第8講-焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂

第8講焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂1.1金屬的斷裂一、金屬材料斷裂和形態(tài)特征焊接結(jié)構(gòu)斷裂失效中，最為嚴(yán)重的是脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效和應(yīng)力腐蝕斷裂失效三種類型。斷裂現(xiàn)象可以有多種分類標(biāo)準(zhǔn)：(1)根據(jù)金屬材料斷裂前變形的大小分：塑性斷裂，脆性斷裂(2)按金相顯微組織的形狀分：穿晶斷裂，沿晶斷裂(3)按宏觀形態(tài)的方位分：正斷，切斷由于大多數(shù)斷裂是在瞬間發(fā)生的，所以，用實(shí)驗(yàn)方法難于掌握斷裂的過程和微觀機(jī)理。但是，由于斷裂后在斷口上經(jīng)常留下能夠反映斷裂過程和微觀機(jī)理的痕跡和特征。所以可以借助斷口分析對(duì)斷裂進(jìn)行研究。表1-1歸納了各種斷裂及其特征。表1-1金屬斷裂的分類及其特征分類方法名稱特征根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類脆性斷裂斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口形貌是光亮的結(jié)晶狀韌性斷裂斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀根據(jù)斷裂面的取向分類正斷斷裂的宏觀表面垂直于σmax方向切斷斷裂的宏觀表面平行于τmax方向根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分類(金相組織的形狀分類)穿晶斷裂裂紋穿過晶粒內(nèi)部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展根據(jù)斷裂機(jī)理分類解理斷裂無明顯塑性變形沿解理面分離，穿晶斷裂微孔聚集型斷裂沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂在晶內(nèi)微孔聚合，穿晶斷裂純剪切斷裂沿滑移面分離剪切斷裂（單晶體）通過縮頸導(dǎo)致最終斷裂（多晶體、高純金屬）二、脆性斷裂脆性斷裂---通常稱為低應(yīng)力脆斷。一般都在應(yīng)力低于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生的。脆性斷裂的微觀機(jī)制有解理斷裂和晶間斷裂，如圖1-1所示。脆性斷裂的宏觀特征，理論上講，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，脆性斷裂在鋼中的傳播速度能夠達(dá)到1800m/s。。脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果。(a)解理型斷口(b)晶間斷裂圖1-1脆性斷裂斷口形貌1.解理斷裂解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面(即所謂“解理面”)劈開而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。表1-2顯示了部分晶型的主解理面、次解理面及滑移面。表1-2部分晶型的解理面晶體結(jié)構(gòu)金屬名稱主解理面次解理面或滑移面體心立方α-Fe,W,Nb,V,Cr,Mo,Mn{100}{110},{112}密排六方Zn,Cd,Mg,α-Ti,Sn{0001}{1010},{0001}金剛石晶體Si,Ge{111}/離子晶體NaCl,LiF{100}{110}面心立方Al,Cu,Ni,r型鋼等/{111}解理斷裂過程包括裂紋的萌生和擴(kuò)展兩個(gè)階段。Cottrell提出的位錯(cuò)聚合模型，如圖1-2所示。{001}解理面與{101}和{10}滑移面成45o相交于[010]軸。在外力σ作用下，沿{101}面有一個(gè)具有柏氏矢量為和沿{10}+→(1-1)圖1-2解理裂紋形成的示意圖圖1-3解理裂紋擴(kuò)展的示意圖在體心立方晶體中形成的a[001]刃型位錯(cuò)，是和解離面的刃口相合，具有較低的彈性能。位錯(cuò)合成石相吸的。由于位錯(cuò)不斷反應(yīng)，所形成的許多a[001]位錯(cuò)相聚合，形成具有柏氏矢量為nb的大位錯(cuò)，此大位錯(cuò)即為解理裂紋的胚芽，而n為裂紋胚芽中的位錯(cuò)數(shù)目。解理裂紋擴(kuò)展受裂紋前端應(yīng)力狀態(tài)、材質(zhì)、溫度等因素影響。在一定彈性應(yīng)力場(chǎng)作用下釋放的彈性能驅(qū)動(dòng)裂紋的擴(kuò)展。圖1-3為解離斷裂擴(kuò)展過程的示意圖。解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面，有金屬光澤，一般與主應(yīng)力垂直，沒有塑性變形量較小。微觀形貌似應(yīng)為一個(gè)平坦完整的晶面。解理斷口的微觀特征形態(tài)常出現(xiàn)河流花樣、舌狀花樣、扇形花樣等，如圖1-4所示。(a)宏觀斷口-人字花樣(b)微觀斷口：A臺(tái)階，B河流花樣圖1-4脆性斷裂斷口形貌脆性解理斷裂的主要特征是解離裂紋形成所需要的能量較低。