电子备课笔记第六章焊接结构脆性断裂自从焊接应用于船舶、球罐、压力容器、桥梁、机械设备等工程结构以来，发生了一系列的脆性断裂事故。1943年1月16日在奥勒冈州波特兰码头某油船发生断裂，当时海面平静，其计算的甲板压力只有7.0Kg，见图6-1。二次世界大战期间美国建造的5000艘商船中约有1000艘船在1946年4月前经历了1300次左右的大小不同的结构破坏事故，其中250般完全断裂，见图6-2。1974年12月日本某圆筒形石油槽发生开裂，该结构用12mm、60Kg级钢材焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹源并扩展13m，大量石油外流。1962年7月，奥大利亚的“金斯桥”（跨度30.5m)在45.8t卡车通过时发生脆性断裂，原因是材料含碳量高，可焊性差，断面急剧变化处产生应力集中。这些断裂事故都具有共同的性质：(1）没有明显的塑性变形，破坏具有突发性；(2）焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构：(3）发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏。脆性断裂一般在以下条件下发生：(1）结构在低温下工作；(2）结构中存在焊接缺陷；图6-1船舶断裂实例1图6-2船舶断裂实例21
电子备课笔记 1 第六章 焊接结构脆性断裂 自从焊接应用于船舶、球罐、压力容器、桥梁、机械设备等工程结构以来，发生了一系 列的脆性断裂事故。1943 年 1 月 16 日在奥勒冈州波特兰码头某油船发生断裂，当时海面平 静，其计算的甲板压力只有 7.0Kg，见图 6-1。二次世界大战期间美国建造的 5000 艘商船中 约有 1000 艘船在 1946 年 4 月前经历了 1300 次左右的大小不同的结构破坏事故，其中 250 艘 完全断裂，见图 6-2。1974 年 12 月日本某圆筒形石油槽发生开裂，该结构用 12mm、60Kg 级钢材焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹源并扩展 13m，大量石油外流。1962 年 7 月， 奥大利亚的“金斯桥”(跨度 30.5m)在 45.8t 卡车通过时发生脆性断裂，原因是材料含碳量高， 可焊性差，断面急剧变化处产生应力集中。 这些断裂事故都具有共同的性质： (1) 没有明显的塑性变形，破坏具有突发性； (2) 焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构； (3) 发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏。 脆性断裂一般在以下条件下发生： (1) 结构在低温下工作； (2) 结构中存在焊接缺陷； 图 6-1 船舶断裂实例 1 图 6-2 船舶断裂实例 2
电子备课笔记（3）焊接残余应力对脆断产生了严重影响：(4）材料性能劣质：(5结构设计不合理。材料断裂及影响因素S6-1一、断裂分类及特征按塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂（解理断裂、晶界断裂）。它们反映材料或结构断裂前的行为，即延性断裂表明在断裂之前金属或结构要发生显著的塑性变形；相反，脆性断裂表明金属材料或结构在断裂前发生很少的塑性变形。当然这只是定性概念，在定量上，发生多大程度的塑性变形属于延性断裂，小于何种程度的塑性变形量属于脆断，仍需具体情况而定。它往往与采用的评定标准有关，及测量变形的工具类型和精度有关，也和所评定的金属或结构的特性有关。如，铁轨用钢，当试样断裂时伴有百分之几的塑性变形时就属于延性断裂，但对于低碳钢来说，其无疑属于脆性断裂。从“合于使用”原则出发，按图6-3对金属结构断裂性质进行分类。在拉伸中心开有缺口的试样时，试样上有三种应变。即无缺口部位的应变：缺口尖端处的应变?，：缺口所在平面内边缘处的应变”，一般情况下它们之间具有下述关系：构件断裂时，此三值与屈服点εs相比，有下述4种情况：线弹性断裂情况E">s>">e弹塑性断裂情况>">s>韧带屈服断裂情况E>E">E>ES全面屈服断裂情况从断裂的机制来说，解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。解理是某些特定结晶学平面发生的断裂。剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚2
