第四章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂2

第四章

焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§4-1材料斷裂及影響因素

§4-2斷裂評(píng)定方法

§4-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝特點(diǎn)對(duì)脆斷因素

§4-4預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施

§4-5缺陷安全評(píng)定

§4-1材料斷裂及影響因素

斷裂實(shí)例圖圖1船舶完全斷裂實(shí)例1圖2船舶完全斷裂實(shí)例2

§4-1材料斷裂及影響因素

斷裂分類及特征

按塑性變形大小可將斷裂分為和脆性斷裂(解理斷裂、晶界斷裂)

塑性斷裂斷口特征：宏觀形態(tài)呈纖維狀，色澤灰暗，邊緣有剪切唇，有塑性變形和滑移線；微觀形態(tài)呈韌窩，韌窩是塑性變形形成微孔洞聚集長(zhǎng)大留下的凹坑，坑底含有第二相粒子或夾雜物。

§4-1材料斷裂及影響因素

斷裂分類及特征解理脆性斷裂斷口特征：宏觀形態(tài)表現(xiàn)為斷口平整，塑性變形幾乎為零，有金屬光澤，呈現(xiàn)放射狀撕裂棱形(人字紋花樣)；微觀特征出現(xiàn)河流花樣、舌狀花樣、扇形花樣。晶界脆性斷裂斷口特征：呈顆粒狀，色澤較灰暗，無(wú)明顯塑性變形，微觀形貌為多面體，如巖石狀或冰糖狀。晶界各種析出相、夾雜物、及元素偏析是其產(chǎn)生的原因。

§4-1材料斷裂及影響因素

斷口形貌圖圖3塑性斷裂斷口圖4解理斷裂河流花樣

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷的因素(溫度)

溫度是造成材料產(chǎn)生脆性斷裂的重要因素。溫度降低，屈服極限升高，逐漸達(dá)到材料的強(qiáng)度極限；晶?；评щy，形成裂紋的表面能降低。造成塑性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)帶有缺口時(shí)其轉(zhuǎn)變溫度明顯升高。最終造成在某一溫度區(qū)間的沖擊能急劇下降，該溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷的因素(應(yīng)力狀態(tài))

橫坐標(biāo)為σmax，縱坐標(biāo)為τmax，sOT為正斷抗力，tT為剪切屈服極限，tK為剪斷抗力。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到屈服極限tT，產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到剪斷抗力tK時(shí)，產(chǎn)生剪斷。當(dāng)正應(yīng)力達(dá)到正斷抗力sOT時(shí)，產(chǎn)生正斷。

在單軸拉伸狀態(tài)，此時(shí)τmax/σmax=1/2，即當(dāng)sOT足夠小時(shí)，產(chǎn)生塑性斷裂。在三向拉伸時(shí)，其脆斷的傾向要比單軸拉伸狀態(tài)大。當(dāng)σ1=σ2=σ3時(shí)，這種受力狀態(tài)必定是脆斷。

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷的因素(平面應(yīng)力狀態(tài)示意圖)

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷的因素(應(yīng)力狀態(tài)分析圖)

圖5力學(xué)狀態(tài)圖

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷因素(加載速度、殘余應(yīng)力)

高的加載速度，材料來(lái)不及進(jìn)行塑性變形和滑移，位錯(cuò)擺脫束縛進(jìn)行滑移所需的激活時(shí)間減小，導(dǎo)致脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。脆性斷裂一般在拉伸應(yīng)力場(chǎng)中產(chǎn)生和擴(kuò)展，因此需要足夠的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力去克服裂紋擴(kuò)展阻力，才能形成裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能量條件。焊縫及近縫區(qū)通常存在高的殘余拉伸應(yīng)力，同時(shí)該區(qū)也是材料性能發(fā)生變化的區(qū)域，非常容易成為脆性斷裂的起源。

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷因素(板厚)

板厚增加，塑性變形抗力增加，由平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變；軋制次數(shù)少，材料組織結(jié)構(gòu)比較疏松。平面應(yīng)力：薄板在y軸方向施加均勻拉伸應(yīng)力，該平面內(nèi)的應(yīng)力分量σZ、τZX、τZY全部為零。這樣結(jié)構(gòu)三個(gè)應(yīng)力分量σx、σy、τxY。由于板很薄這三個(gè)應(yīng)力分量在厚度方向相等，這種應(yīng)力狀態(tài)稱為平面應(yīng)力狀態(tài)。