裂紋一旦開始擴(kuò)展即不需增加驅(qū)動(dòng)力而發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展速度極快，不能抑制。從而反應(yīng)在工程上為低應(yīng)力的災(zāi)難性破壞。2.準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)。回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除(001)面外，還有(110)、(112)等晶面。解理小平面間有明顯的撕裂棱。河流花樣已不十分明顯。撕裂棱是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的。準(zhǔn)解離斷面形貌如圖1-5所示。介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂形式。圖1-5準(zhǔn)解離斷面形貌3.晶(間)界斷裂晶界斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。晶界脆性斷裂即是沿晶粒邊界發(fā)生的分離，是由于各種析出相、夾雜物和元素偏析，出現(xiàn)第二相粒子，甚至出現(xiàn)脆性薄層，加之環(huán)境（如應(yīng)力腐蝕）、溫度（如熱損傷等）和機(jī)械（如三向應(yīng)力狀態(tài)）等外來因素，導(dǎo)致沿晶界的破斷，如圖1-6所示。圖1-6沿晶斷裂的斷口形貌晶界斷斷裂的原因大致有：①晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相；②微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；③由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。晶界斷裂的斷口宏觀形貌較灰暗，沒有明顯塑性變形。微觀形貌表現(xiàn)為穿晶、巖石花樣、冰糖花樣。二、影響金屬斷裂因素(1)化學(xué)成分合金元素，雜質(zhì)，氣體，夾雜物等。鋼中的C、N、O、H、S、P增加鋼的脆性。另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量適當(dāng)則有助于減少鋼的脆性。(2)金屬晶粒度和各項(xiàng)異性對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對(duì)鋼的脆性—延性轉(zhuǎn)變溫度有很大影響，即晶粒越細(xì)，其轉(zhuǎn)變溫度越低。晶粒細(xì)小，滑移距離短，在障礙物前塞積的位錯(cuò)數(shù)目較少，相應(yīng)的應(yīng)力集中較小，而且由于相鄰晶粒取向不同，裂紋越過晶界有轉(zhuǎn)折，需要消耗更多的能量；晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展有阻礙作用，裂紋能否越過晶界，往往是產(chǎn)不產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的關(guān)鍵。晶粒越細(xì)，則晶界越多，阻礙作用越大。(3)板厚厚板在缺口處容易形成三軸拉應(yīng)力，因?yàn)檠睾穸确较虻氖湛s和變形受到較大的限制，形成所謂的平面應(yīng)變狀態(tài)；而當(dāng)板材比較薄時(shí)，材料在厚度方向能比較自由地收縮，故厚度方向的應(yīng)力較小，接近于平面應(yīng)力狀態(tài)。如前所述，平面應(yīng)變的三軸應(yīng)力使材料變脆。生產(chǎn)薄板時(shí)壓延量大，軋制溫度較低，組織細(xì)密，相反，厚板軋制次數(shù)少，終軋溫度較高，組織疏松，內(nèi)外層均勻性較差。(4)應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力集中能夠改變應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單軸或雙軸拉伸應(yīng)力下，呈現(xiàn)塑性，當(dāng)處于三軸拉伸應(yīng)力下，因不易發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)脆性。(5)加載速度加載速度提高使得材料的屈服點(diǎn)升高，促使材料向脆性轉(zhuǎn)變。(6)溫度對(duì)于一定的加載方式（應(yīng)力狀態(tài)），當(dāng)溫度降至某一臨界值時(shí)，將出現(xiàn)延性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。這個(gè)溫度稱之為轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變溫度隨最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力之比值的降低而提高。1.2焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故、原因、影響因素一、焊接脆性斷裂特征：(1)脆斷一般在沒有顯著塑性變形情況下發(fā)生。(2)脆斷時(shí)，材料中的平均應(yīng)力比屈服極限和設(shè)計(jì)許用應(yīng)力小得多。故脆斷是一種低應(yīng)力破壞。(3)脆斷事故難以事先發(fā)現(xiàn)。