焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂

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1、1焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 2 本章重點: 2.1 結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故及其特征2.2 金屬材料脆性斷裂的能量理論 2.3 金屬材料脆性斷裂及其影響因素 2.3.1 金屬材料斷裂的基本概念 2.3.2 典型的斷裂機(jī)制 2.3.3 影響金屬材料脆性斷裂的主要因素 2.4 焊接結(jié)構(gòu)的特點和工藝因素對脆性斷裂的影響 2.4.1 焊接結(jié)構(gòu)的特點對脆性斷裂的影響 2.4.2 焊接結(jié)構(gòu)制造工藝的特點對脆性斷裂的影響2.5 焊接結(jié)構(gòu)防脆性斷裂設(shè)計原則及相關(guān)的評定方法2.6 防止焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的途徑 3 2.1 結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故及其特征 自從焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來，許多國家都發(fā)生過一些焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故。雖

2、然發(fā)生脆性斷裂事故的焊接結(jié)構(gòu)數(shù)量較少,但其后果是嚴(yán)重的，甚至是災(zāi)難性的。所以脆性斷裂引起世界范圍有關(guān)人員的高度重視。目前脆性斷裂事故已趨于減少，但并未杜絕。 例如： 1972年1月美國建造的大型輪船，船長189m，建成9個月后在紐約的杰佛遜港斷成兩截并沉沒； 1979年12月18日我國吉林液化石油氣廠的球罐連鎖性爆炸(死傷86人，損失約627萬元)； 1992年1月26日我國黑龍江省某糖廠的4000m 3糖蜜罐的罐體突然破裂。 下面再介紹幾起典型焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故，以便了解脆性斷裂的概貌，并可得到相關(guān)經(jīng)驗。 4 典型脆性斷裂事故 橋梁：最典型的是1938年3月比利時阿爾拜特運(yùn)河上H esse

3、lt橋的斷塌事故。這座橋是用st-42轉(zhuǎn)爐鋼焊制成，跨度為74.52m,僅使用14個月，就在橋上僅有一輛電車和一些行人的載荷作用下發(fā)生斷塌。事故發(fā)生時氣溫為-20，6min橋身就突然斷為三截。 時過不久，1940年1月該運(yùn)河上另外兩座橋梁又發(fā)生局部脆性斷裂。總計從19381940年在所建造的50座橋梁中共有10余座出現(xiàn)脆性斷裂事故。加拿大、法國也發(fā)生過類似的事故。 輪船：在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國制造的4694艘船中，在970艘船上發(fā)現(xiàn)有1442處裂紋，這些裂紋多出現(xiàn)在萬噸級的“自由型”貨輪上，其中24艘甲板橫斷，1艘船舶的船底發(fā)生完全斷裂。另有8艘從中腰斷為兩截，其中4艘沉沒。 另外，Sch

4、enectady號T-2型油輪1942年10月建成，在1943年 1月16日在裝備碼頭停泊時發(fā)生突然斷裂事故。當(dāng)時海面平靜，天氣溫和，其甲板的計算應(yīng)力只有70MPa。 5 儲罐：在1944年前后，發(fā)生幾起球形和圓筒形容器的脆性斷裂事故。如1944年10月美國的液化天然氣儲藏基地的球罐和圓筒形儲罐，這些罐的內(nèi)層用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5的Ni鋼制成。事故是由圓筒儲罐引起的。首先在圓筒形罐13l2高處開裂并噴出氣體和液體，接著起火，然后儲罐爆炸，20min后1臺球罐因底腳過熱而倒塌爆炸，造成128人死亡，損失680萬美元。 上述我國在吉林液化石油氣廠的球罐爆炸事故，是一臺400m3球罐在上溫帶與赤道帶的環(huán)

5、縫熔合區(qū)破裂并迅速擴(kuò)展為13.5m的大裂口，液化石油氣沖出形成巨大的氣團(tuán)，遇到明火引燃，其附近的球罐被加熱，4h后發(fā)生爆炸，導(dǎo)致連鎖性爆炸，整個罐區(qū)成為一片火海。 一些著名的典型脆性斷裂事故的事例及成因見表2-1。 6 損壞日期結(jié)構(gòu)類別、地點破壞簡況和主要原因1919年1月制糖容器(鉚接) 美國馬薩諸塞州波士頓高14m 直徑30m 入孔處開始，安全系數(shù)不足，強(qiáng)度不足，可看到典型指向裂紋源的人字紋。1944年10月圓筒形壓力容器(直徑24m，高 13m) 美國俄亥俄州雙層容器，內(nèi)層用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5的Ni鋼制成。選材不當(dāng)，低溫脆性斷裂。1962年原子能電站壓力容器法國chlon由厚100mm的錳

6、鉬鋼焊制，環(huán)焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋沿母材擴(kuò)展。1965年儲氨罐英國 用厚度為150mm的Mn-Cr-Mo-V鋼板和鍛鋼制造，從一側(cè)的10mm三角形裂紋處引起破壞，應(yīng)力退火溫度控制不好，造成脆化及鍛鋼件偏析帶。1968年4月球形容器(容積2226m 3) 日本德山厚29mm、800MPa級的高強(qiáng)度鋼，修補(bǔ)時，焊接熱輸入過大，造成熔合區(qū)脆化。1974年12月圓筒形大型石油儲罐日本 用厚12mm的600MPa級強(qiáng)度鋼焊制。在環(huán)形板與罐壁拐角處的底角部有13m長的裂紋，使大量油溢出。 1975年5月容積為1000m3的球罐我國岳陽石油化工廠用厚34mm的15MnVR鋼焊制。制造時存有較大角變形、錯邊

7、、咬邊。一半焊縫采用酸性焊條焊接，造成焊縫和熱影響區(qū)塑性很差，在超載情況下爆炸。1962年1月直徑2 2m、高21m的水洗塔我國吉林化學(xué)工業(yè)公司用厚44mm的前蘇聯(lián)CT3鋼制成，介質(zhì)為H2-CO2混合氣體，在正常操作條件下爆炸，裂成43個碎片，死傷多人，直接塊經(jīng)濟(jì)損失272萬元。焊縫、熱影響區(qū)的沖擊韌度很低，造成低應(yīng)力脆性斷裂。 1979年12月400m 3石油液化氣儲罐(球罐) 我國吉林煤氣公司用厚28mm的15MnVR鋼焊制，北溫帶與赤道帶的環(huán)縫熔合線開裂，迅速擴(kuò)展至13.5m，液化石油氣沖出至明火處引起爆炸。1992年1月4000m3糖蜜罐我國 罐底與罐壁的連接焊縫有較長的未焊透。罐體位

