焊接结构的脆性断裂分析

焊接结构的脆性破坏2010-08-21 23:22:33 作者：jql来源：浏览次数：597 网友评论0 条焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。

这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。

引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。

这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。

引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。

防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。

一、焊接结构脆断的基本现象和特点通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点：1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。

2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。

故又称为低应力脆性破坏。

3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。

4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。

断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。

微观上多为晶界断裂和解理断裂。

5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达1200~ 1800m/s。

当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。

6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。

二、焊接结构脆断的原因对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。

就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。

焊接结构脆性断裂的防止方法摘要：本文主要分析影响焊接结构脆性断裂的主要因素，并就预防焊接结构脆性断裂从正确选用材料、采用合理的焊接结构设计、减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响等三个方面提出了针对性的措施。

关键词：焊接结构，脆性断裂，防止方法一、前言焊接结构脆性断裂事故虽然数量较少，但其后果是严重的，甚至是灾难性的。

脆性断裂一般都是在应力不高于焊接结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生的，并迅速扩展到整个焊接结构，事先不易发现和预防，因而往往造成重大安全事故。

二、影响焊接结构脆性断裂的主要因素同一种材料，在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。

金属脆断主要受到材料状态内部因素以及应力状态、温度和加载速度等外界条件的影响。

1.材料状态的影响焊接结构的材料选择，首先要了解材料本身状态对断裂形式的重要影响。

（1）材料厚度对脆性破坏有影响。

厚板在缺口处容易形成三向应力使材料变脆，因而沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制。

而当板较薄时，材料在厚度方向能比较自由的收缩，减小厚度方向的应力，使之接近于平面应力状态。

（2）脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方晶格的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方晶格金属中发生。

因而面心立方晶格金属（如奥氏体不锈钢）可以在很低的温度下工作而不发生脆性断裂。

（3）对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的塑性—脆性转变温度也有很大影响，晶粒度越细，其转变温度越低。

（4）钢中的C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性，另一些元素Mn、Ni、Cr、V则有助于减小钢的脆性。

2.应力状态的影响物体受外载荷作用时，在主平面上作用有最大正应力δmax 与主平面成45°的平面上作用有最大切应力τmax。

如果在τmax达到屈服强度前δmax先达到抗拉强度，则发生脆断；反之，如τmax先达到屈服强度，则发生塑性变形或形成延伸断裂。

实际结构中，若处于单向或双向拉伸应力作用，一般呈塑性状态。

焊接结构发生脆断的原因及预防随着焊接结构在工业生产中应用范围和数量的增大，焊接结构因脆性断裂而失效的事故也越来越多。

脆性断裂是焊接结构最可怕的失效形式，它都是在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，因此其后果往往是灾难性的，造成的经济损失也往往是巨大的。

一、焊接结构产生脆性断裂的原因分析焊接结构产生脆性断裂的原因基本上可归纳为三个方面：（一）材料的韧性不足材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。

（二）存在裂纹等缺陷断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。

（三）设计和制造工艺不合理不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。

二、影响脆性断裂的主要因素同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。

最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。

温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。

（一）应力状态的影响当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。

在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。

虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。

因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。

（二）温度的影响随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。

当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。

脆性转变温度高，则脆性倾向严重。

（三）加载速度的影响试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。

在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。

二、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施一、焊接钢结构的脆性断裂1、影响焊接钢结构脆断的因素：(1)、化学成分1．碳(C)碳是形成钢材强度的主要成分。

钢的强度来自渗碳体与珠光体。

碳含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性，冷弯性能，可焊性及抗锈蚀能力下降。

因此不能用含碳量高的钢材，以便保持其他的优良性能。

2．锰(Mn)锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。

锰还能消除硫对钢的热脆影响。

锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。

3．硅(Si)硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。

4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。

我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性，韧性。

5．铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0．015％，以保证必要的低温韧性。

6．硫(S)当热加工及焊接使温度达800~1000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。

硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。

7．磷(P)磷在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。

在高温寸磷也能使钢减少塑性。

但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。

8．氧(O)、氮(N)氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。

(2)、内部组织(3)、板材厚度及多向应力当板厚较大时将会引起比较明显的三向应力，此时就不能忽略Z方向的应力σz。

由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。

当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。

没有塑性变形的断裂是脆性断裂。

所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。

因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。

(4)、环境温度钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。

相比之下，低温性能更重要。

焊接结构的脆性断裂及预防措施作者：王从明来源：《职业》2011年第13期一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂，是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷，从而引起应力集中，形成断裂源。

