焊接结构的脆性断裂教学课件.ppt

1、焊接结构的脆性断裂事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。在主平面上作用有最大正应力max，事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。缺口用于模拟焊缝、熔合区、HAZCharpy V 试件断口与温度实例As previously discussed,irradiation of the pressure vessel断口标准：即以试件的断口形貌来衡量转变温度特性的。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。在1和2之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称 NDT(Ni

2、l Ductility Transition)。在金属材料中，当裂纹扩展时，裂纹前端局部地区要发生一定的塑性变形。1、平裂情况 钢板没有产生凹陷变形而断裂，这说明断裂是完全脆性的。在1和2之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称 NDT(Nil Ductility Transition)。1907年8月29日，大桥杆件发生失稳，突然倒塌，19 000吨钢材和86名建桥工人落入水中，只有11人生还。焊缝应该布置在结构的应力集中区以外此两种能量释放、吸收（提供、消耗）可以分别计算出来。5塑性变形的温度定作材料的最低使用温度(已作为B55500“焊

3、制压力容器技术条件”1976附录D，低温用碳钢和碳锰钢压力容器推荐的暂行规定)。高于此临界温度时，试件屈服后才发生断裂。它表明当温度低于NDT时，材料断裂没有延性，断裂是脆性的。更能反映脆断问题的实质。Fracture Diagram当max达到屈服强度后产生滑移，表现为塑性变形。dimple(a)微孔聚集模型(b)在第二相粒子处形核模型断裂力学出现了，微观和宏观的（线弹性和弹塑性断裂力学）微观机制：解理断裂、准解理断裂和晶界断裂Wells 宽板拉伸试验由能量原理可以看出，结构的断裂条件不仅决定于工作应力 的大小，还取决于原始裂纹长度2a。冲击试验的评定标准断口标准热塑性变形后的时效比前者对脆

4、断的影响更大。厚板结构易出现三向拉应力状态，若1=2=3，则max/max=0。另一与之垂直的主平面上作用着最小主应力min，这种方法是用转变温度作为标准来评定钢材的脆性韧性行为的：用途高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围内扩展，而不向低应力区域扩展。四种情况引出三个不同的转变温度：NDT、FTE、FTP韧窝花样和硫化物（Sulfide）颗粒Charpy V（夏贝V）和Charpy U（夏贝U）以裂纹扩展前(标准方法规定扩展小于5mm前)的残余张开位移006mm为合格。3、凹陷和局部断裂情况 钢板有明显的凹陷但仅在起裂点周围有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区这种情况说明材料具有较大的韧

5、性。既有平坦的小晶面，但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发生过局部一定塑性变形的撕裂棱。裂纹扩展的自发性，释放的能量必须大于消耗的能量。更能反映脆断问题的实质。清除热、冷时效脆化影响的热处理方法：冬季施工，使用了El（预热和补焊工艺参数）上限管理，48000J/cm5000080000J/cm是用全厚度的355mm355mm正方形钢板作试件，在试件中央堆焊一小段脆性焊道，并锯一缺口作为起裂点，然后将其安置在环形支座上，从上方用炸药包施加爆炸压力(图)。上海市机械制造工艺研究所有限公司上海市机械制造工艺研究所有限公司 后者描述了材料的应力状态。2 影响

6、金属脆断的主要因素 4 材料状态的影响Charpy V 试件断口与温度实例此两种能量释放、吸收（提供、消耗）可以分别计算出来。以裂纹扩展前(标准方法规定扩展小于5mm前)的残余张开位移006mm为合格。金属材料的脆性断裂的格里菲斯能量理论在1和2之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称 NDT(Nil Ductility Transition)。裂纹是如何停下来的？分别研究所对应的温度：Ti 和 Ta当然温度、加裁速串、构件尺寸、冶金因素等都会改变断裂韧度的大小。可以得到：裂纹扩展的临界应力和临界尺寸以及裂纹尖端的曲率半径。轮船的脆性断裂著名

7、的事故调查与主平面成对45角的平面上作用着最大的max。一般材料在同一条件下，TiTa有些钢材的试验表明HAZ的Tk比母材提高了50100 ，图5-22（C-Mn钢的COD-温度）高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围内扩展，而不向低应力区域扩展。跨度最长的一段桥身突然掉落塌陷主要缺点：费用昂贵、周期长，不便于普遍采用。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。与主平面成对45角的平面上作用着最大的max。则系统能量的总改变量 E 由下式表出：准解理断口准解理断口 介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂形式。形式。在电子显