8、置正處在風(fēng)口，北面向風(fēng)，破裂時有偏北風(fēng)，氣溫為 -17，南側(cè)和西南側(cè)罐體根部又被焦炭覆蓋，造成溫差，導(dǎo)致附加應(yīng)力。在不利因素綜合作用下，使罐體突發(fā)脆性斷裂。 表2-1 焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞的典型事例及成因 7 脆性斷裂特征 根據(jù)對脆性斷裂事故調(diào)查研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有如下特征： 1) 斷裂一般都在沒有顯著塑性變形的情況下發(fā)生，具有突然破壞的性質(zhì)。 2) 破壞一經(jīng)發(fā)生，瞬時就能擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)大部或全體。因此，脆性斷裂不易發(fā)現(xiàn)和預(yù)防。 3) 結(jié)構(gòu)在破壞時的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)設(shè)計的許用應(yīng)力。 4) 通常在較低溫度下發(fā)生。 焊接結(jié)構(gòu)的特點決定它的脆性斷裂可能性比鉚接結(jié)構(gòu)大。焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍很廣，雖然發(fā)生的脆性斷裂

9、事故不太多，但損失很大，有時甚至是災(zāi)難性的。 研究脆性斷裂問題對于保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠工作、推廣其應(yīng)用范圍有重大意義。特別是隨著焊接結(jié)構(gòu)向大型化、高強(qiáng)化、深冷方向的發(fā)展，對于進(jìn) 一步研究焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂問題就顯得更為迫切、更為重要。 脆性斷裂的根本原因：材料選用不當(dāng)、設(shè)計不合理、制造時有缺陷等，因此，了解金屬材料的性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)的特點是非常必要的。 8 研究和試驗表明，固體材料的實際斷裂強(qiáng)度只有它的理論斷裂強(qiáng)度110l1000。為什么會有這樣巨大的差異? 葛里菲斯(G riffith)認(rèn)為，在任何固體材料里本來就存在著一定數(shù)量大小的裂紋和缺陷，從而導(dǎo)致固體材料在低應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂。如果能使裂

10、紋減少或者使其尺寸降低，則物體的強(qiáng)度便會增加。他從理論上并用實驗證實了這一點。2.2 金屬材料脆性斷裂的能量理論 9 葛里菲斯裂紋體模型 葛里菲斯取一塊厚度為1單位的“無限”大平板為研究模型，首先使平板受到單向均勻拉應(yīng)力，(圖2-1)，然后將其兩端固定，以杜絕外部能源。設(shè)想在這塊平板上出現(xiàn)一個垂直于拉應(yīng)力方向長度為2穿透板厚的裂紋。切開裂紋后，平板內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能將有一部分被釋放出來，其釋放量設(shè)為U。又由于裂紋出現(xiàn)后有新的表面形成，要吸收能量，設(shè)其值為W，此兩種能量可以分別計算出來。 (2-1) 另一方面，設(shè)裂紋的單位表面積吸收的表面能為， 則形成 裂紋所需總表面能為： W= 4 (2-2)

11、 因此，裂紋體的能量改變總量為： (2-3) EaU 22 22 422 EE 10 這個能量改變總量隨裂紋長度的變化曲線見圖2-2，其變化率為： (2-4) 變化率隨著裂紋長度而變化，見圖2-2b。裂紋擴(kuò)展的臨界條件是：2 2 22( 4 ) 4E E E 0E 042 2 E 此時系統(tǒng)能量隨的變化出現(xiàn)極大值。此前，裂紋擴(kuò)展，其系統(tǒng)能量增加。即裂紋每擴(kuò)展一微量所能釋放的能量裂紋每擴(kuò)展一微量所需要的能量，因此裂紋不能擴(kuò)展； 此后，裂紋擴(kuò)展其系統(tǒng)能量減少，即釋放的能量裂紋擴(kuò)展所需要的能量，因此裂紋將繼續(xù)自動擴(kuò)展，導(dǎo)致發(fā)生脆性破壞。 即： 11 因此，可把 看成是使裂紋擴(kuò)展的推動力，而2是裂紋擴(kuò)展

12、的阻力。 當(dāng)推動力阻力時 ，裂紋自動擴(kuò)展； 當(dāng)推動力阻力時 ，裂紋不能自動擴(kuò)展。 葛里菲斯是根據(jù)玻璃、陶瓷等脆性材料推導(dǎo)的能量公式。在金屬材料中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時，裂紋前端局部地區(qū)要發(fā)生一定的塑性變形。X射線分析證實金屬斷裂表面有塑性變形的薄層。 奧羅萬(Orowan)提出，裂紋擴(kuò)展所釋放的變形能不僅用于表面能，對于金屬材料，更重要的是用于裂紋擴(kuò)展前的塑性變形能 p 。則在葛里菲斯能量方程里應(yīng)以(p+)來代替 。裂紋擴(kuò)展的臨界條件應(yīng)為： (2-5) 根據(jù)試驗結(jié)果，塑性變形能p比大得多，因此可忽略不計，裂紋擴(kuò)展的臨界條件： (2-6) 即塑性變形是阻止裂紋擴(kuò)展的主要因素。由能量原理看出，結(jié)構(gòu)的斷裂條

13、件不僅決定于工作應(yīng)力的大小，還取決于原始裂紋長度。這個結(jié)論和歐文(1rwin)分析裂紋前端應(yīng)力應(yīng)變場，考慮裂紋尖端應(yīng)力集中，建立新的裂紋擴(kuò)展臨界條件是完全一致的。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了斷裂力學(xué)。 22 E 22 E 0)(2 2 pE 022 pE 2E 12 2.3 金屬材料脆性斷裂及其影響因素2.3.1 金屬材料斷裂的基本概念 斷裂：是指金屬材料受力后局部變形量超過一定限度時，原子間的結(jié)合力受到破壞，從而萌生微裂紋，繼而發(fā)生擴(kuò)展使金屬斷開。 斷口：斷裂表面的外觀形貌，它記錄著有關(guān)斷裂過程的許多信息。多晶體金屬材料的斷裂途徑，可以是穿晶、沿晶斷裂、混晶斷裂。 不同斷裂機(jī)制可應(yīng)用斷裂方式、斷裂性態(tài)、

14、斷裂形貌等術(shù)語來描述。 (1) “方式”是指在多晶體材料中斷裂路徑的走向，它可以是穿晶或沿晶界的。穿晶方式可以是循解理面、滑移面或晶體學(xué)面的分離等。從宏觀上看，穿晶斷裂可以是延性斷裂，也可以是脆性斷裂(低溫下的穿晶斷裂)；沿晶斷裂則多數(shù)是脆性斷裂。它是晶界上一薄層連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物破壞晶界的連續(xù)性造成的。如應(yīng)力腐蝕、氫脆、淬火裂紋等均是沿晶斷裂。 (2) “性態(tài)”是表達(dá)斷裂前材料的變形能力。延性是指在斷裂前材料產(chǎn) 生一定的塑性變形；脆性則指斷裂前不發(fā)生或很少發(fā)生塑性變形。 脆性和延性的概念是相對的，它依賴于所采用的標(biāo)準(zhǔn)和所采用的判斷方法，還依賴于材料。 13 (3) “形貌” 是

