焊接结构的脆性断裂培训课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,焊接结构的脆性断裂,2016,年,6,月 主讲：刘伟,第一节 金属材料的断裂及影响因素,一、断裂概述,1,、断裂的概念及分类,断裂,材料在应力的作用下分解成两部分或两部分以上的现象。,从结晶学的微观角度，断裂分为解理断裂和剪切断裂；,从断面与应力的关系角度，断裂分为正断（与,max,垂直）与切断（与,max,平行）；,从断裂时的应变与能量吸收角度，断裂分为脆性断裂与韧性断裂。,解理断裂时，材料几乎没有发生塑性变形就出现破断，其断口为闪闪发光的结晶状断口，亦称脆性断裂。,剪切断裂时，材料在发生足够大的塑性变形后出现断裂，其断口灰暗无光，通常为纤维状，亦称韧性断裂、切变断裂。,2,、断裂的一般过程,中碳钢的断裂过程如下：,首先，构件在拉伸时，随着应力的增大，将从均匀变形过渡到局部的塑性变形，并发生颈缩。颈缩处的心部由于受三向拉应力，不易变形，故滑移受阻，此时将出现位错增殖、堆积，并形成空孔和微裂纹。,第二，随着应力的增大，上述空孔和微裂纹将合并长大并缓慢扩张，逐步达到临界裂纹尺寸。,第三，达到临界裂纹尺寸的裂纹将会急速扩张，最后发生脆性断裂。,3,、解理断裂,解理断裂,在拉应力的作用下，晶体材料沿某些特定的结晶学截面即解理面发生的断裂。,解理断裂是一种脆性断裂。在低温、高应变速率或高应力集中的体心立方、密排六方金属中，当材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变的形式而只能以分离来顺应外加应力，此时变形速度远远跟不上断裂速度，就会发生解理断裂。,在解理断裂中，体心立方金属常沿,100,面解理；而密排六方金属沿,0001,面解理。其解理断口常表现为河流花样、解理台阶、舌状花样、鱼骨状花样等。,解理断裂通常并不是沿一个晶面解理，而是沿一族相互平行的晶面同时发生解理，不同高度的解理面将形成解理台阶。在裂纹扩张过程中，台阶的高度由小的差异逐渐导致大的差异，尤如小河川汇成大河川，故称为“川流结构”或“河流花样”。,图,1,河流花样的裂纹扩展示意图,图,2,河流花样,当解理发展遇到障碍（如孪晶面）时，如果绕不过去，则会在障碍物前的晶粒上停留，当形成多个新的裂纹源后再向前发展，并绕过障碍物，而留下小部分孤岛。故在“河流花样”中常存在着“舌状结构”。,图,3,舌状结构形成示意图,图,4,舌状结构,4,、剪切断裂,剪切断裂,在切应力的作用下，沿滑移面滑移并产生大量塑性变形后出现的断裂。,图,5,圆柱试样拉伸时不同韧性的断裂形式,a-,颈缩型；,b-,双杯型；,c-,杯锥型；,d-,剪切型,不论哪种形式的剪切断裂，均是滑移变形的结果。其滑移的基本形式有两种：,一是滑移变形集中在狭小区域里的滑移切断；二是左右同时滑移产生的颈缩断裂。,图,6,滑移切断,图,7,颈缩型断裂,5,、裂纹的形成与扩张,一是由于同号位错在障碍物,夹杂、第二相、气孔或晶界等处堆积，或由于两个交叉的滑移面上的位错皆向交叉处滑移、堆积，从而形成微裂纹，即,型裂纹。,图,8 ,型微裂纹的形成示意图,二是由于异号位错在相邻很近的滑移面上相对滑移，在交错处形成微裂纹，即,型裂纹。,图,9 ,型微裂纹的形成示意图,随着滑移的进行，在,型和,型裂纹中，不断移入多余的位错，由于滑移和附加应力的作用，使微裂纹扩张成稍大的裂纹或空孔。截面上的应力状态不同，最后断裂的微观断口形式也不同。,图,10,空孔的合并与断口的走向示意图,在上述空孔合并最后形成蜂窝状断口的韧性断裂中，空孔或微裂纹主要是由于第二相或夹杂物前面大量堆积的位错产生的。故第二相颗粒的大小和分布状态对韧性断裂有重要影响。,图,11,韧性断口的,“,韧窝,”,二、影响金属材料断裂的主要因素,1,、应力的影响,物体在外力的作用下，在其截面上将产生正应力和切应力。