第六章焊接结构脆性断裂课件.ppt
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- 第六 焊接 结构 脆性断裂 课件
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1、第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 脆性断裂的性质:脆性断裂的性质:没有明显的塑性变形,破坏具有突没有明显的塑性变形,破坏具有突发性发性焊接结构刚度较大,裂纹扩展至整焊接结构刚度较大,裂纹扩展至整个结构个结构发生脆断时平均应力比材料的屈服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,是低极限和设计许用应力小得多,是低应力破坏应力破坏 引言引言第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 脆性断裂发生的条件:脆性断裂发生的条件:结构在低温下工作结构在低温下工作 结构中存在焊接缺陷结构中存在焊接缺陷 焊接残余应力对脆断产生了焊接残余应力对脆断产生了严重影响严重影响 材料性能
2、劣质材料性能劣质 结构设计不合理结构设计不合理引言引言第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 引言引言第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 一、断裂分类及特征一、断裂分类及特征 1.按塑性变形大小按塑性变形大小:延性断裂和脆性断裂延性断裂和脆性断裂 2.从从“合于使用合于使用”原则出发原则出发s 线弹性断裂线弹性断裂s 弹塑性断裂弹塑性断裂s 韧带屈服断裂韧带屈服断裂s 全面屈服断裂全面屈服断裂3.从断裂的机制来说从断裂的机制来说:解理断裂、剪切断裂解理断裂、剪切断裂 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断
3、裂及影响因素材料断裂及影响因素 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 解理断裂:解理断裂:低温、低温、高应变速率及高应高应变速率及高应力集中情况下,材力集中情况下,材料的塑性变形严重料的塑性变形严重受阻,材料不能以受阻,材料不能以形变方式而是以分形变方式而是以分离顺应外加应力。离顺应外加应力。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 剪切断裂:剪切断裂:在剪在剪应力作用下,沿应力作用下,沿滑移面形成的断滑移面形成的断裂,可分为纯剪裂,可分为纯剪切断裂和微孔聚切断裂和微孔聚集断裂。集断裂。
4、第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 二、影响脆断的因素二、影响脆断的因素 1.温度温度 2.应力状态应力状态 3.加载速度加载速度 4.残余应力残余应力 5.板厚板厚 6.材料因素材料因素第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 1.温度影响温度影响:是造成材料脆性断裂的是造成材料脆性断裂的重要因素。重要因素。温度降低温度降低屈服极限升高屈服极限升高晶粒滑移困难晶粒滑移困难形成裂纹的表面能降低形成裂纹的表面能降低第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素
5、材料断裂及影响因素 2.应力状态影响应力状态影响 单轴拉伸状态单轴拉伸状态 三轴拉伸三轴拉伸 1=2=3 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 3.加载速度影响(应变速率)加载速度影响(应变速率)加载速度增加:加载速度增加:材料屈服极限增加,抗拉强度提高材料屈服极限增加,抗拉强度提高材料来不及塑性变形和滑移,位错摆材料来不及塑性变形和滑移,位错摆脱束缚进行滑移所需激活时间减小,脱束缚进行滑移所需激活时间减小,结构存在缺口,由于缺口处存在应力结构存在缺口,由于缺口处存在应力集中,应变速度比无缺口高的多。集中,应变速度比无缺口高的多。第六章第
6、六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 4.残余应力影响残余应力影响脆性断裂一般在拉伸应力场中产生脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展和扩展焊缝及近缝区通常存在高的残余拉焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力伸应力该区也是材料性能发生变化的区域,该区也是材料性能发生变化的区域,容易成为脆性断裂的起源。容易成为脆性断裂的起源。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 5.板厚影响:板厚影响:板厚增加,塑性变形板厚增加,塑性变形抗力增加,由平面应力状态向平抗力增加,由平面应力状态向平面应变状态转变面应变
7、状态转变 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 6.材料因素材料因素晶粒度小,晶界面积增大,晶界上夹晶粒度小,晶界面积增大,晶界上夹杂物浓度下降,使脆性转变温度降低。杂物浓度下降,使脆性转变温度降低。在材料的轧制及加工过程中,晶粒出在材料的轧制及加工过程中,晶粒出现拉长或出现线状及带状的夹杂物,现拉长或出现线状及带状的夹杂物,造成材料产生各向异性,对材料的脆造成材料产生各向异性,对材料的脆断温度产生影响。断温度产生影响。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 三、脆性和延性断裂裂纹产生
8、和扩展三、脆性和延性断裂裂纹产生和扩展首先在缺陷尖端或应力集中处产生首先在缺陷尖端或应力集中处产生裂纹,然后以一定形式扩展。裂纹,然后以一定形式扩展。区域区域:温度低,裂纹以解理机制:温度低,裂纹以解理机制产生。区域产生。区域:温度升高,裂纹产:温度升高,裂纹产生所需能力提高,裂纹以解理和剪生所需能力提高,裂纹以解理和剪切混合机制产生。区域切混合机制产生。区域:纯剪切:纯剪切机制。机制。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-1 材料断裂及影响因素材料断裂及影响因素 裂纹产生和扩展之间关系图裂纹产生和扩展之间关系图 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方