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷因素(板厚)

平面應(yīng)變：研究一個(gè)攔河水壩，壩身受水壓產(chǎn)生變形。設(shè)壩身方向(Z軸)產(chǎn)生的位移為w，垂直于壩身方向(x軸、y軸)產(chǎn)生的位移分別用u、v表示。因壩身很長(zhǎng)，認(rèn)為沿長(zhǎng)度方向不產(chǎn)生位移，即w=0，所以εz=?w/?z/=0，?w/?y=0。另外因壩身很長(zhǎng)某個(gè)截面受力情況相同，即應(yīng)力和應(yīng)變與z坐標(biāo)無(wú)關(guān)，?u/?z=?v/?z=0，綜上可知，壩體應(yīng)變分量只有三個(gè)：εx、εy、rxy。根據(jù)虎克定律：εz=1/E[σZ-V(σx+σY)]=0即σZ=V(σx+σY)

§4-1材料斷裂及影響因素

影響脆斷因素(板厚)

圖6平面應(yīng)力狀態(tài)圖

§4-2斷裂評(píng)定方法

轉(zhuǎn)變溫度

金屬材料有兩個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，即屈服強(qiáng)度σs和斷裂強(qiáng)度σf。溫度降低，σs上升速率大于σf上升速率，兩線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度Tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)T<Tk時(shí)，σf<σs，材料尚未達(dá)到屈服極限就已達(dá)到斷裂強(qiáng)度，即材料無(wú)塑性變形而產(chǎn)生脆斷。圖7σs和σf隨溫度變化圖

§4-2斷裂評(píng)定方法

防止裂紋發(fā)生和阻止擴(kuò)展原則

防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性破壞有兩種設(shè)計(jì)原則防止開裂原則：止裂原則：設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在可能出現(xiàn)的最低溫度下工作，必須能阻止裂紋的自由擴(kuò)展。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，能夠止裂的條件是裂紋起源于局部脆化區(qū)內(nèi)，且處于較高的應(yīng)力場(chǎng)中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入韌性區(qū)和低應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，該裂紋如果小于失穩(wěn)斷裂的臨界長(zhǎng)度，則該裂紋被阻止。

§4-2斷裂評(píng)定方法

轉(zhuǎn)變溫度評(píng)定方法(沖擊試驗(yàn))(一)沖擊試驗(yàn)分為夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)和梅氏U形缺口沖擊試驗(yàn)。夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)評(píng)定：1．

能量準(zhǔn)則：以沖擊斷裂功αk值降低到某一特定數(shù)值時(shí)的溫度作為臨界溫度Tk。斷口形貌準(zhǔn)則：按斷口中纖維狀區(qū)域與結(jié)晶狀區(qū)域某一相對(duì)面積對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)確定臨界溫度Tk。延性準(zhǔn)則：按斷口在缺口根部橫向相對(duì)收縮變形急劇降低的溫度來(lái)作為臨界轉(zhuǎn)變溫度Tk。

§4-2斷裂評(píng)定方法

轉(zhuǎn)變溫度評(píng)定方法(威爾斯寬板試驗(yàn))

在實(shí)驗(yàn)室里再現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂的開裂情況，同時(shí)又能在板厚、焊接殘余應(yīng)力、焊接熱循環(huán)方面模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)。該試驗(yàn)脆性斷裂有三種情況：1．

低應(yīng)力產(chǎn)生裂紋并立即斷裂2．

低應(yīng)力產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展一定長(zhǎng)度后自行停止3．

在較高溫度下，要有高達(dá)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力才會(huì)產(chǎn)生裂紋，最后產(chǎn)生斷裂

§4-2斷裂評(píng)定方法

威爾斯寬板拉伸試樣圖

圖9威爾斯寬板拉伸試樣

§4-2斷裂評(píng)定方法

寬板拉伸試驗(yàn)斷裂行為圖

圖10寬板試驗(yàn)殘余應(yīng)力的影響

§4-2斷裂評(píng)定方法

轉(zhuǎn)變溫度評(píng)定方法(落錘試驗(yàn))

測(cè)定厚度大于16mm鋼板的NDT(無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度)的試驗(yàn)方法，可替代大型止裂試驗(yàn)研究材料的止裂性能，其缺點(diǎn)是試樣尺寸不能反映大型焊接結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)和較大拘束效應(yīng)，表面堆焊脆性焊道，對(duì)熱敏感的合金材料難以使用。