电子备课笔记 2 (3) 焊接残余应力对脆断产生了严重影响； (4) 材料性能劣质； (5) 结构设计不合理。 §6-1 材料断裂及影响因素 一、断裂分类及特征 按塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂(解理断裂、晶界断裂)。它们反映材料 或结构断裂前的行为，即延性断裂表明在断裂之前金属或结构要发生显著的塑性变形；相反， 脆性断裂表明金属材料或结构在断裂前发生很少的塑性变形。当然这只是定性概念，在定量 上，发生多大程度的塑性变形属于延性断裂，小于何种程度的塑性变形量属于脆断，仍需具 体情况而定。它往往与采用的评定标准有关，及测量变形的工具类型和精度有关，也和所评 定的金属或结构的特性有关。如，铁轨用钢，当试样断裂时伴有百分之几的塑性变形时就属 于延性断裂，但对于低碳钢来说，其无疑属于脆性断裂。 从“合于使用”原则出发，按图 6-3 对金属结构断裂性质进行分类。在拉伸中心开有缺 口的试样时，试样上有三种应变。即无缺口部位的应变ε ；缺口尖端处的应变ε ′；缺口所 在平面内边缘处的应变ε ″，一般情况下它们之间具有下述关系： ε ′>ε ″>ε 构件断裂时，此三值与屈服点ε s 相比，有下述 4 种情况： ε s>ε ′>ε ″>ε 线弹性断裂情况 ε ′>ε s>ε ″>ε 弹塑性断裂情况 ε ′>ε ″>ε s>ε 韧带屈服断裂情况 ε ′>ε ″>ε >ε s 全面屈服断裂情况 从断裂的机制来说，解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变 形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。解理是某些特定结晶学平面发 生的断裂。剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚
电子备课笔记f tell线弹性弹塑性b)全面韧带届服屈服6a6,<e<<EE<E,<E"<Ed)c)图6-3金属结构的断裂性质集断裂。纯剪切断裂指金属在外力作用下，沿最大切应力的滑移面滑移，最后因滑移面滑动分离而断裂。微孔聚集断裂指在外力作用下，因晶粒强烈滑移，位错堆积，造成在某些局部产生许多显微空洞（或因夹杂物破碎形成微空洞），这些空洞在切应力作用下不断长大、聚集。塑性断裂断口特征：宏观形态呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，有塑性变形和滑移线：微观形态呈韧窝，韧窝是塑性变形形成微孔洞聚集长大留下的凹坑，坑底含有第二相粒子或夹杂物。如图6-4所示
电子备课笔记 3 集断裂。纯剪切断裂指金属在外力作用下，沿最大切应力的滑移面滑移，最后因滑移面滑动 分离而断裂。微孔聚集断裂指在外力作用下，因晶粒强烈滑移，位错堆积，造成在某些局部 产生许多显微空洞（或因夹杂物破碎形成微空洞），这些空洞在切应力作用下不断长大、聚集。 塑性断裂断口特征：宏观形态呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，有塑性变形和滑移 线；微观形态呈韧窝，韧窝是塑性变形形成微孔洞聚集长大留下的凹坑，坑底含有第二相粒 子或夹杂物。如图 6-4 所示。 图 6-3 金属结构的断裂性质
电子备课笔记ACO图4-4塑性断裂断口图4-5解理断裂河流花样解理脆性断裂断口特征：宏观形态表现为断口平整，塑性变形几乎为零，有金属光泽，皇现放射状撕裂棱形（人字纹花样）；微观特征出现河流花样、舌状花样、扇形花样，如图6-5所示。塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离来顺应外加应力。解理断裂包含两个过程，即裂纹形核和扩展，在外力作用下最有利面上位错发生滑移，滑移位错在晶界的第二相颗粒处受到阻碍而产生积塞，并在位错积塞端部引起应力集中，当应力超过材料的断裂强度时就会产生开裂而形成胚核。胚核形成后进一步聚集长大，当达到某一临界尺寸时将产生解理断裂。解理脆性断裂通常发生在低温、大变形速率、严重应力集中、大晶粒度情况下。晶界脆性断裂断口特征：皇颗粒状，色泽较灰暗，无明显塑性变形，微观形貌为多面体如岩石状或冰糖状。晶界各种析出相、夹杂物、及元素偏析是其产生的原因。二、影响脆断的因素1.温度温度是造成材料产生脆性断裂的重要因素。温度降低，屈服极限升高，逐渐达到材料的强度极限：晶粒滑移困难，形成裂纹的表面能降低。造成塑性断裂向脆性断裂转变。当材料或结构带有缺口时其转变温度明显升高。最终造成在某一温度区间的冲击能急剧下降，该温度称为脆性转变温度。4