15、指用肉眼或在顯微鏡下在斷口上所見到的現(xiàn)象。描述形貌的典型用詞如“纖維狀”、“人字紋”、“海灘波紋狀”等。 對應(yīng)不同的斷裂機(jī)制：解理斷裂或剪切斷裂等，它們的斷裂方式、性態(tài)和斷裂形貌是不一樣的。通常解理斷裂總是呈現(xiàn)脆性的，但有時在解理斷裂前也顯示一定的塑性變形。所以，解理斷裂和脆性斷裂不是同義詞。前者是指斷裂機(jī)制，后者則指斷裂的宏觀形態(tài)。 14 2.3.2典型的斷裂機(jī)制 (一) 解理斷裂 在正應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的穿晶斷裂，通常沿特定晶面即解理面分離。解理斷裂多見于體心立方、密排六方金屬和合金中(在鋼中，100面為解理面)，面心立方晶體很少發(fā)生。 解理斷裂機(jī)制：當(dāng)材料的塑性變形過程嚴(yán)重受阻(例如低溫、

16、高應(yīng)變速率及高應(yīng)力集中情況下)，材料不易發(fā)生變形被迫從特定的結(jié)晶學(xué)平面(解理面)發(fā)生分離的斷裂。金屬中的夾雜物、脆性析出物、其他缺陷對解理裂紋的產(chǎn)生有重要影響。 解理斷裂通常呈現(xiàn)脆性，不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的宏觀塑性變形。 圖2-3 人字條紋示意圖D擴(kuò)展方向O裂源 S剪切唇R放射條紋宏觀形貌：解理斷口平齊，斷口上的結(jié)晶面在宏觀上呈無規(guī)則取向，當(dāng)斷口在強(qiáng)光下轉(zhuǎn)動時，可見到閃閃發(fā)光的小平面為“小刻面”。另外，解理斷口具有人字條紋或放射狀條紋，人字紋尖峰指向裂紋源，如圖2-3。 15 解理斷口的微觀形貌常出現(xiàn)的有河流狀、舌狀、扇形花樣等。在河流花樣中，河流匯合方向就是裂紋擴(kuò)展方向，如圖2-4。 解理裂紋擴(kuò)

17、展所消耗的能量較小，其擴(kuò)展速度與在該介質(zhì)中的縱向聲波速度c0相當(dāng)。 例如：鋼的c0=5020ms，觀測到的c0值為0.130.32范圍，往往造成脆性斷裂構(gòu)件的瞬時整體破壞。 圖2-4解理斷口的微觀特征-河流狀花樣。 圖2-4 解理斷口的微觀特征-河流狀花樣 (一) 解理斷裂 16 （二）剪切斷裂 剪切斷裂是在切應(yīng)力作用下，沿滑移面的滑移方向而造成的斷裂。 剪切斷裂分為兩種情況： （1）滑移或純剪斷：常發(fā)生于純單晶體。 金屬在外力作用下沿最大切應(yīng)力的滑移面滑移，至一定程度而斷裂。 （2）微孔聚集型斷裂：多發(fā)生于鋼鐵等工程結(jié)構(gòu)材料。 在外力的作用下，因強(qiáng)烈滑移、位錯堆積，在局部地方常產(chǎn)生顯微空洞，

18、這種空洞在切應(yīng)力作用下不斷長大、聚集連接，并同時產(chǎn)生新的微小空洞，最后導(dǎo)致整個材料斷裂。 17 剪切斷裂的斷口宏觀形貌：纖維狀，顏色發(fā)暗，有滑移變形的痕跡。 純剪切斷口：其斷口平面與拉伸軸線成45角，表面平滑，圖2-5b。 微孔聚集型斷裂斷口：又稱杯錐狀斷口。杯底部分與主應(yīng)力方向垂直的平斷口，斷口平面并非平直，而是由許多細(xì)小的凹凸小斜面組成，這些小斜面又和拉伸軸線成45，圖2-5a。 圖2-5 剪切斷裂宏觀形貌(從左至右表示斷裂過程) a) 微孔聚集型斷裂示意圖 b) 純剪斷的示意圖圖2-6 三種不同形狀的韌窩示意圖a) 正交韌窩 b) 剪切韌窩 c) 撕裂韌窩 微觀特征：韌窩狀。 韌窩花樣的

19、形貌在顯微空洞中生核、長大和聚集過程中，與其周圍的應(yīng)力狀態(tài)和變形均勻性有關(guān)，一般出現(xiàn)三種不同形狀的韌窩花樣，圖2-6。 18 三種不同形狀的韌窩-微觀形貌 正交韌窩形態(tài)：等軸或圓形窩，兩個相匹配的斷口表面上，韌窩的形狀是相同的。形成原因是在拉應(yīng)力作用下，最大主應(yīng)力方向垂直斷口的表面，并且應(yīng)力在整個斷口表面上的分布是均勻的，因此在垂直于主應(yīng)力的杯底中心部分生核的顯微空洞向各方向均勻長大，最后形成等軸韌窩。圖a。 剪切韌窩形態(tài)：拋物線花樣，兩個相匹配的斷口表面上韌窩拉長方向是相反的。圖b。 撕裂韌窩形態(tài)：拋物線花樣，但兩個相匹配的斷口表面上韌窩拉長方向是一致的，圖c。其拉長韌窩的形成是由于顯微空洞

20、在生核和長大過程中，四周所承受的應(yīng)力和變形不均勻所致。 實際金屬材料的斷裂，由于內(nèi)部及外部原因（缺陷、性能等）均較復(fù)雜，斷裂常常不是單一的機(jī) 制，其斷口為混合形貌構(gòu)成。 圖2-6 三種不同形狀的韌窩示意圖a) 正交韌窩 b) 剪切韌窩 c) 撕裂韌窩 另外，除面心立方材料外，所有其他點陣類型的金屬材料均同時存有解理面和滑移面，當(dāng)外界條件變化時，便可能由解理斷裂向剪切型斷裂轉(zhuǎn)化，或者相反。這一點對于研究金屬斷裂問題是十分重要的。 19 綜上所述，金屬材料的脆性斷裂特征，除了2.1節(jié)介紹的4點外，還具有脆性斷裂的斷口形貌特征。 即：斷裂平面一般近似地垂直于板材表面，塑性變形很小，因此其厚度減少不多