§4-2斷裂評(píng)定方法

轉(zhuǎn)變溫度評(píng)定方法(動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn))

確定材料斷裂韌性的全范圍的試驗(yàn)方法，屬于大型沖擊試驗(yàn)。除了確定NDT溫度之外，還能確定最高塑性斷裂溫度及相應(yīng)的沖擊功。適用于高強(qiáng)鋼及厚板和特厚板焊接結(jié)構(gòu)。這類鋼與低強(qiáng)度鋼相比，各向異性受鋼中雜質(zhì)的影響，難以保證穩(wěn)定的抗脆斷性能；晶粒大小及碳化物金相組織的大小、分布等對(duì)顯微裂紋的形成有較大的影響。

§4-2斷裂評(píng)定方法

轉(zhuǎn)變溫度評(píng)定方法(雙重拉伸)

前述各種方法試件中的脆性裂紋都是在沖擊載荷作用下開裂的，但大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)工作在靜載下，所以開裂條件不夠真實(shí)。通過(guò)試驗(yàn)確定止裂應(yīng)力與溫度的關(guān)系。利用一塊耳板在低溫和拉伸負(fù)載下將試樣拉斷，使裂紋向有均勻拉伸負(fù)載的試件主體擴(kuò)展?！?-2斷裂評(píng)定方法

斷裂力學(xué)評(píng)定方法(特點(diǎn))

斷裂力學(xué)是防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的得力研究手段，使結(jié)構(gòu)的脆斷研究由大量試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上升到防止脆斷的定量設(shè)計(jì)計(jì)算。具體表現(xiàn)為1．

某些材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度不明顯2．

轉(zhuǎn)變溫度方法的試驗(yàn)結(jié)果往往受板厚、材料的強(qiáng)度等級(jí)、冶金因素、載荷及加載速度的影響轉(zhuǎn)變溫度方法未能建立許用應(yīng)力和缺陷尺寸之間可靠的定量關(guān)系

§4-2斷裂評(píng)定方法

斷裂力學(xué)評(píng)定方法(內(nèi)容)

1．

應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ和臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠC

應(yīng)力強(qiáng)度因子是描述裂紋前端應(yīng)力強(qiáng)弱的力學(xué)參量，與裂紋及物體的大小、現(xiàn)狀和外加應(yīng)力等參數(shù)有關(guān)，如應(yīng)力增大應(yīng)力強(qiáng)度因子也會(huì)增大。臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子也稱為斷裂韌性，是評(píng)定材料阻止宏觀裂紋擴(kuò)展能力的一種機(jī)械性能指標(biāo)，與裂紋的大小、現(xiàn)狀和外加應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)，是材料本身的特性，是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。

§4-2斷裂評(píng)定方法

斷裂力學(xué)評(píng)定方法(KⅠC試驗(yàn)測(cè)得P-V圖)

§4-2斷裂評(píng)定方法

斷裂力學(xué)評(píng)定(裂紋尖端張開位移COD)

對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，由于σs低，而KⅠC又較高，此時(shí)塑性區(qū)域較大，甚至出現(xiàn)大范圍屈服現(xiàn)象在這種情況下KⅠC已不適用。線彈性條件下的COD：

臨界狀態(tài)：

§4-2斷裂評(píng)定方法

各評(píng)定方法之間關(guān)系

1．

轉(zhuǎn)變溫度類型試驗(yàn)間的關(guān)系1)大型試驗(yàn)與小型試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系：大型焊接寬板試驗(yàn)的轉(zhuǎn)變溫度與V形缺口沖擊試驗(yàn)達(dá)到某一溫度(σb<450N/mm2的材料沖擊能大于27J的溫度)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2)小型試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系：落錘試驗(yàn)(DWT)和動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)(DT)的NDT溫度基本一直，NDT溫度與威爾斯寬板拉伸試驗(yàn)之間，NDT溫度與止裂溫度(CAT)之間也有一定的相互關(guān)系，所以可以利用落錘試驗(yàn)確定CAT轉(zhuǎn)變曲線。

§4-2斷裂評(píng)定方法

各評(píng)定方法之間關(guān)系

1．

轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)與斷裂力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系1)

