焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂演示文稿

焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂演示文稿當(dāng)前第1頁\共有94頁\編于星期三\5點（優(yōu)選）焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂當(dāng)前第2頁\共有94頁\編于星期三\5點5.1脆斷事故和研究脆斷的意義焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來，曾發(fā)生過一些脆性斷裂事故這些事故無征兆，是突然發(fā)生的，一般都有災(zāi)難性后果當(dāng)前第3頁\共有94頁\編于星期三\5點橋梁脆性斷裂（特例）位于加拿大的圣勞倫斯河之上的QuebecBridge本該是著名設(shè)計師TheodoreCooper的一個真正有價值的不朽杰作。作為當(dāng)時世界上最長跨度的鋼懸臂橋，庫帕忘乎所以地把大橋的主跨由490米延伸至550米，以此節(jié)省建造橋墩基礎(chǔ)的成本。當(dāng)前第4頁\共有94頁\編于星期三\5點QuebecBridge

坍塌后的慘狀

然而就在這座橋即將竣工之際，悲劇發(fā)生了。1907年8月29日，大橋桿件發(fā)生失穩(wěn)，突然倒塌，19000噸鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還。由于庫帕的過分自信而忽略了對橋梁重量的精確計算，導(dǎo)致了一場事故。當(dāng)前第5頁\共有94頁\編于星期三\5點9年后，不幸的是悲劇再次發(fā)生1913年，這座大橋的建設(shè)重新開始1916年9月，中間跨度最長的一段橋身在被舉起過程中突然掉落塌陷。結(jié)果13名工人被奪去了生命。事故原因：舉起過程中一個支撐點的材料指標(biāo)不足。慘痛教訓(xùn)：86-11+13=88當(dāng)前第6頁\共有94頁\編于星期三\5點跨度最長的一段橋身突然掉落塌陷事故的原因是舉起過程中一個支撐點的材料指標(biāo)合格造成的。當(dāng)前第7頁\共有94頁\編于星期三\5點1917年，在經(jīng)歷了兩次慘痛的悲劇后，魁北克大橋終于竣工通車，這座橋至今仍然是世界上最長的懸臂跨度大橋之一。

當(dāng)前第8頁\共有94頁\編于星期三\5點輪船的脆性斷裂—著名的事故調(diào)查一九四六年，美國海軍部發(fā)表資料表明，在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國制造的4694艘船只中，發(fā)現(xiàn)在970嫂船上有1442處裂紋。這些裂紋多出現(xiàn)在萬噸級的自由輪上，其中24艘甲板全部橫斷，1艘船底發(fā)生完全斷裂，8艘從中腰斷為兩半，其中4艘沉沒。上述事故有的發(fā)生在風(fēng)平浪靜的情況下。對象：萬噸級的自由輪時間：二次大戰(zhàn)期間所屬：US海軍部當(dāng)前第9頁\共有94頁\編于星期三\5點裂紋攔腰擴展——油輪當(dāng)前第10頁\共有94頁\編于星期三\5點WhytheTitanicSunk

？

當(dāng)前第11頁\共有94頁\編于星期三\5點直徑24m*16m高糖蜜罐-30℃下脆斷4000t人員和財產(chǎn)巨大損失P180表5-2典型脆斷事例統(tǒng)計當(dāng)前第12頁\共有94頁\編于星期三\5點調(diào)查研究脆斷發(fā)現(xiàn)的特點：低應(yīng)力、沒有顯著的塑性變形塑性材料也發(fā)生脆斷總是由裂紋源（0.1mm以上）擴展引起超過某個臨界尺寸就以極高速度擴展中、低強度鋼常發(fā)生在較低溫度，高強度鋼沒有明顯的溫度效應(yīng)當(dāng)前第13頁\共有94頁\編于星期三\5點必須高度重視引起焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因是多方面的，它涉及材料選用不當(dāng)、構(gòu)造設(shè)計不合理、制造質(zhì)量和檢驗技術(shù)不完善等；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。當(dāng)前第14頁\共有94頁\編于星期三\5點5.2金屬材料的斷裂及其影響因素同一種材料在不同條件下可以顯示出不同的破環(huán)形式。研究表明，最重要的影響因素是：溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度例如溫度越低、加載速度越大，材料中三向應(yīng)力狀態(tài)越嚴重則發(fā)生解理斷裂的傾向性越大。這就是說，在一定溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度下材料呈延性破壞。而在另外的條件下，材料又呈脆性破壞。此外晶粒度及顯微組織對材料破壞傾向也有重大影響。當(dāng)前第15頁\共有94頁\編于星期三\5點5.2.1金屬材料斷裂的形態(tài)特征工程上分類：僅有延性斷裂和脆性斷裂兩種區(qū)分兩者的方法：斷口在斷裂前的塑性變形量如何分析：材料狀態(tài)-

