第四章 脆性断裂解析
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第一小节焊接结构脆断的特征自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。
其所涉及的焊接结构形式有:焊接船体、球形贮罐、低温压力容器、桥梁、发电设备、海洋工程和石油开发设备及飞机零部件等等。
这些破坏事故多是无征兆而突然发生的,同时会造成灾难性的损失,因此,曾一度使人对焊接结构制造在重要结构中应用的可靠性产生怀疑,影响了焊接结构的推广和发展。
近年来,各国学者通过广泛的调查和研究,总结出了焊接结构脆性断裂的特征为:1)脆性断裂都是在没有显著塑性变形的情况下发生的,并具有突然破坏的性质。
2)由于焊接结构具有整体性强和刚度大的特点,破坏一旦发生,瞬时就能扩展到结构的整体,使得脆性断裂事故难以事先发现加以预防。
3)焊接结构发生脆断时,其断裂的名义应力较低,通常低于材料的下屈服强度值,且往往还低于结构的设计许应力,是一种低应力下的破坏。
因此,脆性断裂又称为低应力脆性破坏。
4)断裂时,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)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。
6)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。
除了这些公认的典型特征外,研究人员还通过模拟断裂试验,研究了温度对断口附近材料塑韧性的影响,试验结果表明,焊接结构断裂时断口附件金属的塑韧性很差,而对离断口较远材料进行力学性能复验发现,其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。
第二小节防止焊接结构脆性断裂的设计准则焊接结构脆性断裂往往是在瞬间内完成的,但是大量研究表明,它仍然由两个阶段所组成的。
即在焊接结构某个部位,例如焊接缺陷处,如焊接冷裂纹、咬边、夹杂物及未焊透等缺陷处首先产生脆性裂纹,然后该裂纹以极快的速度扩展,部分或全部的贯穿结构件,造成脆性断裂破坏。
前一阶段为断裂的萌生阶段或引发阶段,后一阶段为裂纹的扩展阶段。
焊接结构的脆性断裂分析目录摘要一、焊接结构的失效二、脆性断裂的特征三、金属材料脆性断裂的能量理论四、材料断裂的评定方法五、焊接结构脆性断裂事故六、脆性断裂产生的原因和影响因素七、防止焊接结构脆性断裂的工程技术措施八、结论摘要:脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效,通常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,因此分析焊接结构脆性断裂的主要因素并从防脆断设计、制造质量的全面控制、设备使用管理等方面提出防止焊接结构发生脆断的工程技术措施显得尤为重要。
一、焊接结构的失效通常意义上讲,焊接失效就是焊接接头由于各种因素在一定条件下断裂,接头一旦失效,就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展造成焊接结构损坏,致使设备停机影响正常生产,焊接结构的失效不仅将停止生产,还往往造成许多严重的灾难性事故。
工程中焊接结构有三种断裂形式,脆性断裂(又叫低应力断裂)、疲劳断裂和应力腐蚀断裂,其中,脆性断裂一般都在应力不高于结构的设计应力和没有明显的塑性变形的情况下发生,并瞬时扩展到结构整体,具有突然破坏的性质,不易事先发现和预防,破坏性非常严重。
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量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带来巨大的损失,一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是皇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,断口上花样的尖端是指向启裂点的方向,形成山形花样,追综这个花样可以找到启裂点。
三、金属材料脆性断裂的能量理论1920年Griffith 取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型,先使平板受到单向均匀拉伸应力σ(图1),然后将其两端固定,以杜绝外部能源,垂直于拉应力的方向开长度为a 2的穿透裂纹,平板中的弹性应变能将有一部分释放,其释放量为U ,新表面吸收的能量为W ,系统总能量变化为E ,则W U E +-=裂纹释放的弹性应变能U 为E a U 22σπ=设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ,则形成裂纹所需要的总表面能W 为a W γ4=因此,裂纹体的能量改变总量E 为a E a E γσπ422+-=能量E 随裂纹长度a 的变化如图2γσπγσπ424222+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂=∂∂E a a E a a a E 裂纹扩展的临界条件0=∂∂aE ,即 0422=+-γσπE a 因此a E c πγσ2=,c σ-对应于裂纹半长为a 时导致断裂的应力,22πσγE a =-在应力σ作用下,如果裂纹半长c a a <时,裂纹不扩展,结构可以安全工作。