当物体受到单向拉应力时，其最大正应力,max,作用在与外力垂直的平面上，最大切应力,max,作用在与外力成,45,的截面上。,当正应力达到材料的正断抗力时，将产生正断，断口与外力方向垂直。,当切应力达到材料的屈服点时，将发生塑性变形；当切应力达到材料的剪断抗力时，将发生剪断。,构件在外力的作用下，在正应力,max,未达到材料的正断抗力前，如果切应力,max,首先达到屈服点，则构件将产生塑性变形，随后出现塑性断裂；如果在切应力,max,达到屈服点之前，正应力,max,首先达到正断抗力，则构件将发生脆性断裂。,当有缺口的构件受到拉应力,y,时，由于缺口根部横向收缩受阻，将在横向和厚度方向产生拉伸应力,x,和,z,，从而在缺口根部产生三轴拉应力，并使该处材料变脆。缺口越深、越尖，局部应力和应变就越大。,图,12,缺口根部应力分布,2,、温度的影响,随着温度的降低，构件的破坏方式将由塑性破坏变为脆性破坏。由韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度。,在较高温度时，材料处于临界温度以上，位错借助于热激活能可以比较容易地进行移动，并可能会出现新的滑移面，因而脆性裂纹难于形成。而当温度较低时，位错的运动将受到极大阻碍，位错的堆积将导致裂纹形成。,3,、加载速度的影响,随着变形速度的增加，材料来不及进行塑性变形和滑移，因而位错摆脱束缚进行滑移所需的热激活时间减少，使脆性转变温度提高，故易于脆断。当材料中有缺口时，应变速率将快速提高，从而将大大降低材料的局部韧性。,图,13,韧脆转变温度与应变速率的关系,4,、组织状态的影响,a,、化学成分的影响,降低,C,、,P,、,S,的含量和增加,Mn,的含量，既可保证钢的强度，又可提高钢的塑性，对防止断裂有利。,适当增加钢中,Ni,、,V,、,Cr,、,Nb,、,Ti,、,Zr,、,Al,等元素的含量，可细化晶粒，有利于提高材料的抗断裂能力。,氢在钢中易产生氢脆；氮在钢中易形成气团，阻止位错的运动，产生位错积塞，降低韧性。同时，氮易以针状氮化物的形式存在于钢中，严重降低韧性；氧常以氧化物夹杂形式存在于钢中，降低材料的强度、硬度和塑性，产生脆化。,b,、组织状态和板厚的影响,材料的晶粒度越小，其断裂强度就越高。随着晶粒度的增大，材料发生脆性解理断裂的可能性增加。,构件的厚度越大，材料的塑性约束增加，断裂将由塑性断裂向脆性断裂转变。,第二节 焊接材料断裂的评定方法,一、临界转变温度和断裂判据,温度、变形速度、构件状态对脆性断裂有重要影响：降低温度、提高变形速度以及构件的大厚度、存在缺口和残余应力会增大脆断的可能性。,为防止脆断，常模拟实际工作条件进行试验，将材料韧性急剧下降的温度定为由塑性断裂向脆性断裂转变的临界温度，以此作为材料是否发生脆性断裂的判据。如果构件的实际使用温度高于该临界温度，则认为构件没有发生脆断的危险。,二、防止裂纹发生和阻止裂纹扩展的原则,止裂原则：,焊接构件在最低工作温度下工作时，必须能够阻止脆性裂纹的自由扩展。,止裂条件：,裂纹起源于材料的局部脆化区内，且处于较高的应力场中。当焊缝及近缝区的缺陷及应力集中所产生的脆性裂纹扩展进入韧性区和较低的应力场中时，已经裂开的裂纹长度如果小于新区域中裂纹失稳断裂的临界长度时，则裂纹的扩展将受到阻止。,一般情况下，在高于止裂温度时，材料内出现的脆性裂纹将被相邻的母材制止，从而可有效防止构件出现整体脆性断裂。,三、防止结构脆断的试验研究方法,1,、冲击试验,在冲击试验中，,V,形缺口冲击试验应用较多。,a,、按能量标准确定临界温度,将被测工件浸入相关的控温介质（如酒精、冰、液氮等）中，然后在低温下做系列冲击试验，并测定冲击功随温度改变的变化曲线，当冲击断裂功,a,K,降至某一特定数值时的温度即为临界温度,T,K,。,右图为两种典型的系列冲击试验曲线。曲线,A,的冲击功在某一温度时突然下降，该温度即为材料的临界温度,T,K,。