第3章焊接结构断裂性能.ppt

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1、焊接结构第三章 焊接结构断裂性能,本章学习要点,第3章 焊接结构断裂性能,晶间断裂,晶内断裂,图 各种断裂微观形貌,解理型断口,穿晶韧窝断裂,序言：焊接结构应用的数十年间，为人类文明做出了巨大的贡献，这是不可磨灭的。但是，由于人类对于焊接结构的特性认识不足，制造工艺不当，维护不及时，历史上也出现过一些灾难性的事故。因此，焊接工作者尤其应该深刻汲取历史留给人们的惨痛教训，发挥自身的聪明才智，更为科学合理地利用资源，保护环境，创造更加辉煌的未来！,易发生脆断的几种典型结构,桥 梁工况：冬季寒风、超载重载车辆、伴随较强振动（冲击性）；舰 船工况：冰雪季节、动荡加载或 与冰块频繁撞击；压力容器工况：承

2、受高压载荷、内部装 载低温介质或裸露在低温环境。工况特点：低温、高应力（集中）、动载荷！制造这类产品时，应高度重视！,断裂：金属材料受力后局部变形量超过一定限度时，原子间的结合力受到破坏，从而萌生微裂纹，继而发生扩展使金属断开，是材料失效的主要形式之一。,断裂,脆性断裂延性断裂(塑性断裂、韧性断裂),第一节 脆性断裂的特征,3.1.1 研究脆断的意义,TITANIC断裂事故,1912年当年最为豪华、号称永不沉没的Titanic首航沉没于冰海，成了20世纪令人难忘的悲惨海难。1985年以后，探险家们数次潜到12612英尺的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国Popular Science杂

3、志发表了R Cannon的文章，标题是“what really sank the titanic”，付标题是”为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果,1968年4月，高强度钢制造球形容器，在最后耐压试验升压阶段发生破裂事故。,德山球形容器脆断事故,日本德山球形容器(2226m3)的脆断事故就是由于采用了过大的焊接线能量而造成的。该容器采用HT80

4、高强钢焊接，板厚为30mm，焊后进行水淹试验时破裂。按工艺规定，应采用的焊接线能量为48kJ/cm，但由于冬季施工，焊接时采用的预热温度偏高，焊接线能量也偏大，事故分析表明，脆断起源点的焊接线能量为80kJ/cm，大大超过了规定的线能量，致使焊缝和热影响区的韧性显著降低。,3.1.2 脆性断裂的特征,几乎没有塑性变形，具有突然破坏的性质；脆断时所需能量小，破坏应力往往低于材料的屈服强度，属于低应力破坏；裂纹扩展速度快，瞬时扩展到结构大部分或全体，直至断裂。断裂不易发现和预防。脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；通常在较低温度下发生。,本节提要：具体分析金属脆断的影响因素时，又可从总体上将

5、它们分为内因和外因。本节的任务就是：1)通过对脆断影响因素的深入分析，全面认识脆断的本质与产生机理；2)学会使用应力状态图综合判定金属的断裂性质及相关问题。,第二节 金属材料的断裂及其影响因素,3.2.1 金属材料断裂的机制和形态,3.2.1.1 脆性断裂,脆性断裂：沿一定结晶面劈裂的解理断裂及晶界断裂。,脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。,解理断裂是材料在正应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿晶内一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。是一种晶内断裂。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。,(1)解理断裂,宏观特征：不产生或产生较小的宏观塑性变形 宏

6、观断口平齐 断口有金属光泽 与主应力方向垂直微观特征：河流花样、舌状花样、扇形花样,解理断裂的特征,D-扩展方向 O-裂纹源 S-剪切唇 R-放射条纹图3-1 人字纹示意图,图3-2断口微观特征-河流状花样,沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。,(2)晶界断裂(沿晶断裂),沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相 微量有害杂质元素在晶界上偏聚 由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。,图 沿晶断裂的断口

7、形貌,宏观特征：无塑性变形 颗粒状或粗瓷状 色泽较灰暗 断口表面平齐 边缘有剪切唇微观特征：明显的多面体，岩石状花样、冰糖块状花样,晶界断裂的特征,金属脆断的断口特征：1）断面颜色：解理断裂：金属光泽；晶界断裂：较灰暗；2）宏观断口：解理断裂：断口平齐，有放射状撕裂棱形，即 人字纹，其尖锋指向裂纹源；晶界断裂：表面平齐，呈颗粒或粗瓷状，边缘有剪切唇；3）微观断口：解理断裂：河流花样、舌状花样、扇形花样；晶界断裂：岩石状、冰糖状。,3.2.1.2 延性断裂,大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断裂，往往只发生延性断裂。,延性断裂,滑移或纯剪切断裂微孔聚集型断裂,(1)滑移或纯剪断裂,金

