1、第五章 焊接结构脆性断裂 Brittle Fracture,材料成型及控制工程 2012.9,焊接结构脆性断裂、疲劳断裂事故时有发生，典型案例： 实例之一：二战期间，美国250艘全焊接战时标准船的断裂事故，其中10艘在平静港湾突然一断为二。 实例之二一：泰坦尼克号的失事是低温引起材料焊接处脆断 实例之三：2001年11月7日，四川省宜宾市南门中承拱桥因吊杆脆断造成大桥桥面坍塌 实例之四：1998年3月5日，西安液化石油气站2个400 m3球罐发生特大爆炸事故。一只紧固螺栓的疲劳断裂,四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故，其中一起发生在1995年底，泄漏的天然气引起了火灾。管道
2、为7208.16 mm 螺旋焊管，工厂压力1.92.5MPa。事故管段已经运行16年。爆口长度1440mm，沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中含有H2S及补焊工艺不合理 使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。 塔吊：地角螺栓45钢、40Cr，焊接部位易脆断,本章提要：1）脆性断裂的危害及其基本特征；2）造成焊接结构脆断的主要原因；3）焊接结构脆断的主要影响因素；4）焊接结构脆断的主要防止措施。以上内容作为本章的要点。,5.1 焊接结构脆断的基本原因与脆断的基本特征,5.1.1 金属的脆性断裂通常指沿一定结晶面劈裂的解理断裂或
3、晶界断裂。5.1.2 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；,5.1.3 金属脆断的断口特征：1）断面颜色：解理断裂：晶状断口，闪闪发光；晶界断裂：较灰暗；2）宏观断口形状：解理断裂：断口平齐，有放射状撕裂棱形，即 人字纹，其尖锋指向裂纹源；晶界断裂：表面平齐，呈颗粒或粗瓷状，边缘有剪切唇；,脆断的断口特征,3）微观断口形貌：解理断裂：河流花样，舌状花样，扇形花样；晶界断裂：冰糖状花样，岩石状花样，不同程度的晶粒多面体。,35Cr
4、Mo 870正火 等轴韧窝,铸铁 氢脆 沿晶冰糖状,5.1.4 焊接结构脆断的产生原因,金属脆断理论表明，金属发生脆断的影响因素 很多。情况较为复杂；焊接结构发生脆断的原因更加复杂。专业人员尤其需要深入研究。从宏观上可定性地概括为以下几点：1) 结构在使用工况下的韧性不足；尤其是缺口韧性不足；这与材料本身的性能、构件的加工质量、载荷作用方式、环境与介质条件等均有一定关系。,5.1.4 焊接结构脆断的产生原因,2）结构在设计、制造环节上存在工艺缺陷；这些未能得以及时消除的工艺缺陷，进一步造成了构件承载能力尤指抗开裂能力的恶化。如：焊接残余应力、附加残余变形、热应变时效以及各种焊接缺陷等引起的应力
5、集中和脆化现象。3）产品检验技术不够完善，并未对重要结构采取有效的质量跟踪措施和及时准确的无损评价。涉及：产品检验技术规范、手段等。,5.1.5 焊接结构发生脆断的危害性,1) 金属结构发生脆断的几率从总体上并不大，低于0.4 ；2）脆断的突发性 ！尽管脆断发生的几率并不大，但由于脆断发生具有突发性，往往难以防范，因而，造成的损失往往是难以想象的，有时甚至是灾难性的！这已被历史所见证。可见，焊接结构的安全性仍然是每个焊接工作者必须关注的问题。,5.2 影响金属脆性断裂的因素,具体分析金属脆断的影响因素时，又可从 总体上将它们分为内因和外因。 任务：1)通过对脆断影响因素的深入分析，全面认识脆断