21、，一般不超過3。脆性斷裂斷口一般是發(fā)亮的晶粒斷口，斷口上常有人字紋或放射狀花樣。 另外，脆性裂紋一般為擴(kuò)展速度極快的解理裂紋，因此很難預(yù)防。 20 2.3.3 影響金屬材料脆性斷裂的主要因素1.2.3.4.應(yīng)力狀態(tài)的影響溫度的影響主要因素有加載速度的影響材料狀態(tài)的影響 21 1. 應(yīng)力狀態(tài)的影響 物體在受外載時，不同的截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力和切應(yīng)力。在主平面作用最大正應(yīng)力max ，與主平面成45角的平面上作用有最大切應(yīng)力max。max和max與加載方式有關(guān)，軟性系數(shù)= maxmax 表示應(yīng)力狀態(tài)軟硬程度。 式中，為泊松比，而 1。 當(dāng)max max時，“軟性”應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)maxmax 時，“硬

22、性”應(yīng)力狀態(tài)。 在不同加載方式下，當(dāng)max未達(dá)到抗拉強(qiáng)度前，max 先達(dá)到屈服點， （即max max）？ ，則發(fā)生塑性變形而形成延性斷裂。 反之，在max達(dá)到屈服點前，max先達(dá)到抗拉強(qiáng)度，（即maxmax ）？ ，則發(fā)生脆性斷裂。 因此，斷裂形式與加載方式亦即應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。2 31max （按最大切應(yīng)力理論）max =1(2+3)（按第二強(qiáng)度理論） 單軸應(yīng)力 三軸應(yīng)力狀態(tài) 22 圖2-7為構(gòu)件受均勻拉應(yīng)力時，其中一個缺口根部出現(xiàn)高值的應(yīng)力和應(yīng)變集中情況；缺口越深越尖，其局部應(yīng)力和應(yīng)變也越大。 三向應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理：在受力過程中，缺口根部材料的伸長，必然引起沿寬度和厚度方向的收縮，但由于缺口尖端

23、以外的材料受到的應(yīng)力較小，引起收縮也較??；由于收縮不均勻，缺口根部收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生寬度和厚度方向的拉應(yīng)力x和z，導(dǎo)致缺口根部形成三向應(yīng)力狀態(tài)。 在三向應(yīng)力情況下，材料的屈服點較單向應(yīng)力時提高，即缺口根部材料的屈服點提高，從而使該處材料變脆。 因此，脆性斷裂事故多起源于具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口處。 實驗證明，許多材料處于單向或雙向拉應(yīng)力時，呈現(xiàn)延性；當(dāng)處于三向拉應(yīng)力時，不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)脆性。 在實際結(jié)構(gòu)中，三向應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多情況是由于結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)性引起的。雖然整個結(jié)構(gòu)處于單向或雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計或工藝不當(dāng)，往往出現(xiàn)局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)。 23

24、 2溫度的影響 當(dāng)TTk時，b s，無缺口試件單軸拉伸時，先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于塑性狀態(tài)；當(dāng)TTk，若對材料加載，在破斷前只發(fā)生彈性變形，不產(chǎn)生塑性變形，材料呈現(xiàn)脆性斷裂，即處于脆性狀態(tài)。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度T k ：從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度。Tk越低，則材料處于延性狀態(tài)的溫度范圍越廣；反之，一切促成Tk升高的因素，均將縮小材料塑性狀態(tài)的范圍，增大材料產(chǎn)生脆性斷裂的趨勢。因此Tk是衡量材料抗脆性破壞的重要參數(shù)。 金屬在高溫時，具有良好的變形能力，當(dāng)溫度降低時，其變形能力就減小，金屬這種低溫脆化的性質(zhì)稱為“低溫脆性”。它是金屬材料屈服點隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。 任何金屬材料都有兩個

25、強(qiáng)度指標(biāo)s和b 。b隨溫度變化很小，而s卻對溫度變化十分敏感。溫度降低，屈服點急劇升高，故兩曲線相交于一點，交點對應(yīng)的溫度為Tk -韌脆轉(zhuǎn)變溫度(見圖2-8)。s塑性狀態(tài)脆性狀態(tài) 24 3加載速度的影響 提高加載速度能促進(jìn)材料脆性破壞，其作用相當(dāng)于降低溫度。原因：鋼的屈服點不僅取決于溫度，而且還取決于加載速度或應(yīng)變速率。即隨著應(yīng)變速率的提高，材料的屈服點提高。 在同樣加載速率下，當(dāng)結(jié)構(gòu)中有缺口時，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)出加倍不利影響。由于應(yīng)力集中的影響，應(yīng)變速率比無缺口結(jié)構(gòu)高得多，從而大大降低材料的局部塑性。這也說明為什么結(jié)構(gòu)鋼一旦產(chǎn)生脆性斷裂，就很容易產(chǎn)生擴(kuò)展現(xiàn)象。 原因：當(dāng)缺口根部小范圍金屬材料發(fā)

26、生斷裂時，則在新裂紋尖端處立即受到高應(yīng)力和高應(yīng)變的載荷。即：一旦缺口根部開裂，就有高的應(yīng)變速率，而不管其原始加載條件是動載還是靜載，此后隨著裂紋加速擴(kuò)展，應(yīng)變速率更急劇增加，致使結(jié)構(gòu)最后破壞。延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度與應(yīng)變速率的關(guān)系， 圖2-9。 25 4材料狀態(tài)的影響 1) 厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，因為沿厚度方向的收縮應(yīng)力和變形受到較大限制，形成平面應(yīng)變狀態(tài)；而薄板材料，在厚度方向能比較自由地收縮，故厚度方向的應(yīng)力較小，接近于平面應(yīng)力狀態(tài)。 平面應(yīng)變狀態(tài)的三向應(yīng)力使材料變脆。 圖2-10 脆性斷裂開始溫度與板厚的關(guān)系 (1) 厚度的影響 厚度對脆性破壞的不利影響可由以下兩種因素來決定：2)

27、 冶金因素：一般說來，生產(chǎn)薄板時壓延量大，軋制終了溫度較低，組織細(xì)密； 相反，厚板軋制次數(shù)較少，終軋溫度較高，組織疏松，內(nèi)外層均勻性較差。 圖2-10 可見，鋼板越厚，其低溫脆性傾向越顯著。 26 (2) 晶粒度的影響 晶粒直徑越小其韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，如圖2-11。 圖2-11 韌脆轉(zhuǎn)變溫度和鐵素體晶粒直徑的關(guān)系 27 (3) 化學(xué)成分的影響 有害元素：鋼中的C、N、O、S、P均增加鋼的脆性。圖2-12 ，隨著含C量的增加，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。有益元素： 合金元素Mn、Ni可以改善鋼的脆性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 （圖2-13） V、Ti元素在加入量適當(dāng)時，也有助于減少鋼的脆性。 28 2.4

