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1、焊接结构讲义 第 5 章 焊接结构的脆性断裂 1武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/5/25 第 1 页第 5 章 焊接结构的脆性断裂5-1 研究脆断的意义及典型事故一、研究脆断的意义众所周知，工程设计中是用屈服强度来确定材料的许用应力。 =s /n， n 1 ：安全系数。设计的强度条件为： 一般认为结构在许用应力以下工作就不会产生塑性变形更不会产生断裂，然而实际情况并非如此，常常有些结构会在应力远低于屈服强度的情况下发生断裂，长期的生产实践使人们认识到，上述强度条件仅能保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，却不能防止脆性断裂。在焊接工艺出现以前，结构的脆断出现的比较少，没有引起
2、人们的重视，但是在焊接结构得到广泛应用以来，脆断事故比以前明显增多了，这是因为在焊接结构的应用初期，人们对它的特点没有深刻的认识，没有按照他的规律办事，在结构设计上没有考虑焊接结构的特点，只是把原来的结构型式原封不动地改为焊接，把铆钉改为焊缝，这是不行的，因为有些结构型式适合铆接却不一定适合焊接，硬要这样做必然导致脆断事故的上升，脆断事故的增加，给人民的生命财产造成了巨大的损失，它引起了世界范围内有关人员的高度重视，防止脆性断裂的问题终于被提到议事日程上来了。讲到这里，大家对研究脆断的意义应该有了一些认识，为了加深这个认识，我们给大家介绍几起国内外的脆断事故是有好处的，大家可以从事故的损失中看
3、到研究脆断的必要性。二、典型事故：1、美国的自由轮：在二次大战期间，美国建造 4694 艘自由轮全焊接船，有 970 艘自由轮上出现大小不等的裂纹 1442 处。其中 24 艘甲板全部横断，8 艘一断两节，4 艘沉没。2、比利时的桥梁：在二次大战期间，比利时在阿尔拜特运河上建了 50 座桥，在之后不长的时期内，前后有十多座发生了脆断事故，而且断裂时的载荷都不大，焊接结构讲义 第 5 章 焊接结构的脆性断裂 2武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/5/25 第 2 页比如其中一座叫哈塞尔特的桥，跨度为 74.52 米，在建成 14 个月之后，于 1938 年 3 月 14 号晚突然断塌
4、，断塌时桥上没有一个人、一辆车，据说当时只有一条狗在桥上跑，当时气温是零下 20 度，河面上有阵风。3、压力容器：1944 年 10 月 20 号美国东俄亥俄煤气公司，液化气储存基地储罐爆炸，该基地有 3 台球型储罐，内径 17.4 米，一台圆筒形储罐，直径 21.3米，高 12.8 米，事故首先由圆筒型储罐开始，最初是储罐开裂，喷出气体和液体，接着一声巨响化为火焰，然后储罐爆炸，酿成大火，20 分钟后，距它最近的一台球罐因底脚过热而倒塌、爆炸，使灾情进一步扩大。这次事故造成死亡 128 人，损失达 680 万美圆。另一起事故发生在 1973 年西班牙的马德里，一台 5000 立方米的球型煤气
5、储罐，在水压试验时三处开裂而破坏，死伤 15 人。我国的情况：7 几年吉林某化工基地绿气罐爆炸死伤人员无数。在讲解焊接结构的脆性断裂之前我们首先要对金属材料的断裂有所了解。5-2 金属材料的断裂及其影响因素一、金属材料断裂的分类、特征及断口按断裂形态分：根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可以分为韧性断裂与脆性断裂。1、韧性断裂特点：断裂前发生明显的宏观塑性变形，断口呈暗灰色，纤维状。2、脆性断裂断裂前塑性变形很小，具有突然性，因此危害性很大，特点：（1）断裂时工作应力很低，一般低于材料的屈服极限。（2）脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始的。（3）温度降低脆断倾向增加
6、。（4）脆性断口平齐而光亮且与正应力垂直。按裂纹扩展路径分： 穿晶断裂；沿晶断裂。按断裂机制分： 解理断裂，剪切断裂；焊接结构讲义 第 5 章 焊接结构的脆性断裂 3武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/5/25 第 3 页按断口的宏观去向分：正断型；切断型。3、断口韧性断口：杯锥状，由纤维区，放射区，剪切唇三个区域组成，脆性断口：晶粒状，表面平齐，与正应力方向垂直。二、影响金属材料断裂的主要因素1、应力状态的影响任何材料都有自己的正断抗力 Sot、剪断抗力 tk 和剪切屈服限 tT，它们是金属材料所固有的力学常数，它们的物理意义是：正断抗力 Sot ：试件中的最大正应力达到 Sot
7、 时，出现正断，属于脆性断裂。剪切屈服限 tT ：试件中的最大切应力达到 tT 时，材料屈服，出现塑性变形。剪断抗力 tk ： 试件中的最大切应力达到 tk 时，产生剪断，属于塑性断裂。而外载荷在试件不同的截面上产生的最大正应力 max 和最大剪应力max 及其她们的比值 max/max 与加载方式有关， 例如：杆件受单轴拉伸时，max 作用在与载荷方向垂直的截面上；最大剪应力 max 作用在与载荷方向成 45 度角的截面上，并且， maxax21当圆棒受扭转时，最大剪应力 max 作用在与中心轴垂直的截面上，而最大正应力 max 则作用在与中心轴成 45 度角的截面上。并且：max = ma