6、的本质与产生机理；2)深刻理解联合强度理论, 学会使用力学状态图综合判定金属的断裂性质及相关问题。,5.2.1 影响金属脆断的外部因素,1)引起脆断的外部三要素：应力状态、温度条件、加载速度。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！,具体分析外部三要素,温度的影响温度条件影响断裂性质的根本原因是：材料是否有冷脆现象 ！实验证明：有些金属的冲击韧性指标对温度具有敏感性。即当温度由高到低变化到某一临界范围时，其冲击韧性会发生骤然下降，材料学称之为冷脆现象，而导致金属发生冷脆现象的临界温度称为该金属的延脆
7、性转变温度。显然，材料的延脆性转变温度越低，在一定温度下发生冷脆的倾向越小！,具有冷脆现象金属的晶格特征,研究表明：具有冷脆现象的金属多为： 体心立方晶格或密排六方晶格结构。大多面心立方晶格的金属，如：铝、铜等金属则没有冷脆现象。所以，低温环境的压力容器往往选择含镍量较高的面心立方晶格的金属。这类金属材料具有较高的低温韧性！,不同材料冲击韧性与温度关系曲线,应力状态的影响1）联合强度理论基本概念：材料某一单元体受力状态可能是多种多样，但是，材料内部产生的最大正应力和最大切应力是有极限的。当最大切应力未达到极限值时，最大正应力首先达到极限值则发生脆性断裂；当最大正应力未达到极限值时，最大切应力首
8、先达到极限值则发生延性断裂。,2）力学状态图：力学状态图联合强度理论的转化形式！,力学状态图,SoT 正断抗力； tT 剪切屈服极限； tK 剪断抗力。,3）应力状态指标:力学状态图中，过坐标原点的直线与横坐标轴的夹角的正切值，即定义为应力状态指标。显然， max /max其数值对应于一定的应力状态是不变的。在力学状态图中，SoT 正断抗力；tT 剪切屈服极限；tK 剪断抗力。,应力状态举例,4）常见加载形式对应的应力状态 单轴拉伸 tg=1/2 圆棒扭转 tg=1 双向拉伸 tg=1/2 单向压缩 tg=1/（2），为泊松比，如对于钢=0.3，tg=1.66 三向拉伸 tg=（1-3/1）/
9、2 三相等轴拉伸应力状态，因1=2=3，则tg= 0,5）断裂性质的判定：（力学状态图的应用）在力学状态图中，应力状态可用斜率为tg的直线表示，该斜率即为应力状态指标。随着加载过程的进行，尽管应力状态指标保持不变，但实际载荷不断提高。脆断条件:max SoT ，maxtT ；屈服条件:maxSoT，maxtT ；延性破坏条件:max SoT，maxtK。结论: 应力状态指标tg的值越低，发生脆断可能性越大!,6）缺口效应对应力状态指标的影响,具有尖锐缺口的厚板结构，缺口即使在单向应力作用下，缺口尖端也会出现三向拉应力状态，使应力状态指标tg严重降低，增大了脆断的可能性！ 三相等轴拉伸应力状态，
10、其应力状态指标tg=0，故其破坏形式一定是脆性断裂！ 通过上述分析，不难理解塑性好的材料也会发生低应力破坏的道理！,7）用力学状态图解释温度降低对脆断的影响原理：随着温度的降低，剪切屈服极限tT升高，而正断抗力SOT不变，故脆断危险性增加！联想：材料的屈服极限s 随温度的提高而降低！反过来，必然提高！,1温度的影响,温度对拉伸性能的影响,温度对冲击韧性的影响,温度对Ni-Cr-Mo-V钢断裂韧性的影响,温度降低断裂韧性、冲击韧性都降低，抗冲击能力、抗裂纹扩张能力降低,加载速度的影响研究表明：加载速度d/dt提高，其作用相当于温度降低，同样会使剪切屈服极限tT升高，而正断抗力SOT不变，则脆断危