8、属在外力作用下沿最大切应力的滑移面滑移，至一定程度而断裂。常发生在纯的单晶体中。断口平面与拉伸轴线大致呈45角，表面平滑。,图3-4a 纯剪断的示意图,(2)微孔聚集型(杯锥状)断裂,外力作用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在使周围形成位错塞积。随外力继续增加，形成微空穴。随外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会聚集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。杯底部分一般与主应力方向垂直的平断口，断口平面并非完全平直，由许多细小的凹凸小斜面组成，小斜面和拉伸轴线成45角,图3-4b 微孔聚集型断裂示意图,延性断裂的特征：宏观断口：纤维状、色泽灰暗、有剪切唇、有塑性变形微观断口：韧窝,图3

9、-5 韧窝状花样断口电镜图像,韧窝的形成机理为空洞聚集：,图 空洞聚集的过程,图 棒材拉伸断口示意图,韧窝的尺寸和形状与,图3-6 三种韧窝的形成过程,(a)等轴韧窝,(b)剪切韧窝,(c)撕裂韧窝,图 按断裂路径分类示意图a-穿晶断裂；b-沿晶脆断；c-沿晶韧断,3.2.1.3韧性脆性断裂,大多数塑性金属材料随温度的下降会发生从韧性断裂向脆性断裂过渡的情况，这种断裂类型的转变称为韧性-脆性的转变，所对应的温度称为韧性-脆性转变温度。一般体心立方金属韧性-脆性转变温度高，而面心立方金属一般没有这种温度效应。,3.2.2 影响金属脆断的主要因素,1)引起脆断的外部三要素：应力状态、温度条件、加载

10、速度。深入理解：温度条件是引发金属脆断的前提促成脆性转变！应力状态是决定断裂性质的天平基于载荷形式！加载速度则是促成脆断的导火索胜似雪上加霜！2)引起脆断的内部要素：材料状态,1）联合强度理论 基本概念：材料某一单元体受力状态可能是多种多样，但是，材料内部产生的最大正应力和最大切应力是有极限的。当最大切应力未达到极限值时，最大正应力首先达到极限值则发生脆性断裂；当最大正应力未达到极限值时，最大切应力首先达到极限值则发生延性断裂。,具体分析外部三要素,3.2.2.1应力状态的影响,2）力学状态图：力学状态图联合强度理论的转化形式！,应力状态图,3）应力状态指标:力学状态图中，过坐标原点的直线与横

11、坐标轴的夹角的正切值，即定义为应力状态指标。显然，r max/max 其数值对应于一定的应力状态是不变的。在力学状态图中，SoT 正断抗力；ts 剪切屈服极限；tb 剪断抗力。,r小则材料易于脆性断裂，r大则材料倾向于延性断裂。,4）常见加载形式对应的应力状态,表3-1 应力状态和断裂形式,5）缺口效应对应力状态指标的影响,具有尖锐缺口的厚板结构，缺口即使在单向应力作用下，缺口尖端也会出现三向拉应力状态，使应力状态指标r严重降低，增大了脆断的可能性！三相等轴拉伸应力状态，其应力状态指标r=0，故其破坏形式一定是脆性断裂！通过上述分析，不难理解塑性好的材料也会发生低应力破坏的道理！,温度条件影响

12、断裂性质的根本原因是：材料是否有冷脆现象！实验证明：有些金属的冲击韧性指标对温度具有敏感性。即当温度由高到低变化到某一临界范围时，其冲击韧性会发生骤然下降，材料学称之为冷脆现象，而导致金属发生冷脆现象的临界温度称为该金属的延脆性转变温度。显然，材料的延脆性转变温度越低，在一定温度下发生冷脆的倾向越小！,3.2.2.2温度的影响,具有冷脆现象金属的晶格特征：,研究表明：具有冷脆现象的金属多为：体心立方晶格或密排六方晶格结构。大多面心立方晶格的金属，如：铝、铜等金属则没有冷脆现象。所以，低温环境的压力容器往往选择含镍量较高的面心立方晶格的金属。这类金属材料具有较高的低温韧性！,不同材料冲击韧性与温