28、焊接結(jié)構(gòu)特點和工藝因素對脆性斷裂的影響 焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故的發(fā)生，除了由于材料選用不當(dāng)之外，結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造不合理也是發(fā)生脆性斷裂的重要原因。在60個脆性破壞事故的實例中，有1l例是由于設(shè)計不佳所致，9例是由于焊接缺陷所致?？梢姡附咏Y(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造在脆性斷裂事故中的重要性。 在設(shè)計中盡量避免和降低應(yīng)力集中，并在制造過程中加強(qiáng)管理和檢查，防止工藝缺陷，是減少和消除脆性破壞事故的重要措施。 為了合理設(shè)計和制造焊接結(jié)構(gòu)，必須對焊接結(jié)構(gòu)的特點有充分的了解。 29 2.4.1 焊接結(jié)構(gòu)的特點對脆性斷裂的影響 1焊接結(jié)構(gòu)比鉚接結(jié)構(gòu)剛度大 焊接為剛性連接，連接構(gòu)件不能產(chǎn)生相對位移。而鉚接則由于接頭有一定

29、相對位移的可能性，而使其剛度相對降低，在工作條件下，足以減少因偶然載荷而產(chǎn)生附加應(yīng)力的危險。 在焊接結(jié)構(gòu)中，由于在設(shè)計時沒有考慮到這一因素，往往能引起較大的附加應(yīng)力。特別是在溫度降低而材料的塑性變壞時，這些附加應(yīng)力常常會造成結(jié)構(gòu)的脆性破壞。 附加應(yīng)力的例子： 1947年12月，原蘇聯(lián)曾發(fā)生幾個4500m 3儲油器的局部脆性斷裂事故。溫度不均所造成的附加應(yīng)力是這些儲油器破壞的重要原因。當(dāng)大氣溫度下降到-42后，一方面由于材料本身的塑性降低，另一方面由于容器的內(nèi)外溫度不同，底部和筒身的溫度不一樣，筒身的向風(fēng)面與背風(fēng)面的溫度也有差別，在筒身就形成復(fù)雜的附加應(yīng)力場，因而造成結(jié)構(gòu)的破壞。 30 另外，焊

30、接結(jié)構(gòu)比鉚接結(jié)構(gòu)剛度大，所以對應(yīng)力集中特別敏感，如果設(shè)計中采用應(yīng)力集中系數(shù)很高的搭接接頭，或采用驟然變化的截面，當(dāng)溫度降低時,結(jié)構(gòu)就有發(fā)生脆性斷裂的危險。 美國“自由輪” ，當(dāng)采用鉚接結(jié)構(gòu)時，雖然應(yīng)力集中很大，但并未發(fā)生過脆性破壞事故。而在采用焊接結(jié)構(gòu)后，卻發(fā)生了一系列脆性破壞事故。 研究發(fā)現(xiàn)：除材料選用不當(dāng)外，船體設(shè)計不合理也是造成其破壞的重要原因之一。圖a最初設(shè)計由于拐角處為一尖角，應(yīng)力集中很大；圖b改進(jìn)后的設(shè)計由于采用圓滑過渡的拐角，應(yīng)力集中得到緩和。改進(jìn)后的設(shè)計承載能力增加到1.4倍，而所需破壞能量增加25倍。 圖2-14 “自由輪”甲板艙口設(shè)計對比a) 最初設(shè)計 b) 改進(jìn)后設(shè)計 3

31、1 2焊接結(jié)構(gòu)具有整體性 這一特點為設(shè)計制造合理的結(jié)構(gòu)提供了廣泛的可能性，因此整體性強(qiáng)是焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一，但是如果設(shè)計不當(dāng)，或制造不良，這一優(yōu)點反而可能增加焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的危險。 因為由于焊接結(jié)構(gòu)的整體性，它將給裂紋的擴(kuò)展創(chuàng)造十分有利的條件。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)工作時，一旦有不穩(wěn)定的脆性裂紋出現(xiàn)，就有可能穿越接頭擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)整體，而使結(jié)構(gòu)整體破壞。 而鉚接結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的脆性裂紋后，只要擴(kuò)展到接頭處，就可自然止住，避免更大災(zāi)難的出現(xiàn)。因此在某些大型焊接結(jié)構(gòu)中，有時仍保留少量的鉚接接頭。 例如：在一些船體中，甲板與舷側(cè)頂列板的連接就是采用鉚接連接。 32 2.4.2 焊接結(jié)構(gòu)制造工藝的特點對脆性斷裂

32、的影響 焊接過程可給焊接結(jié)構(gòu)的接頭帶來如下一些不利的影響： 1兩類應(yīng)變時效引起的局部脆性 2焊接接頭金相組織改變對脆性的影響 3焊接缺陷的影晌 4焊接殘余應(yīng)力的影響 33 1兩類應(yīng)變時效引起的局部脆性 在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中，一般包括切割、冷熱成形(剪切、彎曲、矯正等)、焊接等工序，其中一些工序可能提高鋼材韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，使材料變脆。 （1）在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程中的剪切、冷作矯形、彎曲等，經(jīng)過冷加工產(chǎn)生一定的塑性變形，隨后又經(jīng)160450溫度范圍的加熱就會引起應(yīng)變時效，導(dǎo)致脆化。 （2）在焊接時，近縫區(qū)某些刻槽，即缺口尖端附近或多層焊道中已焊完焊道中的缺陷附近，金屬受到熱循環(huán)和熱塑變循環(huán)(1504

33、50 )的作用，產(chǎn)生焊接應(yīng)力-應(yīng)變集中，導(dǎo)致較大的塑性變形，引起應(yīng)變時效，稱為動應(yīng)變時效(熱應(yīng)變脆化)。 鋼的應(yīng)變時效定義：塑性變形時或變形后，固溶狀態(tài)的間隙溶質(zhì)（C、N） 與位錯交互作用，“釘扎”位錯阻止變形的物理本質(zhì)，從而導(dǎo)致強(qiáng)度提高，韌性下降的力學(xué)冶金現(xiàn)象。 34 許多碳-錳低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼對應(yīng)變時效脆化比較敏感，它將大大降低鋼材的塑性，提高材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞。 應(yīng)變時效導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞的實例很常見的。例如：某儲油罐的脆性破壞事故，破壞始于罐體和底板的連接處，擴(kuò)展后達(dá)到頂部。 檢查后表明：這種鋼材對應(yīng)變時效非常敏感，離鋼材剪切邊緣不同距離處缺口韌性有急劇的變化。

