钢结构的脆性断裂事故优秀课件

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焊接结构的脆性断裂培训PPT课件

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2
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。
.
3
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。
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4
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。
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17
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。
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当有缺口的构件
受到拉应力σy时，由于缺口根部横向收缩
图9 □型微裂纹的
形成示意图
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14
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。

焊接结构的脆性断裂PPT课件

U a2 2
(2-1)
E
另一方面，设裂纹的单位表面积吸收的表面能为γ，则形成裂纹所需总表面能为：
W= 4γα
(2-2)
因此，裂纹体的能量改变总量为：
E 2 2 4 (2-3)
E
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8
这个能量改变总量随裂纹长度α的变化曲线见图2-2，其变化率为：
E ( 2 2 4 ) 2 2 4 (2-4)
对应不同的断裂机制：解理断裂或剪切断裂等，它们的断裂方式、性态和断裂形貌是不一样的。通常解理断裂总是呈现脆性的，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形。所以，解理断裂和脆性断裂不是同义词。前者是指断裂机制，后者则指断裂的宏观形态。
第12页/共57页
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典型的断裂机制
(一) 解理断裂
在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常沿特定晶面即解理面分离。解理断裂多见于体心立方、密排六方金属和合金中(在钢中，100面为解理面)，面心立方晶体很少发生。
上述我国在吉林液化石油气厂的球罐爆炸事故，是一台 400m3球罐在上温带与赤道带的环缝熔合区破裂并迅速扩展为13.5m的大裂口，液化石油气冲出形成巨大的气团，遇到明火引燃，其附近的球罐被加热，4h后发生爆炸，导致连锁性爆炸，整个罐区成为一片火海。
一些著名的典型脆性断裂事故的事例及成因见表2-1。
E
E
变化率随着裂纹长度而变化，见图2-2b。裂纹扩展的临界条件是：
E 0
即： 2 2 4 0
E
此时系统能量随α的变化出现极大值。
此前，裂纹扩展，其系统能量增加。即裂纹
每扩展一微量所能释放的能量＜裂纹每扩展
一微量所需要的能量，因此裂纹不能扩展；
此后，裂纹扩展其系统能量减少，即释放的

第八章钢结构的脆性断裂和疲劳课件

如图83是一些设置构造间隙的典型例子.
低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计. 在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或采用图8-4所示的构造方案。
止裂元件的设置：止裂元件亦是为了将裂缝的扩展限制于局部，以免一裂到底，祸及整体。用高韧性材料做成
二、应力幅准则常幅疲劳的容许应力幅计算公式为：
式中： ——对焊接部位称为应力幅，其值为，对非焊接部位称为折算应力幅，其值为
——容许应力幅( N/mm2 )，按构件和连接的类别及应力循环次数n由下式确定：
式中参数C和β根据构件和连接的类别按表8-1采用
说明：
1)承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数n等于或大于5×104次时，应进行
• 焊缝连接通常使得结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。
• 焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施，则可能一裂到底。
• 对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。
结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。处在
低温的结构要选择高韧性的材质来避免脆性破坏发生。
按下式计算：
式中: ——为变幅疲的应力循环次数. 对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲劳计算，计算时循环次数 n 应根据构件使用中满负荷的程度予以折减。重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架(桁架式吊车梁)的疲劳可按下式计算：
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳
第一节钢结构脆性断裂及其防止
一、脆性断裂破坏脆性破坏特征：破坏前无明显变形，平均应力也较小，没有任何预兆。破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状，突

焊接结构生产课件 5疲劳脆性断裂

扩展面
标准解理面
不连续、局部扩展、
碳化物及质点影响路径
连接
二次解理、撕裂棱
断口形态尺寸
以晶粒为大小，解理面
韧窝撕裂棱原奥氏体晶粒大小
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7.2.3 影响脆性断裂的原因 1、拉应力
切应力促进塑性变形，是位错移动动力，拉应力促进脆性裂纹扩展。 2、使用温度
当温度低于该材料临界脆性转变温度时，材料断裂的性质由延性转变为脆性断裂，这个温度称为韧脆转变温度。
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（3）相界面疲劳裂纹的萌生
金属材料中的非金属夹杂物、第二强化相和基体相交的界面是疲劳裂纹优先萌生的部位。有时脆性的夹杂和第二相质点在循环应力作用下，也可能发生断裂。
实验表明，夹杂物和第二相的形态、数量及其分布对材料的疲劳性能有明显影响。
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7.7.4 疲劳裂纹的扩展机理
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韧性疲劳条带
脆性疲劳条带
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7.7.3 疲劳裂纹的萌生和扩展机理 1、疲劳裂纹的萌生机理
疲劳断裂一般都要经过裂纹萌生和扩展过程。焊接接头、铆接接头是钢结构中最易发生疲劳裂纹的部位，在此部位存在各种缺陷和形状发生变化造成的应力集中等，成为疲劳裂纹源，萌生过程称为疲劳裂纹核。宏观疲劳裂纹是由疲劳微观裂纹的形核、长大及连接而成的。
第7章钢结构的断裂失效与防治
1.钢结构断裂失效的分类及危害 2.钢结构脆性断裂 3.钢结构疲劳断裂 4.钢结构应力腐蚀断裂
材料拉伸力学性能
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塑性断裂韧窝
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脆性断裂ppt课件

