焊接结构断裂理论

1、焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构强度的基本理论焊接结构强度的基本理论本章主要内容本章主要内容一、焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的特点、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；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二、提高结构疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。要措施。 焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂一、脆性断裂的主要特征一、脆性断裂的主要特征宏观：宏观：断裂前断裂前无明显塑性变形无明显塑性变形，没有任何先兆，没有任何先兆，突然性强突然性强。断裂时

2、所承受载荷不大，远低于设计时的许用应力，是典型的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低应力破坏形式形式。断口形态断口形态：断口发光颗粒、：断口发光颗粒、平整平整、人字花样、河流花样、人字花样、河流花样、穿晶。穿晶。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）二、焊接结构产生脆性断裂的原因二、焊接结构产生脆性断裂的原因1、焊接结构本身：、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，裂纹容易在难消除，且对应力集中特别敏感。止裂能力差

3、，裂纹容易在构件之间扩展，继而扩展到整体。构件之间扩展，继而扩展到整体。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）2 2、温度的影响、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。塑性材料开始由塑性变为脆性的温度叫材料脆性转变点。结构的使用温度较低时，其中的某个部件或局部可能达到脆结构的使用温度较低时，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。性转变点以下，使塑性材料变脆。测试温度测试温度度度强强断裂强度断裂强度屈服强度屈服强度焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）3 3、焊接热循环、焊接热循环热影响区组织

4、脆化，韧性下降。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，板厚为改变材料脆性转变温度。对某些高强钢，板厚为30 mm30 mm，线，线输入达输入达50000J/cm50000J/cm时，可使脆性转变点升高时，可使脆性转变点升高50100焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）4、焊接残余应力、焊接残余应力焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）5 5、备料及成形加工、备料及成形加工产生附加应力。材料在成形加产生附加应力。材料在成形加工时的预应变可达工时的预应变可达2%3%，预，预应变使材料塑性降低，脆断倾应变使材料塑

5、性降低，脆断倾向增加。向增加。可能引入新的显微缺陷，这些可能引入新的显微缺陷，这些缺陷可能成为断裂源。缺陷可能成为断裂源。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）6 6、焊接缺陷、焊接缺陷裂纹、未焊透等面缺陷可能直接成为断裂源。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。微裂纹，如扩展到表面，就可能成为断裂源。焊接热烈纹焊接热烈纹焊缝内气孔焊缝内气孔焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）三、影响焊接

6、结构脆性断裂的因素三、影响焊接结构脆性断裂的因素1、应力状态的影响、应力状态的影响缺口效应缺口效应2、温度的影响：脆性转变温度以下工作。、温度的影响：脆性转变温度以下工作。3、加载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。、加载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）4、材料状态的影响、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。内因。 1 1）厚度的影响。）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。厚度增大，发生

7、脆断可能性增大。一方面原因已如前所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，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，具有较高抗断能力。组

8、织细密而均匀，具有较高抗断能力。2 2）晶粒度的影响。）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，温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。3 3）化学成分的影响。）化学成分的影响。碳素结构钢，碳素结构钢，随着碳含量增加随着碳含量增加，其强度也随之提高，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大脆断倾向增大。其他如。其他如N N、O O、H H、S S、P P等元素等元素会会增大钢材的脆性增大钢材的脆性。而适量加入。而适量加入N

9、iNi、CrCr、V V、MnMn等元素则有助等元素则有助减小钢的脆减小钢的脆性性。 焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）四、防止焊接结构脆性断裂的措施四、防止焊接结构脆性断裂的措施1 1、正确选用材料、正确选用材料 接头各部分的要求接头各部分的要求 不能盲目选用高强度材料不能盲目选用高强度材料2 2、采用合理的焊接结构设计、采用合理的焊接结构设计 减少应力集中减少应力集中焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）减小应力集中减小应力集中尽量采用圆滑过渡尽量采用圆滑过渡把角接头改成对接接头把角接头改成对接接头焊缝错开布置焊缝错开布置焊接

10、结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论） 尽量减小结构刚度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。低应力集中和附加应力对脆性断裂倾向的影响。通常用开通常用开“缓和孔缓和孔”或开或开“缓和槽缓和槽”等方法来减小接头的刚度，有时还等方法来减小接头的刚度，有时还故意留一段焊缝不焊。故意留一段焊缝不焊。三条焊缝空间交叉，刚度大，三条焊缝空间交叉，刚度大，应力集中严重。应力集中严重。把一块板切掉一角，降低结构刚把一块板切掉一角，降低结构刚度

11、。度。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）3 3、不可采用过厚截面、不可采用过厚截面在大型焊接结构中，在满足工作应力的条件下，尽量采用在大型焊接结构中，在满足工作应力的条件下，尽量采用薄板材。薄板材。在工作应力较大时，可采用多层板结构，从而降低钢板的在工作应力较大时，可采用多层板结构，从而降低钢板的脆性转变温度。脆性转变温度。不能用减低许用应力的办法来减小脆断倾向性，这样会使不能用减低许用应力的办法来减小脆断倾向性，这样会使板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。4 4、重视附件和不受力的焊缝设计、重视附件和不

