焊接结构的脆性断裂.ppt

第四章 焊接结构的脆性断裂,本章主要内容：一、焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的特点、产生原因及影响因素；二、提高结构疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。,二战期间美国船只的脆性断裂,綦江彩虹桥垮塌案,“虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得名，该桥跨越长江支流綦河，连接城东城西，于1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工，桥净空跨度120米，耗资368万元。1999年1月4日晚6时50分左右，彩虹桥整体垮塌，包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原因造成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是人祸。其根本原因，是由于政府在工程开发建设上没有遵循法律，履行必要的审核、论证程序，采取了“特事特办”的方式，盲目追求效率营造“献礼工程”，从而酿成大祸。,綦江彩虹桥垮塌案,记者的报道,三向应力,2000年9月3日傍晚，三峡工地正在紧张施工。突然传来一声巨响，一台正在进行检修的巨型塔带机骤然垮塌，两节重达20吨的机臂和部分皮带从约20米的高空落下，造成34人伤亡，其中死亡3人，重伤20人。这就是当年震惊全国的三峡工程“93”重大事故。,三峡工程“9.3”事故,焊接结构的脆性断裂,一、脆性断裂的主要特征宏观：断裂前无明显塑性变形，没有任何先兆，突然性强。断裂时所承受载荷不大，远低于设计时的许用应力，是典型的低应力破坏形式。,断口形态：断口发光颗粒、平整、人字花样、河流花样、穿晶。,系列冲击试验,-59,-12,4,16,24,79,低强度铁素体钢冲击断口照片,系列冲击试验,奥氏体钢,低强度铁素体钢,高强度钢,二、影响金属脆性断裂的因素,1、应力状态的影响,缺口效应,应力状态：加载方式和材料本质,零件受外力作用时，其内部各点的应力状态可用三个主应力1、2、3来（1 2 3）来表示。,材料力学知识,：应力状态软性系数，零件加载方式由表示。,P184 图5-4,k,加载方式不同，断裂方式不同,加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同,2、温度的影响,塑性材料开始由塑性变为脆性的温度叫材料脆性转变点。结构的使用温度较低时，其中的某个部件或局部可能达到脆性转变点以下，使塑性材料变脆。,3、加载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。,应变速率,度强,断裂强度,屈服强度,4、材料状态的影响,前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的内因。1）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较高抗断能力。2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。3）化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助减小钢的脆性。,三、焊接结构产生脆性断裂的原因,1、焊接结构本身：刚性大，整体性强，构件间很难发生相对位移，焊接应力很难消除，且对应力集中特别敏感。止裂能力差，裂纹容易在构件之间扩展，继而扩展到整体。,2、焊接热循环,热影响区组织脆化，韧性下降。改变材料脆性转变温度。对某些高强钢，板厚为30 mm，线输入达50000J/cm时，可使脆性转变点升高50100,平板堆焊,3、焊接残余应力,脆性材料降低材料实际承载能力。产生应力集中，使微裂纹扩展成脆性断裂源。,4、备料及成形加工,产生附加应力。材料在成形加工时的预应变可达2%3%，预应变使材料塑性降低，脆断倾向增加。可能引入新的显微缺陷，这些缺陷可能成为断裂源。,钢板弯曲成形,矫正弯曲变形,5、焊接缺陷,裂纹、未焊透等面缺陷可能直接成为断裂源。气孔、夹渣等三维缺陷会降低结构的实际强度，并可能诱发微裂纹，如扩展到表面，就可能成为断裂源。,焊接热烈纹,焊缝内气孔,四、防止焊接结构脆性断裂的措施,1、正确选用材料,四、防止焊接结构脆性断裂的措施,2、采用合理的焊接结构设计 减少应力集中,减小应力集中,尽量采用圆滑过渡,把角接头改成对接接头,焊缝错开布置,尽量减小结构刚度,对于大型焊接结构，在满足使用条下件，应尽量减小结构的刚度，以降低应力集中和附加应力对脆性断裂倾向的影响。通常用开“缓和孔”或开“缓和槽”等方法来减小接头的刚度，有时还故意留一段焊缝不焊。,三条焊缝空间交叉，刚度大，应力集中严重。,把一块板切掉一角，降低结