2
1

sin
2

2
cos2

2

厚板平面应变状态
u 21 KI
E
r
2
cos

2

2

2

cos
2

2

v 2 KI E
r
2
sin

2

2

2
cos2

2
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应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标Ⅰ代表Ⅰ型裂纹
能量
a
E
能量释放率 U a 2 G －
a
E
a)
（裂纹扩展的驱动力）
释放率 G
裂纹扩展的阻力
W a
2
Ge
b)
裂纹长度 a* 整体能量 E U W
弹性能释放能量 U 2a 2 E
势能释放率 G U a
表面能/单位扩展 4 W a
5
4.1.2 延性断裂（韧性断裂）塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形 →载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形 →继续变形，作用力增加（加工硬化） →加大载荷，产生微裂口或微空隙 →微空隙扩展汇合成宏观裂纹 →宏观裂纹发展到一定尺寸 →最终快速失稳断裂
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韧性断口：微孔洞（韧窝）韧性断裂的过程：微孔成核、微孔长大和
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一、动态裂纹扩展
（G - R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小
若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度
无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展
速度为
V

《钢焊接脆性断裂》PPT课件

正断
切断
断裂分类及其特征
断裂示意图
特征断裂时没有明显塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状断裂时有明显塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状断裂的宏观表面⊥σmax
断裂的宏观表面∥σmax
韧性断裂
脆性断裂
9Cr2Mo工作辊脆断
金属的脆性断裂
IIW A通utho常rised指Trai沿ning一Body定结晶面劈裂的解理断裂或晶界断裂。
a. 晶体结构、化学成分体心立方存在低温脆性（普通中、低强钢）面心立方一般不存在低温脆性（Ni、奥氏体不锈钢）
b. 冷变形、时效、焊接等
图3 变形储量的图示
a)温度的影响 IIW Authorised Training Body
2) 脆断外部三因素
当温度降低时，屈服应力与断裂应力汇交处所对应的
b) 韧性断裂(剪切断裂) 断裂前发生塑性变形，裂纹扩展较慢。
图1 韧性断裂
c)正应力断裂(脆性断裂) 正应力＞断裂强度。
断裂前没有明显的塑性变形。
图2 脆性断裂
IIW Authorised Training Body
分类方法按断裂前塑性变形大小
按断裂面取向分类
名称脆性断裂 (A ≤ 5%) 韧性断裂 (A ≥5 %)
温度或温度区间，被称为材料从延性转化为脆性转变
的温度，称临界温度(T脆)。
T1：经塑性变形后的剪切断裂 T2：经塑性变形后的断裂 T脆：σT ≤ σy
无塑性变形，脆断
断裂应力
剪切应力屈服极限
T↓，脆断↑
Tspc
图4 温度对脆断倾向的影响
2) 脆断外部三因素
IIW Authorised Training Body

《钢焊接脆性断裂》课件

使用先进的焊接设备和测试仪器，确保实验结果的准确性和可靠
性。
实验结果与分析
实验结果
通过观察和测试，发现高碳钢在焊接过程中容易出现脆性断裂现象，而低碳钢的焊接性能较好。
结果分析
高碳钢的脆性断裂可能与材料内部的微裂纹、碳化物的分布以及焊接过程中的温度变化等因素有关。低碳钢的焊接性能较好可能与材料内部的微观结构、碳含量较低以及较好的塑韧性有关。
。
焊接工艺
焊接过程中的热输入、冷却速度等工艺参数控制不当，可能导致材料脆化。
结构应力
焊接过程中产生的残余应力、外部应力等可能导致材料脆性断裂。
影响因素
01
02
03
温度
低温环境下，材料的脆性增加，容易发生脆性断裂。
应变速率
应变速率越高，材料的脆性越明显，越容易发生脆性断裂。
加载方向
材料的脆性断裂与加载方向有关，不同方向的加载可能导致不同的断裂行为。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
03
钢焊接脆性断裂的实验研究
实验材料与方法
实验材料
选择高碳钢和低碳钢作为研究对象，确保材料的质量和性能符合
实验要求。
实验方法
采用焊接方法将高碳钢和低碳钢进行连接，观察并记录焊接过程中的变化，以及焊接后材料的性
能表现。
实验设备
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMARY
《钢焊接脆性断裂》 ppt课件
目录
CONTENTS
• 钢焊接脆性断裂概述 • 钢焊接脆性断裂的机理 • 钢焊接脆性断裂的实验研究 • 钢焊接脆性断裂的数值模拟 • 钢焊接脆性断裂的预防与控制 • 总结与展望

