焊接结构的脆性断裂培训课件.

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σmax垂直）与切断（与τmax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σmax作用在与外力垂直的平面上，最大切应力τmax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σmax未达到材料的正断抗力前，如果切应力τmax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τmax达到屈服点之前，正应力σmax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σy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σx和σz，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aK降至某一特定数值时的温度即为临界温度TK。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TK。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TK。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TK。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TK。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一63×13mm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19ESSO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：①、有残余应力和尖锐缺口，裂纹开裂后不扩展；②、应力较高，裂纹开裂后即扩展；③、应力超过屈服强度σs时发生断裂的区域；④、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⑤、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；⑥、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；⑦、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