工作條件-斷裂性質(zhì)當(dāng)前第16頁\共有94頁\編于星期三\5點斷口：金屬破斷后獲得的一對相互匹配的斷裂表面及其外觀形貌記錄著有關(guān)斷裂全過程的許多珍貴信息

斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等均可由斷口獲得斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)

定義裂紋擴展區(qū)對另外兩個區(qū)面積的比值為R,則通常把R=1時的斷裂溫度稱為材料的韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度（或延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度、塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度）

斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的地方。當(dāng)前第17頁\共有94頁\編于星期三\5點延性斷裂DuctileFracture延性斷裂過程：金屬材料在載荷作用下，首先產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一數(shù)值，材料即發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形。繼續(xù)加大載荷，金屬將進一步變形，繼而發(fā)生微裂口或微空隙，這些微裂口或微空隙一經(jīng)形成，便在隨后的加載過程中逐步匯合起來，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋發(fā)展到一定尺寸后，擴展而導(dǎo)致最后斷裂。微觀特征：韌窩當(dāng)前第18頁\共有94頁\編于星期三\5點延性斷裂的表面SEM圖片韌窩花樣和硫化物（Sulfide）顆粒材料：ASTM1080碳素鋼化學(xué)成分：C：0.75-0.88Mn:0.69-0.90P:≤0.040S硫:≤0.050Si:≤0.10Cu:銅≤0.20dimple當(dāng)前第19頁\共有94頁\編于星期三\5點韌窩的形成的兩種機制(a)微孔聚集模型(b)在第二相粒子處形核模型當(dāng)前第20頁\共有94頁\編于星期三\5點三種基本韌窩形態(tài)等軸韌窩：在正應(yīng)力的作用下,顯微空洞周邊均勻增長,斷裂之后形成近似圓形的等軸韌窩。

實際斷口常常是混合型韌窩當(dāng)前第21頁\共有94頁\編于星期三\5點三種基本韌窩形態(tài)——撕裂韌窩：在切應(yīng)力作用下形成的,通常出現(xiàn)在拉伸或沖擊斷口的剪切唇上,其形狀呈拋物線形,匹配斷面上，拋物線的凸向相反。當(dāng)前第22頁\共有94頁\編于星期三\5點三種基本韌窩形態(tài)——剪切韌窩：在撕裂應(yīng)力的作用下形成,常見于尖銳裂紋的前端及平面應(yīng)變條件下低能撕裂斷口上,也呈拋物線形,但在匹配斷口上,撕裂韌窩不但形狀相似,而且拋物線的凸向也相同。當(dāng)前第23頁\共有94頁\編于星期三\5點脆性斷裂-脆性斷裂是指材料在未斷裂之前無塑性形變發(fā)生,或發(fā)生很小的塑性形變導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象

解理斷裂定義：是金屬在正應(yīng)力作用下,由于原子結(jié)合鍵被破壞而造成沿一定晶體學(xué)平面(即解理面)快速分離。包括半解理斷裂及晶界(沿晶)斷裂。主要特征：在工作應(yīng)力低于材料的設(shè)計應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形情況下，金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生瞬時、突然破壞的斷裂（裂紋擴展速度可高達1500～2000m/s）。解理面一般是表面能量最小的晶面。常見的解理面見表1。面心立方晶系的金屬及合金,在一般情況下,不發(fā)生解理斷裂。微觀機制：解理斷裂、準解理斷裂和晶界斷裂當(dāng)前第24頁\共有94頁\編于星期三\5點典型的解理斷口當(dāng)前第25頁\共有94頁\編于星期三\5點解理斷口典型特征河流花樣裂紋擴展中解理（臺）階在圖像上的表現(xiàn)形式態(tài)。裂源在河流的上游某處的晶界舌狀花樣主解理面與孿晶面相遇形成的短暫的二次解理當(dāng)前第26頁\共有94頁\編于星期三\5點BrittleFracture裂紋源板件斷口的人字紋匯集的河流花樣當(dāng)前第27頁\共有94頁\編于星期三\5點解理花樣，二次裂紋明顯，并有空穴狀形貌

