焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

脆性斷裂發(fā)生的條件：結(jié)構(gòu)在低溫下工作結(jié)構(gòu)中存在焊接缺陷焊接殘余應(yīng)力對脆斷產(chǎn)生了嚴(yán)重影響材料性能劣質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引言第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

引言第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

一、斷裂分類及特征

1.按塑性變形大小:延性斷裂和脆性斷裂2.從“合于使用”原則出發(fā)εs>ε′>ε″>ε線彈性斷裂ε′>εs>ε″>ε彈塑性斷裂ε′>ε″>εs>ε韌帶屈服斷裂ε′>ε″>ε>εs全面屈服斷裂3.從斷裂的機制來說:解理斷裂、剪切斷裂

第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

解理斷裂：低溫、高應(yīng)變速率及高應(yīng)力集中情況下，材料的塑性變形嚴(yán)重受阻，材料不能以形變方式而是以分離順應(yīng)外加應(yīng)力。第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

剪切斷裂：在剪應(yīng)力作用下，沿滑移面形成的斷裂，可分為純剪切斷裂和微孔聚集斷裂。

第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

二、影響脆斷的因素

1.溫度

2.應(yīng)力狀態(tài)

3.加載速度

4.殘余應(yīng)力

5.板厚

6.材料因素第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

1.溫度影響:是造成材料脆性斷裂的重要因素。溫度降低屈服極限升高晶?；评щy形成裂紋的表面能降低第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

2.應(yīng)力狀態(tài)影響單軸拉伸狀態(tài)三軸拉伸σ1=σ2=σ3

第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

3.加載速度影響（應(yīng)變速率）加載速度增加：材料屈服極限增加，抗拉強度提高材料來不及塑性變形和滑移，位錯擺脫束縛進(jìn)行滑移所需激活時間減小，結(jié)構(gòu)存在缺口，由于缺口處存在應(yīng)力集中，應(yīng)變速度比無缺口高的多。第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

4.殘余應(yīng)力影響脆性斷裂一般在拉伸應(yīng)力場中產(chǎn)生和擴(kuò)展焊縫及近縫區(qū)通常存在高的殘余拉伸應(yīng)力該區(qū)也是材料性能發(fā)生變化的區(qū)域，容易成為脆性斷裂的起源。

第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

5.板厚影響：板厚增加，塑性變形抗力增加，由平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變

第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

6.材料因素晶粒度小，晶界面積增大，晶界上夾雜物濃度下降，使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。在材料的軋制及加工過程中，晶粒出現(xiàn)拉長或出現(xiàn)線狀及帶狀的夾雜物，造成材料產(chǎn)生各向異性，對材料的脆斷溫度產(chǎn)生影響。第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

三、脆性和延性斷裂裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展首先在缺陷尖端或應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，然后以一定形式擴(kuò)展。區(qū)域Ⅰ：溫度低，裂紋以解理機制產(chǎn)生。區(qū)域Ⅱ：溫度升高，裂紋產(chǎn)生所需能力提高，裂紋以解理和剪切混合機制產(chǎn)生。區(qū)域Ⅲ：純剪切機制。

第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展之間關(guān)系圖

第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法斷裂評定方法可分為抗開裂性能試驗轉(zhuǎn)變溫度評定方法：①沖擊試驗；②寬板拉伸試驗（靜載）；③尼伯林克試驗（動載）斷裂力學(xué)方法。止裂性能試驗①羅伯遜試驗（ESSO）；②落錘試驗；③動態(tài)撕裂試驗；④雙重拉伸試驗。第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法一、轉(zhuǎn)變溫度（缺口韌性指標(biāo)）概念溫度降低，σs上升速率大于σf上升速率，兩線交點對應(yīng)溫度Tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)T<Tk時，σf<σs，材料尚未達(dá)到屈服極限就已達(dá)到斷裂強度，即材料無塑性變形而產(chǎn)生脆斷。分為：塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTP；彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTE；無延性轉(zhuǎn)變溫度NDT；斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度Tf；止裂轉(zhuǎn)變溫度Ta。第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法二、轉(zhuǎn)變溫度評定方法

