《钢焊接脆性断裂》ppt课件

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1、钢焊接时裂纹的形成 IWE-1/2.20 吕 迎,验证一个结构的安全性是强度计算的任务，而 其中要提出的问题是构件是以什么形式“失效”的。,1. 引 言,构件失效的主要原因： a)一般性变形 b)失稳（受力构件丧失保持稳定平衡的能力） c)开裂及断裂,传统强度计算：,(S235),构件受到外界载荷的作用就会在内部引起内应力。 内应力：正应力、剪应力,2. 断裂形式,a) 疲劳断裂 变动载荷、大约 80% b) 韧性断裂(剪切断裂) 断裂前发生塑性变形， 裂纹扩展较慢。 c)正应力断裂(脆性断裂) 正应力断裂强度。 断裂前没有明显的塑性变形。,据断裂形式的不同分为：,图1 韧性断裂,图2 脆性断

2、裂,断裂分类及其特征,韧性断裂,脆性断裂,9Cr2Mo工作辊脆断,金属的脆性断裂 通常指沿一定结晶面劈裂的解理断裂或晶界断裂。 脆断的基本特征 1）脆断由正应力引起，几乎没有塑性变形； 2）脆断时所需能量小，属于低应力破坏； 3）裂纹扩展速度快（可达1800km/s），具有突发性， 措不及防； 4）脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；,解理断裂（穿晶断裂）,晶界断裂（沿晶断裂）,河流花样,冰糖状花样,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

3、温、高应力（集中）、动载荷！ 制造这类产品时，应高度重视！,易发生脆断的几种典型结构,3.1 影响脆性断裂倾向的因素,1) 内部影响因素 a. 晶体结构、化学成分 体心立方存在低温脆性 （普通中、低强钢） 面心立方一般不存在低温 脆性（Ni、奥氏体不锈钢） b. 冷变形、时效、焊接等,图3 变形储量的图示,a)温度的影响 当温度降低时，屈服应力与断裂应力汇交处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性转化为脆性转变的温度，称临界温度(T脆)。,2) 脆断外部三因素,Tspc,断裂应力,屈服极限,剪切应力,T1：经塑性变形后的剪切断裂 T2：经塑性变形后的断裂 T脆 ：T y 无塑性变形，脆断,T

4、，脆断,图4 温度对脆断倾向的影响,b) 加载速度 d/dt d/dt ，T脆，脆断,2) 脆断外部三因素,图5 变形速度对脆断倾向的影响,载荷的冲击性越大， 即加载速度d/dt越大， 对工件的危害也就越大！ 这使我们不难理解 为什么采用落锤试验 研究材料的抗脆断性能！,c) 载荷形式和大小 （应力状态）,2) 外部三因素,单轴拉伸应力 双轴拉伸应力 多轴拉伸应力,呈现塑性,呈现脆性,图6 应力状态对脆断倾向的影响,断裂应力,单轴拉伸,多轴拉伸,软性系数=max/max 的大小表示材料在受力状态下发生塑性变形 的难易程度。,（按最大切应力理论）,max =1(2+3),（按第二强度理论）,物体

5、在受外载时，不同的截面上产生不同 的正应力和剪应力。 最大正应力max所在平面称主平面，与主 平面成45角的平面上作用有最大切应力max。,c) 载荷形式和大小 （应力状态）,max和max与加载方式有关，,泊松比， 而123,1,2,tk,tT,SOT,力学应力状态图,max,max,SOT 正断抗力； tT 剪切屈服极限； tK 剪断抗力,值，塑性变形 ；值，脆断 单轴拉伸 =0.5 三轴不等轴拉伸 0.5 三轴等轴拉伸=0 很难变形，发生断裂必然为脆断 引起三轴拉伸原因：三向载荷； 几何不连续性：缺口、裂纹、厚板易出现三向应力状态,直线1与tk相交韧性断裂 直线2与SOT相交脆性断裂,软

