第3章焊接结构断裂性能.ppt

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1、焊接结构焊接结构第三章第三章 焊接结构断裂性能焊接结构断裂性能本章学习要点本章学习要点知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容金属材料脆金属材料脆性断裂性断裂了解脆性断裂的特征，掌握金属材了解脆性断裂的特征，掌握金属材料断裂的机制、形态，熟悉金属材料断裂的机制、形态，熟悉金属材料脆性断裂的影响因素。料脆性断裂的影响因素。低温、快速、无塑性变形；脆性断裂低温、快速、无塑性变形；脆性断裂、延性断裂和韧性、延性断裂和韧性-脆性断裂；应力脆性断裂；应力状态、温度、加载速度、材质状态和状态、温度、加载速度、材质状态和厚度。厚度。焊接结构脆焊接结构脆性断裂性断裂掌握焊接结构和制造工艺特点，熟掌握焊

2、接结构和制造工艺特点，熟悉其对脆性断裂的影响。悉其对脆性断裂的影响。刚性大、整体性强；应变时效、金相刚性大、整体性强；应变时效、金相组织、焊接缺陷、残余应力。组织、焊接缺陷、残余应力。抗开裂性能抗开裂性能和止裂性能和止裂性能了解焊接结构的设计准则，熟悉抗了解焊接结构的设计准则，熟悉抗开裂性能和止裂性能，及其试验方开裂性能和止裂性能，及其试验方法。法。引发临界温度、止裂临界温度；引发临界温度、止裂临界温度；Wells宽板拉伸试验、断裂韧性试验宽板拉伸试验、断裂韧性试验、Niblink试验；落锤试验、动态撕裂试验；落锤试验、动态撕裂试验、落锤撕裂试验。试验、落锤撕裂试验。焊接结构脆焊接结构脆断的预

3、防措断的预防措施施熟悉正确选用焊接结构材料的方法熟悉正确选用焊接结构材料的方法，掌握焊接结构合理设计的原则。，掌握焊接结构合理设计的原则。尽量减少应力集中、尽量降低结构刚尽量减少应力集中、尽量降低结构刚度、不采用过厚板材、重视次要焊缝度、不采用过厚板材、重视次要焊缝的设计的设计焊接结构安焊接结构安全评定全评定了解焊接结构安全评定的作用，熟了解焊接结构安全评定的作用，熟悉焊接结构安全评定方法，掌握评悉焊接结构安全评定方法，掌握评定过程和具体程序。定过程和具体程序。“合于使用合于使用”原则及其作用；面型缺原则及其作用；面型缺陷评定方法，体型缺陷评定方法。陷评定方法，体型缺陷评定方法。晶间断裂晶间断

4、裂晶内断裂晶内断裂图 各种断裂微观形貌解理型断口解理型断口穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂序言：序言：焊接结构应用的数十年间，为人类文明做出了焊接结构应用的数十年间，为人类文明做出了巨巨大的贡献大的贡献，这是不可磨灭的。，这是不可磨灭的。但是，由于人类对于焊接结构的特性认识不足，制造但是，由于人类对于焊接结构的特性认识不足，制造工艺不当，维护不及时，历史上也出现过一些工艺不当，维护不及时，历史上也出现过一些灾难性的事灾难性的事故。故。因此，焊接工作者尤其应该深刻汲取历史留给人们的因此，焊接工作者尤其应该深刻汲取历史留给人们的惨痛教训惨痛教训，发挥自身的聪明才智，更为，发挥自身的聪明才智，更为科学合理科

5、学合理地利用资地利用资源，保护环境，创造更加源，保护环境，创造更加辉煌的未来！辉煌的未来！易发生脆断的几种典型结构易发生脆断的几种典型结构桥 梁工况：冬季寒风、超载重载车辆、伴随较强振动（冲击性）；舰 船工况：冰雪季节、动荡加载或 与冰块频繁撞击；压力容器工况：承受高压载荷、内部装 载低温介质或裸露在低温环境。工况特点：工况特点：低温、高应力（集中）、动载荷低温、高应力（集中）、动载荷！制造这类产品时，应制造这类产品时，应高度重视高度重视！断裂：断裂：金属材料受力后局部变形量超过一定限度时，原子金属材料受力后局部变形量超过一定限度时，原子间的结合力受到破坏，从而间的结合力受到破坏，从而萌生微裂