11、险性增加！,tT， SOT,tT,d/dt,加载速度对脆断的影响规律,应力集中对d/dt的影响,应该指出，在结构缺口处由于应力集中作用，使加载速度d/dt明显提高，故脆断危险性增大。 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麽采用落锤试验研究材料的抗脆断的性能！,5.2.2 材料状态（内部因素）的影响,1)板厚的影响应力状态方面：厚板结构在受力时沿厚度方向的变形受到很大限制，形成平面应变状态，在缺口处易出现三向拉应力，使脆断倾向增大。冶金方面：厚板轧制量小，终轧温度高，组织疏松，不均匀，韧性相对较差。,2)晶粒度的影响对软钢而言，晶粒愈细,韧性愈高,
12、延脆性转变温度愈低。3)化学成分的影响有害元素 C、N、O、H、S、P等合金元素使材料脆性增加；有益元素 Mn、Ni、Cr、V等合金元素使材料脆性降低！,5.3 影响焊接结构脆断的主要因素,侧重焊接工艺引起的新矛盾、新问题。5.3.1 应变时效引起的局部脆性1) 时效的概念在一定温度下，材料性能随时间发生变化的现象称为时效。其英文为aging，即age的现在分词。2) 应变时效的分类静应变时效（也称冷变形时效）；动应变时效（也称为热应变脆化）。,应变时效的概念,应变时效是指金属经过一定量的塑性变形后，再经历150400温度范围的加热作用而造成的材料塑性下降的现象。 静应变时效是指金属经过“ 冷
13、加工”而产生一定量的塑性变形导致的应变时效。 动应变时效是指金属经过“热循环”而产生一定量的热塑性变形导致的应变时效。,3)应变时效产生的危害有害的时效往往使材料性能变坏：硬度提高，塑性下降，韧性变差。热应变时效使材料塑性极度下降，即所谓“塑性耗竭”！ 4）应变时效的消除静应变时效：切削时变形小，可铇去冷变形部分；或采用550560热处理。动应变时效：多产生于应力集中处，危害较大。采用550560热处理，同时还可消除残余应力，改善局部脆性。,不同应变量对动应变时效的影响,静应变时效与动应变时效影响的比较,焊后550560回火可消除残余应力及应变时效脆化倾向,应变时效对脆断的影响,5.3.2 焊
14、接缺陷的影响 区别对待焊接缺陷的影响与其所在的位置和种类有关!影响的本质:损失承载截面;形成缺口效应,导致应力集中!防止措施:改进工艺,加强管理,强化检测手段!运用质量管理体系的功能，尽最大可能消除焊接缺陷！,5.3.3 角变形和错边的影响试验结果:角变形增加,转变温度升高! 原因分析:角变形过大使工件承载时产生附加弯矩,造成熔合线处的应力集中程度加大！因而，脆断的危险性增大！严重错边与角变形过大作用等同！防止措施 尽量减小角变形或错边； 亦可在熔合线(焊趾) 堆焊防裂焊缝。,5.3.4 接头金相组织改变对脆性的影响主要目标: 充分注意焊接热影响区的几个脆化区!如：靠近熔合线附近的粗大的魏氏组
15、织区；处于蓝脆温度范围的脆化区；合金钢接头中的高硬度马氏体区。处理措施：必要时进行回火或正火处理。消除脆性组织，同时消除焊接应力！焊接工艺要合理控制焊接线能量。,5.3.5 焊接残余应力和塑性变形的影响宽板拉伸试验结果：残余应力和塑性变形影响断裂应力！ESSO试验结果：残余应力影响裂纹扩展方向 ！预防措施：合理布置焊缝 不使焊缝过于密集 ；调整残余应力场局部加热、热处理、机械拉伸等。,C-Mn焊条电弧焊接头的COD,宽板实验的结果显示：在韧脆转变温度以上残余应力无影响，在韧脆转变温度以下有不利影响。与工作应力叠加促进脆断的发生。 残余应力的存在还会改变裂纹的走向。,5.4 防止焊接结构脆断的措
16、施,总括：焊接结构发生脆断的危险依然存在！防止焊接结构脆断的策略应该从多方面着眼：1）选择与实际工况匹配的低温韧性好的母材；满足缺口韧性指标的要求！2）优化结构设计,完善制造工艺，消除焊接缺陷、焊接应力与变形带来的危害！3）强化质量意识和质量保证体系,实现产品的全程质量监控！,5.4.1 防止焊接结构脆断的设计措施,(1) 尽量减少应力集中 焊缝位置应在平滑过渡处； 搭接接头形状应圆滑过渡； 避免焊缝过于密集； 焊缝应布置在易焊易检的位置。 (2) 尽量减小结构刚度 不采用过厚截面； 结构重要部位刚性过大应开缓和槽。,5.4.1 防止焊接结构脆断的设计措施,(3) 充分注意受力构件上的不重要焊