8、x可见同一构件、同样大小的载荷用不同的方式加载,它产生的最大正应力 max 和最大剪应力 max 的数值及比值 max/max 是不同的,这些差别对材料的脆断是有影响的,这个就是看载荷造成的最大正应力 max 和最大剪应力 max 中是 max 先达到正断抗力 Sot,还是 max 先达到剪断抗力 tk,前者产生脆断，后者产生韧断。很多书上把比值 max/max 称为应力状态软性系数。但是要靠计算去看 max、max 哪个先达到 Sot、t k 是很麻烦的，因为你假定一个载荷去计算造成的应力 max 和 max 时，可能它们一个都焊接结构讲义 第 5 章 焊接结构的脆性断裂 4武汉理工大学 金
9、属成型加工系 姜剑宁 2017/5/25 第 4 页没有达到 Sot、t k，也可能都超过了，很难判定它们谁先谁后但是如果我们求出这种加载方式的 max 与max 的比值，也就是应力状态软性系数，再借助力学状态图就可以很清楚的表现出来就很容易判断了力学状态图的做法：设纵轴表示切应力，横轴表示正应力，当一种材料确定了，也就知道了正断抗力 Sot、剪断抗力 tk 和剪切屈服限 tT 则可做出右图，在该图上通过点的任一条直线其斜率都为应力状态软性系数 max/max，它表示一种加载方式的应力状态，如果直线首先与剪切屈服限 tT 相交，则表示该种加载方式将使试件内的最大剪应力 max 首先达到剪切屈服
10、限 tT，产生塑性变形，达到剪断抗力 tk 时产生延性断裂，如果直线首先与 Sot 相交时，则表示该种加载方式将使试件内的max 首先达到 Sot，故产生脆断因此，任何提高 max/max 比值的加载方式或应力状态都有利于产生塑性变形，反之则有利于脆性断裂。例如：单轴拉伸时，max/max而三轴拉伸时，主应力为 1、 2、 3且 30 则 max = 1 ，31max22121313max 可见比值 max/max 下降了，所以脆断的危险性加大了。当 1 = 2 = 3时 max/max = 0 ，在力学状态图上为横轴，说明材料必然是脆断。力学状态图可以用来解释许多断裂现象，试验证明许多材料在
11、单轴或双轴拉伸下呈现塑性，当处于三轴拉伸应力下，因不易发生塑性变形而呈现脆性。在实际结构中，三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多的情况下是由结构的几何不连续性引起的，这是由于实际构件在设计制造过程中或多或焊接结构讲义 第 5 章 焊接结构的脆性断裂 5武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/5/25 第 5 页少总可能产生裂纹、缺口等缺陷，由于这些缺陷的存在，整个结构虽然处于单轴双轴拉伸应力状态下，但是在缺口尖端往往会出现局部三轴应力状态的缺口效应。为什么在裂纹尖端缺口根部会产生三轴应力状态呢？我们取一个处于单轴拉应力场中的裂纹来说明：在受力过程中由于应力集中的原因，缺口根部的应力必然很
12、大，在它的作用下缺口根部的材料将伸长，根据体积不变原理，材料在某方向上的伸长必然引起其他两个方向即宽度和 厚度方向上的收缩，但由于缺口平面上 不承受应力，所以没有横向收缩，缺口 尖端以外的材料受到的应力较小，引起 的横向收缩也较小，可见横向收缩是不 均匀的，使得缺口根部较大的横向收缩 受阻，结果产生横向和厚度方向的拉伸 应力，这样就在缺口根部出现了三向应 力。这就说明了为什么脆断事故一般 都起源于具有严重应力集中效应的缺口 处，而在试验中也只有引入这样的缺口才 能产生脆断行为。2、温度的影响温度主要影响材料本身的正断抗力Sot、剪断抗力 tk 和剪切屈服限 tT 值，随着温度的上升 Sot 基
13、本不变，而 tT 却很快下降，这一结果就相当于改变了力学状态图的形状，使图形变矮了，使得原本可以先和 Sot 相交的应力状态变得先与 tk 相交了，使材料由原来的脆性断裂变为延性断裂。T t TSot 不变 脆性 焊接结构讲义 第 5 章 焊接结构的脆性断裂 6武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/5/25 第 6 页一般来说随着温度的降低材料的脆性增加，当温度降至某个临界值时将出现延性断裂到脆性断裂的转变，这个温度称之为转变温度，转变温度随 max/max 的降低而提高，带缺口的试件转变温度比光滑试件高，拉伸试样的转变温度比扭转的高。3、加载速度的影响加载速度主要影响材料的剪切屈服
14、限tT 值，随着加载速度的提高，剪切屈服限tT 提高而正断抗力 Sot 基本不变，这就使得力学状态图变高了，使得本来先与 tT 相交的应力状态变得先与 Sot 相交了，材料将由韧性断裂变为脆性断裂。加载速度 t TSot 不变 脆性这是因为加载速度主要是通过应变速度来影响剪切屈服限 tT 的，可以设想当加载速度很高时，材料还没来得及进行塑性变形，载荷就上升的很高了，这时就好像 tT 升高了。应当指出，在同样的加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响，因为此时有应力集中存在，应变速率比无缺口时高的多，从而大大降低了材料的局部塑性，这也说明了为什么结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象，这是因为当缺口根部小范围金属材料发生断裂时，则在新裂纹前端的材料立即受到高应力和高应变载荷，换句话说，一旦缺口根部开裂就有高的应变速率，从而不管其原始加载条