二、一般情況，脆斷事故與原因與以下幾個(gè)方面因素有關(guān)：(1)結(jié)構(gòu)在低溫下工作，低溫使得材料的性質(zhì)變脆；(2)焊接殘余應(yīng)力起到不良作用；(3)焊接過程引起的熱應(yīng)變脆化，使材質(zhì)韌性下降；(4)用不合格材料；(5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；(6)焊接過程中形成錯(cuò)邊和產(chǎn)生角變形。1.3材料斷裂的評(píng)定方法結(jié)構(gòu)的抗脆斷性能不能用光滑試件和靜載荷加載方式試驗(yàn)來反映。一、轉(zhuǎn)變溫度的評(píng)定方法用轉(zhuǎn)變溫度作為標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)定鋼材的脆性-韌性行為。溫度對(duì)材料的韌性影響很大，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，Tk，如圖1-7所示。圖1-7屈服強(qiáng)度和臨界斷裂強(qiáng)度與溫度的關(guān)系材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界溫度常常有以下幾種方法確定：（一）沖擊試驗(yàn)在研究船舶脆斷事故中常用。(1)能量準(zhǔn)則法(2)斷口形貌準(zhǔn)則法(3)延性準(zhǔn)則法（二）佩里尼斷裂分析理論斷裂的表現(xiàn)有三種：裂紋源，裂紋擴(kuò)展，裂紋的止裂。(1)爆炸試驗(yàn)(2)落錘試驗(yàn)(3)靜載試驗(yàn)(4)動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)（三）尼伯林克試驗(yàn)四點(diǎn)彎曲法——是目前檢驗(yàn)?zāi)覆幕蚝附咏宇^抗脆性斷裂的重要方法之一。（四）靜載試驗(yàn)(1)梯普爾試驗(yàn)(2)范德文試驗(yàn)和V形缺口靜彎試驗(yàn)(3)堆焊靜彎試驗(yàn)二、斷裂力學(xué)方法常規(guī)力學(xué)無法滿足帶裂紋的、強(qiáng)度高而塑性儲(chǔ)備小的合金材料以及大厚度構(gòu)件的破壞分析。這些結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷、應(yīng)力集中、內(nèi)部應(yīng)力的敏感性高，低應(yīng)力脆斷容易發(fā)生，斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。在斷裂力學(xué)研究中，常采用金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性，金屬材料的裂紋張開位移和延性斷裂韌性為脆性斷裂的判據(jù)。斷裂力學(xué)即裂紋體力學(xué)，是專門研究裂紋體中，裂紋在萌生、擴(kuò)展中的力學(xué)理論及其應(yīng)用問題的科學(xué)。這里的裂紋是廣義的，材料中的微小缺陷也被視作微裂紋。斷裂力學(xué)通過研究裂紋尖端局部區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變(方向、大小、分布)情況，了解裂紋在應(yīng)力作用下的擴(kuò)展規(guī)律，以確定帶裂紋構(gòu)件(即裂紋體)的承載能力或使用壽命，保證構(gòu)件安全工作。斷裂力學(xué)試驗(yàn)的本質(zhì)就是缺口韌性試驗(yàn)。斷裂力學(xué)的任務(wù)在于：(1)研究宏觀裂紋在什么條件下，才會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)擴(kuò)展，引發(fā)脆性斷裂；(2)建立裂紋尺寸與破壞應(yīng)力之間的關(guān)系。對(duì)于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、合理選材、改進(jìn)材質(zhì)和施工工藝，以及制定裂紋體力學(xué)的概念標(biāo)準(zhǔn)有重要意義。按裂紋存在的幾何特性，把裂紋分為表面裂紋、深埋裂紋和穿透裂紋，圖1-8是三種裂紋規(guī)則形式示意圖。若裂紋位于構(gòu)件的表面或裂紋的深度與構(gòu)件的厚度相比較小，則稱為表面裂紋。在工程中表面裂紋常簡(jiǎn)化為半橢圓形裂紋。裂紋處于構(gòu)件內(nèi)部，在表面上看不到開裂的痕跡，這種裂紋稱為深埋裂紋。計(jì)算時(shí)常簡(jiǎn)化為橢圓片狀或圓片狀裂紋。裂紋貫穿整個(gè)構(gòu)件厚度，則稱為穿透裂紋，也稱為貫穿裂紋。圖1-8三種裂紋規(guī)則形式在斷裂力學(xué)中，裂紋常按其受力及裂紋擴(kuò)展途徑分為三種類型，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型裂紋即為張開型裂紋，如圖1-9(a)所示，拉應(yīng)力垂直于裂紋擴(kuò)展面，裂紋上下表面沿作用力的方向張開，裂紋沿裂紋面向前擴(kuò)展。工程中屬于這類裂紋的如板中有一穿透裂紋，其方向與板所受拉應(yīng)力方向垂直，或壓力容器中的縱向裂紋等。Ⅱ型裂紋即為滑開型裂紋。其特征為裂紋的擴(kuò)展受切應(yīng)力控制，切應(yīng)力平行作用于裂紋面而且垂直于裂紋線，裂紋沿裂紋面平行滑開擴(kuò)展，如圖1-9(b)所示。Ⅲ型裂紋即為撕開型裂紋。在平行于裂紋面而與裂紋前沿線方向平行的剪應(yīng)力的作用下，裂紋面產(chǎn)生沿裂紋面的撕開擴(kuò)展，如圖1-9(c)所示。