17、缝例如：船体、容器上的挂钩、支架等。原则：能不焊就不焊！俗话说得好：红伤药再好，不如不拉口！分析：不重要焊缝往往不被重视，产生缺陷的可能性大！然而，这些缺陷又处在受力构件上，因而，导致受力构件的低应力破坏。可谓：蝼蚁之穴溃千里之堤！,5.4.1 防止焊接结构脆断的设计措施,(4) 充分考虑焊接残余应力和变形的影响在第二章已经重点讨论了焊接残余应力和变形 的危害。从防止脆断发生的角度，本章第三节也对 焊接残余应力和变形的影响进行了讨论。重点从两个方面理解：构成复杂应力场，导致缺口效应使材料变 脆，而残余应力对脆性材料的静载破坏是有影响 的！。角变形和错边都会产生附加弯矩!使焊趾处的 应力集中程度
18、加大！,5.4.2 防止焊接结构脆断的工艺措施,主要是： 控制应变时效； 防止产生脆性组织； 控制焊接缺陷； 控制角变形及错边； 注意消除焊接残余应力。,5.4.3 防止焊接结构脆断的选材原则,1）满足结构使用工况的韧性要求：举例: 应用时可详细查阅相关标准.,表4-1 根据DIN17280 低温韧性钢对冲击韧性的要求(ISO尖型缺口试样),ISO尖型缺口试样,试样尺寸: 101055 缺口型式: V型试验方法: 参考GB2650 应用意义: 相对评价材料的性能;安全评价的依据.,5.4.3 防止焊接结构脆断的选材原则,2) 按断裂力学确定选材标准 借鉴宽板拉伸试验结果指导选材; 不要一味追求
19、材料的高强度!断裂力学更强调:较高的 (KIC /s)2 ,认为该值与裂纹尖端的塑性区半径R有关! R , 抗开裂能力越强! 3) 不要选择过厚的结构形式,厚壁结构容易造成平面应变状态!必要时,可考虑采用多层结构.,wells宽板拉伸试验,试件尺寸： 910910(板厚),缺口尺寸：50.15 注意：焊前开缺口！ 适用： 静载结构的热应变脆化研究； 残余应力的影响；角变形的影响；退火、预拉伸等。,wells宽板拉伸试验的评定标准,低碳钢、C-Mn钢以510mm标距内，能产生0.5(2.55mm)的塑性变形，作为该试验条件下的抗开裂温度Ti 。（英国造船业应用的标准） 高强钢以能够达到 4s 的
20、试验温度作为该试验条件下的抗开裂温度Ti 。特点：更符合实际工况！试验结果可直接用于指导结构设计。,4合理评价结构的安全性,目前国内外已经建立了适用于焊接结构设计、制造、验收的、基于“合于使用原则”的标准。 IIW 1990年 IIW/IIS-SST-1157-90 中国 1984年 CVDA-1984 压力容器缺陷评定规范1991年 JB/T5104-1991 焊接接头脆性破坏的评定 英国 CEGB R6 Asessment of the integity of structures containing defects 美国 ASME B31G API 579适用性评价,对安全生产不造成危害的缺陷允许存在; 对安全性虽不造成危害但会进一步扩展的缺陷，要进行寿命预测，并允许在监控下使用; 若含缺陷结构降级使用时可以保证安全可靠性，可降级使用; 若含有对安全可靠性构成威胁的缺陷，应立即采取措施，返修或停用。,适用性评价按四种情况分别处理：,评价程序： 采集数据：无损检测缺陷的大小、位置 计算：等效裂纹尺寸，计算应力强度因子KI与断裂韧性KIC比较，如果KIKIC，允许 计算裂纹张开位移与断裂韧性C比较，如果C，允许 或者计算临界裂纹尺寸ac，与比较，如果aac，允许,
