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1、第5章 焊接结构的脆性断裂Brittle Fracture of the Welding Structure用了5学时,主要内容,第一节金属材料的脆性断裂 脆断事故及研究脆断的意义,脆断的形态特征及影响因素,材料断裂的评定方法脆性，断裂的能量理论 第二节焊接结构的特点及其对脆断的影响 刚度大,整体性强的特点,焊接结构制造工艺特点 第三节焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法 脆性断裂的产生,扩展与停止,焊接接头抗开裂性能试验,止裂试验. 第四节预防焊接结构脆性断裂的措施 正确选材,采用合理的焊接结构设计,用断裂力学方法评定结构安全性.,5.1 脆断事故和研究脆断的意义,焊接结构广泛应用以来，曾
2、发生过一些脆性断裂事故 这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果,桥梁脆性断裂（特例）,位于加拿大的圣劳伦斯河之上的Quebec Bridge本该是著名设计师Theodore Cooper的一个真正有价值的不朽杰作。 作为当时世界上最长跨度的钢悬臂桥，库帕忘乎所以地把大桥的主跨由490米延伸至550米，以此节省建造桥墩基础的成本。,Quebec Bridge 坍塌后的惨状,然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。1907年8月29日，大桥杆件发生失稳，突然倒塌，19 000吨钢材和86名建桥工人落入水中，只有11人生还。 由于库帕的过分自信而忽略了对桥梁重量的精确计算，导致了一场事故。
3、,跨度最长的一段桥身突然掉落塌陷,事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。,1917年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥之一。,轮船的脆性断裂著名的事故调查,一九四六年，美国海军部发表资料表明，在第二次世界大战期间，美国制造的4694艘船只中，发现在970嫂船上有1442处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的自由轮上，其中24艘甲板全部横断，1 艘船底发生完全断裂，8艘从中腰断为两半，其中4艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情况下。,对象：万吨级的自由轮 时间：二次大战期间 所属：US海军部,裂纹拦腰扩展油轮,Why the
4、Titanic Sunk ？,直径24m*16m高糖蜜罐,-30下脆断 4000t 人员和财产巨大损失 P180 表5-2 典型脆断事例统计,调查研究脆断发现的特点：,低应力、没有显著的塑性变形 塑性材料也发生脆断 总是由裂纹源（0.1mm以上）扩展引起 超过某个临界尺寸就以极高速度扩展 中、低强度钢常发生在较低温度，高强度钢没有明显的温度效应,必须高度重视,引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用不当、构造设计不合理、制造质量和检验技术不完善等； 防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。,5.2 金属材料的断裂及其影响因素,同一种材料在不同条件下可
5、以显示出不同的破环形式。 研究表明，最重要的影响因素是： 温度、应力状态和加载速度 例如温度越低、加载速度越大，材料中三向应力状态越严重则发生解理断裂的倾向性越大。这就是说，在一定温度、应力状态和加载速度下材料呈延性破坏。 而在另外的条件下，材料又呈脆性破坏。此外晶粒度及显微组织对材料破坏倾向也有重大影响。,5.2.1 金属材料断裂的形态特征,工程上分类：仅有延性断裂和脆性断裂两种 区分两者的方法：断口在断裂前的塑性变形量 如何分析：材料状态- 工作条件-,断裂性质,断口：金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌,记录着有关断裂全过程的许多珍贵信息 断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂
6、机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等均可由断口获得 断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇区 定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,则通常把R=1时的断裂温度称为材料的韧性脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度） 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。,延性断裂 Ductile Fracture,延性断裂过程：金属材料在载荷作用下，首先产生弹性变形，当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩
7、展而导致最后断裂。 微观特征：韧窝,延性断裂的表面SEM图片,韧窝花样和硫化物（Sulfide）颗粒 材料：ASTM 1080碳素钢 化学成分： C：0.75-0.88 Mn: 0.69-0.90 P: 0.040 S硫: 0.050 Si: 0.10 Cu: 铜0.20,dimple,韧窝的形成的两种机制,(a)微孔聚集模型,(b) 在第二相粒子处形核模型,三种基本韧窝形态,等轴韧窝：在正应力的作用下,显微空洞周边均匀增长,断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。,实际断口常常是混合型韧窝,三种基本韧窝形态撕裂韧窝：,在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断
8、面上，抛物线的凸向相反。,三种基本韧窝形态剪切韧窝：,在撕裂应力的作用下形成,常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形状相似,而且抛物线的凸向也相同。,脆性断裂-脆性断裂是指材料在未断裂之前无塑性形变发生,或发生很小的塑性形变导致破坏的现象,解理断裂定义：是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离。包括半解理断裂及晶界(沿晶)断裂。 主要特征：在工作应力低于材料的设计应力和没有显著的塑性变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展速度可高达1 5002 000m/s）。解理面一般是表面能