1.沖擊試驗試驗設(shè)備簡單，試樣制備和試驗程序簡單。試驗結(jié)果具有一定的局限性，不能用于高強度結(jié)構(gòu)鋼：因試樣未考慮材料厚度，同時加載速率與實際結(jié)構(gòu)受力情況出入較大。

第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法1.沖擊試驗評定方法：能量準(zhǔn)則：以沖擊斷裂功αk值降低到某一特定數(shù)值的溫度作為臨界溫度Tk。斷口形貌準(zhǔn)則：按斷口中纖維狀區(qū)域與結(jié)晶狀區(qū)域某一相對面積對應(yīng)的溫度來確定延性準(zhǔn)則：按斷口在缺口根部橫向相對收縮變形急劇降低的溫度來作為臨界轉(zhuǎn)變溫度Tk。第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法沖擊試樣

第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

2.威爾斯寬板拉伸試驗在實驗室里再現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂開裂情況，同時又能在板厚、焊接工藝、焊接殘余應(yīng)力、整體尺寸、裂紋部位、焊接熱循環(huán)方面模擬實際結(jié)構(gòu)。用于確定臨界轉(zhuǎn)變溫度。這種方法不僅用來研究脆性斷裂理論，而且也用來作為選材的方法。

第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法威爾斯寬板拉伸試驗試樣

第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法尖銳缺口和殘余應(yīng)力對斷裂強度的影響第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

3.尼伯林克試驗采用逐步增加高度多次沖擊，這樣比一次加載更接近于實際結(jié)構(gòu)破壞情況。即每一次沖擊都在缺口尖端產(chǎn)生一定的塑性變形，當(dāng)此變形超過一定數(shù)值時發(fā)生破壞。同時由于每一次沖擊都有一部分能力將進(jìn)一步使缺口尖端產(chǎn)生塑性變形，反映了缺口尖端加工硬化的作用。

第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法尼伯林克試樣第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法三、止裂性能試驗方法羅伯遜試驗（ESSO）落錘試驗動態(tài)撕裂試驗雙重拉伸試驗第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法1.羅伯遜試驗（ESSO）確定脆性裂紋在鋼板中擴(kuò)展的應(yīng)力和溫度的臨界條件第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法羅伯遜試驗典型溫度－應(yīng)力關(guān)系曲線圖第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

2.落錘試驗測定厚度大于16mm鋼板的NDT(無塑性轉(zhuǎn)變溫度)的試驗方法，可替代大型止裂試驗研究材料的止裂性能，其缺點是試樣尺寸不能反映大型焊接結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)和較大拘束效應(yīng)對熱敏感的合金材料難以使用。

第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法落錘試驗試樣

第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法斷裂分析圖

第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

2.動態(tài)撕裂試驗確定材料斷裂韌性全范圍的試驗方法，屬于大型沖擊試驗。除了確定NDT溫度之外，還能確定最高塑性斷裂溫度及相應(yīng)的沖擊功。適用于高強鋼及厚板和特厚板焊接結(jié)構(gòu)。第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法動態(tài)撕裂試驗試樣

第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法小型試驗抗開裂試驗V形缺口沖擊試驗試驗方法簡單，不能用于高強鋼尼伯林克試驗適用于動載結(jié)構(gòu)止裂試驗落錘試驗試驗簡單，對結(jié)構(gòu)尺寸、拘束效應(yīng)難以反映動態(tài)撕裂試驗確定NDT溫度、最高塑性斷裂溫度、沖擊功大型試驗抗開裂試驗焊接寬板試驗在實驗室再現(xiàn)低應(yīng)力脆斷的開裂情況止裂試驗雙重拉伸試驗?zāi)M實際結(jié)構(gòu)在靜載條件下啟裂羅伯遜試驗測量止裂溫度的典型方法第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法四、斷裂力學(xué)評定方法某些材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度不明顯轉(zhuǎn)變溫度方法的試驗結(jié)果往往受板厚、材料的強度等級、冶金因素、載荷及加載速度的影響轉(zhuǎn)變溫度方法未能建立許用應(yīng)力和缺陷尺寸之間可靠的定量關(guān)系第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法測定KⅠC試驗三點彎曲試樣第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法KⅠC試驗載荷-位移圖

