1、第四章 焊接结构的脆性断裂,本章主要内容:一、焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的特点、产生原因及影响因素;二、提高结构疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。,二战期间美国船只的脆性断裂,綦江彩虹桥垮塌案,“虹桥”系綦江县形象工程,形似彩虹而得名,该桥跨越长江支流綦河,连接城东城西,于1994年11月5日动工建设,1996年2月16日竣工,桥净空跨度120米,耗资368万元。1999年1月4日晚6时50分左右,彩虹桥整体垮塌,包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。调查组认为,这次垮塌事件由两方面的原因造成。一是工程质量问题;二是工程承发包不合法。调查结果表明,这次惨剧不是天灾,而是人祸。其根本原因,是由
2、于政府在工程开发建设上没有遵循法律,履行必要的审核、论证程序,采取了“特事特办”的方式,盲目追求效率营造“献礼工程”,从而酿成大祸。,綦江彩虹桥垮塌案,记者的报道,三向应力,2000年9月3日傍晚,三峡工地正在紧张施工。突然传来一声巨响,一台正在进行检修的巨型塔带机骤然垮塌,两节重达20吨的机臂和部分皮带从约20米的高空落下,造成34人伤亡,其中死亡3人,重伤20人。这就是当年震惊全国的三峡工程“93”重大事故。,三峡工程“9.3”事故,焊接结构的脆性断裂,一、脆性断裂的主要特征宏观:断裂前无明显塑性变形,没有任何先兆,突然性强。断裂时所承受载荷不大,远低于设计时的许用应力,是典型的低应力破坏
3、形式。,断口形态:断口发光颗粒、平整、人字花样、河流花样、穿晶。,系列冲击试验,-59,-12,4,16,24,79,低强度铁素体钢冲击断口照片,系列冲击试验,奥氏体钢,低强度铁素体钢,高强度钢,二、影响金属脆性断裂的因素,1、应力状态的影响,缺口效应,应力状态:加载方式和材料本质,零件受外力作用时,其内部各点的应力状态可用三个主应力1、2、3来(1 2 3)来表示。,材料力学知识,:应力状态软性系数,零件加载方式由表示。,P184 图5-4,k,加载方式不同,断裂方式不同,加载方式相同,材料本质不同,断裂方式不同,2、温度的影响,塑性材料开始由塑性变为脆性的温度叫材料脆性转变点。结构的使用温
4、度较低时,其中的某个部件或局部可能达到脆性转变点以下,使塑性材料变脆。,3、加载速度的影响:提高加载速度,相当于降低工作温度。,应变速率,度强,断裂强度,屈服强度,4、材料状态的影响,前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的内因。1)厚度的影响。厚度增大,发生脆断可能性增大。一方面原因已如前所述,厚板在缺口处容易形成三向拉应力,沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态,约束了塑性的发挥,使材料变脆;另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少,终轧温度高,组织较疏松,内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大,终轧温度低,组织细密而均匀,具有较高抗
5、断能力。2)晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说,晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大,晶粒度越细,转变温度越低,越不易发生脆断。3)化学成分的影响。碳素结构钢,随着碳含量增加,其强度也随之提高,而塑性和韧性却下降,即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助减小钢的脆性。,三、焊接结构产生脆性断裂的原因,1、焊接结构本身:刚性大,整体性强,构件间很难发生相对位移,焊接应力很难消除,且对应力集中特别敏感。止裂能力差,裂纹容易在构件之间扩展,继而扩展到整体。,2、焊接热循环,热影响区组织脆化,韧性下降。改变材料脆性转变温度。对某些高强钢
6、,板厚为30 mm,线输入达50000J/cm时,可使脆性转变点升高50100,平板堆焊,3、焊接残余应力,脆性材料降低材料实际承载能力。产生应力集中,使微裂纹扩展成脆性断裂源。,4、备料及成形加工,产生附加应力。材料在成形加工时的预应变可达2%3%,预应变使材料塑性降低,脆断倾向增加。可能引入新的显微缺陷,这些缺陷可能成为断裂源。,钢板弯曲成形,矫正弯曲变形,5、焊接缺陷,裂纹、未焊透等面缺陷可能直接成为断裂源。气孔、夹渣等三维缺陷会降低结构的实际强度,并可能诱发微裂纹,如扩展到表面,就可能成为断裂源。,焊接热烈纹,焊缝内气孔,四、防止焊接结构脆性断裂的措施,1、正确选用材料,四、防止焊接结构脆性断裂的措施,2、采用合理的焊接结构设计 减少应力集中,减小应力集中,尽量采用圆滑过渡,把角接头改成对接接头,焊缝错开布置,尽量减小结构刚度,对于大型焊接结构,在满足使用条下件,应尽量减小结构的刚度,以降低应力集中和附加应力对脆性断裂倾向的影响。通常用开“缓和孔”或开“缓和槽”等方法来减小接头的刚度,有时还故意留一段焊缝不焊。,三条焊缝空间交叉,刚度大,应力集中严重。,把一块板切掉一角,降低结