,但大多数材料的冲击功是在某一温度范围内连续下降的，如曲线,B,。此时应根据各材料的冲击功降至某一特定值时来确定其对应的,临界温度,T,K,。,图,14,冲击断裂功和试验温度的关系,b,、按断口形貌确定临界温度,随着温度的降低，冲击断口的纤维状区域面积将减小，结晶状区域将增加。根据纤维状区域与结晶状区域相对面积的大小来确定其对应的,临界温度,T,K,。通常将结晶区域面积占总面积,50%,时所对应的温度作为,临界温度,T,K,。,图,15,冲击断口形貌示意图,冲击断口纤维区,冲击断口放射区,冲击断口剪切唇,2,、落锤试验,在厚度为,25.4mm,的长条状试件中部焊一,63,13 mm,的脆性焊道，然后在焊道中部的垂直方向上锯一,1.5mm,以下的人工缺口，将试件焊面朝下置于一砧座上，在不同温度下，用一头部半径为,25.4mm,的圆柱面重锤向试件的中部加载，当试件发生断裂的最高温度就是临界温度。,图,16,落锤试验,1-,砧座；,2-,试件；,3-,重锤；,4-,终止挠度；,5-,止挠块,由于落锤试验是裂纹传播试验，如果锯口根部未开裂，则试验无效；锯口开裂但被母材制止，未能扩展至试件边缘则判为未断；锯口根部开裂并扩展至边缘则判定为断裂。,3,、逻伯逊试验和,ESSO,试验,如右图，试件一端呈半圆形，在其心部钻孔，并锯一缺口，然后将试件焊接到联接板上。试验时，先在试件上制造一有稳定温度梯度的温度场，然后在试件上带有缺口的一端用重锤施加冲击载荷，使缺口开裂。在均匀拉应力作用下，试件中的裂纹将继续扩展，直至某一温度区域才被制止。裂纹尖端出现剪切唇的温度即为止裂转变温度。,图,17,逻伯逊试件,右图为,逻伯逊止裂温度试验（,CAT,试验）测定的典型曲线。由图可见，在低温区由于钢材的韧性极差，使,CAT,曲线平缓，即在该区间内温度对钢材的承载能力影响很小。当温度高于某一值时，材料的止裂能力显著提高。,图,18,逻伯逊试验的,CAT,曲线,CAT,曲线也可用,ESSO,试验求得。将右图试件置于一温度场中，其一侧有一尖锐缺口，在另一侧也开一极细的切口，当被冷却到指定温度时，对缺口用楔子锤击加载，使之引发脆性裂纹，根据裂纹扩展情况可绘制出相应的,CAT,曲线。,图,19 ESSO,裂纹扩展试验试件,佩里尼把,DW,落锤试验、,ESSO,法以及逻伯逊法进行了综合，从而把温度、缺陷尺寸的大小与脆断之间建立起了有机联系，形成了佩里尼断裂分析图（,FAD,）。,当温度低于,NDT,时，随缺陷尺寸的增加，断裂强度明显下降；当工作温度高于,NDT,时，断裂强度明显上升。,图,20,佩里尼裂纹分析图,4,、宽板试验,宽板试验用于再现焊接结构中低应力脆性断裂的开裂情况。它由两个半块组成，试件的焊边刨成,X,形坡口，并在坡口上锯出切口。然后在,X,形坡口上用焊条电弧焊焊成纵向对接焊缝，将试件装配在特制的拉伸试验机上，当试件中部冷却至不同温度后加载将其拉断。,图,21,宽板试验示意图,宽板试验的低应力脆性断裂的几种情况：,a,、低应力下产生裂纹并立即断裂，如,H,点。此为焊接结构中非常危险的失稳断裂，该断裂温度称为失稳断裂温度。,图,22,宽板试验示意图,b,、低应力下产生脆性裂纹，但裂纹发展到一定程度会自行停止。继续增加负载，低温下当构件达到屈服强度后出现断裂，如,A,、,B,、,C,等点。,c,、在较高温度及在屈服强度的应力下才会产生裂纹，最后发生断裂。如,F,点。,图,23,宽板试验示意图,木原的宽板试验断裂行为图分为,7,个区域：,、有残余应力和尖锐缺口，裂纹开裂后不扩展；,、应力较高，裂纹开裂后即扩展；,、应力超过屈服强度,s,时发生断裂的区域；,、温度高于裂纹开裂临界温度，但不产生脆性开裂；,图,24,木原宽板试验断裂行为图,、温度较高，应力较低，既不发生脆性开裂又能制止别处引发裂纹；,、有尖锐缺口，但无残余应力，达到塑断区域时才能发生塑性断裂；,、有尖锐缺口，但无残余应力，试件开裂后不会扩展，能够止裂。