6、纹萌生微裂纹，继而发生，继而发生扩展扩展使使金属金属断开断开，是材料失效的主要形式之一。，是材料失效的主要形式之一。断裂断裂脆性断裂脆性断裂延性断裂延性断裂(塑性断裂、韧性断裂塑性断裂、韧性断裂)3.1.1 研究脆断的意义研究脆断的意义TITANICTITANIC断裂事故断裂事故1912年当年最为豪华、号称永不沉没的年当年最为豪华、号称永不沉没的Titanic首航沉没于冰海，成了首航沉没于冰海，成了20世纪令人世纪令人难忘的悲惨海难。难忘的悲惨海难。1985年以后，探险家们数次潜到年以后，探险家们数次潜到12612英尺的海底研究沉船，起出遗物。英尺的海底研究沉船，起出遗物。1995年年2月美国

7、月美国Popular Science杂志发表了杂志发表了R Cannon的文章，标题是的文章，标题是“what really sank the titanic”，付标题是，付标题是”为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一小时就沉没了？一项新的科学研究回答了项新的科学研究回答了80年未解之谜年未解之谜“。由于早年的由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。近代

8、船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果 1968年年4月，高强度钢制造球形容器，在最后耐压试验月，高强度钢制造球形容器，在最后耐压试验升压阶段发生破裂事故。升压阶段发生破裂事故。德山球形容器脆断事故德山球形容器脆断事故 日本德山球形容器日本德山球形容器(2226m3)的脆断事故就是由于采用了的脆断事故就是由于采用了过大的焊接线能量过大的焊接线能量而造成的。该容器采用而造成的。该容器采用HT80高强钢焊接，高强钢焊接，板厚为板厚为30mm，焊后进行水淹试验时破裂。按工艺规定，应，焊后进行水淹试验时破裂。按工艺规定，

9、应采用的焊接线能量为采用的焊接线能量为48kJ/cm，但由于冬季施工，焊接时采，但由于冬季施工，焊接时采用的预热温度偏高，焊接线能量也偏大，事故分析表明，脆用的预热温度偏高，焊接线能量也偏大，事故分析表明，脆断起源点的焊接线能量为断起源点的焊接线能量为80kJ/cm，大大超过了规定的线能，大大超过了规定的线能量，量，致使焊缝和热影响区的韧性显著降低。致使焊缝和热影响区的韧性显著降低。3.1.2 脆性断裂的特征脆性断裂的特征 几乎没有塑性变形几乎没有塑性变形，具有突然破坏的性质；，具有突然破坏的性质；脆断时所需能量小，破坏应力往往低于材料的屈服强度，脆断时所需能量小，破坏应力往往低于材料的屈服强

10、度，属于属于低应力破坏低应力破坏；裂纹扩展速度快，瞬时扩展到结构大部分或全体，直至断裂纹扩展速度快，瞬时扩展到结构大部分或全体，直至断裂。断裂不易发现和预防。裂。断裂不易发现和预防。脆断脆断对温度条件敏感，对温度条件敏感，即所谓的即所谓的金属冷脆现象；金属冷脆现象；通常在较通常在较低温度下发生。低温度下发生。本节提要：本节提要：具体分析金属脆断的影响因素时，又可从总体上将它具体分析金属脆断的影响因素时，又可从总体上将它们分为们分为内因内因和和外因外因。本节的任务就是：本节的任务就是：1)1)通过对脆断影响因素的深入分析，全面认识通过对脆断影响因素的深入分析，全面认识脆断的本质脆断的本质与与产生

11、机理；产生机理；2)2)学会使用学会使用应力状态图应力状态图综合判定金属的综合判定金属的断裂性质断裂性质及及相关问相关问题题。3.2.1 金属材料断裂的机制和形态金属材料断裂的机制和形态3.2.1.1 脆性断裂脆性断裂脆性断裂：脆性断裂：沿一定结晶面劈裂的解理断裂及晶界断裂。沿一定结晶面劈裂的解理断裂及晶界断裂。脆性断裂的微观机制有脆性断裂的微观机制有解理断裂解理断裂和和晶间断裂晶间断裂。解理断裂解理断裂是材料在正应力的作用下，由于原子间结是材料在正应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏合键遭到破坏，严格地沿晶内一定的结晶学平面严格地沿晶内一定的结晶学平面(即所谓即所谓“解理面解理面”)劈开而

