīng)力的符號總是與（彈塑性）加載時缺口應(yīng)力的符號相反。此法不宜用彎曲超載或多次拉伸加載。它常與結(jié)構(gòu)驗收試驗結(jié)合，如壓力容器作水壓試驗時，能起到預(yù)超載拉伸作用。3 .改善材料的組織和性能1）提高母材金屬和焊縫金屬的疲勞抗力還應(yīng)從材料內(nèi)在質(zhì)量考慮。應(yīng)提高材料的冶金質(zhì)量、減少鋼中夾雜物。重要構(gòu)件可采用真空熔煉、真空除氣、甚至電渣重熔等冶煉工藝的材料，以保證純度；

13、在室溫下細化晶粒鋼可提高疲勞壽命；通過熱處理可以獲得最佳的組織狀態(tài)，在提高（或保證）強度同時，也能提高其塑性和韌性?；鼗瘃R氏體、低碳馬氏體（一般都有自回火效應(yīng)）和下貝氏體等組織都具有較高抗疲勞能力。2）強度、塑性和韌性應(yīng)合理配合。強度是材料抵抗斷裂的能力，但高強度材料對缺口敏感。塑性的主要作用是通過塑性變形，可吸收變形功、削減應(yīng)力峰值，使高應(yīng)力重新分布。同時，也使缺口和裂紋尖端得以鈍化，裂紋的擴展得到緩和甚至停止。塑性能保證強度作用充分發(fā)揮。所以對于高強度鋼和超高強度鋼，設(shè)法提高一點塑性和韌性，將顯著改善其抗疲勞能力。4.特殊保護措施大氣及介質(zhì)侵蝕往往對材料的疲勞強度有影響，因此采用一定的保護

14、涂層是有利的。例如在應(yīng)力集中處涂上含填料的塑料層是一種實用的改進方法。第二節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來，曾發(fā)生過一些脆性斷裂（簡稱脆斷）事故。這些事故無征兆，是突然發(fā)生的，一般都有災(zāi)難性后果，必須高度重視。引起焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因是多方面的，它涉及材料選用、構(gòu)造設(shè)計、制造質(zhì)量和運行條件等。防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷是一個系統(tǒng)工程，光靠個別試驗或計算方法是不能確保安全使用的。一、焊接結(jié)構(gòu)脆斷的基本現(xiàn)象和特點通過大量焊接結(jié)構(gòu)脆斷事故分析，發(fā)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)脆斷有下述一些現(xiàn)象和特點：1）多數(shù)脆斷是在環(huán)境溫度或介質(zhì)溫度降低時發(fā)生，故稱為低溫脆斷。2）脆斷的名義應(yīng)力較低，通常低于材料的屈服點，往往還低于設(shè)計應(yīng)

15、力。故又稱為低應(yīng)力脆性破壞。3）破壞總是從焊接缺陷處或幾何形狀突變、應(yīng)力和應(yīng)變集中處開始的。4）破壞時沒有或極少有宏觀塑性變形產(chǎn)生，一般都有斷裂片散落在事故周圍。斷口是脆性的平斷口，宏觀外貌呈人字紋和晶粒狀，根據(jù)人字紋的尖端可以找到裂紋源。微觀上多為晶界斷裂和解理斷裂。5）脆斷時，裂紋傳播速度極高，一般是聲速的1/3左右，在鋼中可達12001800m/s。當裂紋擴展進入更低的應(yīng)力區(qū)或材料的高韌性區(qū)時，裂紋就停止擴展。6）若模擬斷裂時的溫度對斷口附近材料做韌性能試驗，則發(fā)現(xiàn)其韌性均很差，對離斷口較遠材料進行力學(xué)性能復(fù)驗，其強度和伸長率往往仍符合原規(guī)范要求。二、焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因?qū)Ω鞣N焊接結(jié)構(gòu)脆斷

16、事故進行分析和研究，發(fā)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷是材料（包括母材和焊材）、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝三方面因素綜合作用的結(jié)果。就材料而言，主要是在工作溫度下韌性不足，就結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，主要是造成極為不利的應(yīng)力狀態(tài)，限制了材料塑性的發(fā)揮；就制造工藝而言，除了因焊接工藝缺陷造成嚴重應(yīng)力集中外，還因為焊接熱的作用改變了材質(zhì)（如產(chǎn)生熱影響區(qū)的脆化）和產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與變形等。L影響金屬材料脆斷的主要因素研究表明，同一種金屬材料由于受到外界因素的影響，其斷裂的性質(zhì)會發(fā)生改變，其中最主要的因素是溫度、加載速度和應(yīng)力狀態(tài)，而且這三者往往是共同起作用。溫度的影響溫度對材料斷裂性質(zhì)影響很大，圖3-5為熱軋低碳鋼的溫度一拉伸性能關(guān)