34、鋼板本身的轉(zhuǎn)變溫度為-8，但距剪切邊緣6mm處，轉(zhuǎn)變溫度為+53，距剪切邊緣20mm處為+36。 主要原因：剪切引起冷作應(yīng)變，隨后進(jìn)行的焊接工序引起應(yīng)變時效所致。因此，該對焊接接頭的應(yīng)變時效區(qū)應(yīng)充分注意。 應(yīng)變時效: 35 試驗結(jié)果：以冷彎變形(20預(yù)彎)試件的轉(zhuǎn)變溫度為最低，而250預(yù)彎的轉(zhuǎn)變溫度為最高。 焊后熱處理(550650 )可以消除兩類應(yīng)變時效對低碳鋼和一些合金結(jié)構(gòu)鋼的影響，恢復(fù)其韌性。因此，對應(yīng)變時效敏感的鋼材，焊后熱處理不但可以消除焊接殘余應(yīng)力，而且可以消除應(yīng)變時效的脆化影響，對防止結(jié)構(gòu)脆性斷裂是有利的。圖2-15 不同溫度下預(yù)應(yīng)變對COD值的影響 1母材 2+20預(yù)彎，250

35、下時效12h3150預(yù)彎 4350預(yù)彎 5250預(yù)彎 對比兩類應(yīng)變時效：動應(yīng)變時效對脆性的影響往往更為不利。 圖2-15是某碳-錳鋼在不同溫度下預(yù)應(yīng)變對斷裂時COD值(裂紋張開位移)的影響。試驗分4組進(jìn)行，一組是在20下預(yù)彎，再在250下時效12h(模擬冷變形引起的應(yīng)變時效)，其他三組試件分別在150、250和350下熱彎(模擬動應(yīng)變時效)。所有試件的預(yù)彎處理是先使缺口張開約0.1mm，然后向里彎曲到原來尺寸。動應(yīng)變時效 36 2焊接接頭金相組織改變對脆性的影響焊接過程是一個不均勻的加熱過程，在快速加熱和冷卻的條件下，使焊縫和近縫區(qū)發(fā)生了一系列金相組織的變化，因而改變接頭部位的缺口韌性。圖2-

36、16，該接頭的焊縫和熱影響區(qū)具有比母材高的轉(zhuǎn)變溫度，所以，它們成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。 圖2-16 某碳-錳鋼焊接接頭不同部位的COD試驗結(jié)果1母材 2母材熱應(yīng)變時效區(qū) 3細(xì)晶粒熱影響區(qū)4粗晶粒熱影響區(qū) 5焊縫 37 案例：日本德山球形容器的脆性斷裂事故是由于采用過大的焊接熱輸入。 該容器采用H T80高強(qiáng)度鋼焊接，板厚為30mm，焊后進(jìn)行水壓試驗時破裂。按工藝規(guī)定，應(yīng)采用的焊接熱輸入為48kJcm，但由于冬季施工，焊接時采用的預(yù)熱溫度偏高，焊接熱輸入也偏大。分析表明，脆性斷裂起源點的焊接熱輸入為80kJcm，大大超過規(guī)定的熱輸入，致使焊縫和熱影響區(qū)的韌性顯著降低。 圖2-17 不同焊接熱輸入

37、對某碳-錳鋼焊接接頭的熱影響區(qū)沖擊吸收功的影響 對于確定的鋼種和焊接方法，熱影響區(qū)的顯微組織主要取決于焊接熱輸入。因此，合理地選擇焊接熱輸入是十分重要的，尤其是對高強(qiáng)度鋼。實踐證明：高強(qiáng)度鋼，過小焊接熱輸入易造成淬硬組織而引起裂紋；過大焊接熱輸入又易造成晶粒粗大和脆化，降低其韌性。 圖2-17，隨著焊接熱輸入的增加，該區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度相應(yīng)地提高，增加脆性斷裂危險性?？刹捎枚鄬雍福赃m當(dāng)?shù)暮附訁?shù)焊接，減小焊接熱輸入，獲得滿意的韌性。2焊接接頭金相組織改變對脆性的影響（續(xù)） 38 3焊接缺陷的影晌 在焊接接頭中，焊縫和熱影響區(qū)最容易產(chǎn)生各種缺陷。據(jù)調(diào)查，40的脆性斷裂事故是從焊縫缺陷處開始的。

38、焊接缺陷(裂紋、未焊透、夾渣、咬邊、氣孔等)都可成為脆性斷裂的發(fā)源地。吉林某液化石油氣廠的球罐破壞事故，斷裂的發(fā)源地就在焊縫的焊趾部位。 焊接缺陷都是應(yīng)力集中部位，尤其是裂紋，裂紋的影響程度不但與其尺寸、形狀有關(guān)，而且與其所在部位有關(guān)。 如果裂紋位于高值拉應(yīng)力區(qū)就容易引起低應(yīng)力破壞。若在應(yīng)力集中區(qū)(如壓力容器接管處)產(chǎn)生焊接缺陷就更加危險.所以，最好將焊縫布置在應(yīng)力集中區(qū)以外。 39 4焊接殘余應(yīng)力的影響 焊接過程存在的不均勻溫度場，因而冷卻后結(jié)構(gòu)中必然產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。 根據(jù)日本的大板試驗：當(dāng)工作溫度材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度時，拉伸殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度無不利影響； 當(dāng)工作溫度材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度

39、時，拉伸殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有不利影響。拉伸殘余應(yīng)力將和工作應(yīng)力疊加共同起作用，在外加載荷很低時，發(fā)生脆性破壞，即低應(yīng)力破壞。 拉伸殘余應(yīng)力具有局部性質(zhì)，它只限于在焊縫及其附近部位,離開焊縫區(qū)其值迅速減小。所以，此峰值拉伸殘余應(yīng)力有助于斷裂的產(chǎn)生。隨著裂紋的增長離開焊縫一定距離后，殘余應(yīng)力急劇減小。當(dāng)工作應(yīng)力較低時，裂紋可能中止擴(kuò)展；當(dāng)工作應(yīng)力較大時，裂紋將一直擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)破壞。 40 裂紋穿過兩平行焊接接頭的開裂路徑圖2-18，由于焊縫距離近，所以兩平行焊縫間的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，在試件上有一個較寬的殘余拉應(yīng)力區(qū)。因此，在40.2MPa的均勻拉應(yīng)力下脆性開裂穿過整個試件的寬度。圖2-19，焊縫間