8、微镜中观察其断口时，既有韧窝花样，既有韧窝花样，但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面，但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面，但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发生过局部一定塑性变形的撕裂棱。生过局部一定塑性变形的撕裂棱。准解理断口的特征准解理断口的特征1024 面心立方晶系的金属及合金,在一般情况下,不发生解理断裂。Fracture Diagram防止断裂的引发设计原则更具实用性Fracture Diagram3、凹陷和局部断裂情况 钢板有明显的凹陷但仅在起裂点周

9、围有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区这种情况说明材料具有较大的韧性。2226m3，钢材：784MPa，29mm厚爆炸膨胀试验的四种断裂情况作为当时世界上最长跨度的钢悬臂桥，库帕忘乎所以地把大桥的主跨由490米延伸至550米，以此节省建造桥墩基础的成本。冲击试验的评定标准断口标准尽管近年来断裂力学已取得很大进展，但目前还不能完全取代它。转变温度方法已有很长的历史，脆断还是不断发生。更能反映脆断问题的实质。在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上，抛物线的凸向相反。裂纹尖端或结构上其他应力集中点和焊接残余应力容易引发三向应力状态。表5-2 典型脆断事

10、例统计将这些结果作在图上，得出如图的断裂分析图。延性断裂过程：金属材料在载荷作用下，首先产生弹性变形，当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。裂纹扩展中解理（台）阶在图像上的表现形式态。For greater safety,it is desirable that operation be limited above the FTE temperature,or NDT+60F.轮船的脆性断裂著名的事故调查韧韧性性断断口口韧韧性性断断口口中、低强度钢常发生在较低温度，高强度钢没有明显的温度效应日本千叶县的1000m3球罐破坏原因：当max达到屈服强度后产生滑移，表现为塑性变形。

11、尽管近年来断裂力学已取得很大进展，但目前还不能完全取代它。当然温度、加裁速串、构件尺寸、冶金因素等都会改变断裂韧度的大小。表5-2 典型脆断事例统计在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上，抛物线的凸向相反。brittle fracture can occur.上海市机械制造工艺研究所有限公司记录着有关断裂全过程的许多珍贵信息冷塑性变形后经150450加热会引起应变时效Tk提高，缺口韧性下降。中、低强度钢常发生在较低温度，高强度钢没有明显的温度效应Quebec Bridge 坍塌后的惨状Charpy V（夏贝V）和Charpy U（夏贝U）却贝V形

12、缺口冲击试验在研究焊接船舶脆断事故时曾被大量采用，积累了许多有参考价Mn、Ni、Cr、V 适量可减少钢的脆性在主平面上作用有最大正应力max，图5-28，图5-29裂纹路径与应力区间既有平坦的小晶面，但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发生过局部一定塑性变形的撕裂棱。同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。-80 -40 0 40 80 120 160温度，F-80 -40 0 40 80 120 160温度，F半镇静低碳钢半镇静低碳钢0.18C0.54Mn0.07Si半镇静低碳钢半镇静低碳钢0.18C0.54Mn0.07SiFracture

13、Diagram1”8”12”24”Figure 3 is a graph of stress versus temperature,showing fracture initiation curves for various flaw sizes.It is clear from the above discussion that we must operate above the NDT temperature to be Figure 3 Fracture Diagram certain that no brittle fracture can occur.For greater safe

14、ty,it is desirable that operation be limited above the FTE temperature,or NDT+60F.Under such conditions,no brittle fracture can occur for purely elastic loads.As previously discussed,irradiation of the pressure vesselcan raise the NDT temperature over the lifetime of the reactor pressure vessel,rest

15、ricting the operating temperatures and stress on the vessel.It should be clear that this increase in NDT can lead to significant operating restrictions,especially after 25 years to 30 years of operation where the NDT can raise 200F to 300F.Thus,if the FTE was 60F at the beginning of vessel life and

16、a change in the NDTof 300F occurred over a period of time,the reactor coolant would have to be raised to more than 360F before full system pressure could be applied.Figure 3 Fracture Diagram 裂纹尺寸裂纹尺寸脆断应力脆断应力脆性转变温度脆性转变温度通常脆性断裂系指沿一定结晶面的劈裂的解理断裂(包括半解理断裂)及晶界(沿晶)断裂。0ettmax2maxbEa21abba212b2a论断裂强度物理学的固体材料的