13、度关系曲线,用力学状态图解释温度降低对脆断的影响 原理：随着温度的降低，屈服抗力ts升高，而正断抗力SOT不变，故脆断危险性增加！联想：材料的屈服极限s 随温度的提高而降低！反过来，必然提高！,温度对脆断的影响规律,图3-10 延性-脆性转变温度应变率的关系,图3-9 温度与破坏方式关系示意图,研究表明：加载速度d/dt提高，其作用相当于温度降低，同样会使屈服抗力ts升高，而正断抗力SOT 不变，则脆断危险性增加！,加载速度对脆断的影响规律,3.2.2.3加载速度的影响,应力集中对d/dt的影响,应该指出，在结构缺口处由于应力集中作用，使加载速度d/dt明显提高，故脆断危险性增大。载荷的冲击性

14、越大，即加载速度d/dt越大，对工件的危害也就越大！,（1）化学成分 合金元素，杂质，气体，夹杂物等钢中的碳、氮、氧、氢、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高韧-脆转变温度的不利作用。,C、N、O、H、S、P增加钢脆性；Mn、Ni、Cr、V降低钢的脆性。,3.2.2.4 材质的影响内因,一项新的科学研究回答了80年未解之谜：含S高的钢板，韧性差所致。,图 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,(2)显微组织,钢的韧脆转变温度：铁素体珠光体上贝氏体下贝氏体回火马氏体,（3）晶粒度和各向异性,Tc为转变温

15、度（K）；d为晶粒直径（mm）。,图3-11 转变温度和屈服点与低碳钢晶粒度的关系,(1)尺寸的影响,实际上由于屈服和断裂经常是从材料表面开始，所以表面缺陷数目增加将导致流动和断裂的倾向。在厚板的截面中，存有缺陷的可能性更大；大截面造成的拘束度可引发高值应力；快速屈服和断裂时，所释放的弹性应变能依赖于试样尺寸。因此，随着厚度增加，材料的性能降低。,3.2.2.5 板厚,图 钢的轧制使晶粒细化,(2)冶金因素,轧棍,一般说来，生产薄板时压延量大，轧制温度较低，组织细密；相反，生产厚板时轧制次数少，终轧温度较高，组织疏松。显然厚板的延、韧性均较差。,(3)缺口的影响,厚板结构在受力时沿厚度方向的变

16、形受到很大限制，形成平面应变状态，在缺口处易出现三向拉应力，使脆断倾向增大。,图3-12 试样尺寸对应力-应变曲线形状的影响,本节提要:本节侧重焊接工艺引起的新矛盾、新问题,第三节 焊接结构的脆性断裂,3.3.1 焊接结构的特点对脆断的影响,(1)焊接结构刚性大 不能产生相对位移，将引起较大的附加应力 对应力集中特别敏感(2)焊接结构整体性强 给裂纹的扩展创造十分有利的条件,a.拐角处为一尖角，应力集中大承载能力为680吨(计算应力相当于166N/mm2)，破坏能量为25870Jb.采用圆滑过渡拐角，应力集中得到缓和承载能力为910吨(计算应力相当于255N/mm2)，破坏能量为660520J

17、,图“自由轮”甲板舱口设计对比a-原始设计；b-改进设计,3.3.2 焊接制造工艺对脆断的影响,1)时效的概念在一定温度下，材料性能随时间发生变化的现象称为时效。其英文为aging，即age的现在分词。2)应变时效 静应变时效（也称冷变形时效或冷应变脆化）；动应变时效（也称热应变时效或热应变脆化）。,3.3.2.1 应变时效引起的局部脆性,应 变 时 效：是指金属经过一定量的塑性变形后，再经历150400温度范围的加热作用而造成的材料塑性下降的现象。静应变时效：是指金属经过“冷加工”而产生一定量的塑性变形导致的应变时效。动应变时效：是指金属经过“热循环”而产生一定量的热塑性变形导致的应变时效。

18、,3)应变时效产生的危害 有害的时效往往使材料性能变坏：硬度提高，塑性下降，韧性变差。热应变时效使材料塑性极度下降，即所谓“塑性耗竭”！4）应变时效的消除 静应变时效：切削时变形小，可铇去冷变形部分；或采用550560热处理。动应变时效：多产生于应力集中处，危害较大。采用550560热处理，同时还可消除残余应力，改善局部脆性。,焊接过程的快速加热和冷却，使焊缝本身和热影响区发生一系列组织变化，该区具有比母材高的韧-脆转变温度，成为焊接接头的薄弱环节。,3.3.2.2 焊接接头微观组织对脆性的影响,1-母材 2-母材热应变时效区 3-细晶粒热影响区 4-粗晶粒热影响区 5-焊缝图3-15某碳-锰