,图,25,木原宽板试验断裂行为图,第三节 焊接结构的特点 及其对脆断的影响,一、焊接结构的特点,1,、脆性断裂的特征：,a,、突然性,构件在没有显著塑性变形的情况下突然发生断裂；,b,、扩展性,脆性破坏一经发生，瞬间就能扩展到整个构件；,c,、低应力性,构件发生脆断时，材料中的平均应力比屈服极限小得多，为低应力下的破坏。,2,、发生脆断事故的原因：,a,、构件在低温下工作，使材料变脆；,b,、构件中存在的缺陷和裂纹，造成了严重的应力集中；,c,、焊接接头中残余应力的作用，促进了裂纹的扩展；,d,、构件为不合格的材料或性能较差的材质组成；,e,、结构设计不合理造成应力集中而破坏。,3,、焊接与铆接对脆断的影响：,焊接接头是冶金结合，具有良好的致密性和整体性。但是，如果焊接结构一旦出现开裂，裂纹就很容易由一个构件扩展至另一构件，并扩展至构件整体，造成结构整体破坏。,铆接接头则有阻止裂纹跨越构件扩展的特点。即使构件中出现了裂纹，当裂纹扩展到铆接接头处时会停下来，不会扩展至另一构件中，从而可避免严重的脆断后果。,二、焊接结构制造工艺的影响,1,、焊接残余应力的影响,在韧脆转变温度以上时，外加载荷使得残余应力均匀化，对脆性断裂影响不大；在韧脆转变温度以下时，残余应力将使断裂应力显著减小。,2,、焊接应力循环和应变循环对脆断的影响,在焊接构件的脆断研究中，常采用带缺口的焊接宽板试验：一种为开了初始裂纹后再进行焊接；另一种是焊完后再开裂纹。,研究表明，焊前开缺口（裂纹源）与焊后开缺口对应力循环没有明显差别，且残余应力大体相当；但这两者的热应变循环却有很大差别：焊前开缺口的构件在焊接热循环中有严重的应变集中和较大的热应变量，因此其应变循环和残余应变分布与焊后开缺口的构件有明显的差别。,图,26,焊接宽板试验应力应变情况,a-,应力循环；,b-,应变循环（实线为焊前开缺口）,对于焊前预制裂纹的构件，在焊接过程中裂纹尖端将受到极大的热应变。由于应力和应变循环的作用，使裂纹处的局部区域产生“动应变时效脆化”现象，从而增大脆性断裂的危险。,图,27,焊接宽板试验裂纹延长线上纵向残余应力和应变分布情况,a-,残余应力；,b-,残余应变,1,、焊前开缺口；,2,、,3-,焊后开缺口（前、后）；,4-,缺口尖端位置,霍尔（,Hall,）动应变时效脆化试验：,三种类型缺口试样：,第一种：预先开缺口，后焊接；,第二种：焊前开缺口，焊后再联通；,第三种：先焊接，后开缺口。,图,28 Hall,宽板裂纹加工图,霍尔（,Hall,）试验结果表明，第一、第二类型缺口试样的转变温度比第三种类型缺口试样高,33,。因此，焊接应力、应变循环对焊前有裂纹和焊后开裂纹的构件抗脆断能力有不同程度的影响。在多层焊时，如果在先焊的焊道中产生了焊接裂纹或未焊透，则在后续的焊道焊接过程中，有可能在这些缺陷处产生热应变时效，使焊接结构的抗脆断能力下降。,3,、预应变对结构脆断的影响,在焊接结构的生产过程中，一般要经过剪切和成型等加工工序，材料在成型加工中的预应变量可达到,2-3%,。一般而言，预应变将使材料断裂时的残余塑性变形减小，断裂韧性降低，因此使材料的塑性降低，脆断倾向增加。高温（,200-600,）预应变对材料脆化倾向的影响比室温预应变的影响更大。,下图为,C-Mn,钢缺口弯曲试件预应变对脆断的影响试验。预弯时先使缺口张开,0.16mm,，然后向里弯曲到原来的尺寸。可见，不同温度下的预弯处理，其转变温度不同 ：,20,预弯试件的转变温度最低，,250,预弯试件的转变温度最高；预弯变形量越大，转变温度越高。,图,29,缺口弯曲试件预应变对脆断的影响,4,、焊接热循环的组织变化对脆断的影响,在焊接过程中，由于快速的加热和冷却，其热影响区的作用使接头中各部位的缺口韧性不同。焊接工艺参数，尤其是焊接热输入对热影响区的组织有重要影响。对于高强钢的焊接结构，更应注意焊接热输入的选择：过小的热输入会引起淬硬组织，容易产生裂纹；过大的热输入易导致晶粒粗大，韧性降低，材料脆化。