焊接結構的脆性斷裂

1、第四章 焊接結構的脆性斷裂,本章主要內容：一、焊接結構脆性斷裂和疲勞破壞的特點、產生原因及影響因素；二、提高結構疲勞強度和防止脆性斷裂的主要措施。,,,二戰(zhàn)期間美國船只的脆性斷裂,綦江彩虹橋垮塌案,“虹橋”系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名，該橋跨越長江支流—綦河，連接城東城西，于1994年11月5日動工建設，1996年2月16日竣工，橋凈空跨度120米，耗資368萬元。1999年1月4日晚6時50分左右，彩虹橋整體垮塌，包

2、括18名年輕武警戰(zhàn)士在內的40人遇難。調查組認為，這次垮塌事件由兩方面的原因造成。一是工程質量問題；二是工程承發(fā)包不合法。調查結果表明，這次慘劇不是天災，而是人禍。其根本原因，是由于政府在工程開發(fā)建設上沒有遵循法律，履行必要的審核、論證程序，采取了“特事特辦”的方式，盲目追求效率營造“獻禮工程”，從而釀成大禍。,綦江彩虹橋垮塌案,,記者的報道,三向應力,2000年9月3日傍晚，三峽工地正在緊張施工。突然傳來一聲巨響，一臺正在進行檢修的

3、巨型塔帶機驟然垮塌，兩節(jié)重達20噸的機臂和部分皮帶從約20米的高空落下，造成34人傷亡，其中死亡3人，重傷20人。這就是當年震驚全國的三峽工程“9·3”重大事故。,三峽工程“9.3”事故,焊接結構的脆性斷裂,一、脆性斷裂的主要特征宏觀：斷裂前無明顯塑性變形，沒有任何先兆，突然性強。斷裂時所承受載荷不大，遠低于設計時的許用應力，是典型的低應力破壞形式。,斷口形態(tài)：斷口發(fā)光顆粒、平整、人字花樣、河流花樣、穿晶。,系列沖擊試驗,

4、-59℃,-12℃,4℃,16℃,24℃,79℃,低強度鐵素體鋼沖擊斷口照片,系列沖擊試驗,,,,奧氏體鋼,低強度鐵素體鋼,高強度鋼,二、影響金屬脆性斷裂的因素,1、應力狀態(tài)的影響,缺口效應,應力狀態(tài)：加載方式和材料本質,零件受外力作用時，其內部各點的應力狀態(tài)可用三個主應力σ1、 σ2、 σ3來（ σ1> σ2 > σ3）來表示。,材料力學知識,α：應力狀態(tài)軟性系數，零件加載方式由α表示。,P184 圖5-4,,τk,加載方

5、式不同，斷裂方式不同,加載方式相同，材料本質不同，斷裂方式不同,2、溫度的影響,塑性材料開始由塑性變?yōu)榇嘈缘臏囟冉胁牧洗嘈赞D變點。結構的使用溫度較低時，其中的某個部件或局部可能達到脆性轉變點以下，使塑性材料變脆。,,3、加載速度的影響：提高加載速度，相當于降低工作溫度。,,,應變速率,度強,,,斷裂強度,屈服強度,,,4、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。材料本身的質量則是引起脆斷的內因。 1）厚度的影響。厚度增

6、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力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應變狀態(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少，終軋溫度高，組織較疏松，內外層均勻性差?？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變溫度影響很大，晶粒度越細，轉變溫度越低，越

7、不易發(fā)生脆斷。3）化學成分的影響。碳素結構鋼，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。,三、焊接結構產生脆性斷裂的原因,1、焊接結構本身：剛性大，整體性強，構件間很難發(fā)生相對位移，焊接應力很難消除，且對應力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構件之間擴展，繼而擴展到整體。,2、焊接熱循環(huán),熱影響區(qū)組織

8、脆化，韌性下降。改變材料脆性轉變溫度。對某些高強鋼，板厚為30 mm，線輸入達50000J/cm時，可使脆性轉變點升高50~100℃,,平板堆焊,3、焊接殘余應力,脆性材料降低材料實際承載能力。產生應力集中，使微裂紋擴展成脆性斷裂源。,4、備料及成形加工,產生附加應力。材料在成形加工時的預應變可達2%~3%，預應變使材料塑性降低，脆斷傾向增加?？赡芤胄碌娘@微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。,鋼板彎曲成形,矯正彎曲變形,,5、焊接

9、缺陷,裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結構的實際強度，并可能誘發(fā)微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。,焊接熱烈紋,焊縫內氣孔,,四、防止焊接結構脆性斷裂的措施,1、正確選用材料,,四、防止焊接結構脆性斷裂的措施,2、采用合理的焊接結構設計㈠ 減少應力集中,,㈠減小應力集中,盡量采用圓滑過渡,把角接頭改成對接接頭,焊縫錯開布置,㈡ 盡量減小結構剛度,對于大型焊接結構，在滿足使用條下件，應盡量減小結