19、钢焊接接头不同部位的COD试验结果,q过小 导致淬硬组织，易产生裂纹。q过大 导致晶粒粗大，材质脆化，韧性减小。,图3-16 不同焊接热输入对某碳-锰钢焊接接头的热影响区冲击韧度的影响,焊接工艺要合理控制焊接线能量。,3.3.2.3 焊接缺陷对脆断的影响,焊接接头中，大约40的脆断事故是从焊接缺陷处开始的。在外载作用下，裂纹前沿附近会产生少量塑性变形，同时尖端有一定量的张开位移，使裂纹缓慢发展，当外载增加到某一临界值时，裂纹即以高速度扩展，此时裂纹如位于高值拉应力区，往往引起整个结构的脆性断裂。除去裂纹以外，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝表面成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏。

20、,区别对待 焊接缺陷的影响与其所在的位置和种类有关!影响的本质 损失承载截面;形成缺口效应,导致应力集中!防止措施 改进工艺,加强管理,强化检测手段!运用质量管理体系的功能，尽最大可能消除焊接缺陷！,3.3.2.4 残余应力对脆断的影响,(1)考虑工作温度时的影响当温度低于脆性转变温度：有不利影响 如果焊接残余应力为拉应力，拉伸残余应力将和工作应力迭加共同起作用，在外加载荷很低时，发生低应力脆性破坏。拉伸残余应力一般只限于焊缝附近部位，所以在焊缝附近的峰值残余应力有助于断裂的发生。当温度高于脆性转变温度：无不利影响,(2)考虑残余应力分布时的影响,较宽的拉应力区,裂纹穿过整个试件,有较大的残余

21、压应力区,裂纹在压应力区拐弯并停止扩展,(3)对脆断裂纹扩展方向的影响,图3-19 裂纹扩展路径,若试件未经退火，试验时也不施加外力，冲击引发裂纹后，裂纹在残余应力作用下，将沿平行焊缝方向扩展(N30W-3)。随着外加应力的增加，开裂路径越来越接近与外加应力方向垂直的试件中心线。如果试件残余应力经退火完全消除，则开裂路径与试件中心线重合(N30WR-1)。,第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施,4.1 焊接结构设计准则,焊接结构脆性破坏的两个步骤：产生脆性裂纹裂纹快速扩展结构破坏 焊接结构设计准则：开裂控制即防止裂纹产生准则要求焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗开

22、裂性能扩展控制即止裂性能准则要求如果在焊接结构最薄弱部位产生了裂纹，其周围材料应具有将其迅速止住的能力，即止裂性能,总括：焊接结构发生脆断的危险依然存在！防止焊接结构脆断的策略应该从多方面着眼：1）选择与实际工况匹配的低温韧性好的母材；满足缺口韧性指标的要求！2）优化结构设计,完善制造工艺，消除焊接缺陷、焊接应力与变形带来的危害！3）强化质量意识和质量保证体系,实现产品的全程质量监控！,4.2 防止焊接结构脆性断裂的选材原则,选择材料的基本原则是既要保证结构的安全使用，又要考虑经济效果。一般地，应使所选用的母材和焊接用材料保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。含义是：第一，焊缝、热影响区、融合区

23、等薄弱部位具有足够的抗开裂性能；母材具有一定的止裂性能。第二，随着钢材强度的提高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。特别不应该单纯追求强度指标，护士其他性能。,夏比冲击试验方法,试样尺寸:101055缺口型式:V型试验方法:参考GB/T 229-94试验目的：在不同温度下对一系列试件进行试验找出其韧脆特性与温度的关系应用意义:相对评价材料的性能;安全评价的依据.,图 缺口冲击实验,衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度 ak(ak Ak/Fk),冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。,Ak越高，Tk越低，则材料的

24、韧性越好。Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。钢韧性最高，无明显的Tk，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk，低温韧性差；高强度M钢韧性最差，即使室温韧性好很低。,能量准则法实验证明，随着温度的上升，打断试件所需的冲击吸收功也显著上升，可以用它来衡量材料的韧-脆转变温度。一般认为，这种能量转变主要取决于裂纹产生前和裂纹开始扩展时缺口根部的塑性变形值:,当塑性变形较小时，需要较小的冲击吸收功；,当塑性变形较大时，需要较大的冲击吸收功；,钢材韧性的评定方法,断口形貌准则法以试件断口形貌来衡量转变温度特性，称为断口形貌转变温度；是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，表示金属由晶粒状破坏