17、理（，得：该点的曲率半径（，最大应力为：，短轴长轴)0etmax2maxbEa21abba212b2a物理学中固体材料的得该点的曲率半径最大应力，短轴长轴)(,)(事实。理论断裂强度低得多的材料实际断裂强度比解释了：有缺陷的固体此例从应力集中的角度降低。增加，所以这与事实不符！应改用再有强度了。有了理想尖裂纹，就不由上式可见，固体一旦：裂的临界应力将上面的式子合并得断材料才断裂按传统强度观点，cec00e0ecctmax2a4aEb4abEa21bE理论断裂强度大量的研究和实验表明，固体材料的实际断裂强度只有它的理论断裂强度 的1/10 1/1 000。为什么会有这样巨大的差异呢?板厚等于1图

18、5-15、5-16 E=-U+WEaU22a4We能扩展。所需的能量，故裂纹不裂纹扩展即裂纹释放的能量小于能量增加，此前，裂纹要扩展系统极大值。此时系统能力变化率有即04Ea20aE4Ea2aEa4EaEe2e2e22,21ee22Ea4Ea2）（经变换得，：裂纹扩展的平衡条件是），（葛里菲斯裂纹条件即：裂纹扩展的临界尺寸为：裂纹扩展的临界应力为000ee2ececb80b84abEa2E2Eaa2E需要精密仪器，仅适用于材料而非结构。线弹性断裂力学解决的高强钢的问题裂纹释放的弹性应变能U：高于此临界温度时，试件屈服后才发生断裂。这时塑性变形受到拘束，必然发生脆断。Figure 3 Fract

19、ure Diagram因此，欧文和奥罗万(Orowan)提出，裂纹扩展所释放的变形能不仅用于前述的表面能，对于金属材料而言，更重要的是用于裂纹扩展前的塑性变形。裂纹扩展的临界条件为：the above discussion that we must operate above the NDT temperature to be Figure 3 Fracture Diagram certain that no裂纹扩展的自发性，释放的能量必须大于消耗的能量。会引起附加弯矩（应力）更能反映脆断问题的实质。日本千叶县的1000m3球罐破坏原因：2 影响金属脆断的主要因素 应力状态、温度、加载速率和材

20、料的状态因此，欧文和奥罗万(Orowan)提出，裂纹扩展所释放的变形能不仅用于前述的表面能，对于金属材料而言，更重要的是用于裂纹扩展前的塑性变形。图5-28，图5-29裂纹路径与应力区间裂纹扩展的自发性，释放的能量必须大于消耗的能量。又由于裂纹出现后有新的表面形成，要吸收能量，设其值为 W，中、低强度钢常发生在较低温度，高强度钢没有明显的温度效应碳含量越高，冲击功越低，Tc越高冬季施工，使用了El（预热和补焊工艺参数）上限管理，48000J/cm5000080000J/cm2pcpcp2eeppe22Eaa2E02Ea02(Ea同样得：的临界条件为：纹扩展修正后的金属材料中裂可以忽略不计，大得

21、多，比试验结果，)即塑性变形能即塑性变形能p是阻止裂纹扩展的主要因素。是阻止裂纹扩展的主要因素。由能量原理可以看出，结构的断裂条件不仅决定于工作应力由能量原理可以看出，结构的断裂条件不仅决定于工作应力 的大小，还取决于原始裂纹长度的大小，还取决于原始裂纹长度2a。这个结论和欧文。这个结论和欧文(Irwin)分分析裂纹前端应力应变场，考虑裂纹尖端应力集中，建立新的裂析裂纹前端应力应变场，考虑裂纹尖端应力集中，建立新的裂纹扩展临界条件是完全一致的。在此基础上发展了断裂力学。纹扩展临界条件是完全一致的。在此基础上发展了断裂力学。葛里菲斯、欧文葛里菲斯、欧文-奥罗万理论是断裂力学发展的基础。奥罗万理论是断裂力学发展的基础。上面的讨论使用与薄板，即平面应力状态上面的讨论使用与薄板，即平面应力状态用用 E/（1-2）代替）代替E，即可用于厚板即可用于厚板-平面应变状态）平面应变状态）1968事故事故