M30×160大六角高強度螺栓，材質(zhì)：42CrMo

上海市機械制造工藝研究所有限公司當(dāng)前第28頁\共有94頁\編于星期三\5點準解理斷口介于解理斷裂和塑性斷裂之間的一種斷裂形式。在電子顯微鏡中觀察其斷口時，既有韌窩花樣，但又較淺，顯示塑性較低；既有平坦的小晶面，但又不是沿結(jié)晶學(xué)平面斷開的解理面，既有河流花樣，但又顯得短而彎曲，而且又有顯示發(fā)生過局部一定塑性變形的撕裂棱。

——準解理斷口的特征當(dāng)前第29頁\共有94頁\編于星期三\5點基本斷裂機制的比較微觀形貌沿晶解理準解理韌窩當(dāng)前第30頁\共有94頁\編于星期三\5點鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析宏觀斷口1024×當(dāng)前第31頁\共有94頁\編于星期三\5點5.2.2影響金屬脆斷的主要因素

——應(yīng)力狀態(tài)、溫度、加載速率和材料的狀態(tài)1應(yīng)力狀態(tài)的影響SOT正斷抗力τT

剪切屈服極限τK

剪斷抗力剪斷——1正斷——延性斷——脆斷——2當(dāng)前第32頁\共有94頁\編于星期三\5點應(yīng)力狀態(tài)的影響物體受外載時，在不同載面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ。在主平面上作用有最大正應(yīng)力σmax，另一與之垂直的主平面上作用著最小主應(yīng)力σmin，與主平面成對45°角的平面上作用著最大的τmax。當(dāng)τmax達到屈服強度后產(chǎn)生滑移，表現(xiàn)為塑性變形。若τmax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σmax首先達到材料的正斷抗力，則發(fā)生脆性斷裂。當(dāng)前第33頁\共有94頁\編于星期三\5點因此，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τmax/σmax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，塑斷可能性大。反之，脆斷可能性大。τmax/σmax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，τmax/σmax=1/2；圓棒純扭轉(zhuǎn)時，τmax/σmax=1；前者發(fā)生脆斷可能性大于后者。當(dāng)前第34頁\共有94頁\編于星期三\5點缺口效應(yīng)厚板結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài)，若σ1=σ2=σ3，則τmax/σmax=0。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)力容易引發(fā)三向應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)前第35頁\共有94頁\編于星期三\5點5.2.2影響金屬脆斷的主要因素

2溫度的影響溫度↓，剪切屈服↑，正斷抗力不變，故，斷裂由塑性斷裂→脆性斷裂當(dāng)前第36頁\共有94頁\編于星期三\5點5.2.2影響金屬脆斷的主要因素

3加載速度的影響實驗證明，鋼的σs隨著加載速度提高而提高。提高加載速度的作用相當(dāng)于降低溫度。當(dāng)前第37頁\共有94頁\編于星期三\5點5.2.2影響金屬脆斷的主要因素