17、系曲線。從圖中可看出，隨著溫度降低，材料的屈服應(yīng)力心和斷裂應(yīng)力bb增加。而反映材料塑性的斷面收縮率少卻隨著溫度降低而降低，約在-200C時為零。這時對應(yīng)的屈服應(yīng)力與斷裂應(yīng)力接近相等，說明材料斷裂的性質(zhì)已從延性轉(zhuǎn)化為脆性。圖中屈服應(yīng)力bs與斷裂應(yīng)力人匯交處所對應(yīng)的溫度或溫度區(qū)間，被稱為材料從延性向脆性轉(zhuǎn)變的溫度，又稱為臨界溫度。其他鋼材也有類似規(guī)律，只是脆性轉(zhuǎn)變溫度的高低不同。因此，可以用作衡量材料抗脆性斷裂的指標。脆性轉(zhuǎn)變溫度受試驗條件影響，如帶缺口試樣的轉(zhuǎn)變溫度高于光滑試樣的轉(zhuǎn)變溫度。圖3-50.2%C鋼的溫度與拉伸性能關(guān)系溫度不僅對材料的拉伸性能有影響，也對材料的沖擊韌度、斷裂韌度發(fā)生類似

18、的影響。圖3-6為溫度對不同材料沖擊吸收功入的影響，圖3-7為溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼斷裂韌度Kc的影響；圖3-8為溫度對Mn-Cr-Mo-V鋼8c的影響?？煽闯鲭S著溫度降低，其韌性和韌度都下降，也都可以通過試驗確定其脆性轉(zhuǎn)變溫度。圖3-6溫度對三類不同材料沖擊吸收功的影響圖3-7溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼Kc的影響圖3-8溫度對Mn-Cr-Mo-V鋼8c的影響加載速度的影響實驗證明，鋼的屈服點門隨著加載速度提高而提高，見圖3-9。說明了鋼材的塑性變形抗力隨加載速度提高而加強，促進了材料脆性斷裂。提高加載速度的作用相當于降低溫度。圖3-9加載速度對口的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響塑性變形主要是由于

19、金屬晶體內(nèi)沿滑移面發(fā)生滑移，引起滑移的力學(xué)因素是切應(yīng)力。因此，金屬內(nèi)有切應(yīng)力存在，滑移可能發(fā)生。物體受外載時，在不同載面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力(T和切應(yīng)力。在主平面上作用有最大正應(yīng)力bmax,另一與之垂直的主平面上作用著最小主應(yīng)力bmin,與主平面成對45°角的平面上作用著最大的Tma.當CmaX達到屈服強度后產(chǎn)生滑移，表現(xiàn)為塑性變形。若。max先達到材料的切斷抗力，則發(fā)生延性斷裂。若最大拉正應(yīng)力bmax首先達到材料的正斷抗力，則發(fā)生脆性斷裂。因此，發(fā)生斷裂的性質(zhì)，既與材料的正斷抗力和切斷抗力有關(guān)，又與°maJbmax的比值有關(guān)。后者描述了材料的應(yīng)力狀態(tài)。顯然比值增大，塑斷可能

20、性大。反之，脆斷可能性大。Tmax/(Tmax的比值與加載方式和材料的形狀尺寸有關(guān)，桿件單軸拉伸時，Tmax/(TmaX=1/2；圓棒純扭轉(zhuǎn)時，Tmax/(Tmax=1；前者發(fā)生脆斷可能性大于后者。厚板結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài)，若61=(72=(73,則Tmax/(Tmax=0o這時塑性變形受到拘束，必然發(fā)生脆斷。裂紋尖端或結(jié)構(gòu)上其他應(yīng)力集中點和焊接殘余應(yīng)力容易出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)。材料狀態(tài)的影響前述三個因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的內(nèi)因。1）厚度的影響。厚度增大，發(fā)生脆斷可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限

21、制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方面是因為厚板相對于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差?？勾鄶嗄芰^低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，組織細密而均勻，具有較高抗斷能力。2）晶粒度的影響。對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，晶粒度越細，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。3）化學(xué)成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加，其強度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素會增大鋼材的脆性。而適量加入Ni、Cr、V、Mn等元素則有助減小鋼的脆性。必須指出，金屬材料韌性不足發(fā)生脆斷既有內(nèi)因，又有外因，