12、造成的。是一种晶内断劈开而造成的。是一种晶内断裂。裂。解理面解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。的晶面。(1)(1)解理断裂解理断裂宏观特征：宏观特征：不产生或产生较小的宏观塑性变形不产生或产生较小的宏观塑性变形 宏观断口平齐宏观断口平齐 断口有金属光泽断口有金属光泽 与主应力方向垂直与主应力方向垂直微观特征：微观特征：河流花样、舌状花样、扇形花样河流花样、舌状花样、扇形花样解理断裂的特征解理断裂的特征图 解离断裂a-宏观断口-人字行花样；b，c-微观断口-河流花样；A-台阶；B-河流花样D-扩展方向扩展方向 O-裂纹源裂纹源 S-剪切唇剪

13、切唇 R-放射条纹放射条纹图图3-1 人字纹示意图人字纹示意图 图图3-2断口微观特征断口微观特征-河流状花样河流状花样 沿晶断裂沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。度。(2)(2)晶界断裂晶界断裂(沿晶断裂沿晶断裂)沿晶断裂的原因大致有：沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相晶界存

14、在连续分布的脆性第二相 微量有害杂质元素在晶界上偏聚微量有害杂质元素在晶界上偏聚 由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。图 沿晶断裂的断口形貌宏观特征：宏观特征：无塑性变形无塑性变形 颗粒状或粗瓷状颗粒状或粗瓷状 色泽较灰暗色泽较灰暗 断口表面平齐断口表面平齐 边缘有剪切唇边缘有剪切唇微观特征：微观特征：明显的多面体，岩石明显的多面体，岩石状花样、冰糖块状花样状花样、冰糖块状花样晶界断裂的特征晶界断裂的特征金属脆断的断口特征：金属脆断的断口特征：1 1）断面颜色：）

15、断面颜色：解理断裂：金属光泽；晶界断裂：较灰暗；2 2）宏观断口：）宏观断口：解理断裂：断口平齐，有放射状撕裂棱形，即 人字纹，其尖锋指向裂纹源；晶界断裂：表面平齐，呈颗粒或粗瓷状，边缘有剪切唇；3 3）微观断口：）微观断口：解理断裂：河流花样、舌状花样、扇形花样；晶界断裂：岩石状、冰糖状。3.2.1.2 延性断裂延性断裂 大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断裂，往往只发生延性断裂。裂，往往只发生延性断裂。延性断裂延性断裂滑移或纯剪切断裂滑移或纯剪切断裂微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂(1)滑移或纯剪断裂滑移或纯剪断裂金属在外力作用下沿金

16、属在外力作用下沿最大切应力最大切应力的滑移面滑移，至一定程的滑移面滑移，至一定程度而断裂。度而断裂。常发生在纯的单晶体中。常发生在纯的单晶体中。断口平面与拉伸轴线大致呈断口平面与拉伸轴线大致呈4545角，表面平滑。角，表面平滑。图图3-4a 纯剪断的示意图纯剪断的示意图(2)微孔聚集型微孔聚集型(杯锥状杯锥状)断裂断裂外力作用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在外力作用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在使周围形成使周围形成位错塞积位错塞积。随外力继续增加，形成。随外力继续增加，形成微空穴微空穴。随。随外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会聚聚集长大集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。，使裂纹扩展，最终出现断裂。杯底部分一般与主应力方向垂直的平断口，断口平面并非杯底部分一般与主应力方向垂直的平断口，断口平面并非完全平直，由许多细小的凹凸小斜面组成，小斜面和拉伸完全平直，由许多细小的凹凸小斜面组成，小斜面和拉伸轴线成轴线成4545角角图3-4b 微孔聚集型断裂示意图延性断裂的特征：延性断裂的特征：宏观断口：宏观断口：纤维