4材料狀態(tài)的影響厚度易成三軸應(yīng)力狀態(tài)軋制的壓延量-終軋溫度-組織粗細程度晶粒度對低碳鋼和低合金鋼，d↓——Tk↓成分:C、N、O、H、S增加鋼的脆性Mn、Ni、Cr、V適量可減少鋼的脆性當(dāng)前第38頁\共有94頁\編于星期三\5點5.3材料斷裂的評定方法某種材料在什么條件下斷裂，斷裂方式如何？評定材料的抗斷裂能力當(dāng)前第39頁\共有94頁\編于星期三\5點5.3.1轉(zhuǎn)變溫度方法這種方法是用轉(zhuǎn)變溫度作為標(biāo)準來評定鋼材的脆性——韌性行為的：用途即把由某種方法測出的某種轉(zhuǎn)變溫度與結(jié)構(gòu)的使用溫度聯(lián)系起來。這種方法的基礎(chǔ)是建立在實驗和使用經(jīng)驗上。因此不論在實驗室里，還是在實際工程中都積累了豐富的數(shù)據(jù)而且試驗方法比較簡單。盡管近年來斷裂力學(xué)已取得很大進展，但目前還不能完全取代它。當(dāng)前第40頁\共有94頁\編于星期三\5點沖擊試驗（impacttest）裝置和試樣CharpyV（夏貝V）和CharpyU（夏貝U）根據(jù)工程中采用較廣泛的是沖擊試驗方法。這種試驗由于試件小，容易制備，費用低，因此不論作為材料質(zhì)量控制，還是對事故進行分析研究，在各國都得到普通采用。卻貝V形缺口沖擊試驗在研究焊接船舶脆斷事故時曾被大量采用，積累了許多有參考價值的數(shù)據(jù)。梅氏試件在有些國家中用得較多。試驗結(jié)果表明，V形卻貝標(biāo)準試件比梅氏試件更能反映脆斷問題的實質(zhì)。當(dāng)前第41頁\共有94頁\編于星期三\5點沖擊試樣世界各國常用的彎曲沖擊試樣如圖2所示。中國有關(guān)標(biāo)準規(guī)定采用橫梁式試驗法，所用標(biāo)準試樣以U形缺口試樣和V形缺口試樣為主。圖5-8，p187當(dāng)前第42頁\共有94頁\編于星期三\5點國外的試樣基本尺寸：10*10*55缺口形狀和尺寸當(dāng)前第43頁\共有94頁\編于星期三\5點CharpyV試件斷口與溫度實例材料：A36（一種高速鋼）℃韌性斷口韌性斷口當(dāng)前第44頁\共有94頁\編于星期三\5點沖擊試驗的評定標(biāo)準——能量標(biāo)準實驗證明，隨著溫度上升，打斷試件所需的沖擊能量也顯著上升，可以用它來衡量材料的脆性——韌性轉(zhuǎn)變特性，如圖所示。一般認為，這種能量轉(zhuǎn)變主要取決于裂紋產(chǎn)生前和裂紋開始擴展時缺口根部的塑性變形量，當(dāng)塑性變形較小時，需要較小的沖擊功，而變形較大時，則需要較大的沖擊功。這意味著在這個轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間以上，只有當(dāng)缺口根部發(fā)生了一定塑性變形值后，才會開裂，而在這個溫度區(qū)間以下時，在缺口根部塑性變形很小，甚至幾乎沒有塑性變形時就會開裂。-80-4004080120160溫度，°F當(dāng)前第45頁\共有94頁\編于星期三\5點沖擊試驗的評定標(biāo)準——斷口標(biāo)準斷口標(biāo)準：即以試件的斷口形貌來衡量轉(zhuǎn)變溫度特性的。一般稱作斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度。它標(biāo)志著金屬特性這樣一個變化，即當(dāng)在溫度較低時，試件具有擴展快，吸收能量低的解理斷口；而在溫度較高時，將由擴展慢，吸收能量高的剪切破壞所代替。這是衡量開裂后裂紋擴展行為的標(biāo)志，也就是說，它代表了由品粒狀破壞向纖維狀剪切破壞的轉(zhuǎn)變(圖)。在試驗中，由于裂紋在擴展時，其前沿金屬所承受的加載速率較高，故斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度是不會低于斷裂能轉(zhuǎn)變溫度的。在實際工作中，常以斷口晶粒狀斷面百分率達到某一百分數(shù)(例如50％)的溫度作轉(zhuǎn)變溫度的。