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1、第4章 焊接结构断裂分析及控制 金属材料脆性断裂与延性断裂 断裂力学基础 焊接接头的断裂力学分析 焊接结构脆断的影响因素 焊接结构的断裂控制 抗断裂性能的试验评定方法,4.1 金属材料脆性断裂与延性断裂 断裂过程：裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂 根据断裂前塑性变形的大小，将断裂分为： （1）脆性断裂 没有明显的塑性变形、瞬时扩展到结构整体、突然破坏、应力不高于结构的设计应力 （2）延性断裂（塑性断裂或韧性断裂）断裂前有明显塑性变形,4.1.1 脆性断裂 放射状条纹 人字形花样,脆性断裂的主要特征： （1）低应力脆性断裂 工作应力 屈服极限或许用应力 （2）低温脆性断裂 （3）裂纹超过某个临界尺寸
2、，将迅速扩展，直至断裂，具有突然性。 （4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属中出现,脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂,4.1.2 延性断裂（韧性断裂） 塑性材料的晶体载荷作用下，弹性变形 载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形 继续变形，作用力增加（加工硬化） 加大载荷，产生微裂口或微空隙 微空隙扩展汇合成宏观裂纹 宏观裂纹发展到一定尺寸 最终快速失稳断裂,韧性断口：微孔洞（韧窝） 韧性断裂的过程：微孔成核、微孔长大和微孔聚合三个阶段。,4.1.3 韧性脆性转变 一、影响金属材料断裂的主要因素 （1）应力状态 （2）温度 （3）加载速度 （4）材料的内在因素 化学成分、组织状态,三轴应力状态
3、的缺口效应,二、韧性脆性转变 温度降低，塑性断裂脆性断裂 韧性脆性转变温度,4.2 断裂力学基础 4.2.1 含裂纹件的断裂行为,剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时刻所具有的承载能力,含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题： （1）结构的剩余强度与裂纹尺寸之间的函数关系； （2）在工作载荷作用下，结构中容许的裂纹尺寸，即临界裂纹尺寸或裂纹容限； （3）结构中一定尺寸的初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸需要的时间； （4）结构在制造过程中容许的缺陷类型和尺寸； （5）结构在维修周期内，裂纹检查的时间间隔。,4.2.2 线弹性断裂力学 一、裂纹类型 根据裂纹体的受载和变形情况分为三种类型：,（1）
4、张开型（或称拉伸型）裂纹（型裂纹） 外加正压力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正压力方向垂直 （2）滑开型（或称剪切型）裂纹（型裂纹） 剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展 （3）撕开型裂纹（型裂纹） 在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开。裂纹前缘平行于滑动方向 大多数裂纹形式属于型裂纹，最危险,二、裂纹尖端的应力场 设一无限大平板中心含有一长度为2a 的穿透裂纹 Irwin 离裂纹尖端（r，）的点,薄板平面应力状态 厚板平面应变状态,应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标代表型裂纹 受单向均匀拉伸应力作用的无限大平板有长度为 的中心裂纹的应力强
5、度因子为 KI取决于裂纹的形状和尺寸， 以及应力的大小,三、裂纹尖端的塑性区 当 = 0，切应力为零，正压力最大 当r0时，应力趋于，表明裂纹尖端处应力场有r -1/2阶奇异性（理论上） 塑性区,Irwin考虑塑性区的影响，裂纹长度 a a + ry ry为塑性区长度，型裂纹的ry为 （平面应力） （平面应变）,将修正后的裂纹尺寸a + ry代入 （平面应力） （平面应变）,四、断裂分析的能量原理 Griffith取一块单位厚度的“无限”大平板 弹性应变能释放量U 新表面吸收能量W ，总能量变化为 设裂纹的单位表面吸收的表面能为 ,系统能量与裂纹扩展的关系 裂纹扩展的临界条件 能量释放率 （裂
