模塊11 焊接接頭和結(jié)構(gòu)斷裂分析《焊接科學與工程》教學課件

第X章XXXX模塊11

焊接接頭和結(jié)構(gòu)斷裂分析第十一章焊接接頭和結(jié)構(gòu)斷裂分析11.1焊接接頭的特點分析11.2焊接結(jié)構(gòu)的失效形式11.3裂紋的啟裂、擴展、止裂和失穩(wěn)擴展11.4裂紋性質(zhì)和形貌11.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞的特殊性11.6焊接接頭的應力腐蝕11.7焊接接頭和結(jié)構(gòu)斷裂分析成分組織性能不均勻峰值殘余應力、應力集中、焊接缺陷11.1焊接接頭的特點分析靜載延性斷裂斷裂處有較大塑性變形，宏觀呈灰色纖維狀，SEM下呈韌窩狀。脆性斷裂低溫或沖擊、脆性。無塑性變形，宏觀平滑明亮，SEM呈河流狀疲勞斷裂延時斷裂，反復局部塑性變形，逐漸強化變脆，啟裂后裂紋反復止裂和擴展，SEM可觀察到疲勞條紋應力腐蝕斷裂延時斷裂，腐蝕介質(zhì)和應力集中區(qū)的高應力作用、組織性能不均勻11.2焊接結(jié)構(gòu)的失效形式宏觀：裂紋起源于焊接缺陷、應力集中微觀：微觀缺陷處的應力集中產(chǎn)生局部滑移裂紋源：位錯塞積、孿晶交叉、脆性第二項破裂、晶界弱化斷裂過程形成裂紋核心，擴展合并、長大形成裂紋核心需要克服表面能，擴展前要產(chǎn)生局部塑性變形（滑移），需要一定的塑性變性能裂紋擴展能量約為成核能量的100-1000倍裂紋穿過晶界時，擴展受到阻力，會發(fā)生止裂能量足夠時，裂紋能快速擴展失穩(wěn)至斷裂11.3裂紋的啟裂、擴展、止裂和失穩(wěn)擴展11.4裂紋性質(zhì)和形貌混合斷裂脆性斷裂變形程度韌性斷裂切斷(韌性)正斷應力類型混晶斷裂沿晶斷裂裂紋途徑穿晶斷裂環(huán)境斷裂疲勞斷裂其它斷裂失效微觀機理韌窩斷裂疲勞斷裂蠕變斷裂解理斷裂結(jié)合力弱化斷裂沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展至斷裂。當晶界上存在脆性相、焊接裂紋、蠕變裂紋、應力腐蝕等一般是沿晶斷裂。多屬脆性斷裂。混晶斷裂：在多晶體金屬材料的斷裂過程中，多數(shù)既有穿晶型也有晶間的混晶斷裂穿晶斷裂：裂紋的萌生和擴展穿過晶粒內(nèi)部的斷裂?？墒谴嘈裕部墒琼g性。正斷：當外加作用力引起構(gòu)件的正應力分量超過材料的正斷抗力時發(fā)生的斷裂。斷面垂直于正應力或最大的拉伸應變方向。切斷：當外加作用里引起構(gòu)件的切應力超過材料在滑移面上的切斷抗力時發(fā)生的斷裂。斷裂面平行于最大切應力或最大切應變方向，與最大正應力約成45度角。疲勞斷裂：材料在交變載荷下發(fā)生的斷裂環(huán)境斷裂：材料在環(huán)境作用下引起的低應力斷裂，包括應力腐蝕和氫脆斷裂。解理斷裂：在正應力作用下，裂紋沿特定的結(jié)晶學平面擴展而導致的穿晶斷裂，但有時也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。韌窩斷裂：在外力作用下因微孔聚集相互聯(lián)通而造成的斷裂。結(jié)合力弱化裂紋：裂紋沿著由于各種原因而引起的結(jié)合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴展而形成的裂紋。疲勞斷裂：在交變應力作用下以疲勞輝紋為標志的裂紋。蠕變斷裂：材料在一定溫度下，恒載一定時間產(chǎn)生累進式形變而導致的斷裂。一、韌性斷裂構(gòu)件斷裂前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。韌性斷裂特征①緩慢的斷裂過程：裂紋萌生及亞穩(wěn)擴展阻力大、速度慢；②斷前產(chǎn)生顯著的塑性變形；③兩種宏觀斷裂形貌：正斷(或平斷)---宏觀斷面取向與最大正應力相垂直；剪斷(或斜斷)---宏觀斷面取向與最大切應力方向相一致的切斷，即與最大正應力約呈45°角。韌性斷裂宏觀形貌光滑圓棒試樣韌性斷口宏觀形貌韌性斷裂宏觀形貌非杯-錐狀韌性斷口宏觀形貌韌性斷裂宏觀形貌根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步評價材料的性能。纖維區(qū)較大---材料的塑性和韌性比較好；放射區(qū)較大---材料的塑性降低，而脆性增大。按三區(qū)評價材料性能要考慮構(gòu)件截面形狀及尺寸的影響，另外還要考慮隨環(huán)境條件的影響。