12、受力的焊缝设计5 5、减小和消除焊接残余应力与变形、减小和消除焊接残余应力与变形焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）6 6、了解焊接结构的工作条件、了解焊接结构的工作条件详细了解工作环境的最低气温和气温变化情况，如海洋钻井详细了解工作环境的最低气温和气温变化情况，如海洋钻井的设计要求掌握近的设计要求掌握近2020年的气象报告，最后通过概率统计得出年的气象报告，最后通过概率统计得出结构最低工作温度。结构最低工作温度。充分考虑结构的承载情况，对承受动载和冲击载荷的结构更充分考虑结构的承载情况，对承受动载和冲击载荷的结构更要给予特殊的关注，一般要通过实验确定结构的脆性

13、转变温要给予特殊的关注，一般要通过实验确定结构的脆性转变温度。度。对于储存腐蚀性介质的容器，要求焊缝热影响区不能与介质对于储存腐蚀性介质的容器，要求焊缝热影响区不能与介质接触。接触。增加板厚增加板厚焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）小小 结结脆性断裂的特征脆性断裂的特征 无明显塑性变形的低应力破坏，突然性强。无明显塑性变形的低应力破坏，突然性强。产生脆断的原因产生脆断的原因 使用温度低于脆性转变温度使塑性材料变脆；使用温度低于脆性转变温度使塑性材料变脆； 焊接热循环容易使热影响区组织粗大，塑性下降焊接热循环容易使热影响区组织粗大，塑性下降; 焊接残余应力使焊接

14、接头强度下降并且接头处易产生应力集中；焊接残余应力使焊接接头强度下降并且接头处易产生应力集中； 焊接缺陷使结构的实际承载面积减小，并可能引起微裂纹；焊接缺陷使结构的实际承载面积减小，并可能引起微裂纹； 备料及成形加工时容易引入缺陷和降低材料塑性；备料及成形加工时容易引入缺陷和降低材料塑性； 焊接结构刚度大，焊接应力难消除，裂纹在构件之间扩展容易。焊接结构刚度大，焊接应力难消除，裂纹在构件之间扩展容易。生产和设计中防止脆断的措施生产和设计中防止脆断的措施 了解使用条件；合理设计结构；降低应力集中；尽量减少缺陷。了解使用条件；合理设计结构；降低应力集中；尽量减少缺陷。焊接结构制造工艺及实施（断裂理

15、论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏动荷载的概念动荷载的概念 所谓静荷载所谓静荷载是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不变或变动很是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不变或变动很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小可忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。小可忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。在静荷载作用下，构件中产生的应力称为在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力静应力。相反，若构件。相反，若构件在荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷

16、载随时间有显著的在荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷载随时间有显著的变化，这类荷载称为变化，这类荷载称为动荷载动荷载。 交变应力交变应力工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力称为称为交变应力交变应力。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）例如齿轮上任一齿的齿根处例如齿轮上任一齿的齿根处A A点的应力点的应力( (图图(a)(a)），在传动过），在传动过程中，轴每转一周该齿啮合一次，程中，轴每转一周该齿啮合一次，A A点的弯曲正应力就由零点的弯曲正应力就由零变到最大值，然后再回

17、到零。齿轮不停地转动，应力就不变到最大值，然后再回到零。齿轮不停地转动，应力就不断地作周期性变化，如图断地作周期性变化，如图(b)(b)所示。所示。 结构在交变应力作用下的破坏，称为结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏疲劳破坏。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点（1 1） 交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限（度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力破坏低应力破坏）。）。（2 2） 无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下

18、，均表现为无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为脆性脆性断裂断裂，没有明显的塑性变形没有明显的塑性变形。（3 3） 材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应力越应力越大，循环次数越少大，循环次数越少。（4 4） 断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即光滑区域光滑区域和和粗粗糙区域糙区域，如图所示。，如图所示。断口特征断口特征焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和

19、最后断裂的全过程。构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过程。三个阶段组成：三个阶段组成：1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；2）裂纹稳定扩）裂纹稳定扩展；展；3）结构断裂。）结构断裂。 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹。应力循环次数应力循环次数N（疲劳寿命）（疲劳寿命）0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456 应力幅越低，作用循环次数越多，应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；疲劳寿命越高； 应力幅相同，作用的循环次数越应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。多

20、，疲劳寿命越高。焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）应力循环特征应力循环特征(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）影响焊接接头疲劳强度的因素：影响焊接接头疲劳强度的因素：（1 1）应力集中的影响）应力集中的影响对接焊缝由于形状变化不大，因此，它的应力集中比其它形式的接头要小；对接焊缝由于形状变化不大，因此，它的应力集中比其它形式的接头要小； T T形形( (十字十字) )接头的疲劳强度远远低

21、于对接接头。在搭接接头中，由于其应力接头的疲劳强度远远低于对接接头。在搭接接头中，由于其应力集中很严重，其疲劳强度也是很低的。集中很严重，其疲劳强度也是很低的。（2 2）残余应力的影响）残余应力的影响 残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸的，则力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸的，则它降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外它降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外残余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环特征以及循环次残余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环特征以及循环次数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。（3 3）缺陷的影响）缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与