6、纹扩展的驱动力） 裂纹扩展的阻力,裂纹自动扩展 裂纹不能自动扩展 若给定裂纹半长a，则裂纹扩 展的临界应力为 若给定应力，则裂纹扩展的 临界长度为 玻璃、陶瓷等脆性材料,金属材料 裂纹尖端局部区域 塑性变形 Orowan 设P为裂纹扩展单位面积所需的塑性变形能，以（P+）来代替，裂纹的临界扩展条件为 金属材料 塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素 薄板（平面应力）,五、断裂韧度和断裂判据 无限大平板长为2a的穿透裂纹应力强度因子KI与应变能释放率G （平面应力） （平面应变） 断裂韧度 GC与K IC，断裂准则 或 KIC是材料常数 KIC通过有关 标准试验来获得 K IC的选取应保证平面应力的延
7、性断裂,4.2.3 弹塑性断裂力学 一、 裂纹张开位移（COD） 1961年 Wells COD理论 COD表征裂纹尖端附近的塑性变形程度 COD判据：裂纹体承受载荷时，裂纹尖端张开位移达到极限值C（mm）时，裂纹会起裂扩展，断裂准则为 C为材料的裂纹扩展阻力，可通过标准试验方法测定。COD判据是一个起裂判据,COD常用的定义方法 图a 有明显的物理意义，但试验中不容易测得 图b 便于测定，在大多数情况下有满意的精度 图c 直观易懂，应用较广 图d 应用于中心穿透裂纹，便于有限元分析,COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈服前均适用 小范围屈服时无限大平板中心裂纹受到单向拉伸 （平面应力
8、） （平面应变） 在大范围屈服条件下 工程应用的设计曲线,二、J 积分 1968年 Rice 设有一单位厚度的型裂纹体，J积分的定义为 小范围屈服条件下 （平面应力） （平面应变） 断裂准则为 JIC 弹塑性断裂韧度,4.2.4 剩余强度 以宽为W的中心裂纹板为例 当 时，结构发生断裂，剩余强度为,4.2.5动态裂纹扩展与止裂 动态裂纹扩展通常有两种情况： 1）含静止裂纹的结构承受迅速变化的动载荷作用引起的裂纹扩展； 2）净载荷或缓慢变化的载荷作用下的裂纹快速扩展 在线弹性材料特性范围内，第一类问题的裂纹起裂准则为 式中， KI是动载荷下的应力强度因子 KId是动态应力强度因子,一、动态裂纹扩
9、展 （G - R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小 若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展速度为,当裂纹快速扩展时， K(V)为动态应力强度因子，K(0)是同一载荷及当前裂纹长度下的静态应力强度因子，k(V)是裂纹扩展速度的函数 瞬时能量释放率与应力强度因子的关系 A(V)是裂纹扩展速度的函数 动态裂纹能量释放率与静态裂纹能量释放率之间的关系 G(V)为动态应力强度因子，g(V)是裂纹扩展速度的函数，G(0)是静态应力强度因子,二、 裂纹止裂的基本原理 利用能量平衡原理进行研究 如果G稍微降到R以下，裂纹止裂,4.3 焊接接头的断裂力学分析 4.3
10、.1 含裂纹焊接接头的断裂模式 影响因素：接头强度失配比、裂纹尺寸、应变硬化性能等相互影响 低匹配 高匹配,临界裂纹尺寸 焊接接头发生全面屈服的最大裂纹尺寸ag 焊接接头母材发生屈服并断裂的最大裂纹尺寸abg 在高匹配条件下，焊缝发生小范围屈服而母材发生屈服断裂的最大裂纹尺寸an,nB 母材的极限强度 KCW 焊缝的断裂韧度,4.3.2 失配性对焊缝裂纹驱动力的影响 高匹配焊缝中心裂纹宽板（CCT试件）横向拉伸 2H/B和W一定，当a ac1（临界裂纹尺寸）时， “冻结”现象 匹配因子M的 增大，COD曲线 将会降低,裂纹驱动力：低匹配 低估 高匹配 高估 充分考虑非匹配因素的影响,4.4 焊