如溫度降低、加載速度升高等，纖維區(qū)及剪切唇區(qū)減小、放射區(qū)增大，因溫度降低會引起低溫脆性，加載速度升高使裂紋擴展速率增加。韌性斷裂宏觀形貌韌窩花樣：微孔聚集蛇行花樣：純剪切漣波花樣：由蛇行滑動形成單晶：外力作用下應力低于屈服極限時，只發(fā)生原子間距的變化，達到屈服極限時，成排原子沿45°方向滑移，產(chǎn)生永久變形，宏觀可看到直線痕跡，電鏡下為“線狀花樣”韌性斷裂微觀形貌微孔聚集機制和韌窩花樣：縮頸處內(nèi)部由于夾渣物、第二相質(zhì)點與母材彈性和塑性的差別，形成微空洞，開始時數(shù)量少而相互隔絕，隨著塑性變形的加大，空洞長大、聚集并連通形成微裂紋，逐漸擴展至斷裂。電鏡下表現(xiàn)為韌窩韌性斷裂微觀形貌在三種應力作用下由顯微孔洞聚集所形成的韌窩形態(tài)示意圖二、脆性斷裂斷裂前幾乎無塑性變形，斷口為結(jié)晶狀斷口，平整發(fā)亮，斷面垂直于拉應力軸，在較大構(gòu)件的斷裂中還出現(xiàn)人字圖樣。突發(fā)性斷裂，斷前變形極小，無明顯的先兆；通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現(xiàn)；一般沿低指數(shù)晶面穿晶解理斷裂。解理是金屬在正應力的作用下沿解理面發(fā)生的一種低能斷裂。絕大多數(shù)解理面是原子密排面。脆性斷裂宏觀形貌脆性斷口的宏觀形貌有兩種明顯的特征小刻面：平滑明亮、結(jié)晶狀人字或山形條紋脆性斷裂微觀形貌解理特征理論上，解理面是一個平坦面，但由于晶體缺陷、位錯、沉淀相、夾雜物等，不只沿一個晶面解理，而是沿一族相互平行位于不同高度的晶面解理，“解理臺階”，解理裂紋擴展過程中，很多臺階相互匯合，形成“河流花樣”——流向與裂紋擴展方向一直；另外，裂紋與晶粒內(nèi)空洞表面相交，也會形成河流花樣。材料脆性大、低溫、臨界變形困難時，晶體變形以形變孿晶方式進行，易形成“舌狀花樣”脆性斷裂微觀形貌舌狀花樣形成示意圖脆性斷裂微觀形貌四疲勞斷裂三、疲勞斷裂疲勞疲勞的分類接觸疲勞高溫疲勞腐蝕疲勞微振疲勞環(huán)境高應力疲勞低應力疲勞應力大小扭轉(zhuǎn)疲勞拉壓疲勞拉伸疲勞彎曲疲勞混合疲勞載荷低周疲勞高周疲勞交變頻率1.疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征1）載荷是交變負荷2）疲勞斷裂是在負荷多次循環(huán)后發(fā)生的3）疲勞斷裂是反復拉伸應力和切應力的結(jié)果疲勞曲線1.疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征滑移帶中產(chǎn)生的“擠入”及“擠出”示意圖4）過程包括疲勞裂紋萌生、擴展和瞬時斷裂三個階段。★疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷，工藝缺陷等。1.疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征★疲勞裂紋的擴展：是一個包括滑移塑性形變與不穩(wěn)定斷裂交替作用的復雜過程，通常有切向擴展和正向擴展兩個階段。(a)疲勞裂紋擴展示意圖(b)實際使用中的疲勞裂紋1.疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征結(jié)晶學階段非結(jié)晶學階段5）即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構(gòu)件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。軟鋼斷裂試樣疲勞斷裂靜拉伸斷裂1.疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征2斷口形貌2.疲勞斷口宏觀形貌三個區(qū)域：裂紋起源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)(瞬斷區(qū))。疲勞斷口的宏觀形貌★裂紋起源區(qū)★裂紋擴展區(qū)呈河灘花樣(或貝殼狀條紋或疲勞弧帶)★最終斷裂區(qū)呈宏觀脆性斷裂特征(粗糙“晶?！苯Y(jié)構(gòu))疲勞源一般只有一個，所占的斷面比例很?。黄谠匆话阄挥诒砻鎽刑幓蛉毕莶课?。表面缺陷：刀痕、劃傷、燒傷、銹蝕、淬火裂等；心部或亞表面缺陷：夾雜物、氣孔、夾渣、白點、內(nèi)裂等；表面硬化層：表面淬火層、化學熱處理層；應力集中部位:缺口、溝槽、臺階、尖角、小孔、突變截面等。判斷疲勞起源點及裂紋擴展方向判斷應力大小