6、性系数=max/max,缺口根部应力分布示意图,3.1 影响脆性断裂倾向的因素,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) 外部三因素 温度条件、应力状态、加载速度,4. 脆断倾向的检验方法 4.1 检验方法的构成 检验时考虑：温度、应力的状态、载荷速度 有两种评定脆性断裂安全性的理论： 对静载和冲击载荷通过消除裂纹进行保证； 对作用速度较高载荷通过防止裂纹扩展来保证； 出于上述要求可分为三种试验方法： 静载消除裂纹 动载消除裂纹 止裂,防止已存在的裂纹突然扩展,材料止裂能力,整体试

7、验（在构件上试验） 大型试验（与构件尺寸相近的试样） 中型试验（宽度明显大于厚度的试样） 小型试验（其结果只能偶然与构件行为相一致）,4. 脆断倾向的检验方法,图8 典型试验的试样形式 (试样厚度板厚),焊缝上开 尖锐缺口,常用大型试验方法： Robertson 试验 双重拉伸试验 ESSO 试验 宽板拉伸试验 深缺口试验 中型试验方法： 冲击韧性试验 缺口静弯试验 撕裂试验 落锤试验等,4.2 常用的检验方法 对理想的检验方法的要求是： 较小的检验费用 适用于较多的材料 定量的结果 检验结果对典型构件载荷的适用性 检验方法可分如下两组： a) 转变温度方法 确定材料的韧-脆转变温度（比较性方

8、法） 缺口拉伸试验 缺口冲击试验 堆焊弯曲试验 罗伯森（Robertson）试验 b) 断裂力学方法 指与试样几何形状无关的材料特性值， 临界应力集中系数KIC，作为安全设计的依据。,4.2.1 拉伸试验 通过拉伸试验的特性值可以说明材料的脆断倾向。 特性值包括：ReH、Rm、A 、Z。 4.2.2 堆焊弯曲试验 轧制产品应在这一试验中表现为韧性断裂。 脆断表现：焊缝中出现的裂缝不能在试样中中止。 在弯曲角度达到90时，裂纹由焊缝向母材中的扩展小于20mm 被认为是允许的。,图10 根据DIN17100 的堆焊弯曲试验,4.2.3 缺口冲击试验 检验脆断倾向的最常用的方法。 优点：加工简便，经

9、济和快捷。,多轴应力状态、变形速度、温度对脆断倾向的影响 通过缺口冲击试验参数的变化：如试样的几何形状、 冲击速度、试验温度的变化来检验,图11 弹性弯曲试样缺口正应力的分布,确定某一温度下的冲击功： A = Fds(J ) V,通过缺口冲击试验表示出 某种材料在某一温度下相对 脆断的安全性,4.2.3 缺口冲击试验,图12 转变温度,过渡温度 (转变温度)： 韧性脆性 T，脆性,4.2.3 缺口冲击试验,裂纹引入：+区 ：弹性区（脆断或塑性变形） ：弹塑性区 裂纹扩展：区 a：剪应力断裂 b：正应力断裂 c：剪应力断裂,图13 低强度钢在混合断裂区的力弯曲图,4.2.4 罗伯森（robert

10、son）止裂试验 与构件相似的试样上采用静动结合方式,(1)梯度试验 在试样长度上保持一个温度梯度，在试样上较热 部分出现的塑性变形在某一温度上就会停止，表现为脆断。 (2) 等温试验 将整个试样冷却到某一温度并在不同温度下进行 多次试验来确定材料尚能止裂的温度。,图14 罗伯森试样,(50-80%)s,4.2.5 Pellini 落锤试验 在研究钢的脆断倾向，评定比较止裂行为时使用的。,图 15 Pellini 试样的布置及试样尺寸,韧性转变温度： 在某一温度下试样尚发 生断裂，当温度提高 5K 时，相同材料和相同处 理状态的试样不再发生 断裂对应的温度。,衡量材料止裂行 为的一个特性值。,