在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗脆斷的能力，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。斷裂韌度KIC，是評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。單位：MPa·m1/2或者M(jìn)N·m-3/2。斷裂判據(jù)：KI<KIC構(gòu)件安全KI>KIC構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KI＝KIC構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件(a)Ⅰ型張開型裂紋;(b)Ⅱ型滑開型裂紋;(c)Ⅲ型撕開型裂紋圖1-9裂紋擴(kuò)展形式K準(zhǔn)則使我們向更全面更科學(xué)地評(píng)估和確定結(jié)構(gòu)安全性的道路上邁進(jìn)了一大步，其基本步驟是：根據(jù)探傷實(shí)驗(yàn)測(cè)定構(gòu)件中的缺陷尺寸，計(jì)算出構(gòu)件的受力狀態(tài)，這樣可計(jì)算出裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI，將其與材料的斷裂韌性KIC比較，若KI<KIC，則結(jié)構(gòu)是安全的，否則將有脆斷的危險(xiǎn)，反過來可以確定選材是否合理。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為了提高構(gòu)件的安全性，總是加大安全系數(shù)，這樣勢(shì)必提高材料的強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)于高強(qiáng)鋼來說，往往造成低應(yīng)力脆斷。斷裂力學(xué)提出了新的設(shè)計(jì)和評(píng)估思路，即為了保證結(jié)構(gòu)的安全，采用較小的傳統(tǒng)意義上的安全系數(shù)，適當(dāng)降低材料的強(qiáng)度等級(jí)，提高材料的斷裂韌性。KIC是衡量材料工藝質(zhì)量和服役可靠性的新指標(biāo)，追求高的不一定正確，但追求高的KIC卻一定是正確的，兼顧兩者才是科學(xué)的態(tài)度。1.4影響焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素一、焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)脆斷的影響二十世紀(jì)二十年代以前，大型金屬結(jié)構(gòu)都采用鉚接結(jié)構(gòu)，斷裂事故不多。焊接結(jié)構(gòu)脆斷事故與焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有關(guān)。與鉚接結(jié)構(gòu)相比，焊接結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、剛性大。二、焊接結(jié)構(gòu)制造工藝特點(diǎn)對(duì)脆斷的影響焊接結(jié)構(gòu)制造工藝中所發(fā)生的材質(zhì)應(yīng)變脆化、焊接缺陷、焊接應(yīng)力與變形、應(yīng)力集中和金相組織不均勻都是研究焊接結(jié)構(gòu)脆斷的關(guān)鍵。（一）焊接殘余應(yīng)力對(duì)脆性斷裂的影響韋爾斯(wells)于1956年提出預(yù)先開缺口的焊接寬板拉伸試驗(yàn)，獲得了模擬低應(yīng)力脆性斷裂的初次成功。低應(yīng)力脆性斷裂有以下幾種情況：(1)在低應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋并立即斷裂。這是最危險(xiǎn)的失隱斷裂。(2)低應(yīng)力下雖產(chǎn)生脆性裂紋，但裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后自行停止。以后繼續(xù)加載到屈服強(qiáng)度后才完全斷裂。(3)在較高溫度下，則要有高達(dá)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力才會(huì)產(chǎn)生裂紋，最后發(fā)生斷裂。有關(guān)殘余應(yīng)力對(duì)開裂性能的定量估計(jì)正在研究之中。（二）焊接應(yīng)力循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)對(duì)脆斷的影響試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)對(duì)于焊前有裂紋和焊后開裂紋的寬板試件抗脆斷能力有不同程度的影響，特別是應(yīng)變循環(huán)的影響差別更大。在焊接過程中，材料經(jīng)受應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)，同時(shí)也受到熱作用而發(fā)生應(yīng)變時(shí)效，即稱“熱應(yīng)變時(shí)效”（或“送應(yīng)變時(shí)效”）。所以在進(jìn)行多層焊時(shí)，如果在先焊的焊道中產(chǎn)生了焊接裂紋或未焊透，則在后續(xù)的焊道焊接過程中，有可能在這些缺陷處產(chǎn)生熱應(yīng)變時(shí)效，使焊接結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力下降。