焊接结构的脆性断裂

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1、苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务第第2 2章章焊接结构的脆性断裂 苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务本章重点:2.1 结构的脆性断裂事故及其特征 2.2 金属材料脆性断裂的能量理论 2.3 金属材料脆性断裂及其影响因素 2.3.1 金属材料断裂的基本概念 2.3.2 典型的断裂机制 2.3.3 影响金属材料脆性断裂的主要因素 2.4 焊接结构的特点和工艺因素对脆性断裂的影响 2.4.1 焊接结构的特点对脆性断裂的影响2.4.2 焊接结构制造工艺的特点对脆性断裂的影响

2、 2.5 焊接结构防脆性断裂设计原则及相关的评定方法 2.6 防止焊接结构发生脆性断裂的途径 苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务2.1 结构的脆性断裂事故及其特征自从焊接结构广泛应用以来，许多国家都发生过一些焊接结构 的脆性断裂事故。虽然发生脆性断裂事故的焊接结构数量较少, 但其后果是严重的，甚至是灾难性的。所以脆性断裂引起世界 范围有关人员的高度重视。目前脆性断裂事故已趋于减少，但 并未杜绝。例如： 1972年1月美国建造的大型轮船，船长189m，建成9个月后在纽 约的杰佛逊港断成两截并沉没； 1979年12月18日我国吉林液化

3、石油气厂的球罐连锁性爆炸(死伤 86人，损失约627万元)； 1992年1月26日我国黑龙江省某糖厂的4000m3糖蜜罐的罐体突 然破裂。下面再介绍几起典型焊接结构脆性断裂事故，以便了解脆 性断裂的概貌，并可得到相关经验。 苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务 典型脆性断裂事故桥梁：最典型的是1938年3月比利时阿尔拜特运河上Hesselt桥 的断塌事故。这座桥是用st-42转炉钢焊制成，跨度为74.52m, 仅使用14个月，就在桥上仅有一辆电车和一些行人的载荷作用 下发生断塌。事故发生时气温为-20，6min桥身就突然断为 三截。

4、时过不久，1940年1月该运河上另外两座桥梁又发生局部 脆性断裂。总计从19381940年在所建造的50座桥梁中共有10 余座出现脆性断裂事故。加拿大、法国也发生过类似的事故。轮船：在第二次世界大战期间，美国制造的4694艘船中，在 970艘船上发现有1442处裂纹，这些裂纹多出现在万吨级的“自 由型”货轮上，其中24艘甲板横断，1艘船舶的船底发生完全断 裂。另有8艘从中腰断为两截，其中4艘沉没。另外，Schenectady号T-2型油轮1942年10月建成，在1943 年1月16日在装备码头停泊时发生突然断裂事故。当时海面平 静，天气温和，其甲板的计算应力只有70MPa。 苏教版初三语文广告

5、多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务储罐：在1944年前后，发生几起球形和圆筒形容器的脆性 断裂事故。如1944年10月美国的液化天然气储藏基地的球罐 和圆筒形储罐，这些罐的内层用质量分数为3.5的Ni钢制成 。事故是由圆筒储罐引起的。首先在圆筒形罐13l2高 处开裂并喷出气体和液体，接着起火，然后储罐爆炸， 20min后1台球罐因底脚过热而倒塌爆炸，造成128人死亡， 损失680万美元。 上述我国在吉林液化石油气厂的球罐爆炸事故，是一台 400m3球罐在上温带与赤道带的环缝熔合区破裂并迅速扩展 为13.5m的大裂口，液化石油气冲出形成巨大的气团，遇