《钢材的破坏形式》PPT课件

在土木建筑工程中仍大量地采用沸腾钢。
镇静钢
镇静钢是用硅作为主要脱氧剂，硅的脱氧能力很
强，它是锰脱氧能力的5倍。没有沸腾现象，浇铸时钢锭模内液面平静，称为镇静钢。它的晶粒较细，使组织致密，气泡少，偏析度小。镇静钢成品率低，成本较高。
镇静钢的屈服点高于沸腾钢，镇静钢与沸腾钢相比，还具有冲击韧性较高，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性较好，时效敏感性较小等优点。
第二章
§2.3 钢材的破坏形式
两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（延性破坏) 脆性破坏（脆性断裂)
脆性破坏
破坏前无明显变形，平均应力亦小(可能小于屈服点fy)，没有任何预兆，是突然发生的，危险性大，应尽量避免。
破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。断裂从应力集中处发生。
塑性破坏的特征是构件应力超过屈服点 (fy)，并达到抗拉极限强度(fu)后，构件产生明显的变形并断裂；
氧和氮
有害元素。它们容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧和氮能使钢材变得极脆。氧的作用与硫类似，使钢材发生热脆，一般要求含氧量小于0.05％。氮和磷作用类似，使钢材发生冷脆，一般应小于0.008％。
钢材生产过程的影响
钢材生产过程介绍（动画）结构用钢需经过冶炼、浇铸、轧制和矫正等工序才能成材，多道工序对钢材
应变时效是应变硬化和时效硬化的复合作用
温度升高时对钢材的影响
•在200 ℃ 以内性能 N/mm2
没有很大变化；
800
•430~540 ℃ 之间则
强度急剧下降；
600 fu
E
•到600 ℃ 时强度很 400
低不能承担荷载；
δ
•250 ℃ 附近有兰脆 200 现象 •约260~320 ℃ 时有 0 徐变现象

5脆性断裂事故

三、脆性断裂机理分析
• 结构内部存在着细小裂纹，在外界不良因素作用下，裂纹逐渐扩展，应力集中现象逐步加剧，扩展到一定程度形成贯通裂缝，达到临界状态，出现失稳扩展（裂缝迅速贯穿构件截面）而断裂。
四、脆性断裂防止措施
• 1、合理选择钢材 • 考虑结构的重要性、荷载特征、连接方法及工作环境。 • 2、合理设计 • 合理的结构形式、节点形式。设计时，应力求最大限度的
得随意变更。还应建立必要的维修措施，监视缺陷或损坏情况，以防患于未然。
五、典型事故分析
• 一、桥梁断裂事故 • 二、船舶断裂事故 • 三、油罐断裂事故 • 四、压力容器断裂 • 五、钻井平台断裂 • 六、工业厂房断裂
减少应力集中的影响程度保证结构的几何连续性和刚度的连续性，构件的断面在满足强度的前提下，尽量宽而薄，切记增加构件的厚度将增加断裂的危机，焊接结构尤其注意避免焊缝交叉集中。
四、脆性断裂防止措施
• 3、合理的制作和安装 • 制作过程中的冷热加工 • 安装过程中的不合理工艺，如焊接顺序、焊接工艺等。 • 4、合理使用及维修措施 • 在使用时应力求满足设计规定的用途、荷载及环境，不
第五章
钢结构的脆性断裂事故
一、脆性断裂的特点
• 钢材或钢结构的脆性断裂是指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。
• 1、破坏时的应力常小于钢材的屈服强度点fy，有时仅为fy 的0.2倍。
• 2、破坏之前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事先先兆。
• 3、断口平齐光亮。
二、脆性断裂的原因
• 1、材质原因、冶金缺陷 • SPONH • 2、应力集中 • 截面突变 • 焊缝缺陷 • 残余应力 • 焊接结构脆性破坏事故远远多于其他连接，