,5,、焊接缺陷对脆断的影响,焊接缺陷是焊接结构脆断的重要原因，,40%,的脆断事故均是从焊接缺陷处开始破坏的。,焊接缺陷分为平面缺陷和非平面缺陷。,平面缺陷,如裂纹、未焊透等，其对断裂的影响取决于缺陷大小、位置、尖锐程度；,非平面缺陷,如气孔、夹渣等，其对断裂的影响程度低于平面缺陷。,第四节 预防焊接结构脆断的措施,一、正确选择材料,选材的原则是：,1,、在保证结构安全的前提下，同时要考虑经济效益；,2,、母材及焊缝填充材料应有较好的缺口韧性，即应使焊缝、热影响区和熔合线部位具有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能；,3,、随着强度的提高，更应考虑材料的断裂韧性问题；,4,、应充分了解结构的使用温度及载荷情况。,通常采用以下两种方法对材料进行验收和评定：,1,、按缺口韧性试验验收材料,对选定的钢材用,V,形缺口冲击试验来验证材料的适用性，即要求以该种材料制备的标准试件在规定温度下能达到某一规定的能量值来考核。研究表明, V,形缺口冲击试验测定的参考温度与材料的最低设计温度有一定的对应关系。,由允许的最低设计温度和结构强度决定的板厚，在下图中便可查得,V,形缺口冲击试验时选择材料的参考温度，然后从材料标准中选取能满足规定的,V,形缺口冲击试验最低冲击能量所要求的材料。,图,30,宽板试验与,V,形缺口冲击试验转变温度的关系,a,、焊态,b,、焊后热处理,2,、用断裂韧度与屈服点的比值来评定材料的抗脆断能力,材料的断裂韧度（,K,）与屈服点的比值能很好地说明材料的脆,塑性，两者的比值反映了裂纹尖端处在断裂前塑性区的大小。塑性区小意味着裂纹扩展消耗的能量少，可以认为是一种脆性材料；塑性区大意味着裂纹扩展时要消耗较多的能量，可以认为该材料具有较好的抗脆断性能。,二、合理结构设计,焊接结构设计时必须遵守以下几项原则：,1,、应全面了解焊接构件的工作环境和工作条件,如：对于在露天下工作的构件，应清楚其最低工作温度和温度变化规律；对于储存低温工作介质的焊接容器，应将环境温度和介质温度中的最低温度作为设计计算温度；应详细了解焊接构件是否承受冲击载荷等。,2,、应尽量减少结构和接头的应力集中,a,、在结构的截面过渡中不允许有突变和尖角，应设计成平缓过渡。,图,31,接头中的尖角过渡和平滑过渡,b,、在设计中尽量选用应力集中系数小的对接接头，避免选用应力集中系数较大的盖板接头。,图,32,封头设计合理与不合理的接头,c,、不同厚度构件对接时尽量采用圆滑过渡形式,图,33,不同板厚的接头设计方案,d,、应将焊缝布置在便于施焊的地方，以避免缺陷的产生；,e,、为防止焊接部位材质的性能变坏，应避免形成密集焊缝，防止产生复杂的残余应力场。,3,、减少焊接构件的刚度,对于大型焊接构件，在满足结构的使用情况下，应尽量减少结构的刚度，以降低应力集中。,图,34,威廉德式桥立杆和弦杆的焊接,图,35,为减少压力容器上开孔的刚性而采取开缓和槽的办法,4,、不采用过厚的板材,过厚的板材将使材料的断裂韧性降低，易引起脆断。因此，在大型焊接结构中，不宜采用过厚的板材。在满足工作应力的条件下，尽量采用薄板材。同时，可尽量选用多层板以减小结构刚度，降低钢板的转变温度，以防止结构脆性破坏。,5,、采用合理的焊接工艺,情况允许时应尽量减少焊接热输入，减少焊接残余应力和变形；或通过焊后热处理，减少或消除残余应力的影响。,6,、结构中附加件的连接形式,一般而言，在受力构件上不应加焊附加件，否则，接头部位一旦产生脆性裂纹，裂纹就会很快扩展到结构的主体，使结构发生断裂。,图,36,附加元件安装方案,三、严格执行制造工艺,为保证质量，应严格按规定的工艺参数进行焊接；尽量不采用过大的焊接热输入；不允许在结构主体上随意点焊；根据需要可对某些焊接构件进行焊后热处理；对于十分重要的构件和有脆断危险的焊接构件，最好应做相关的焊接热处理试验。,