-80-4004080120160溫度，°F半鎮(zhèn)靜低碳鋼0.18C0.54Mn0.07Si當(dāng)前第46頁\共有94頁\編于星期三\5點沖擊試驗的評定標(biāo)準——延性標(biāo)準延性標(biāo)準：即測量出沖擊試件缺口根部厚度隨溫度的變化，具體地說是測量隨著溫度增加缺口根部的橫向收縮量或無缺口面的橫向膨脹星(圖c)。對應(yīng)于3．8％的側(cè)面膨脹率的溫度是較常采用的轉(zhuǎn)變溫度。半鎮(zhèn)靜低碳鋼0.18C0.54Mn0.07Si當(dāng)前第47頁\共有94頁\編于星期三\5點碳含量對CharpyV-notch鋼的能量-溫度行為的影響碳含量越高，沖擊功越低，Tc越高當(dāng)前第48頁\共有94頁\編于星期三\5點5.3.2爆炸膨脹試驗是用全厚度的355mm×355mm正方形鋼板作試件，在試件中央堆焊一小段脆性焊道，并鋸一缺口作為起裂點，然后將其安置在環(huán)形支座上，從上方用炸藥包施加爆炸壓力(圖)。同一種材料在不同溫度下，可以出現(xiàn)四種不同的斷裂情況：當(dāng)前第49頁\共有94頁\編于星期三\5點爆炸膨脹試驗的四種斷裂情況1、平裂情況鋼板沒有產(chǎn)生凹陷變形而斷裂，這說明斷裂是完全脆性的。2、凹裂情況即鋼板產(chǎn)生一定的凹陷而裂開，裂紋直貫板的邊緣，這種破壞情況已帶有一定的塑性，但基本上還是脆性的。3、凹陷和局部斷裂情況鋼板有明顯的凹陷．但僅在起裂點周圍有少量破裂，而裂紋沒有超越塑性變形區(qū)．這種情況說明材料具有較大的韌性。4、膨脹撕裂情況鋼板發(fā)生較大的膨脹，裂口是被撕開的。這表明完全是塑性破壞的情況。四種情況引出三個不同的轉(zhuǎn)變溫度：NDT、FTE、FTP當(dāng)前第50頁\共有94頁\編于星期三\5點在1和2之間存在著一個臨界溫度，低于它材料發(fā)生平裂，高于它發(fā)生凹裂，此溫度稱之為無延性轉(zhuǎn)變溫度，簡稱NDT(NilDuctilityTransition)。它表明當(dāng)溫度低于NDT時，材料斷裂沒有延性，斷裂是脆性的。同時在2和3之間存在著一個彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度，簡稱FTE(FractureTransitionElastic)。在這個溫度以下，裂紋能夠向低應(yīng)力區(qū)擴展；高于這個溫度，裂紋只能在應(yīng)力達到屈服點范圍內(nèi)擴展，而不向低應(yīng)力區(qū)域擴展。另外在3和4之間存在著一個延性斷裂轉(zhuǎn)變溫度，簡稱FTP(FractureTransitionPlastic)。在此溫度之上，斷裂完全是塑性撕裂的。低強度鋼（25.4mm厚）的經(jīng)驗公式：FTE=NDT+33℃（60F）FTP=FTE+33℃（60F）NDT還可用簡單的落錘試驗求出。當(dāng)前第51頁\共有94頁\編于星期三\5點落錘試驗比前者容易實現(xiàn)（免用炸藥）這種試驗的最大優(yōu)點是試驗條件比較符合焊接結(jié)構(gòu)的實際情況．且方法簡便，設(shè)備簡單。因此國內(nèi)外用這種方法進行了許多試驗，積累了大量數(shù)據(jù)。用于指導(dǎo)設(shè)計的創(chuàng)斷裂分析圖就是通過這種試驗方法并參照其它大型試驗結(jié)果建立起來的。例如曾經(jīng)利用直徑為2．743m(9呎)，預(yù)開裂紋最大達400mm(16吋）的球罐進行加壓加壓開裂試驗，測出斷裂應(yīng)力。斷裂應(yīng)力隨預(yù)開裂紋增大而下降。將這些結(jié)果作在圖上，得出如圖的斷裂分析圖。當(dāng)前第52頁\共有94頁\編于星期三\5點斷裂分析圖(FAD)FractureDiagram1”8”12”24”當(dāng)前第53頁\共有94頁\編于星期三\5點[annotation]BrittleFractureDOE-HDBK-1017/2-93