第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法厚度對KⅠC影響

第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法加載速度對KⅠC影響

第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素一、焊接結(jié)構(gòu)的整體性及大剛度

引起較大的附加應(yīng)力，焊接為剛性連接，連接構(gòu)件之間不易產(chǎn)生相對位移對應(yīng)力集中因素特別敏感一旦有不穩(wěn)定脆性裂紋出現(xiàn)，很可能會穿越接頭擴(kuò)展至整個結(jié)構(gòu)

第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素船舶艙口設(shè)計

第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素船舶艙口設(shè)計

第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素二、焊接結(jié)構(gòu)制造工藝的影響應(yīng)變時效引起局部脆化焊接線能量造成材料性能變化焊接缺陷的影響角變形和錯邊焊接殘余應(yīng)力第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素應(yīng)變時效引起局部脆化人工時效：鋼材在剪切、冷作、彎曲成型之后，如果在150~450℃范圍內(nèi)加熱，材料性能會產(chǎn)生脆化，即產(chǎn)生應(yīng)變時效。動應(yīng)變時效：材料在熱循環(huán)和熱塑性變形循環(huán)的作用下，在缺陷處和產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)變集中，具有較大的熱應(yīng)變量，降低了材料的延性。第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素

CF-60鋼母材應(yīng)變時效沖擊試驗結(jié)果

第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素

CF-60鋼焊縫應(yīng)變時效沖擊試驗結(jié)果

第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素

CF-60鋼熱影響區(qū)應(yīng)變時效沖擊試驗結(jié)果

第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素焊接線能量造成材料性能變化在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫及近縫區(qū)的組織會發(fā)生一系列的變化，使接頭各部位的缺口韌性不同。過小的線能量，引起淬硬組織，易產(chǎn)生裂紋；過大的線能量，使晶粒粗大，造成韌性降低。第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素裂紋尖端焊接熱應(yīng)力循環(huán)有限元分析

第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素裂紋尖端焊接熱應(yīng)變循環(huán)有限元分析

第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素焊接缺陷的影響與缺陷形成的應(yīng)力集中及缺陷附近材料性能有關(guān)。其影響程度與缺陷的性質(zhì)、尺寸、形狀及部位有關(guān)，其中裂紋、未焊透等影響最為嚴(yán)重平面缺陷―裂紋、分層、未焊透非平面缺陷―氣孔、夾渣

第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素角變形和錯邊的影響產(chǎn)生附加彎曲力矩和新的應(yīng)力應(yīng)變集中，在拉伸載荷和附加彎曲力矩的共同作用下，易造成接頭破壞。第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝特點對脆斷因素焊接殘余應(yīng)力的影響脆性斷裂一般總是拉伸應(yīng)力場中產(chǎn)生和擴(kuò)展。在焊接接頭中，焊縫和近縫區(qū)通常存在高的殘余拉伸應(yīng)力，同時也是材料性能發(fā)生變化的區(qū)域，加上焊接缺陷的集中和熱應(yīng)變時效脆化的影響，極易成為脆性裂紋的起源。

第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-4預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施一、防止裂紋發(fā)生和阻止裂紋擴(kuò)展原則防止開裂原則：適用承受靜載或壓力變化緩慢的壓力容器及一般結(jié)構(gòu)。止裂原則：設(shè)計的結(jié)構(gòu)在可能出現(xiàn)最低溫度下工作，必須能阻止裂紋自由擴(kuò)展。用阻止脆性裂紋擴(kuò)展的相應(yīng)臨界轉(zhuǎn)變溫度來選擇合適的結(jié)構(gòu)材料。

第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-4預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施斷裂應(yīng)力與溫度的關(guān)系

第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-4預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施斷裂應(yīng)變與溫度的關(guān)系

第五十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-4預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施二、預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆斷措施采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計正確選用材料嚴(yán)格執(zhí)行制造工藝和質(zhì)量監(jiān)督第五十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-4預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施典型結(jié)構(gòu)設(shè)計比較

第六十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一第六章焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂

§6-