10、構的剛度，以降低應力集中和附加應力對脆性斷裂傾向的影響。通常用開“緩和孔”或開“緩和槽”等方法來減小接頭的剛度，有時還故意留一段焊縫不焊。,三條焊縫空間交叉，剛度大，應力集中嚴重。,把一塊板切掉一角，降低結構剛度。,,,34,5、不可采用過厚截面,在大型焊接結構中，在滿足工作應力的條件下，盡量采用薄板材。在工作應力較大時，可采用多層板結構，從而降低鋼板的脆性轉變溫度。不能用減低許用應力的辦法來減小脆斷傾向性，這樣會使板厚增大，斷

11、裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。,6、了解焊接結構的工作條件,詳細了解工作環(huán)境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井的設計要求掌握近20年的氣象報告，最后通過概率統(tǒng)計得出結構最低工作溫度。充分考慮結構的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結構更要給予特殊的關注，一般要通過實驗確定結構的脆性轉變溫度。對于儲存腐蝕性介質的容器，要求焊縫熱影響區(qū)不能與介質接觸。,增加板厚,小 結,脆性斷裂的特征 無明顯塑性變形的低應力破壞，突然性

12、強。產生脆斷的原因 ⑴ 使用溫度低于脆性轉變溫度使塑性材料變脆； ⑵ 焊接熱循環(huán)容易使熱影響區(qū)組織粗大，塑性下降; ⑶ 焊接殘余應力使焊接接頭強度下降并且接頭處易產生應力集中； ⑷ 焊接缺陷使結構的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋； ⑸ 備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性； ⑹ 焊接結構剛度大，焊接應力難消除，裂紋在構件之間擴展容易。生產和設

13、計中防止脆斷的措施 了解使用條件；合理設計結構；降低應力集中；盡量減少缺陷。,焊接結構的疲勞破壞,動荷載的概念 所謂靜荷載是指由零緩慢地增加到某一定值后保持不變或變動很小的荷載。構件受靜荷載作用時，體內各點沒有加速度，或加速度很小可忽略不計，此時構件處于靜止或勻速直線運動的平衡狀態(tài)?！　≡陟o荷載作用下，構件中產生的應力稱為靜應力。相反，若構件在荷載作用下，體內各點有明顯的加速度，或者荷載隨時間有顯著的變化，這類荷

14、載稱為動荷載。 交變應力工程中的某些構件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應力稱為交變應力。,應力循環(huán)特征,(b)脈沖循環(huán),(a)完全對稱循環(huán),(c)不完全對稱循環(huán),(d)不完全對稱循環(huán),,,,,,,,,,,疲勞破壞的特點（1） 交變應力下材料發(fā)生破壞時的最大應力，一般低于靜荷載作用的強度極限，有時甚至低于屈服極限（低應力破壞）。（2） 無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應力作用下，均表現為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。

15、（3） 材料發(fā)生破壞時，交變應力的循環(huán)次數與應力的大小有關，應力越大，循環(huán)次數越少。（4） 斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，如圖所示。,斷口特征,,,,,,,,,疲勞破壞的過程構件的疲勞破壞，實質上是裂紋的產生、擴展和最后斷裂的全過程。三個階段組成：1）在應力集中處產生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩(wěn)定擴展；3）結構斷裂。 疲勞破壞是積累損傷的結果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。,應力循環(huán)次數N（疲勞

16、壽命）,應力幅越低，作用循環(huán)次數越多，疲勞壽命越高； 應力幅相同，作用的循環(huán)次數越多，疲勞壽命越高。,影響焊接接頭疲勞強度的因素：（1）應力集中的影響對接焊縫由于形狀變化不大，因此，它的應力集中比其它形式的接頭要?。?T形(十字)接頭的疲勞強度遠遠低于對接接頭。在搭接接頭中，由于其應力集中很嚴重，其疲勞強度也是很低的。（2）殘余應力的影響 殘余應力對結構疲勞強度的影響，取決于殘余應力的分布狀態(tài)。在工作應力較高的區(qū)域，

17、如應力集中處，受彎曲構件的外緣，殘余應力是拉伸的，則它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應力，則提高疲勞強度。另外殘余應力對疲勞強度的影響，還與應力集中程度、應力循環(huán)特征以及循環(huán)次數等因素有關，特別是應力集中系數越高，殘余應力影響越顯著。（3）缺陷的影響 焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大；表面缺陷比內部影響大；位于應力集中區(qū)的缺陷比

18、在均勻應力場中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應力場內的缺陷比在殘余壓應力區(qū)的影響大。值得說明的是，同樣尺寸的缺陷對不同材料焊接結構的疲勞強度的影響也不相同。,提高焊接接頭疲勞強度的措施 （1）降低應力集中 (P245 圖6-46 6-47 6-48)（2）調整殘余應力場 1)整體處理。整體處理包括整體退火或超載預拉伸法。 2)局部處理。采用局部加熱或擠壓可以調節(jié)焊接殘余應