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钢结构或构件的应力集中主要与其构造细节有关： (1)在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变
等缺陷在所难免。 (2)焊接作为钢结构的主要连接方法，虽然有众多的优点，但不利的是，焊缝
缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源。据资料统计，焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构。主要有以下原因：①焊缝或多或少存在一些缺陷，如裂纹、夹渣气孔、咬肉等这些缺陷将成为断裂源；②焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力，前者与其他因素组合作用可能导致开裂；③焊接结构的连接往往刚性较大，当出现多焊缝汇交时，材料塑性变形很难发展，脆性增大；④焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开展，就可能一裂到底，不像铆接或螺栓连接，裂缝一遇螺孔，裂缝就会终止。
当温度在0℃以下，随温度降低，钢材强度略有提高，而塑性和韧性降低，脆性增大。尤其是当温度下降到某一温度区间时．钢材的冲击韧性值急剧下降，出现低温脆断。通常把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆” 现象，产生的裂纹称为“冷裂纹”。因此，在低温下工作的钢结构，特别是受动力荷载作用的钢结构，钢材应具有负温冲击韧性的合格保证，以提高抗低温脆断的能力。
3. 使用环境
当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时，钢结构脆性破坏的可能性增大。
众所周知，温度对钢材的性能有显著影响。在0℃以上，当温度升高时，钢材的强度及弹性模量均有变化，一般是强度降低，塑性增大。温度在200℃ 以内时，钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右时钢材的抗拉强度反弹，而塑性和冲击韧性下降，出现所谓的“蓝脆现象”，此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600℃，我们认为钢结构几乎完全丧失承载力。
4. 钢板厚度随着钢结构向大型化发展，尤其是高层
钢结构的兴起，构件钢板的厚度大有增加的趋势。钢板厚度对脆性断裂有较大影响，通常钢板越厚，脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”问题应引起高度重视。ห้องสมุดไป่ตู้
综上所述，材质缺陷、应力集中、使用环境以及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。其中应力集中的影响尤为重要。在此值得一提的是，应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力，在设计时通常不考虑其影响。但在动载作用下，严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。
钢结构的脆性断裂事故优秀课件
5.1 脆性断裂概念
钢材是一种弹塑性材料，在一定条件下会发生脆性断裂，特征如下： • 破坏时的应力常小于钢材的屈服强度； • 破坏之前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆； • 断口平齐光亮。
5.2 脆性断裂的原因分析
• 材质缺陷有害元素:碳,硫,磷,氧,氮,氢等有害元素;
3. 合理制作和安装就钢结构制作而言，冷热加工易使
钢材硬化变脆，焊接尤其易产生裂纹、类裂纹缺陷以及焊接残余应力。就安装而言，不合理的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷。因此制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷及残余应力为目标是十分重要的。
4. 合理使用及维修措施钢结构在使用时应力求满足设计规定的
5.3 脆性断裂的机理分析
断裂力学认为，解答脆性断裂问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发进行分析。断裂是在侵蚀性环境作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。
结论，微小裂纹是断裂的发源地；裂纹尺寸、裂纹应力场作用状况和水平以及钢材的断裂韧性是脆断的主要
5.3 脆性断裂的防止措施
钢结构设计是以钢材屈服强度作为静力强度的设计依据，它避免不了结构的脆性断裂。随着现代钢结构的发展以及高强钢材的大量应用，防止其脆性断裂已显得十分重要。主要从以下几方面入手： • 合理选择钢材 • 合理设计 • 合理制作和安装 • 合理使用及维修措施
2. 合理设计
合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。比如，把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆性断裂的危险；接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强20％～50％；构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。切记：增加构件厚度将增加脆断的危机，尤其是设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。
2．应力集中钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等缺陷不
可避免，在荷载作用下，这些部位将产生局部高峰应力．而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。我们通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数，以表明应力集中的严重程度。
当钢材在某一局部出现应力集中，则出现了同号的二维或三维应力场，使材料不易进入塑性状态，从而导致脆性破坏。应力集中越严重，钢材的
• 应力集中局部高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数，
反映应力集中程度； • 使用环境
当温度较低,或在250℃左右时, 易发生脆断; • 钢板厚度
钢板越厚,脆性破坏倾向越大。
1. 材质缺陷当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素
的含量过高时，将会严重降低其塑性和韧性，脆性则相应增大。通常，碳导致可焊性差；硫、氧导致“热脆”；磷、氮导致“冷脆”；氢导致 “氢脆”。另外，钢材的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。
1. 合理选择钢材
钢材的选用原则是既保证结构安全可靠，同时又要经济合理。应考虑到结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环境，尤其在低温下承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高的材料和焊条。另外，改进冶炼方法，提高钢材断裂韧性，也是减少脆断的有效途径。
我国《碳素结构钢》已参照国际标准将Q235钢分为 A、B、C、D四级，其中，A级：不要求冲击试验；B级：要求+20℃冲击试验；C级：要求0℃冲击试验；D级：要求20℃冲击试验。对于焊接结构至少应选用Q235B。