6、到明 火引燃，其附近的球罐被加热，4h后发生爆炸，导致连锁性 爆炸，整个罐区成为一片火海。一些著名的典型脆性断裂事故的事例及成因见表2-1。苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务损坏日期结构类别、地点破坏简况和主要原因1919年1月制糖容器(铆接) 美国马萨诸塞州波士顿 高14m 直径30m 入孔处开始，安全系数不足，强度不足，可看到典型指向裂纹源的人字纹。1944年10月圆筒形压力容器 (直径24m，高 13m) 美国俄亥俄州双层容器，内层用质量分数为3.5的Ni钢制成。选材不当，低温脆性断裂。1962年原子能电站压力容器 法国ch

7、lon由厚100mm的锰钼钢焊制，环焊缝热影响区出现严重裂纹沿母材扩展。1965年储氨罐 英国 用厚度为150mm的Mn-Cr-Mo-V钢板和锻钢制造，从一侧的10mm三角形裂纹处引 起破坏，应力退火温度控制不好，造成脆化及锻钢件偏析带。1968年4月球形容器(容积2226m3)日本德山厚29mm、800MPa级的高强度钢，修补时，焊接热输入过大，造成熔合区脆化。1974年12月圆筒形大型石油储罐 日本 用厚12mm的600MPa级强度钢焊制。在环形板与罐壁拐角处的底角部有13m长的 裂纹，使大量油溢出。 1975年5月容积为1000m3的球罐 我国岳阳石油化工厂用厚34mm的15MnVR钢焊

8、制。制造时存有较大角变形、错边、咬边。一半焊缝采 用酸性焊条焊接，造成焊缝和热影响区塑性很差，在超载情况下爆炸。1962年1月直径2 2m、高21m的水洗塔 我国吉林化学工业公司用厚44mm的前苏联CT3钢制成，介质为H2-CO2混合气体，在正常操作条件下 爆炸，裂成43个碎片，死伤多人，直接块经济损失272万元。 焊缝、热影响区的冲击韧度很低，造成低应力脆性断裂。 1979年12月400m3石油液化气储罐(球罐 )我国吉林煤气公司用厚28mm的15MnVR钢焊制，北温带与赤道带的环缝熔合线开裂，迅速扩展至 13.5m，液化石油气冲出至明火处引起爆炸。1992年1月4000m3糖蜜罐 我国 罐

9、底与罐壁的连接焊缝有较长的未焊透。罐体位置正处在风口，北面向风，破裂 时有偏北风，气温为 -17，南侧和西南侧罐体根部又被焦炭覆盖，造成温 差，导致附加应力。在不利因素综合作用下，使罐体突发脆性断裂。表2-1 焊接结构脆性破坏的典型事例及成因苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务脆性断裂特征根据对脆性断裂事故调查研究结果发现，具有如下特征：1) 断裂一般都在没有显著塑性变形的情况下发生，具有突然破坏的性质。2) 破坏一经发生，瞬时就能扩展到结构大部或全体。因此，脆性断裂不易 发现和预防。3) 结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应

10、力。4) 通常在较低温度下发生。焊接结构的特点决定它的脆性断裂可能性比铆接结构大。焊接结构的应 用范围很广，虽然发生的脆性断裂事故不太多，但损失很大，有时甚至是灾 难性的。研究脆性断裂问题对于保证焊接结构的可靠工作、推广其应用范围有重 大意义。特别是随着焊接结构向大型化、高强化、深冷方向的发展，对于进 一步研究焊接结构的脆性断裂问题就显得更为迫切、更为重要。脆性断裂的根本原因：材料选用不当、设计不合理、制造时有缺陷等，因 此，了解金属材料的性质和焊接结构的特点是非常必要的。苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务研究和试验表明，固体材料

11、的实际断裂强度只有它的理论断裂 强度110l1000。为什么会有这样巨大的差异?葛里菲斯(Griffith)认为，在任何固体材料里本来就存在着 一定数量大小的裂纹和缺陷，从而导致固体材料在低应力下发 生脆性断裂。如果能使裂纹减少或者使其尺寸降低，则物体的 强度便会增加。他从理论上并用实验证实了这一点。2.2 金属材料脆性断裂的能量理论苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务葛里菲斯裂纹体模型葛里菲斯取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，首先使平板受到单向均匀 拉应力，(图2-1)，然后将其两端固定，以杜绝外部能源。设想在这块平板