22、外因通過內(nèi)因起作用。但是上述三個外因的作用往往不是單獨的而是共同作用相互促進。同一材料光滑試樣拉伸要達到純脆性斷裂，其溫度一般都很低，（見圖3-6,低碳鋼約-200C左右）。如果是帶缺口試樣，則發(fā)生脆性斷裂的溫度將大大提高。缺口越尖銳，提高脆斷的溫度幅度就越大。說明不利的應(yīng)力狀態(tài)提高了脆性轉(zhuǎn)變溫度。如果厚板再加上帶有尖銳的缺口（如裂紋的尖端），在常溫下也會產(chǎn)生脆性斷裂。提高加載速度（如沖擊）也同樣使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度大幅度提高。2 .影響結(jié)構(gòu)脆斷的設(shè)計因素焊接結(jié)構(gòu)是根據(jù)焊接工藝特點和使用要求而設(shè)計的。設(shè)計上，有些不利因素是這類結(jié)構(gòu)固有特點造成的，因而比其他結(jié)構(gòu)更易于引起脆斷。有些則是設(shè)計不合理

23、而引起脆斷。這些因素是：（1）焊接連接是剛性連接焊接接頭通過焊縫把兩母材熔合成連續(xù)的，不可拆卸的整體，兩母材之間已沒有任何相對松動的可能。結(jié)構(gòu)一旦開裂，裂紋很容易從一個構(gòu)件穿越焊縫傳播到另一構(gòu)件，繼而擴展到結(jié)構(gòu)整體，造成整體斷裂，獅釘連接和螺栓連接不是剛性連接，接頭處兩母材是搭接，金屬之間不連續(xù)?？看罱用娴哪ゲ羵鬟f載荷，遇到偶然沖擊時，搭接面有相對位移可能，起到吸收能量和緩沖作用。萬一有一構(gòu)件開裂，裂紋擴展到接頭處因不能跨越而自動停止，不會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的斷裂。（2）結(jié)構(gòu)的整體性因其剛性大，導(dǎo)致對應(yīng)力集中因素特別敏感。（3）構(gòu)造設(shè)計上存在有不同程度的應(yīng)力集中因素焊接接頭中搭接接頭、T字（或十字）

24、接頭和角接接頭，本身就是結(jié)構(gòu)上不連續(xù)部位。連接這些接頭的角焊縫，在焊趾和焊根處便是應(yīng)力集中點。對接接頭是最理想的接頭形式，但也隨著余高的增加，使焊趾的應(yīng)力集中趨于嚴重。（4）結(jié)構(gòu)細部設(shè)計不合理焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，重視選材和總體結(jié)構(gòu)的強度和剛度計算是必須的，但構(gòu)造設(shè)計不合理，尤其是細部設(shè)計考慮不周，也會導(dǎo)致脆斷的發(fā)生。因為焊接結(jié)構(gòu)的脆斷總是從焊接缺陷處或幾何形狀突變、應(yīng)力和應(yīng)變集中處開始的。下面列舉幾種不妥的構(gòu)造設(shè)計，它可能成為脆斷的誘因。斷面突變處不作過渡處理；造成三向拉應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)造設(shè)計，如用過厚的板，焊縫密集，三向焊縫匯交，造成在拘束狀態(tài)下施焊，復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布等；在高工作應(yīng)力區(qū)布置焊縫；在重

25、要受力構(gòu)件上隨便焊接小附件而又不注意焊接質(zhì)量；不便于施焊的構(gòu)造設(shè)計，這樣的設(shè)計最容易引起焊縫內(nèi)外缺陷。3 .影響結(jié)構(gòu)脆斷的工藝因素焊接結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中一般要經(jīng)歷下料、冷（或熱）成形、裝配、焊接、矯形和焊后熱處理工序。金屬材料經(jīng)過這些工序其材質(zhì)可能發(fā)生變化，焊接可能產(chǎn)生缺陷，焊后產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形等，都對結(jié)構(gòu)脆斷有影響。應(yīng)變時效對結(jié)構(gòu)脆斷的影響鋼材隨時間發(fā)生脆化的現(xiàn)象稱為時效。鋼材經(jīng)一定塑性變形后發(fā)生的時效稱為應(yīng)變時效。焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程中有兩種情況可以產(chǎn)生應(yīng)變時效，一種是當鋼材經(jīng)剪切、冷成形或冷矯形等工序產(chǎn)生了一定塑性變形（冷作硬化）后經(jīng)150450c溫度加熱而產(chǎn)生應(yīng)變時效。另一種是焊接時，由于