11、接结构的断裂控制 4.4.1影响焊接结构脆断的主要因素 一、焊接结构特点的影响 焊接结构刚性大、整体性强、对应力集中敏感,“自由”轮甲板舱口设计对比 a) 原始设计 b) 改进后设计,二、焊接残余应力的影响 韧脆转变温度 对脆断影响不大 转变温度 无不利影响， c s = 转变温度 c 急剧下降 转变温度 c很小， c s,拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区迅速减小，峰值残余应力有助于断裂的产生,平行焊接接头试样开裂路径和试件中纵向残余应力,三、焊接缺陷的影响 焊接缺陷对脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关 （1）平面缺陷如裂纹、分层和未焊透等，其影响取决于缺陷的
12、大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度 （2）非平面缺陷如气孔、夹渣等，其影响程度一般低于平面缺陷 40%的脆断事故是从焊接缺陷处开始的，各种缺陷中以裂纹对脆断的影响最大,四、金相组织改变对脆性的影响 热影响区是焊接接头的薄弱环节之一 热影响区的金相组织主要取决于钢材的原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量,焊接接头不同部位的韧性,五、应变时效对脆断的影响 两种应变时效： （1）应变时效 钢材被剪切、冷作和弯曲成形之后，若在150450范围内加热，材料的性能就会发生脆化现象 塑性变形（剪切、冷作矫形） 加热（150400） 脆化 （2）动应变时效（热应变时效） 在焊接过程中，材料经受应力和应变
13、循环，同时也受到焊接热循环的热作用而发生的应变时效 加热和塑变同时 脆化,图a 预弯曲量越大，转变温度越高 图b 不同温度下预弯曲的试件，其转变温度不同 焊后热处理消除时效影响,缺口弯曲试件预应变对脆断的影响 a) 预应变量的影响 b) 预应变温度的影响,六、角变形和错边的影响 角变形和错边降低结构的抗脆断能力 角变形和错边比较大的接头 承受拉应力，力线不通过中心，产生附加弯矩 低应力破坏 焊缝加厚高在熔合线处的应力集中将其更加严重 可加焊防裂焊缝，消除咬肉，整形焊缝，改变熔合线方向，改善焊缝的受力条件,4.4.2 焊接结构的断裂控制 一、正确选材 基本原则：安全性 经济效益 应使所选用的钢材
14、和焊接充填金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性 选材方法：（1）用缺口韧性评定 （2）用断裂韧性评定（断裂韧度与屈服点之比） 二、采用合理的焊接结构设计 （1）尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中,1）构件截面改变的地方，设计成平缓过渡，不要形成尖角 2）尽量采用应力集中系数小的对接接头 a）设计不合理，在使用中曾多次出现焊缝破坏现象 b）应力集中程度，结构的承载能力,3）不同厚度的对接接头应采用圆滑过渡 b 最好 焊缝部位应力集中最小 a 和 c 虽将厚板减薄，但焊接部位应力集中相当大 4）将焊缝设计布置在便于焊接和检验的地方 有效避免焊接缺陷产生,5）避免焊缝密集 防止焊接部位材质性能变
15、坏和复杂的残余应力场,（2）尽量减少结构的刚度 b 设计极不合理，施焊对接焊缝时产生较大应力，易引起焊接缺陷脆断起源 c 立杆的翼板和弦杆的翼板之间不焊接，避免产生高拘束应力 为减小焊接部位的刚性，开“缓和槽”以减小拘束度 （3）不采用过厚的截面,（4）对次要焊缝的设计，应与主要焊缝一样给予足够重视。不在受力构件上随意加焊附件。 （5）减少和消除焊接残余拉应力的不利影响,4.4.3 焊接结构断裂性能的试验评定方法 一、脆断过程及焊接结构的两种设计原则 脆断过程由两各阶段组成： 第一阶段 裂纹的产生阶段或引发阶段（即裂纹起源、生核和缓慢扩展阶段） 第二阶段 裂纹的失稳扩展阶段 焊接结构防止脆性破坏的两种设计原则： （1）防止裂纹引发原则，即抗裂原则。 （2）止裂原则 焊接接头的抗开裂性能和母材的止裂性能,二、转变温度的试验评定方法 （1）冲击试验 常用的是夏比V形缺口和 U形缺口冲击试验等,二、转变温度的试验评定方法 （1）冲击试验 1）能量标准（图a） 按某一固定冲击能量确定TK 2）断口标准（图b） 一般按断口晶粒状断面百分 率达到某一百分数（例如50） 的温度作为TK 3）延性标准（图c） 一般侧面膨胀率为3
