焊接结构力学教学课件-第四章

1、焊接结构力学焊接结构力学第四章第四章 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂主讲：史菲金属的断裂4-1焊接结构的脆性断裂事故、原因、影响因素4-2材料断裂的评定方法4-3焊件脆性断裂分析研究4-5影响焊接结构脆性断裂的因素4-4预防焊接结构脆性断裂的措施4-6目目 录录2本章重点： 1.焊接结构断裂失效的分类及机理 2.焊接脆性断裂的防治方法 本章难点： 1.焊接结构断裂失效的分析 2.焊接脆性断裂的能量理论 3图4-1 桥梁脆断事故4图4-2 拉伸件断裂5一、金属材料断裂机理和形态特征断裂是工程上最危险的失效形式。特点： 工程上，常采用加大安全系数；浪费材料。 但过于加大材料的体积，不一定能防

2、止断裂。焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂纹扩展引起。6分 类 方 法名 称特 征根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状韧性断裂断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状根据断裂面的取向分类正断断裂的宏观表面垂直于max方向切断断裂的宏观表面平行于max方向根据裂纹扩展的途径分类金相组织的形状分类穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部沿晶断裂裂纹沿晶界扩展根据断裂机理分类解理断裂无明显塑性变形沿解理面分离，穿晶断裂微孔聚集型断裂沿晶界微孔聚

3、合，沿晶断裂在晶内微孔聚合，穿晶断裂纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属）表表4-1 断裂分类断裂分类7晶间断裂晶间断裂晶内断裂晶内断裂图4-3 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8图4-4 按断裂路径分类示意图a-穿晶断裂；b-沿晶脆断；c-沿晶韧断9脆性断裂-通常称为低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的。脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。脆性

4、断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。脆性断裂脆性断裂10解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。图4-5 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11解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均为解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。

5、在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。解理断裂断口发光颗粒、延晶、人字花样、河流花样、扇形花样122.准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、(112)等晶面。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。图4-6 准解离断面形貌13介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式；过程： 1. 1.在不同部位同时产生许多解理裂纹； 2. 2.按解理方式扩展成解理小刻面； 3. 3.以塑性方式撕

6、裂；与相邻的小刻面相连，形成撕裂棱。图4-7 准解理形成示意图14准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂有如下的不同：图4-7 准解离断面形貌15沿晶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度。图4-8 沿晶断裂的断

7、口形貌16晶界断裂断口较灰暗、穿晶、岩石花样、 冰糖花样。沿晶断裂的原因大致有：晶界存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 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。17钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。图4-9基体区域的沿晶断裂据氢含量测定结果表明，钢带中的氢含量远高于要求值。判断为氢脆导致的沿晶断裂。18（二）塑性断裂 大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断裂，往往只发生塑性断裂。 塑性断裂过程可分为两个阶段： 外力作

8、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位错塞积。随外力继续增加，形成微空穴。随外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会聚集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。1920韧性断口典型微观形貌特征：韧窝。（有时表现为蛇形滑动）韧性断口典型微观形貌特征：韧窝。（有时表现为蛇形滑动） （二）塑韧断裂韧窝的形成机理为空洞聚集：韧窝的形成机理为空洞聚集： 图4-10 空洞聚集的过程21塑性变形后明显产生了韧窝塑性变形后明显产生了韧窝图4-12 W-7Ni-3Fe拉伸断口形貌图4-11 棒材拉伸断口示意图（二）塑韧断裂22（二）塑韧断裂思考：塑性断裂和解理断裂的相同点和不同点？ 材料强度

9、第二相颗粒的尺寸 形态 分布材料特性 类型大小应力状态韧窝的尺寸和形状与韧窝的尺寸和形状与 二、影响断裂的因素构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，并不是固定不变的，而是可以互相转化的。（一）化学成分 合金元素，杂质，气体，夹杂物等钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高韧-脆转变温度的不利作用。C、N、O、H、S、P增加钢脆性；Mn、Ni、Cr、V降低钢的脆性。2324（一）化学成分合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度；氮、碳等原子被吸收到

10、Ni、Mn所造成的局部畸变区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用；在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆转变温度的，它和热处理后的组织密切相关。（二）金属晶粒度和各向异性晶粒细小，滑移距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少，相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量；晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是产不产生失稳扩展的关键。晶粒越细，则晶界越多，阻碍作用越大。晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性。形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在提高材料强度的同时，总要降低一些塑

11、性和韧性。25maxmaxksk侧压侧压22单向压单向压2 2扭转扭转0.80.8单向拉单向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.50.5（三）板厚 厚板缺口 轧制条件薄板处于平面应力状态， 较大；厚板处于平面应变状态， 较小，易产生脆断。加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同26注意：注意：薄钢板的强度比厚钢板的强度高。薄钢板的强度比厚钢板的强度高。轧制轧棍图4-7 钢的轧制使晶粒细化2728（四）应力状态的影响应力集中改变了应力状态，max，max，。 单向拉伸0.5，而缺口拉伸试样0.5，易引起脆断。因此，应力集中会引起材料脆化。因此，应力集中会