12、上出现一 个垂直于拉应力方向长度为2穿透板厚的裂纹。切开裂纹后，平板内储存的弹性应 变能将有一部分被释放出来，其释放量设为U。又由于裂纹出现后有新的表面形成， 要吸收能量，设其值为W，此两种能量可以分别计算出来。(2-1)另一方面，设裂纹的单位表面积吸收的表面能为， 则形成裂纹所需总表面能为：W= 4 (2-2)因此，裂纹体的能量改变总量为：(2-3) 苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务这个能量改变总量随裂纹长度的变化曲线见 图2-2，其变化率为：(2-4)变化率随着裂纹长度而变化，见图2-2b。 裂纹扩展的临界条件是：此时系统能

13、量随的变化出现极大值。 此前，裂纹扩展，其系统能量增加。即裂纹 每扩展一微量所能释放的能量裂纹每扩展 一微量所需要的能量，因此裂纹不能扩展； 此后，裂纹扩展其系统能量减少，即释放的 能量裂纹扩展所需要的能量，因此裂纹将 继续自动扩展，导致发生脆性破坏。 即：苏教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务因此，可把 看成是使裂纹扩展的推动力，而2是裂纹扩展的阻力。 当推动力阻力时 ，裂纹自动扩展；当推动力阻力时 ，裂纹不能自动扩展。葛里菲斯是根据玻璃、陶瓷等脆性材料推导的能量公式。在金属材料中， 当裂纹扩展时，裂纹前端局部地区要发生一定的塑性变

14、形。X射线分析证实金 属断裂表面有塑性变形的薄层。奥罗万(Orowan)提出，裂纹扩展所释放的变形能不仅用于表面能，对于 金属材料，更重要的是用于裂纹扩展前的塑性变形能 p 。则在葛里菲斯能量方 程里应以(p+)来代替 。裂纹扩展的临界条件应为：(2-5)根据试验结果，塑性变形能p比大得多，因此可忽略不计，裂纹扩展的 临界条件：(2-6)即塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素。由能量原理看出，结构的断裂条 件不仅决定于工作应力的大小，还取决于原始裂纹长度。这个结论和欧文 (1rwin)分析裂纹前端应力应变场，考虑裂纹尖端应力集中，建立新的裂纹扩 展临界条件是完全一致的。在此基础上发展了断裂力学。苏

15、教版初三语文广告多棱镜专题课件证券投资的技术分析理论服务型机器人项目路演文档企业文化建设操作实务2.3 金属材料脆性断裂及其影响因素 2.3.1 金属材料断裂的基本概念断裂：是指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。断口：断裂表面的外观形貌，它记录着有关断裂过程的许多信息。多 晶体金属材料的断裂途径，可以是穿晶、沿晶断裂、混晶断裂。不同断裂机制可应用断裂方式、断裂性态、断裂形貌等术语来描述。(1) “方式”是指在多晶体材料中断裂路径的走向，它可以是穿晶或沿晶 界的。穿晶方式可以是循解理面、滑移面或晶体学面的分离等。从宏观上 看，穿晶断裂可以是延性断裂，也可以是脆性断裂(低温下的穿晶断裂)； 沿晶断裂则多数是脆性断裂。它是晶界上一薄层连续或不连续的脆性第二 相、夹杂物破坏晶界的连续性造成的。如应力腐蚀、氢脆、淬火裂纹等均 是沿晶断裂。(2) “性态”是表达断裂前材料的变形能力。延性是指在断裂前材料产生 一定的塑性变形；脆性则指断裂前不发生或很少发生塑性变形。脆性和延性的概念是相对的，它依赖于所采用的标准和所采用的判断 方法，还依赖于材料。 苏教版初三语文广告多棱