（三）焊接生產(chǎn)過程對(duì)結(jié)構(gòu)脆斷的影響(1)與應(yīng)變對(duì)脆斷的影響焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程中，一般要經(jīng)剪切、成形等加工工序。材料在成形加工中的預(yù)應(yīng)變量可能達(dá)到2~3%導(dǎo)致材料的塑性降低，脆斷傾向增加高溫(200~600℃)(2)火焰彎板和矯形對(duì)脆斷的影響焊接結(jié)構(gòu)的彎板和矯形時(shí)，常采用氣體火焰加熱并用水冷的辦法完成。導(dǎo)致材料的性能發(fā)生變化。研究表明，火焰加熱區(qū)的溫度分布、最高加熱溫度、冷卻條件和加熱次數(shù)都對(duì)材質(zhì)的脆化有影響。（四）焊接熱循環(huán)產(chǎn)生的金相組織變化對(duì)脆斷的影響熱影響區(qū)是焊接接頭薄弱環(huán)節(jié)之一。熱影響區(qū)的金相組織主要取決于焊接線能量。合理的選擇焊接線能量對(duì)防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷極為重要：q過小導(dǎo)致淬硬組織，易產(chǎn)生裂紋。q過大導(dǎo)致晶粒粗大，材質(zhì)脆化，韌性減小。（五）角變形和錯(cuò)便對(duì)脆斷的影響在焊接接頭受力過程中，角變形和錯(cuò)邊都會(huì)引起附加彎曲應(yīng)力，從而易引起接頭破壞，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)脆斷。（六）焊接缺陷對(duì)脆斷的影響與缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度和缺陷附近材料的性能有關(guān)。以缺陷對(duì)脆斷的影響而言，可將焊接缺陷分為：(1)平面缺陷：裂紋、分層、未焊透這類缺陷對(duì)斷裂的影響取決于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖銳程度。(2)非平面缺陷：氣孔、夾渣對(duì)斷裂的影響程度一般低于平面缺陷。1.5焊件脆性斷裂分析研究在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造過程中，要想完全避免焊接缺陷是不現(xiàn)實(shí)的，必須承認(rèn)，在實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)中，總會(huì)存在不同程度的宏觀和微觀裂紋。因此用斷裂力學(xué)原理來分析焊接結(jié)構(gòu)的脆斷是合理的。裂紋的擴(kuò)展分為穩(wěn)定擴(kuò)展(又稱亞臨界擴(kuò)展)和失穩(wěn)擴(kuò)展(不穩(wěn)定擴(kuò)展)。裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展，是裂紋在不斷接受外界能量情況下才會(huì)擴(kuò)展。裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展，是裂紋在不需要繼續(xù)提供能量的情況下裂紋就發(fā)生的擴(kuò)展，低應(yīng)力脆斷時(shí)的裂紋擴(kuò)展即屬于此種情況。一、由亞臨界裂紋引起的結(jié)構(gòu)脆斷由斷裂力學(xué)得知，如果結(jié)構(gòu)中的裂紋尺寸超過了由材料和工作應(yīng)力所確定的臨界尺寸時(shí)，則裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。圖1-10為亞臨界裂紋擴(kuò)展示意圖。但是，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)并非一定如此。實(shí)際調(diào)查表明，在某些焊接結(jié)構(gòu)中，一些斷裂現(xiàn)象發(fā)生在裂紋尺寸小于臨界尺寸的情況。造成亞臨界裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸的原因：(1)對(duì)結(jié)構(gòu)提供了附加能量；(2)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部脆化；(3)造成疲勞和應(yīng)力腐蝕裂紋。圖1-10亞臨界裂紋擴(kuò)展二、焊接結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)原則防止斷裂引發(fā)原則結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)具有一定的抗開裂性能。止裂原則一旦出現(xiàn)裂紋，材料應(yīng)具有止裂能力。防止焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故有效而又經(jīng)濟(jì)的方法是使焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)─焊接接頭處（因?yàn)榇颂幉牧鲜艿胶附友h(huán)所造成的各種不同因素的影響并容易產(chǎn)生各種缺陷）具有一定的抵抗性斷裂引發(fā)的能力，即所謂抗開裂性能，同時(shí)希望，一旦在這些地方產(chǎn)生了脆性小裂紋，限制其只在接頭局部擴(kuò)展，而周圍的母材具有將其迅速止住的能力，即對(duì)小裂紋的止裂