終斷區(qū)在中心，疲勞斷裂應力很高，超過疲勞極限的30％～100%，一般n≤3×105次；終斷區(qū)在表面或近表面，疲勞斷裂應力高出疲勞極限不多，最多高出10％左右，一般n≥106次；終斷區(qū)的面積大，則應力大；反之則應力小。········根據(jù)疲勞斷口的宏觀特征,可做如下判斷········2.疲勞斷口宏觀形貌判斷材料的缺口敏感性

材料對缺口敏感，則疲勞條紋繞著裂源開始較為平坦，向前擴展一定距離后即以反弧形向前擴展。

缺口敏感性對疲勞斷口形態(tài)的影響材料對缺口不敏感，則疲勞條紋繞著裂源或為向外凸起的同心圓狀；不同材料疲勞試樣斷口的疲勞輝紋(a)40MnBTEM5000X(b)20鋼TEM5000X(c)鋁合金TEM5000X3.疲勞斷口的微觀形貌當宏觀判斷不充分時，微觀判據(jù)為疲勞斷裂提供可靠定性的判據(jù)，如斷裂條件、裂紋擴展速率等?！锲谳x紋①疲勞輝紋是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀，并與裂紋微觀擴展方向相垂直；裂紋的擴展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)；輝紋的間距在很大程度上與外加交變負荷的大小有關(guān)；條紋的清晰度則取決于材料的韌性。疲勞極限應力越高，疲勞輝紋越容易觀察到；高強鋼疲勞輝紋不如鋁合金疲勞輝紋容易觀察到。疲勞輝紋有以下特征3.疲勞斷口的微觀形貌②裂紋三階段有不同的微觀特征：疲勞起源部位由很多細滑移線組成，以后形成致密的條紋，隨著裂紋的擴展，應力逐漸增加，疲勞條紋的間距也隨之增加。疲勞斷面不同部位疲勞輝紋形態(tài)(a)疲勞源處形成大量的滑移線2500X(b)

疲勞裂紋擴展初期形成的疲勞條紋較密3000X(c)

疲勞裂紋擴展后期形成的疲勞條紋較疏3000X韌性和脆性疲勞輝紋(a)韌性條帶TEMX10000(b)脆性條帶TEMX15000韌性疲勞輝紋較為常見，輝紋間距均勻規(guī)則。脆性疲勞輝紋一般不常見，它被切割成一段段的解理臺階，間距不均勻，斷斷續(xù)續(xù)。③疲勞輝紋分為韌性輝紋和脆性輝紋。④疲勞斷口的微觀范圍內(nèi)，通常由許多大小不同、高低不同的小斷片組成。疲勞輝紋均勻分布在斷片上，每一小斷片上的疲勞輝紋連續(xù)且相互平行分布，但相鄰斷片上的疲勞輝紋不連續(xù)、不平行。疲勞輝紋與小斷片示意圖3.疲勞斷口的微觀形貌一次載荷循環(huán)產(chǎn)生一條疲勞輝紋的過程示意圖⑤一條輝紋代表一次載荷循環(huán)，其數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相等。