40、有較大的殘余壓應(yīng)力，因此，在29.4MPa平均應(yīng)力下，裂紋在壓應(yīng)力區(qū)中拐彎并停 止。 圖2-18 近距離平行焊接接頭試件的開裂路徑和縱向殘余應(yīng)力分布a) 殘余應(yīng)力分布圖 b) 試件圖 41 殘余應(yīng)力對脆性斷裂裂紋擴(kuò)展方向的影響 圖2-20，若試件未經(jīng)退火，試驗時也不施加外力，沖擊引發(fā)裂紋后，裂紋在殘余應(yīng)力作用下，將沿平行焊縫方向擴(kuò)展(N30W-3)。 隨著外加應(yīng)力的增加，開裂路徑越來越接近與外加應(yīng)力方向垂直的試件中心線。 如果試件殘余應(yīng)力經(jīng)退火完全消除，則開裂路徑與試件中心線重合(N30WR-1)。 42 2.5 焊接結(jié)構(gòu)防脆性斷裂設(shè)計原則及相關(guān)的評定方法2.5.1 焊接結(jié)構(gòu)防脆性斷裂的設(shè)計準(zhǔn)

41、則 焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂是瞬時完成的，但它仍是由兩個階段組成。即在結(jié)構(gòu)某個部位，例如焊接或冶金缺陷處（焊接冷、熱裂紋、咬邊、未焊透等）首先產(chǎn)生一脆性裂紋(即不穩(wěn)定裂紋)-裂紋的產(chǎn)生；然后該裂紋以極快的速度擴(kuò)展，部分或全部地貫穿結(jié)構(gòu)件，造成脆性失效。-裂紋的擴(kuò)展 失穩(wěn)擴(kuò)展的裂紋在一定條件下可能停止下來，即止裂。例如：當(dāng)裂紋進(jìn)入拉應(yīng)力較低的區(qū)域，沒有足夠的能量來維持裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展；或者裂紋進(jìn)入到韌性較好的材料(或同一材料，但溫度較高，韌性增加)受到較大的阻力，無法繼續(xù)擴(kuò)展。 材料都有脆性裂紋引發(fā)的臨界溫度即開裂溫度，止住裂紋擴(kuò)展的止裂溫度。開裂和止裂溫度的高低可用來衡量材料的抗開裂性能和止裂性能，即開

42、裂和止裂的臨界溫度越低，材料的抗開裂性能和止裂性能就越好。 一般來說，對應(yīng)變速率敏感的材料，如C-Mn型中低強(qiáng)度鋼，其抗開裂性能的轉(zhuǎn)變溫度止裂性能的轉(zhuǎn)變溫度；對于高強(qiáng)度鋼由于它對應(yīng)變速率不敏感，其開裂和止裂溫度相差不多或相同。但是在任何情況下，止裂轉(zhuǎn)變溫度不會低于（）它的開裂轉(zhuǎn)變溫度。 43 脆性斷裂是由兩個階段組成，因此防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞有兩個設(shè)計準(zhǔn)則：一、防止裂紋產(chǎn)生準(zhǔn)則(“開裂控制”)；二、止裂性能準(zhǔn)則(“擴(kuò)展控制”)。 前者是要求焊接結(jié)構(gòu)最薄弱的部位即焊接接頭處，具有抵抗脆性裂紋產(chǎn)生的能力，即抗開裂能力；后者要求如果在這些部位產(chǎn)生了裂紋，其周圍材料應(yīng)具有將其迅速止住的能力。后者比前者

43、要求苛刻些。 開裂控制：國際焊接學(xué)會于20世紀(jì)70年代提出，防止焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故，主要著眼點應(yīng)放在焊接接頭的抗開裂能力上(即開裂控制)，并以此作為設(shè)計依據(jù)。 擴(kuò)展控制：對于中低強(qiáng)度鋼，由于殘余應(yīng)力的作用，脆性裂紋一旦產(chǎn)生，一般向母材方向擴(kuò)展。因此，要求母材具有一定的止裂性能。 近年來，焊接接頭各部分（如焊縫）的止裂性能又受到人們的重視。因為在高強(qiáng)度鋼種的應(yīng)用日益增多，由于焊接殘余應(yīng)力作用的減弱，或工作應(yīng)力的提高以及焊接冶金因素等原因，接頭中的裂紋完全有可能沿焊縫方向擴(kuò) 展，最后造成結(jié)構(gòu)破壞，因此，要求焊縫或接頭各部位具有止裂能力。 防脆性斷裂的兩個設(shè)計準(zhǔn)則 44 2.5.2 斷裂的評定方法

44、 （1）轉(zhuǎn)變溫度方法（本書采用的方法） 即確定材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度特性。 （2）斷裂力學(xué)方法 用KIC、c、JIC等力學(xué)指標(biāo)，作為安全設(shè)計的依據(jù)。2.5.3 典型試驗方法介紹 1. 抗開裂性能試驗 反映裂紋產(chǎn)生前韌度參量指標(biāo)的試驗。 2. 止裂性能試驗 測量脆性裂紋產(chǎn)生后韌性指標(biāo)的實驗。 45 2.6 防止焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的途徑 造成結(jié)構(gòu)脆性斷裂的基本因素： （1）材料在工作條件下韌性不足； （2）結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中(設(shè)計上或工藝上)； （3）過大的拉應(yīng)力(工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力和溫度應(yīng)力等)。 有效地減少或控制其中某一因素，結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的可能性可顯著降低或排除。 防止結(jié)構(gòu)脆性斷裂的

45、三個途徑： 1. 正確、合理地選用材料 2. 采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 3. 合理安排結(jié)構(gòu)制造工藝 46 2.6.1 正確、合理地選用材料 基本原則：既要保證結(jié)構(gòu)的安全使用，又要考慮經(jīng)濟(jì)效果。應(yīng)使所選用的鋼材和焊接用材料保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性。即要保證結(jié)構(gòu)在工作條件下，焊縫、熱影響區(qū)、熔合區(qū)等薄弱部位具有足夠的抗開裂性能，也要使母材具有一定的止裂性能。 另外，在選材時還要考慮材料費(fèi)用和結(jié)構(gòu)總體費(fèi)用的對比關(guān)系。 當(dāng)某些結(jié)構(gòu)材料費(fèi)用與結(jié)構(gòu)整體費(fèi)用相比所占比重很少時，選用優(yōu)良韌性材料是值得的；而對一些結(jié)構(gòu)，材料費(fèi)用是結(jié)構(gòu)的主要費(fèi)用時，就要對材料費(fèi)用和韌度要求之間的關(guān)系作詳細(xì)的對比、分析研究