BRITTLEFRACTUREMECHANISMFigure3isagraphofstressversustemperature,showingfractureinitiationcurvesforvariousflawsizes.Itis

clear

fromtheabove

discussion

that

we

must

operateabove

the

NDT

temperature

to

beFigure3

FractureDiagramcertain

that

nobrittle

fracture

can

occur.

For

greater

safety,

it

is

desirable

that

operation

belimitedabovetheFTEtemperature,orNDT+60°F.Undersuchconditions,nobrittlefracturecanoccurforpurelyelasticloads.Aspreviouslydiscussed,irradiationofthepressurevesselcanraisetheNDTtemperatureoverthelifetimeofthereactorpressurevessel,restrictingtheoperatingtemperaturesandstressonthe

vessel.

It

should

be

clear

that

this

increase

in

NDT

can

lead

to

significant

operatingrestrictions,especiallyafter25yearsto30yearsofoperationwheretheNDTcanraise200°Fto300°F.

Thus,iftheFTEwas60°FatthebeginningofvessellifeandachangeintheNDTof300°Foccurredoveraperiodoftime,

thereactorcoolantwouldhavetoberaisedtomorethan360°Fbeforefullsystempressurecouldbeapplied.Figure3

FractureDiagram裂紋尺寸↑→脆斷應(yīng)力↓→脆性轉(zhuǎn)變溫度↑通常脆性斷裂系指沿一定結(jié)晶面的劈裂的解理斷裂(包括半解理斷裂)及晶界(沿晶)斷裂。當(dāng)前第54頁\共有94頁\編于星期三\5點

靜載試驗這類試驗較大型的有梯普爾(Tipper)和范德文(VanderVeen)等全板厚缺口靜拉伸及靜彎曲試驗等，這里只介紹一種類似卻貝試樣的小試件的靜彎試驗。我國有的單位將這種試驗用于低溫鋼的評定上。蘇聯(lián)造船規(guī)范中將該試驗作為確定“臨界脆裂溫度”的試驗。當(dāng)前第55頁\共有94頁\編于星期三\5點問題的進一步提出轉(zhuǎn)變溫度方法已有很長的歷史，脆斷還是不斷發(fā)生?！百|(zhì)疑”轉(zhuǎn)變溫度法影響因素會發(fā)生變化；沒有建立許用應(yīng)力水平與缺陷尺寸的定量關(guān)系。。。。修復(fù)昂貴又危險。。。容限問題斷裂力學(xué)出現(xiàn)了，微觀和宏觀的（線彈性和彈塑性斷裂力學(xué)）研究內(nèi)容：物體裂紋擴展規(guī)律和斷裂準則。當(dāng)前第56頁\共有94頁\編于星期三\5點5.3.2斷裂力學(xué)方法由裂紋擴展(金屬材料斷裂)的能量理論看出：結(jié)構(gòu)破壞因素不僅取決于工作應(yīng)力σ還取決于裂紋尺寸。斷裂力學(xué)就是在承認材料中存在裂紋，在分析裂紋體的基礎(chǔ)上，建立了材料中工作應(yīng)力和裂紋尺寸及斷裂韌度之間的關(guān)系。當(dāng)然溫度、加裁速串、構(gòu)件尺寸、冶金因素等都會改變斷裂韌度的大小。當(dāng)前第57頁\共有94頁\編于星期三\5點帶有橢圓裂紋的物體斷裂

（舉例說明圖5-14）理論斷裂強度σt：完整晶體在正應(yīng)力作用下沿某個垂直于應(yīng)力軸的原子面被拉斷時的應(yīng)力。當(dāng)前第58頁\共有94頁\編于星期三\5點金屬材料的脆性斷裂的

——格里菲斯能量理論大量的研究和實驗表明，固體材料的實際斷裂強度只有它的理論斷裂強度σt的1/10~1/1000。為什么會有這樣巨大的差異呢?板厚等于1圖5-15、5-16當(dāng)前第59頁\共有94頁\編于星期三\5點葛里菲斯）從理論上并用實驗證實了這一點時間：1920年提出脆性材料的斷裂理論：前提：受均勻拉伸的無限大彈性板中的一個貫穿橢圓裂紋，導(dǎo)出如下公式：

拉伸應(yīng)力，然后將其兩端固定，以杜絕外部能源；設(shè)想在這塊平板上加工一個垂直于拉應(yīng)力σ方向長度為2a穿透板厚的裂紋。切開裂紋后，平板內(nèi)貯存的彈性應(yīng)變能將有一部分被釋放出來，其釋放量設(shè)為（U）。又由于裂紋出現(xiàn)后有新的表面形成，要吸收能量，設(shè)其值為W