在近20年里人們對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋的理解已經(jīng)有進步了，普遍認為焊接接頭的疲勞屬性與焊接之前的材料的疲勞屬性是不同的。11.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性疲勞壽命三個階段對于焊接接頭，產(chǎn)生疲勞裂紋一般比其它連接形式的循環(huán)次數(shù)少，這是因為焊接接頭中不僅有應力集中（如角焊縫、對接焊縫的焊趾處），而且在這些部位也易產(chǎn)生缺陷，同時存在焊接殘余應力。這些因素的綜合作用，使得在焊接接頭的疲勞壽命中，疲勞裂紋產(chǎn)生階段只占整個疲勞過程中的一段相當短的時間，而主要時間屬于裂紋擴展。焊接接頭

由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應力集中和殘余拉伸應力的作用，其疲勞強度大幅度地低于基本金屬的疲勞強度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度取決于接頭的疲勞性能，即焊接接頭的抗疲勞性能，關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)能否安全使用。因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)可靠性，在設(shè)計承受交變動載荷的焊接結(jié)構(gòu)時，設(shè)計規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲勞強度作為整體結(jié)構(gòu)的疲勞強度，而不采用基體金屬的疲勞強度。3611.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性

焊縫疲勞與金屬疲勞完全不同，不僅理論完全不一樣，試驗數(shù)據(jù)也完全不一樣。焊接接頭對母材的屈服強度不敏感。

不取決于母材自身的屈服強度，那么，決定焊接接頭疲勞強度高低的參數(shù)又是什么呢？

37應力集中11.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性描述焊接接頭的術(shù)語

焊接過程是一個極其復雜的熱過程，這里以一個對接焊接接頭為例給出對任何焊接接頭都適用的描述焊接接頭的術(shù)語：1）、母材－形成焊接接頭的基本材料，簡稱為BM（BaseMetal）；2）、焊材－通過自己的熱融化及冷卻，將母材聯(lián)系起來形成一個焊接接頭（WeldedJoint）的材料，簡稱為WM（WeldMetal）；3）、熱影響區(qū)－靠近焊縫的母材，簡稱為HAZ（HotAffectZone）；4）、焊趾：焊縫表面與母材交界處（Toe）；5）、焊根：焊縫背面與母材的交界處（WeldRoot）；6）、焊喉（焊深）：焊縫的有效高度（WeldThroat、WeldDepth）。3811.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性

金屬疲勞的研究，要回答“裂紋從何處萌生？”而對焊接接頭而言，它沒有裂紋萌生過程，焊縫上“大于零的”的微裂紋總是有的，問題是觀察的放大鏡的倍數(shù)是否足夠大。金屬疲勞研究的另一個要回答的問題是，“裂紋沿著哪個方向擴展？”，對焊接接頭而言，它的擴展模式是明確的，裂紋要么從焊址沿板的厚度方向擴展，要么從焊根向焊喉方向擴展。與金屬疲勞不同，焊接接頭中有殘余應力，但是，不論其大與小，也不論其分布如何復雜，它是自平衡的與外載荷無關(guān)。3911.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性

試驗研究表明，焊縫的疲勞強度遠低于母材的疲勞強度，從圖某典型的結(jié)構(gòu)鋼母材和焊縫的S-N曲線的比較可以看出，焊縫的S-N曲線僅在短壽命區(qū)有交點,而其它情況下焊縫的疲勞壽命更短，概況起來有以下主要原因：(1)由于焊接引入的幾何特征，導致了應力的集中，在焊縫的趾部應力達到最高，而且此處的幾何形狀也較難控制。(2)焊接過程通常產(chǎn)生焊接缺陷，這些缺陷存在往往是產(chǎn)生裂紋的裂紋源，如含有熔渣、未完全熔解、氣孔等。4011.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性(3)熔接部位的熱影響區(qū)，此處母材被加熱到很高的溫度之后被迅速冷卻，由此，將會引起此區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和性能的改變。(4)除非采取合理的方式消除焊縫區(qū)的殘余應力，否則殘余應力將達到材料屈服應力水平。