9、量最小的晶面。常见的解理面见表1。面心立方晶系的金属及合金,在一般情况下,不发生解理断裂。 微观机制：解理断裂、准解理断裂和晶界断裂,典型的解理断口,解理断口典型特征,河流花样 裂纹扩展中解理（台）阶在图像上的表现形式态。 裂源在河流的上游某处的晶界 舌状花样 主解理面与孪晶面相遇形成的短暂的二次解理,Brittle Fracture 裂纹源,板件断口的人字纹,汇集的河流花样,解理花样，二次裂纹明显，并有空穴状形貌M30160大六角高强度螺栓，材质：42CrMo,上海市机械制造工艺研究所有限公司,准解理断口,介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂形式。 在电子显微镜中观察其断口时，既有韧窝花样，
10、但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面，但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发生过局部一定塑性变形的撕裂棱。 准解理断口的特征,基本断裂机制的比较,微观形貌 沿晶 解理 准解理 韧窝,钢轨闪光焊试验件断裂原因分析,宏观断口,1024,5.2.2 影响金属脆断的主要因素 应力状态、温度、加载速率和材料的状态,1 应力状态的影响 SOT 正断抗力 T 剪切屈服极限 K 剪断抗力 剪断1 正断 延性断 脆断2,应力状态的影响,物体受外载时，在不同载面上产生不同的正应力和切应力。 在主平面上作用有最大正应力max， 另一与之垂直的主平面上作用着最小主应力mi
11、n， 与主平面成对45角的平面上作用着最大的max。 当max达到屈服强度后产生滑移，表现为塑性变形。若max先达到材料的切断抗力，则发生延性断裂。 若最大拉正应力max首先达到材料的正断抗力，则发生脆性断裂。,因此，发生断裂的性质，既与材料的正断抗力和切断抗力有关，又与max/max的比值有关。后者描述了材料的应力状态。显然比值增大，塑断可能性大。反之，脆断可能性大。 max/max的比值与加载方式和材料的形状尺寸有关，杆件单轴拉伸时，max/max= 1/2； 圆棒纯扭转时，max/max=1；前者发生脆断可能性大于后者。,缺口效应,厚板结构易出现三向拉应力状态，若1=2=3，则max/m
12、ax=0。这时塑性变形受到拘束，必然发生脆断。 裂纹尖端或结构上其他应力集中点和焊接残余应力容易引发三向应力状态。,5.2.2 影响金属脆断的主要因素 2 温度的影响,温度，剪切屈服，正断抗力不变，故，断裂由塑性断裂脆性断裂,5.2.2 影响金属脆断的主要因素 3 加载速度的影响,实验证明，钢的s随着加载速度提高而提高。 提高加载速度的作用相当于降低温度。,5.2.2 影响金属脆断的主要因素 4 材料状态的影响,厚度 易成三轴应力状态 轧制的压延量-终轧温度-组织粗细程度 晶粒度 对低碳钢和低合金钢，dTk 成分: C、N、O、H、S 增加钢的脆性 Mn、Ni、Cr、V 适量可减少钢的脆性,5
13、.3 材料断裂的评定方法,某种材料在什么条件下断裂，断裂方式如何？ 评定材料的抗断裂能力,5.3.1 转变温度方法,这种方法是用转变温度作为标准来评定钢材的脆性韧性行为的：用途 即把由某种方法测出的某种转变温度与结构的使用温度联系起来。这种方法的基础是建立在实验和使用经验上。 因此不论在实验室里，还是在实际工程中都积累了丰富的数据而且试验方法比较简单。 尽管近年来断裂力学已取得很大进展，但目前还不能完全取代它。,冲击试验（impact test）装置和试样,Charpy V（夏贝V）和Charpy U （夏贝U） 根据工程中采用较广泛的是冲击试验方法。这种试验由于试件小，容易制备，费用低，因此
14、不论作为材料质量控制，还是对事故进行分析研究，在各国都得到普通采用。 却贝V形缺口冲击试验在研究焊接船舶脆断事故时曾被大量采用，积累了许多有参考价 值的数据。梅氏试件在有些国家中用得较多。试验结果表明，V形却贝标准试件比梅氏试件 更能反映脆断问题的实质。,冲击试样,世界各国常用的弯曲冲击试样如图2所示。中国有关标准规定采用横梁式试验法，所用标准试样以U形缺口试样和V形缺口试样为主。 图5-8，p187,国外的试样,基本尺寸： 10*10*55 缺口形状和尺寸,Charpy V 试件断口与温度实例,材料：A36（一种高速钢）,韧性断口,韧性断口,冲击试验的评定标准能量标准,实验证明，随着温度上升
15、，打断试件所需的冲击能量也显著上升，可以用它来衡量材料的脆性韧性转变特性，如图所示。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量，当塑性变形较小时，需要较小的冲击功，而变形较大时，则需要较大的冲击功。这意味着在这个转变温度区间以上，只有当缺口根部发生了一定塑性变形值后，才会开裂，而在这个温度区间以下时，在缺口根部塑性变形很小，甚至几乎没有塑性变形时就会开裂。,-80 -40 0 40 80 120 160 温度， F,冲击试验的评定标准断口标准,断口标准：即以试件的断口形貌来衡量转变温度特性的。一般称作断口形貌转变温度。它标志着金属特性这样一个变化，即当在温度
16、较低时，试件具有扩展快，吸收能量低的解理断口；而在温度较高时，将由扩展慢，吸收能量高的剪切破坏所代替。这是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，也就是说，它代表了由品粒状破坏向纤维状剪切破坏的转变(图)。 在试验中，由于裂纹在扩展时，其前沿金属所承受的加载速率较高，故断口形貌转变温度是不会低于断裂能转变温度的。在实际工作中，常以断口晶粒状断面百分率达到某一百分数(例如50)的温度作转变温度的。,-80 -40 0 40 80 120 160 温度， F,半镇静低碳钢 0.18C 0.54Mn 0.07Si,冲击试验的评定标准延性标准,延性标准：即测量出冲击试件缺口根部厚度随温度的变化，具体地说是测量随着温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口面的横向膨胀星(图c)。对应于38的侧面膨胀率的温度是较常采用的转变温度。,半镇静低碳钢 0.18C 0.54Mn 0.07Si,碳含量对Charpy V-notch钢的能量-温度行为的影响,碳含量越高，冲击功越低，Tc越高,5.3.2 爆炸膨胀试验,是用全厚度的35