46、。另外，選材時還要考慮到一旦結(jié)構(gòu)斷裂其后果的嚴(yán)重性。 實驗方法：通常采用夏比沖擊試驗方法進(jìn)行材料的選擇和評定。沖擊試驗是在不同溫度下對一系列試件進(jìn)行試驗找出其韌-脆性特性與溫度的關(guān)系。 常用的有夏比V形和夏比U形缺口沖擊試驗。目前多采用夏比V形缺口沖擊試驗。由于沖擊試驗方法簡單，試件小，容易制備，費(fèi)用低，不論作為材料質(zhì)量控制，還是事故分析研究，各國普遍采用。 47 2.6.2 采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計有脆性斷裂傾向的焊接結(jié)構(gòu)，注意以下幾個原則： 1盡量減少結(jié)構(gòu)或接頭部位的應(yīng)力集中； 2盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度； 3不采用過厚截面； 4重視附件或不受力焊縫的設(shè)計 。 48 1盡量減少結(jié)構(gòu)或接頭部位

47、的應(yīng)力集中 1) 在一些構(gòu)件截面改變的地方，必須設(shè)計成平緩過渡，不要形成尖角，圖2-38。 圖2-38 尖角過渡和平滑過渡的接頭 a) 不可采用 b）可以采用圖2-39 封頭設(shè)計時合理與不合理的接頭a）不合理 b）合理 2) 在設(shè)計中應(yīng)盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對接接頭，盡量避免應(yīng)力集中大的搭接接頭。圖2-39a設(shè)計不合理，而圖b由于減少焊縫處應(yīng)力集中，承載能力大大提高。試驗表明，斷裂從焊縫以外開始。 49 3) 不同厚度構(gòu)件的對接接頭應(yīng)當(dāng)盡可能采用圓滑過渡，圖2-40。 圖2-40 不同板厚的接頭設(shè)計方案a) 可以采用 b) 最好 c) 不可以采用 50 4) 應(yīng)將焊縫布置在便于焊接和檢驗的地

48、方，以便消除造成工藝應(yīng)力集中(缺陷)的因素，圖2-4l。 圖2-41 不易施焊的焊態(tài)部位舉例 51 5) 避免焊縫密集。 圖2-42給出焊接容器中，焊縫之間最小距離的某些規(guī)定的參考，設(shè)計時應(yīng)參照G B 150-1998相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。 圖2-42 焊接容器中焊縫之間的最小距離 a) T形交叉 b) 補(bǔ)強(qiáng)和對接焊縫 c) 筒體縱縫 d) 封頭上的平行焊縫 52 2盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度 在滿足結(jié)構(gòu)使用條件下，應(yīng)當(dāng)減少結(jié)構(gòu)的剛度，以減少應(yīng)力集中和附加應(yīng)力。 例如：比利時阿爾拜特運(yùn)河上橋梁脆性斷裂事故，橋為“威廉德式橋”，缺點是腹桿和弦桿交接處剛度大(圖2-43a)。設(shè)計者采用將鑄鋼塊焊在弦桿的蓋板上，使

49、腹桿的蓋板與弦桿的蓋板通過鑄鋼塊上的對接焊縫連接 (圖b)。 這種設(shè)計極不合理，因為焊接時在該處的拘束應(yīng)力極大，橋梁脆性斷裂事故起源于此。采用圖c，腹桿蓋板和弦桿蓋板之間不焊接。這樣大大降低接頭剛度，避免產(chǎn)生高值拘束應(yīng)力，對防止脆性斷裂事故有利。 圖2-43 威廉德式橋立桿和弦桿的連接 a) 立桿和弦桿連接處 b) 局部放大不合理的連接 c) 局部放大改進(jìn)的連接弦桿腹桿 53 容器開緩和槽-降低剛度 在壓力容器的器壁上開孔焊接接管。為了避免焊縫在此處剛度過大，可開緩和槽。 54 3不采用過厚的截面 由于焊接可以連接很厚的截面，所以在焊接結(jié)構(gòu)中常會選用比鉚接結(jié)構(gòu)厚得多的截面。但應(yīng)注意，采用降低許

50、用應(yīng)力值的設(shè)計，結(jié)果使構(gòu)件厚度增加，也就增加脆性斷裂的危險。 因為增大厚度會提高鋼材的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度；厚板軋制程度少，晶粒較粗且疏松。同時，厚板不但加大結(jié)構(gòu)的剛度，而且又容易形成三軸應(yīng)力。所以，厚板的轉(zhuǎn)變溫度一般都比薄板高。 實驗證明，鋼板厚度每增加1mm，轉(zhuǎn)變溫度將提高1。 55 4重視附件或不受力焊縫的設(shè)計 附件或不受力焊縫的設(shè)計，要和主要承力焊縫一樣的給予足夠重視。 因為脆性裂紋一旦由這些不受到重視的接頭部位產(chǎn)生，就會擴(kuò)展到主要受力的元件中，使結(jié)構(gòu)破壞。 例如：有一艘油船的破壞，裂紋就是由焊到甲板上的小托架處開始的。因此，不要在受力構(gòu)件上隨意加焊附件。圖2-45a支架，被焊接到受力構(gòu)件上

51、極易產(chǎn)生裂紋。圖b采用卡箍，有助于防止脆性斷裂。 56 2.6.3 合理安排結(jié)構(gòu)制造工藝 1充分考慮應(yīng)變時效引起局部脆性的不利影響 結(jié)構(gòu)的冷、熱加工可引起鋼材應(yīng)變時效，使材料脆化。因此，對于應(yīng)變時效敏感的材料，應(yīng)不造成過大的塑性變形量，并在加熱溫度上注意或采用熱處理消除。 2合理選擇焊接材料、焊接方法和工藝 承受靜載的結(jié)構(gòu)，保證焊縫金屬和母材韌度大致相等，適當(dāng)提高焊縫的屈服強(qiáng)度是有利的。-高組配等韌性。 另外，對于一定鋼種和焊接方法，熱影響區(qū)的組織狀態(tài)主要取決于焊接工藝參數(shù)，即熱輸入。合理選擇熱輸入十分必要，特別是高強(qiáng)度鋼。 3必要時采用熱處理工藝 熱處理工藝對恢復(fù)兩類應(yīng)變時效(應(yīng)變時效、動應(yīng)變時效)所造成的韌性損傷，對減小或消除焊接殘余應(yīng)力是有利的。 4. 文明生產(chǎn)，妥善運(yùn)輸和保管 焊接生產(chǎn)中要減少造成應(yīng)力集中的幾何不連續(xù)性，如角變形和錯邊。還 要采取措施防止產(chǎn)生焊接缺陷；不要在工件上隨便引弧或焊一些質(zhì)量不高的附件。 在運(yùn)輸過程中，注意不使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的附件應(yīng)力、溫度應(yīng)力等，不要撞擊結(jié)構(gòu)表面，以免擦傷。 57 本 章 結(jié) 束