，則系統(tǒng)能量的總改變量E由下式表出：E=-U+W此兩種能量釋放、吸收（提供、消耗）可以分別計算出來。當(dāng)前第60頁\共有94頁\編于星期三\5點裂紋釋放的彈性應(yīng)變能U：（Inglis提出的）為負值另一方面，設(shè)裂紋的單位表面積吸收的表面能密度為γe則形成裂紋體其總的能量變化為：能量變化總量隨a的變化率為裂紋擴展的臨界條件是裂紋擴展的自發(fā)性，釋放的能量必須大于消耗的能量。即當(dāng)前第61頁\共有94頁\編于星期三\5點脆性材料的臨界應(yīng)力和臨界尺寸可以得到：裂紋擴展的臨界應(yīng)力和臨界尺寸以及裂紋尖端的曲率半徑。將物理的和彈性的臨界應(yīng)力比較發(fā)現(xiàn)，裂紋的尖銳度是其使用的條件，或使用范圍——脆性材料當(dāng)前第62頁\共有94頁\編于星期三\5點金屬材料的脆斷能量公式？在金屬材料中，當(dāng)裂紋擴展時，裂紋前端局部地區(qū)要發(fā)生一定的塑性變形。X光射線分析證實了金屬斷裂表面有塑性變形的薄層。因此，歐文和奧羅萬

(Orowan)提出，裂紋擴展所釋放的變形能不僅用于前述的表面能，對于金屬材料而言，更重要的是用于裂紋擴展前的塑性變形。設(shè)γp

為裂紋擴展單位面積所需的塑性變形能，則在葛里菲斯能量方程里應(yīng)以(γe+γp)來代替γe。裂紋擴展的臨界條件為：當(dāng)前第63頁\共有94頁\編于星期三\5點塑性變形是阻止裂紋擴展的主要因素？

即塑性變形能γp是阻止裂紋擴展的主要因素。

由能量原理可以看出，結(jié)構(gòu)的斷裂條件不僅決定于工作應(yīng)力σ的大小，還取決于原始裂紋長度2a。這個結(jié)論和歐文(Irwin)分析裂紋前端應(yīng)力應(yīng)變場，考慮裂紋尖端應(yīng)力集中，建立新的裂紋擴展臨界條件是完全一致的。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了斷裂力學(xué)。葛里菲斯、歐文-奧羅萬理論是斷裂力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。上面的討論使用與薄板，即平面應(yīng)力狀態(tài)用E/（1-μ2）代替E，即可用于厚板-平面應(yīng)變狀態(tài)）當(dāng)前第64頁\共有94頁\編于星期三\5點5.4焊接結(jié)構(gòu)制造工藝特點與脆斷的個關(guān)系IIW第X分委會的脆斷調(diào)查：60例中因設(shè)計不佳有11例，9起因焊接缺陷所致，可見，設(shè)計與制造的重要。焊接過程給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響（5個不利）應(yīng)變時效使局部脆化金相組織改變使接頭變脆焊接缺陷角變形和錯邊殘余應(yīng)力和塑性變形當(dāng)前第65頁\共有94頁\編于星期三\5點1、應(yīng)變時效使局部脆化冷塑性變形后經(jīng)150~450℃加熱會引起應(yīng)變時效——Tk提高，缺口韌性下降。熱塑性變形后的時效比前者對脆斷的影響更大。例1：某儲油罐脆斷處的卻貝-V值由形變前的34J/cm2，-8℃，下降到距離剪切邊緣6mm處的+53℃和距離20mm處的+36℃；例2：相同溫度下（250℃），不同預(yù)彎量的影響圖5-20a）：預(yù)彎量大，Tk高；相同預(yù)彎量（COD0.5ｍｍ）不同溫度的影響圖5-20b）：250℃Tk高于150℃和300℃的。當(dāng)前第66頁\共有94頁\編于星期三\5點圖5-20，預(yù)應(yīng)變量大影響大；敏感溫度如250℃，材料wc=0.14%，wMn=1.15%，wsi=0.14%