26、加熱不均勻，近縫區(qū)的金屬受到不同熱循環(huán)作用，尤其是當近縫區(qū)上有某些尖銳刻槽或在多層焊的先焊焊道中存在有缺陷，便會在刻槽和缺陷處形成焊接應(yīng)力一應(yīng)變集中，產(chǎn)生了較大的塑性變形，結(jié)果在熱循環(huán)和塑性變形同時作用下產(chǎn)生應(yīng)變時效，這種時效稱熱應(yīng)變時效，或動應(yīng)變時效。研究表明，許多低強度鋼應(yīng)變時效引起局部脆化非常嚴重，它大大降低了材料延性，提高了材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使材料的缺口韌性和斷裂韌度值下降；熱（動）應(yīng)變時效對脆性的影響比冷作硬化后的應(yīng)變時效來得大，即前者的脆性轉(zhuǎn)變溫度高于后者。焊后熱處理（550560C）可消除這兩類應(yīng)變時效對碳鋼和某些合金鋼結(jié)構(gòu)脆斷的影響，可恢復(fù)其韌性。因此，對應(yīng)變時效敏感的鋼材，

27、焊后熱處理是必要的，既可消除焊接殘余應(yīng)力，也可改善這種局部脆化，對防止結(jié)構(gòu)脆斷有利。（2）焊接接頭非均質(zhì)性的影響焊接接頭中焊縫金屬與母材之間有強度匹配問題以及焊接的快速加熱與冷卻使焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生金相組織變化問題。這些非均質(zhì)性對結(jié)構(gòu)脆斷有很大影響。1）焊縫金屬與母材不匹配。目前結(jié)構(gòu)鋼焊接在選擇焊接填充金屬時，總是以母材強度為依據(jù)。由于焊材供應(yīng)或焊接工藝需要等原因，可能有三種不同的強度匹配（又稱組配）的情況，即焊縫金屬強度略高于母材金屬的高匹配、等于母材金屬和略低于母材金屬的低匹配。這三者只考慮了強度問題，忽略了對脆斷影響最大的延性和韌性匹配問題，因而不夠全面。通常強度級別高的鋼材其延性和韌性

28、都較好。很難做到既等強度又等韌性的理想匹配。通過對不同強度級別鋼材以不同強度匹配的焊接接頭抗斷裂試驗研究發(fā)現(xiàn)，焊縫強度高于母材的焊接接頭（高匹配）對抗脆斷較為有利。這種高匹配接頭的極限裂紋尺寸acr比等匹配和低匹配的接頭來得大，而且焊縫金屬的止裂性能也較高。這種現(xiàn)象被認為是高匹配的焊縫金屬受到周圍軟質(zhì)母材的保護，變形大部分發(fā)生在母材金屬上。采用高匹配并不意味著可放低焊縫金屬塑性和韌性的要求。因為焊接工藝方面和焊縫金屬抗開裂方面對塑、韌性的基本要求也應(yīng)滿足。因此認為，要求焊縫和母材具有相同的塑性，而強度稍高于母材是最佳的匹配方案。2）接頭金相組織發(fā)生變化。焊接局部快速加熱和冷卻的特點，使焊縫和熱

29、影響區(qū)發(fā)生一系列金相組織的變化，因而相應(yīng)地改變了接頭部位的缺口韌性，圖3-10所示為碳一鎰鋼焊條電弧焊后焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材COD試驗的結(jié)果。在這種情況下焊縫金屬具有最高轉(zhuǎn)變溫度，這可能與焊縫的鑄造組織有關(guān)。熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)和細晶區(qū)的缺口韌性相差很多，粗晶區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)之一，有些鋼的試驗表明，它的臨界轉(zhuǎn)變溫度可比母材提高50100C。圖3-10焊接接頭不同部位的韌性熱影響區(qū)的顯微組織主要取決于母材的原始顯微組織、材料的化學(xué)成分，焊接方法和焊接熱輸入。對于確定的鋼種和焊接方法來說，主要取決于焊接熱輸入。實踐表明，對高強度鋼的焊接，用過小的熱輸入，接頭散熱快，造成淬火組織并易產(chǎn)生裂紋