另外，还由于焊接接头处的力学性质的不均匀，使附近热影响区材料性质变脆，以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。

所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。

特别是一些直接承受动载荷的焊接结构，或是处于低温工作环境时，焊接结构更易发生脆性断裂。

二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏。

其特点是裂纹扩展迅速，能量的消耗远小于韧性断裂，以低应力破坏为重要特征。

它是靠结构内部蓄积的弹性能的释放而自动传播导致破坏的，因而很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的预兆，而是突然发生的，所以说这种断裂往往会造成巨大的损失。

一般来说，金属脆性断裂时，无论是具有解理形断口，还是呈光泽的结晶状外观断口，都与板面大体垂直，而且板厚方向上的变形很小，在表面上附有一层剪切壁，呈无光泽灰色纤维状的剪断形，材料越脆，断裂的剪切壁越薄，断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向，形成山形花样，追踪这个花样可以找到启裂点。

三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的，其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。

首先产生一小的裂纹，而后该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部贯穿于结构中，造成脆性失效。

因此．防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。

同时，如果这些部位产生了脆性小裂纹时，其周围母材有将其迅速止住的能力。

在上述设计方法中，一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上，以此作为设计的依据。

对于中低强度钢来说，由于残余应力的作用，焊缝接头处一旦产生脆性裂纹，通常向母材方向扩展，因此需要母材有一定的止裂性能。

这时，对于防止结构的脆性断裂是有意义的。

焊接结构的失效形式焊接结构的失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。

下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。

一脆性失效：1 脆性失效的特征：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。

通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。

脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。

其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。

脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。

同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。

2 脆性断裂断口的宏观分析：脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。

脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。

将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。

一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”．即解理断口是由许多“小刻面”组成的。

因此，根据这个宏观形貌很容易判别解理断口；放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。

人字花样指向裂纹源，其反向即倒人字为裂纹扩展方向。

因此，可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。

另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。

二塑性失效：1 塑性失效的特征：塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。

由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。

塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。

在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。

2垫性断裂断口的宏观分析：由于显微空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形纤维状断口。

这种断裂形式多属穿晶断裂，因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。

焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂一、焊接结构的疲劳破坏大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。

美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190 亿美元的代价，相当国民经济总产值4 % ，而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。

美国有几座桥梁的疲劳断裂纹发生在靠近焊缝端部的焊趾部位，如图2 一53 所示，在图示的裂纹部位有较高的应力集中。

在载荷作用下，腹板平面位移集中在一个比较狭窄而没有支撑的腹板高度上，也就是翼板至加强肋底部的腹板高度上（划阴影线区域），从而使该处腹板开裂。

疲劳定义为重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展，从而产生的结构部件的损伤。

疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。

‘一）疲劳断口的特征在进行疲劳断口的宏观分析时，一般把断口分成三个区，这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2 一54 所示。

疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。

由于疲劳源区一般很小，所以宏观仁难以分辨疲劳源区的断面特征。

疲劳源一般总是发生在表面，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等，也可在构件内部发生。

疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，则于其应变幅值较大，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。

疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。

其宏观形貌特征常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进，呈弧形线条，而且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。

其微观特征是疲劳裂纹，又称疲劳辉纹，每一贝壳花纹内有干万条。

它通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。

疲劳条纹的间距在 0.1- 0.4 Уm 之间一般来说，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢）的疲劳条纹比较清晰、明显。

体心立方金属及密排六方结构金属的疲劳条纹远不如前者明显，如钢的疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。