V形缺口沖擊試驗(yàn)與COD試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系

TV=T+112-σS-5B1/2TV―V缺口沖擊試驗(yàn)溫度(℃)；T―使用溫度；

則

δC(T)=0.01VE(TV)(適用低碳及普通鋼)VE(TV)―TV溫度下V形缺口沖擊試驗(yàn)的吸收功

(Kgf.m)

§4-3設(shè)計(jì)及制造對(duì)脆斷影響

設(shè)計(jì)影響焊接結(jié)構(gòu)的整體性及大剛度1．

引起較大的附加應(yīng)力2．

對(duì)應(yīng)力集中因素特別敏感3．

一旦有不穩(wěn)定脆性裂紋出現(xiàn)，很可能會(huì)穿越接頭擴(kuò)展至整個(gè)結(jié)構(gòu)，從而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。不應(yīng)在高應(yīng)力集中區(qū)布置焊縫

§4-3設(shè)計(jì)及制造對(duì)脆斷影響

制造影響(應(yīng)變時(shí)效)

人工時(shí)效：鋼材在剪切、冷作、彎曲成型之后，如果在150~450℃范圍內(nèi)加熱，材料性能會(huì)產(chǎn)生脆化，即產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效。該應(yīng)變時(shí)效較動(dòng)應(yīng)變時(shí)效的影響弱的多。動(dòng)應(yīng)變時(shí)效：材料在熱循環(huán)和熱塑性變形循環(huán)的作用下，在缺陷處和產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)變集中，具有較大的熱應(yīng)變量，降低了材料的延性，提高了材料的轉(zhuǎn)變溫度。

§4-3設(shè)計(jì)及制造對(duì)脆斷影響

制造影響(應(yīng)變時(shí)效)§4-3設(shè)計(jì)及制造對(duì)脆斷影響

制造影響(接頭金相組織、焊接缺陷)

在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫及近縫區(qū)的組織會(huì)發(fā)生一系列的變化，使接頭各部位的缺口韌性不同。金相組織變化取決于材料原始組織、化學(xué)成分、焊接方法和焊接線能量。過(guò)小的線能量，引起淬硬組織，易產(chǎn)生裂紋；過(guò)大的線能量，使晶粒粗大，造成韌性降低。1焊接缺陷是造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆斷的重要因素。其影響程度與缺陷的性質(zhì)、尺寸、形狀及部位有關(guān)，其中裂紋、未焊透等影響最為嚴(yán)重。

§4-3設(shè)計(jì)及制造對(duì)脆斷影響

制造影響(角變形、錯(cuò)邊、殘余應(yīng)力)

產(chǎn)生附加彎曲力矩和新的應(yīng)力應(yīng)變集中，在拉伸載荷和附加彎曲力矩的共同作用下，易造成接頭破壞。平面缺陷―裂紋、分層、未焊透非平面缺陷―氣孔、夾渣1)

試驗(yàn)溫度在材料的轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)對(duì)脆斷無(wú)影響2)

試驗(yàn)溫度在材料的轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，和拉伸載荷疊加，造成脆斷的產(chǎn)生。

§4-4預(yù)防脆性斷裂措施

設(shè)計(jì)方面(一)

掌握結(jié)構(gòu)工作條件：最低溫度、介質(zhì)溫度和工作載荷的性質(zhì)。(二)

減少結(jié)構(gòu)和接頭的應(yīng)力集中1．

選擇結(jié)構(gòu)傳力截面及接頭形式要盡量使力線均勻分布，避免截面尺寸突變，防止應(yīng)力集中。2．

盡量減小結(jié)構(gòu)剛性，大型結(jié)構(gòu)采用較薄的材料。1．

充分考慮到可焊到性。2．

避免焊縫密集和焊縫相交

§4-4預(yù)防脆性斷裂措施

正確選用材料

按缺口韌性試驗(yàn)驗(yàn)收材料一般對(duì)選定的材料用V形缺口沖擊試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證其適應(yīng)性，即所選材料和焊接填充金屬保證在工作溫度下有合格的缺口韌性。

按斷裂韌性和屈服極限之比選擇材料斷裂韌性尚不足以說(shuō)明材料的脆-塑性，斷裂韌性(KIC) 與材料屈服極限之比才能好好地說(shuō)明這一問(wèn)題，因?yàn)閮烧咧确从沉肆鸭y尖端處在斷裂前塑性區(qū)的大小。

§4-4