9、法断裂评定方法断裂评定方法可分为断裂评定方法可分为抗开裂性能试验抗开裂性能试验转变温度评定方法:转变温度评定方法:冲击试验;冲击试验;宽板拉宽板拉伸试验(静载);伸试验(静载);尼伯林克试验(动载)尼伯林克试验(动载)断裂力学方法。断裂力学方法。止裂性能试验止裂性能试验罗伯逊试验(罗伯逊试验(ESSO););落锤试验;落锤试验;动态撕裂试验;动态撕裂试验;双重拉伸试验。双重拉伸试验。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法一、转变温度(缺口韧性指标)概念一、转变温度(缺口韧性
10、指标)概念温度降低,温度降低,s上升速率大于上升速率大于f上升速率,两上升速率,两线交点对应温度线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度,当称为韧脆转变温度,当TTk时,时,fs,材料尚未达到屈服极限就,材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度,即材料无塑性变形而产生已达到断裂强度,即材料无塑性变形而产生脆断。脆断。分为:塑性断裂转变温度分为:塑性断裂转变温度FTP;弹性断裂转;弹性断裂转变温度变温度FTE;无延性转变温度;无延性转变温度NDT;断口形;断口形貌转变温度貌转变温度Tf;止裂转变温度;止裂转变温度Ta。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法二、转变
11、温度评定方法二、转变温度评定方法 1.冲击试验冲击试验 试验设备简单,试样制备和试验程试验设备简单,试样制备和试验程序简单。试验结果具有一定的局限序简单。试验结果具有一定的局限性,不能用于高强度结构钢:因试性,不能用于高强度结构钢:因试样未考虑材料厚度,同时加载速率样未考虑材料厚度,同时加载速率与实际结构受力情况出入较大。与实际结构受力情况出入较大。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法1.冲击试验评定方法:冲击试验评定方法:能量准则:以冲击断裂功能量准则:以冲击断裂功k值降低到某值降低到某一特定数值的温度作为临界温度一特定数值的温度作为临界温度Tk。
12、断口形貌准则:按断口中纤维状区域与断口形貌准则:按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定确定 延性准则:按断口在缺口根部横向相对延性准则:按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度变温度Tk。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法 冲击试样冲击试样 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法 2.威尔斯宽板拉伸试验威尔斯宽板拉伸试验 在实验室里再现低应力脆性断裂在实验室里再现低应力脆性断裂开裂情况,同时又能在
13、板厚、焊开裂情况,同时又能在板厚、焊接工艺、焊接残余应力、整体尺接工艺、焊接残余应力、整体尺寸、裂纹部位、焊接热循环方面寸、裂纹部位、焊接热循环方面模拟实际结构。用于确定临界转模拟实际结构。用于确定临界转变温度。这种方法不仅用来研究变温度。这种方法不仅用来研究脆性断裂理论,而且也用来作为脆性断裂理论,而且也用来作为选材的方法。选材的方法。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法威尔斯宽板拉伸试验试样威尔斯宽板拉伸试验试样 第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法尖锐缺口和残余应力尖锐缺口和残余应力对断裂强度的影响对
14、断裂强度的影响第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法 3.尼伯林克试验尼伯林克试验 采用逐步增加高度多次冲击,这样比一采用逐步增加高度多次冲击,这样比一次加载更接近于实际结构破坏情况。即次加载更接近于实际结构破坏情况。即每一次冲击都在缺口尖端产生一定的塑每一次冲击都在缺口尖端产生一定的塑性变形,当此变形超过一定数值时发生性变形,当此变形超过一定数值时发生破坏。同时由于每一次冲击都有一部分破坏。同时由于每一次冲击都有一部分能力将进一步使缺口尖端产生塑性变形,能力将进一步使缺口尖端产生塑性变形,反映了缺口尖端加工硬化的作用。反映了缺口尖端加工硬化的作用。第
15、六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法尼伯林克试样尼伯林克试样第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法三、止裂性能试验方法三、止裂性能试验方法罗伯逊试验(罗伯逊试验(ESSO)落锤试验落锤试验动态撕裂试验动态撕裂试验 双重拉伸试验双重拉伸试验第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法1.罗伯逊试验(罗伯逊试验(ESSO)确定脆性裂纹在钢确定脆性裂纹在钢板中扩展的应力和板中扩展的应力和温度的临界条件温度的临界条件第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法
16、断裂评定方法罗伯逊试验典型温度罗伯逊试验典型温度应力关系曲线图应力关系曲线图第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂评定方法断裂评定方法 2.落锤试验落锤试验 测定厚度大于测定厚度大于16 mm钢板的钢板的NDT(无无塑性转变温度塑性转变温度)的试验方法,可替代的试验方法,可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能,大型止裂试验研究材料的止裂性能,其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应对热结构的尺寸效应和较大拘束效应对热敏感的合金材料难以使用。敏感的合金材料难以使用。第六章第六章 焊接结构脆性断裂焊接结构脆性断裂 6-2 断裂
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