25、向纤维状剪切破坏的转变：,在温度较低时，试件具有扩展快、吸收功低的解理断口；,在温度较高时，试件具有扩展慢、吸收功高的剪切破坏断口；,延性准则法测量冲击试件缺口根部厚度随温度的变化；随温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口表面的横向膨胀量；通常采用的转变温度微对应于3.8%的侧向膨胀率。,图 系列冲击试验,4.3 防止焊接结构脆断的设计原则,(1)尽量减少应力集中 焊缝位置应在平滑过渡处；选用应力集中小的接头形式 接头形状应圆滑过渡；焊缝应布置在易焊易检的位置；避免焊缝过于密集；,（a）不可采用,（b）可以采用,图3-37 尖角过渡和平滑过渡的接头,（a）不合理,（b）合理,图3-38 封头设计

26、时合理与不合理的接头,(a)厚板双面减薄(b)厚板单面减薄(c)填充材料过渡图3-39 不同板厚接头设计方案,图3-40 不易施焊的焊态部位举例,不合理 合理图3-41 避免焊缝密集的措施,不合理 合理图3-42 避免焊缝交叉的措施,(2)尽量减小结构刚度 不采用过厚截面；结构重要部位刚性过大应开缓和槽。,图3-43 容器开缓和槽,(3)不采用过厚的截面厚度大，钢材的转变温度高厚度大，晶粒粗厚度大，刚度大厚度大，易形成三轴应力状态,(4)充分注意受力构件上的不重要焊缝 例如：船体、容器上的挂钩、支架等。原则：能不焊就不焊！分析：不重要焊缝往往不被重视，产生缺陷的可能性大！然而，这些缺陷又处在受

27、力构件上，因而，导致受力 构件的低应力破坏。,(5)充分考虑焊接残余应力和变形的影响 在第二章已经重点讨论了焊接残余应力和变形的危害。重点从两个方面理解：构成复杂应力场，导致缺口效应使材料变脆，而残余应力对脆性材料的静载破坏是有影响的！角变形和错边都会产生附加弯矩!使焊趾处的应力集中程度加大！,4.4 防止焊接结构脆断的工艺措施,结合3.3节内容已经介绍过，这里不再赘述!主要是：控制应变时效；防止产生脆性组织；控制焊接缺陷；控制角变形及错边；注意消除焊接残余应力。,4.5精心制造，严格执行制造工艺和质量要求用断裂力学方法评定结构的安全性，重视质量监督。,与焊接结构脆断相关试验,一、抗开裂性能试

28、验1.Wells宽板拉伸试验2.断裂韧性试验3.尼柏林克试验,1.Wells宽板拉伸试验,试件尺寸：910910(板厚),缺口尺寸：5mm0.15mm注意：焊前开缺口！适用：静载结构的热应变脆化研究；残余应力的影响；角变形的影响；退火、预拉伸等。,wells宽板拉伸试验的评定标准,低碳钢、C-Mn钢 以510mm标距内，能产生0.5(2.55mm)的塑性变形，作为该试验条件下的抗开裂温度Ti。（英国造船业应用的标准）高强钢 以能够达到 4s 的试验温度作为该试验条件下的抗开裂温度Ti。特点：更符合实际工况！试验结果可直接用于指导结构设计。,四点弯曲法是目前检验母材或焊接接头抗脆性断裂的重 要方

29、法之一。,在动载下的裂纹张开位移法,在一定程度上模拟了板材焊接残余应力、焊缝缺陷、板厚效应等；在一定程度上反映了加工硬化的影响；可以反映出实际结构焊接接头中裂纹的扩展方向。,2.尼柏林克试验,二、止裂性能试验1.落锤试验2.动态撕裂试验,1.落锤试验,图 落锤试验示意图,Penillni落锤试验是在研究钢的脆断倾向，评定比较止裂行为时使用。,图 断裂分析图,落锤实验获得的数据可建立断裂分析图；表示许用应力、缺陷和温度之间的关系曲线。,简称DT试验；由美国海军研究所（NRL）于1962年开创的一种新型工程试验方法；适用于各种异性敏感的高强度钢、超高强度钢；钢的晶粒度、碳化物金相组织的大小和分布、钢中P,N,O等都对显微裂纹的形成产生较大影响。,2.动态撕裂试验,