30、；過大熱輸入造成過熱，因晶粒粗大而脆化，降低材料的韌性。通常需要通過工藝試驗，確定出最佳的焊接熱輸入。采用多層焊可獲得較滿意的接頭韌性，因為每道焊縫可以用較小的工藝參數(shù)，且每道焊縫的焊接熱循環(huán)對前一道焊縫和熱影響區(qū)起到熱處理作用，有利于改善接頭韌性。焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)脆斷的影響是有條件的，在材料的開裂轉(zhuǎn)變溫度以下（材料已變脆）時，焊接拉伸殘余應(yīng)力有不利影響，它與工作應(yīng)力疊加，可以形成結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力脆性破壞；而在轉(zhuǎn)變溫度以上時，焊接殘余應(yīng)力對脆性破壞無不利影響。焊接拉伸殘余應(yīng)力具有局部性質(zhì)，一般只限于焊縫及其附近部位，離開焊縫區(qū)其值迅速減小。峰值殘余拉應(yīng)力有助于斷裂產(chǎn)生，若在峰值

31、殘余拉應(yīng)力處存在有應(yīng)力集中因素則是非常不利的。焊接殘余應(yīng)力會改變脆性裂紋的走向。用圖3-11所示的具有斜焊縫的均溫止裂（ESSO）試驗表明，如試樣未經(jīng)退火，試驗時也不施加外力，沖擊引發(fā)裂紋后，則裂紋在殘余應(yīng)力作用下，將沿平行焊縫方向擴展，隨外加應(yīng)力b增大，開裂路徑愈來愈接近與外加應(yīng)力方向垂直的試樣中心線。如果試樣經(jīng)退火完全消除殘余應(yīng)力，則開裂路徑與試樣中心線重合。圖3-11裂紋擴展路徑焊接工藝缺陷的影響焊接接頭中，焊縫和熱影響區(qū)是最容易產(chǎn)生焊接缺陷的地方。美國對第二次世界大戰(zhàn)中焊接船舶脆斷事故調(diào)查表明，40%的脆斷事故是從焊縫缺陷處引發(fā)的?？梢园讶毕莺徒Y(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)性劃分為三種類型：平面缺陷：

32、包括未熔合、未焊透、裂紋以及其他類裂紋缺陷；體積缺陷：氣孔、夾渣和類似缺陷，但有些夾渣和氣孔（如線性氣孔）常與未熔合有關(guān)，這些缺陷可按類裂紋缺陷處理；成形不佳：焊縫太厚、角變形、錯邊等。這三類缺陷中以平面缺陷結(jié)構(gòu)斷裂影響最為嚴重，而平面缺陷中又以裂紋缺陷影響為甚。裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變集中嚴重，最易導(dǎo)致脆性斷裂。裂紋的影響程度不但與其尺寸、形狀有關(guān)，而且與其所在位置有關(guān)。若裂紋位于高值拉應(yīng)力區(qū)，就更容易引起低應(yīng)力破壞。若在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)（如壓力容器的接管處、鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點上）產(chǎn)生焊接缺陷，則很危險。因此，最好將焊縫布置在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)以外。體積缺陷也同樣削減工作截面而造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)。也是產(chǎn)生應(yīng)力集

33、中的部位，它對脆斷的影響程度決定于缺陷的形態(tài)和所處位置。試驗表明，焊接角變形越大，破壞應(yīng)力也越低；對接接頭發(fā)生錯邊，就與搭接接頭相似，會造成載荷與重心不同軸，產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。圖3-12為接頭角變形和錯邊造成的附加彎矩。焊縫有余高，在焊趾處易產(chǎn)生高值的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在該處開裂。通常采取打磨焊趾處，使焊縫與母材圓滑過渡，也可在焊趾處作僦弧重熔或堆焊一層防裂焊縫來降低應(yīng)力集中。圖3-12接頭角變形與錯邊造成附加彎矩a）角變形b）錯邊三、防止焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞的措施材料在工作條件下韌性不足，結(jié)構(gòu)上存在嚴重應(yīng)力集中（包括設(shè)計上和工藝上）和過大的拉應(yīng)力（包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力和溫度應(yīng)力）是造成結(jié)構(gòu)脆性破壞的主要因素。若能有效地解決其中一方面因素所存在的問題，則發(fā)生脆斷的可能性將顯著減小。通常是從選材、設(shè)計和制造三方面采取措施來防止結(jié)構(gòu)的脆性破壞。L正確選用材料所選鋼材和焊接填充金屬材料應(yīng)保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性。為此選材時應(yīng)注意以下兩點：1）在結(jié)構(gòu)工作條件下，焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的最脆部位應(yīng)有足夠的抗開裂性能，母材應(yīng)具有一定的止裂性能。也就是，首先不讓接頭處開裂，萬一開裂，母材能夠制止裂紋的傳播。2）鋼材的強度和韌度要兼顧，不能片面追求強度指標。2 .合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計有脆斷傾向的焊接結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注意