11、落锤试验优点：比较符合焊接结构实际情况，试样 制备简单、操作方便，重复性好，故被广泛应用,在 Pellini 试验中或者是证明材料的NDT 温度低于或最高等于某一确定的温度，或者是确定精确的NDT（无韧性转变温度） 温度（试验和评定按标准或规程如ASSTM-E208，钢铁检验规程1325，AVSE76A/15B AVSD16C1000 ） 根据大量的已确定的 NDT 温度和比较试验由Pellini 建立了断裂曲线（Fracture-Analysis-Diagram FAD） 断裂分析曲线可评估在一定载荷下裂纹的扩展。,4.2.5 Pellini 落锤试验,a) TNDT 不能保证止裂 b) T

12、=NDT+16.5 只要公称应力0.5Re，裂纹中止 c) T=NDT+33=FTE 只要公称应力Re 无裂纹扩展 T=NDT+66=FTP 材料无裂纹存在 止裂温度曲线应力低于该曲线，裂纹不扩展,NDT无韧性转变温度 FTE弹性断裂转变 FTP 塑性断裂转变,Pellini断裂分析曲线（适用于Re600N/mm2的碳钢） 明确提供了钢板开裂、裂纹传播、止裂条件,100/200,200/300,300/600,材料基础部分总复习 一 、关于铁碳状态图 包晶反应: 1493 (1495) L+ 共晶反应: 1147(1148) L=+Fe3C （莱氏体） 共析反应: 723 (727) =+Fe

13、3C (珠光体) 纯铁三种同素异构转变 (1)GS线奥氏体中开始析出铁素体（降温时）或铁素体全部溶 入奥氏体（升温时）的转变线，常称此温度为A3温度。 (2)ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线。常称此温度为Acm温度。 (3)PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，碳在铁素体 中的最大的w(C)为0.0218。,-Fe -Fe -Fe 体心立方 面心立方 体心立方,-273 912 13941538,铁碳合金七种类型 工业纯铁 C0.0218% 亚共析钢 C=0.0218%-0.77% 共析钢 C=0.77% 过共析钢 C=0.77%-2.11% 共晶白口铸铁 C=4.3% 亚共晶白口铸铁 C

14、=2.11%-4.3% 过共晶白口铸铁 C=4.3%-6.69%,一 、关于铁碳状态图,二 、关于合金元素在铁中作用 1. 伴生元素 有益：Mn Si Al 有害: S P O N H 2. 与铁形成固溶体类型 置换固溶体: Mn Cr Ni Si Mo 间隙固溶体: C O B N 3.合金元素对钢的性能 C提高硬度、强度、耐磨性、淬透性； 降低韧性、延伸率、机加工性、焊接性、深冲性。 Al脱氧脱氮细化晶粒 Mn脱氧、脱硫、固溶强化 Si脱氧、固溶强化、阻碍有些元素偏析 P 偏析较强（热裂纹）、提高强度、降低可焊性、耐腐蚀 S 偏析较强（热裂纹）、降低可焊性、易切削 形成碳化物的元素V Ti

15、 Nb Cr Mo W,三、关于钢中脱氧 沸腾钢: MnSi脱氧 特点: 表面纯偏析气孔 （FU） 镇静钢: Mn-0.15%Si加少量的Al 脱氧 （FN） 特别镇静钢: Mn-0.2%Si-0.02%Al 脱氧 （FF） 四、关于材料热处理 (1)正火：Ac3或Acm + （3050），空泠 作用：细化晶粒、消除组织缺陷、消除应力 (2) 退火：缓慢冷却接近平衡组织 作用：同正火，但正火更细、强度和硬度高于退火 (3) 淬火：Ac1或Ac3 +（3050）水淬或油淬 作用：提高钢的强度、硬度。 (4) 回火：淬火组织平衡组织 作用：稳定组织、消除淬火内应力、提高综合机械性能 (5)调质：淬火高温回火,五、关于连续转变CCT图 表现：奥氏体化温度、冷却速度 、组织 、硬度 用途：预测组织和性能、制定焊接工艺 六、力学性能实验 拉伸试验：获得抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率 硬度试验 洛氏硬度： HRC、HRB 表示 50HRC 维氏硬度： HV 180HV5试验压力5g 布氏硬度： HB 表示：120 HB 5/250 120-硬度值 钢球直径-5mm 试验压力值-2