第四章 脆性断裂

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,2016/5/23,#,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,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,150,450,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,T,K,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,T,K,3,）延性标准（图,c,）,一般,侧面,膨胀率为,3.8%,时的,温度作为,T,K,（,2,）爆炸膨胀试验和,落锤试验,1,）爆炸,膨胀试验,全,厚度,355mm355mm,正方形,钢板,无延性转变温度，,简称,NDT,弹性断裂转变温度，简称,FTE,延性断裂转变,温度，简称,FTP,对于,25cm,厚的低强度,钢板,FTE = NDT + 33,FTP = FTE + 33,=,NDT + 66 ,2,）落锤试验,标准试件有,3,种尺寸,：,P1,型：,25mm90mm360mm,P2,型：,19mm51mm127mm,P3,型：,16mm51mm127mm,佩里尼断裂分析图（,Fracture Analysis,Diagram),FAD,表明了温度、缺陷尺寸和断裂强度三者之间的,关系,（,3,）静载试验（略）,三、焊接结构抗开裂性能试验,（,1,）韦尔斯（,Wells,）宽板试验,特点：,1,）在实验室内重现实际焊接结构的脆断；,2,）可在板厚、残余应力、焊接热循环等方面模拟实际焊接结构；,用途：研究断裂机理；选材，确定材料的开裂临界温度；,试件：,910,910,（,2,）断裂韧性试验（略）,（,3,）尼伯林克试验,四、焊接结构止裂试验,（,1,） 罗伯逊止裂试验,（,2,）双重,拉伸试验,