當(dāng)前第67頁\共有94頁\編于星期三\5點清除熱、冷時效脆化影響的熱處理方法：550~650℃焊后熱處理可以恢復(fù)低碳鋼和一些低合金結(jié)構(gòu)鋼的韌性當(dāng)前第68頁\共有94頁\編于星期三\5點2、金相組織改變使接頭變脆接頭不同部位的COD值試驗顯示，焊縫具有最高的轉(zhuǎn)變溫度有些鋼材的試驗表明HAZ的Tk比母材提高了50~100℃，圖5-22（C-Mn鋼的COD-溫度）當(dāng)前第69頁\共有94頁\編于星期三\5點高了？低了？——焊接熱輸入某些高強鋼焊接熱輸入十分重要，低了？——容易冷裂；高了？——韌性下降容易脆裂圖5-22（C-Mn鋼的Ak-溫度）當(dāng)前第70頁\共有94頁\編于星期三\5點日本德山球罐2226m3，鋼材：784MPa，29mm厚冬季施工，使用了El（預(yù)熱和補焊工藝參數(shù)）上限管理，48000J/cm——50000~80000J/cm水壓試驗中發(fā)生脆斷。1968事故當(dāng)前第71頁\共有94頁\編于星期三\5點3、焊接缺陷接頭最容易產(chǎn)生各種缺陷美軍事故調(diào)查表明：40%事故源于焊縫缺陷最危險的缺陷是?——焊縫應(yīng)該布置在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)以外當(dāng)前第72頁\共有94頁\編于星期三\5點4、角變形和錯邊會引起附加彎矩（應(yīng)力）錯邊引發(fā)附加彎矩當(dāng)前第73頁\共有94頁\編于星期三\5點日本千葉縣的1000m3球罐

破壞原因：角變形過大，達到6~7°當(dāng)前第74頁\共有94頁\編于星期三\5點5、殘余應(yīng)力和塑性變形用帶缺口的款板拉伸試驗結(jié)果，殘余應(yīng)力的影響有兩種情況：試驗溫度在材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度以上時，殘余應(yīng)力無不利影響；試驗溫度在材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度以下時，殘余拉應(yīng)力有不利影響，與工作應(yīng)力疊加時易發(fā)生低應(yīng)力破壞（圖5-27）當(dāng)前第75頁\共有94頁\編于星期三\5點圖5-27當(dāng)前第76頁\共有94頁\編于星期三\5點圖5-28，圖5-29裂紋路徑與應(yīng)力區(qū)間當(dāng)前第77頁\共有94頁\編于星期三\5點圖5-30裂紋路徑與殘余應(yīng)力

退火前，殘余應(yīng)力左右裂紋路徑（N30W-1~3）

退火后，無殘余應(yīng)力，裂紋路徑與工作應(yīng)力垂直（N30WR-1）當(dāng)前第78頁\共有94頁\編于星期三\5點機械拉伸消除殘余應(yīng)力可以提高脆性斷裂強度，但不能恢復(fù)其延伸率，方法受限。當(dāng)前第79頁\共有94頁\編于星期三\5點5.5焊接結(jié)構(gòu)抗裂性能與止裂性能的評定方法5.5.1脆斷過程及焊接結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計原則脆斷過程的兩個階段：產(chǎn)生（引發(fā)）-擴展裂紋是如何停下來的？分別研究所對應(yīng)的溫度：Ti

和TaTi——裂紋引發(fā)的臨界溫度，用于衡量材料的抗開裂性能，T＞TiTa——裂紋止裂的臨界溫度，用于衡量材料的止裂性能,T＞Ta一般材料在同一條件下，Ti＜Ta當(dāng)前第80頁\共有94頁\編于星期三\5點兩種設(shè)計原則其一，防止斷裂的引發(fā)原則：要求結(jié)構(gòu)的某些薄弱環(huán)節(jié)具有一定的抗開裂性能。其二，止裂原則：結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生裂紋，材料具有阻止裂紋擴展的能力。顯然，止裂原則更具挑戰(zhàn)性。防止斷裂的引發(fā)設(shè)計原則更具實用性薄弱環(huán)節(jié)在哪里？如何獲得這樣的方法和數(shù)據(jù)呢？——試驗！當(dāng)前第81頁\共有94頁\編于星期三\5點5.5.2焊接接頭抗開裂性能試驗（1）Wells寬板拉伸試驗這是大型試驗中用得比較多的一種，由于這種方法能在實驗室內(nèi)重現(xiàn)實際焊接結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力斷裂現(xiàn)象，同時又能在扳厚、焊接殘余應(yīng)力、焊接熱循環(huán)造成的影響等方面模擬實際焊接結(jié)構(gòu)，所以這種試驗不但可以用來研究脆斷機理，而且也可作為選材的基本方法。美國石油公司材料委員會就規(guī)定了把韋爾斯寬板