电子备课笔记 4 解理脆性断裂断口特征：宏观形态表现为断口平整，塑性变形几乎为零，有金属光泽， 呈现放射状撕裂棱形(人字纹花样)；微观特征出现河流花样、舌状花样、扇形花样，如图 6-5 所示。塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离来顺应外加应力。解理断裂包含 两个过程，即裂纹形核和扩展，在外力作用下最有利面上位错发生滑移，滑移位错在晶界的 第二相颗粒处受到阻碍而产生积塞，并在位错积塞端部引起应力集中，当应力超过材料的断 裂强度时就会产生开裂而形成胚核。胚核形成后进一步聚集长大，当达到某一临界尺寸时将 产生解理断裂。解理脆性断裂通常发生在低温、大变形速率、严重应力集中、大晶粒度情况 下。 晶界脆性断裂断口特征：呈颗粒状，色泽较灰暗，无明显塑性变形，微观形貌为多面体， 如岩石状或冰糖状。晶界各种析出相、夹杂物、及元素偏析是其产生的原因。 二、影响脆断的因素 1． 温度 温度是造成材料产生脆性断裂的重要因素。温度降低，屈服极限升高，逐渐达到材料的 强度极限；晶粒滑移困难，形成裂纹的表面能降低。造成塑性断裂向脆性断裂转变。当材料 或结构带有缺口时其转变温度明显升高。最终造成在某一温度区间的冲击能急剧下降，该温 度称为脆性转变温度。 图 4-4 塑性断裂断口 图 4-5 解理断裂河流花样
电子备课笔记2.应力状态如图6-6所示，横坐标为Cmax，纵坐标为Tmax，SoT为正断抗力，tr为剪切屈服极限，tk为剪断抗力。当剪应力达到屈服极限tT，产生塑性变形，达到剪断抗力t时，产生剪断。当正应力达到正断抗力SOT时，产生正断。在单轴拉伸状态，设主平面最大拉伸应力为max与主平面成45°角平面上有最大剪应力Tmax，且Tmax=1/2omax。此时Tmax/omax=1/2，即当SoT足够小时，产生塑性断裂。在三向拉伸时，设0i>02>03，如果0max=01、SorTmax=(01-03)/2，那么Tmax/0max=1/2(1-0/o）<1/2，即其脆Omax,omax断的倾向要比单轴拉伸状态大，比值越小脆断的倾向越大。图6-6力学状态图当01=02=03时，Tmax/omax=0，与横坐标重叠，这种受力状态必定是脆断。3.加载速度（应变速率）加载速度增加，材料屈服极限增加，抗拉强度提高，其影响相当于降低温度，造成脆断倾向增加。高的加载速度，材料来不及进行塑性变形和滑移，位错摆脱束缚进行滑移所需的激活时间减小，导致脆性转变温度升高。当材料或结构存在缺口时，由于缺口处存在应力集中，应变速度比无缺口高的多。4.残余应力脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展，因此需要足够的裂纹扩展动力去克服裂纹折展阻力，才能形成裂纹产生和扩展的能量条件。焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力，同时该区也是材料性能发生变化的区域，非常容易成为脆性断裂的起源。5.板厚板厚增加，塑性变形抗力增加，由平面应力状态向平面应变状态转变：轧制次数少，材料组织结构比较疏松。5
电子备课笔记 5 2． 应力状态 如图 6-6 所示，横坐标为 σmax，纵坐标为 τmax，sOT 为正断抗力，tT 为剪切屈服极限，tK 为剪断抗力。当剪应力达到屈服极限 tT，产生塑性变形，达到剪断抗力 tK时，产生剪断。当 正应力达到正断抗力 sOT时，产生正断。 在单轴拉伸状态，设主平面最大拉伸应力为 σmax， 与主平面成 45o 角平面上有最大剪应力 τmax，且 τmax=1/2σmax。此时 τmax/σmax=1/2，即当 sOT足够小时， 产生塑性断裂。 在三向拉伸时，设 σ1>σ2>σ3，如果 σmax=σ1、 τmax=(σ1-σ3)/2，那么 τmax/σmax=1/2(1-σ3/σ1)<1/2，即其脆 断的倾向要比单轴拉伸状态大，比值越小脆断的倾向 越大。 当 σ1=σ2=σ3 时，τmax/σmax=0，与横坐标重叠，这 种受力状态必定是脆断。 3． 加载速度（应变速率） 加载速度增加，材料屈服极限增加，抗拉强度提高，其影响相当于降低温度，造成脆断 倾向增加。高的加载速度，材料来不及进行塑性变形和滑移，位错摆脱束缚进行滑移所需的 激活时间减小，导致脆性转变温度升高。当材料或结构存在缺口时，由于缺口处存在应力集 中，应变速度比无缺口高的多。 4． 残余应力 脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展，因此需要足够的裂纹扩展动力去克服裂纹扩 展阻力，才能形成裂纹产生和扩展的能量条件。焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力， 同时该区也是材料性能发生变化的区域，非常容易成为脆性断裂的起源。 5． 板厚 板厚增加，塑性变形抗力增加，由平面应力状态向平面应变状态转变；轧制次数少，材 料组织结构比较疏松。 图 6-6 力学状态图