綜上原因，焊接結(jié)構(gòu)特有的疲勞特征，導致了焊縫的疲勞強度與母材的疲勞強度截然不同，用母材抗疲勞屬性替代焊縫的抗疲勞屬性是不合理的，只有將焊接引起的缺陷、殘余應力、缺口效應及材料屬性的變化加以綜合考慮，并歸納出哪些因素是有效評估焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要參數(shù)，這樣的疲勞壽命預測才是科學有效的。11.5焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特殊性應力腐蝕開裂是危害性最大的局部腐蝕形態(tài)破壞形式之一，在腐蝕過程中，若有微裂紋形成，其擴展速度比其它類型的局部腐蝕速度要快幾個數(shù)量級，SCC是一種“災難性的腐蝕”如橋梁坍塌，飛機失事，油罐爆炸，管道泄漏都造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。此外，如核電站，船只，鍋爐，石油化工也都發(fā)生過應力腐蝕斷裂的事故11.6焊接接頭的應力腐蝕11.6焊接接頭的應力腐蝕氫脆3.0%高溫氧化4.9%晶間腐蝕4.9%腐蝕疲勞8.56%小孔腐蝕21.6%應力腐蝕45.6%全面腐蝕8.5%腐蝕材料在靜應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性開裂破壞現(xiàn)象稱為應力腐蝕開裂，簡稱應力腐蝕。應力腐蝕是危害最大的腐蝕形態(tài)之一。應力腐蝕應是電化學腐蝕和應力機械破壞互相促進裂紋的生成和擴展的過程。敏感的合金、特定的介質(zhì)和一定的靜應力是發(fā)生應力腐蝕的三個必要條件。對于一定的材料，其應力腐蝕只在特定的介質(zhì)中發(fā)生。這種材料與敏感介質(zhì)的組合關(guān)系，稱為應力腐蝕體系。11.6焊接接頭的應力腐蝕由于焊接接頭組織成分的不均勻性，與周圍介質(zhì)的作用，最易產(chǎn)生局部電化學腐蝕，而焊接構(gòu)件接頭部位一般又存在最大的焊接殘余應力和其他殘余應力（安裝應力、校正變形產(chǎn)生的加工應力等），同時往往存在比較嚴重的應力集中，因此最易產(chǎn)生應力腐蝕現(xiàn)象。11.6焊接接頭的應力腐蝕必須有應力腐蝕介質(zhì)是特定的斷裂速度約在10-8~10-6m/s數(shù)量范圍內(nèi)，遠大于沒有應力時的腐蝕速度，又遠小于單純力學因素引起的斷裂速度。一般呈脆性斷裂。應力腐蝕的三個主要特征應力腐蝕破裂按照電化學的觀點，基本上可以分為兩大類，一類是裂紋尖端處于陽極區(qū)，以陽極快速溶解占主導地位的，稱之為應力—陽極開裂，通常稱這類破裂型式為應力腐蝕破裂；另一類是裂紋尖端處于陰極區(qū)，以陰極反應為主，陰極反應的結(jié)果是原子氫大量地進入金屬的內(nèi)部，產(chǎn)生氫脆，這種形式的破壞，稱之為應力—陰極開裂——環(huán)境氫脆應力腐蝕的破裂類型材料因素金屬材料的冶煉方式、化學成分及其偏析情況，組織、晶粒度、晶格缺陷及其分布情況，材料的物理、化學及機械等方面的性能，材料的熱處理狀態(tài)及表面狀況等等。主要表現(xiàn)為化學成分和組織性能的不均勻性對于焊接接頭化學成分和組織性能不均勻性更嚴重應力腐蝕的影響因素力學因素應力腐蝕與材料所承受的載荷性質(zhì)、大小及應力分布狀態(tài)等有關(guān)；同時還與材料所經(jīng)受的加工過程和服役過程的應力應變的大小變化和歷史過程有關(guān)．對于焊接接頭金屬材料在經(jīng)過焊接加工以后，由于焊接過程所引起的應力應變的狀況，及所產(chǎn)生的殘余應力將對應力腐蝕破裂有直接的影響．應力腐蝕的影響因素介質(zhì)環(huán)境因素

介質(zhì)的性質(zhì)、成分、濃度、PH值、溫度等因素都對應力腐蝕破裂有很大的影響。電極電位的影響電位對應力腐蝕破裂起決定性作用。應力腐蝕破裂只發(fā)生在一定的電位范圍內(nèi)，這個范圍大約只有幾百mv。不同材料在不同介質(zhì)中發(fā)生應力腐蝕的電位區(qū)（敏感電位區(qū)）不同。應力腐蝕的影響因素焊接接頭的應力集中

焊接缺陷