12、引起材料脆化。图4-8 力学状态图图4-9 缺口根部应力分布示意图29（五）加载速度的影响：0k TsTkTk图4-10 转变温度与应力关系加载速度的增加，材料的屈服点升高，促使材料向脆性转变。加载速度的增加，材料的屈服点升高，促使材料向脆性转变。一项新的科学研究回答了一项新的科学研究回答了80年未解之谜：含年未解之谜：含S高的钢板，韧性差所致。高的钢板，韧性差所致。图图4-11 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果30（六）温度的影响3132随着温度降低，材料的屈服点升高，随着温度降低，材料的屈服点升高，而抗拉强度基本上与温度变化无关。而抗拉强度基本上与温度变化

13、无关。随温度降低，从延性破坏变为脆性破坏随温度降低，从延性破坏变为脆性破坏图4-12 延性-脆性转变温度应变率的关系图4-13 温度与破坏方式关系示意图焊接脆性断裂特征： 脆断一般在没有显著塑性变形情况下发生。脆断时，材料中的平均应力比屈服极限和设计许用应力小得多。故脆断是一种低应力破坏。脆断事故难以事先发现。一般情况，脆断事故与原因与以下几个方面因素有关： 结构在低温下工作，低温使得材料的性质变脆；结构在低温下工作，低温使得材料的性质变脆； 焊接残余应力起到不良作用；焊接残余应力起到不良作用； 焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降；焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降； 用不合格材料

14、；用不合格材料； 结构设计不合理；结构设计不合理； 焊接过程中形成错边和产生角变形。焊接过程中形成错边和产生角变形。3334图4-13 钢瓶断裂实验焊接结构断裂实验焊接结构断裂实验351968年年4月，高强度钢制造球形容器，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。在最后耐压试验升压阶段发生破裂事故。（三）设计和制造工艺不合理（三）设计和制造工艺不合理 不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。36（一）材料的韧性不足一）材料的韧性不足

15、材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。的主要原因。 （二）存在裂纹等缺陷（二）存在裂纹等缺陷 断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。而焊接则是产生裂纹的主要原因。 同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。 最重要的影响

16、因素是温度、应力状态和加载速度。 温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。 （一）应力状态的影响 当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。 37（二）温度的影响 随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。脆性转变温度高，

17、则脆性倾向严重。38图4-14 温度与冲击功关系39（三）加载速度的影响 试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。因为此时有应力集中的影响，应变速率比无缺口高得多，从而大大降低了材料的局部塑性。 （四）材料状态的影响 材料状态包括材料厚度、晶粒度和化学成分等方面。 1厚度的影响。厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，因此容易使材料变脆。 2晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金结构钢，晶粒度越细，其脆性转变温度越低。 3化学成分的影响。钢中的C、N、O、H、S、P会增加钢的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当

18、，则有助于减少钢的脆性。 40 缺口效应 在缺口处产生应力集中，其数值为平均应力的几倍。图4-15 试件的缺口尺寸 缺口的存在导致缺口缺口的存在导致缺口效应的存在效应的存在 键槽、油孔、螺纹、键槽、油孔、螺纹、焊缝、毛刺等焊缝、毛刺等 对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布，来对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布，来清楚地进行表示。清楚地进行表示。 图4-16 有无缺口应力曲线分布对比缺口越尖锐、曲率越小应力集中越严重。缺口越尖锐、曲率越小应力集中越严重。K=K=maxmax/m图4-17 对接和角焊缝的应力集中44转变温度方法断裂力学方法45一、转变温度方法强度指标：屈服强度s 断

19、裂强度f 温度对材料的韧性影响很大，材料由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆转变温韧脆转变温度，度，Tk。图4-18 屈服强度和临界断裂强度与温度的关系T 温度TK0Sf46 晶体结构： f.c.c不存在低温脆性。 b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。（Sn） 1.晶体学特性晶体学特性位错： 位错宽度大，不显示低温脆性。 层错能，韧性。 形成柯氏气团，韧性。47（1）溶质元素 间隙原子，使韧性。 置换式溶质，对韧性影响不明显 杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性2.冶金因素冶金因素48（2）显微组织 a）晶粒大小 b）金相组织 回火索氏体贝氏体珠光体，韧性。 第二相（大小、形态、数

20、量、分布）3.3.外部因素外部因素49温度C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。加载速率加载速率，脆性，韧脆转变温度Tk;试样尺寸和形状试样增厚，Tk（表面上的拉压应力最大）; 带缺口，不带缺口； 材料由韧性状态向脆性状态转变的临界温度Tk常常有以下几种方法确定：50临界温度Tk 的确定方法冲击试验佩里尼断裂分析理论尼伯林克试验静载试验（一）冲击试验51()kAmg hh图4-19 缺口冲击实验衡量指标：冲击吸收功 A Ak k 冲击韧度 a ak k ( (a ak k A Ak k/F/Fk k ) )材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。Ak越高，Tk

21、越低，则材料的韧性越好。Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。钢韧性最高，无明显的Tk ，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk ，低温韧性差；高强度M钢韧性最差，即使室温韧性好很低。5253能量准则法* 实验证明，随着温度的上升，打断试件所需的冲击吸收功也显著上升，可以用它来衡量材料的韧-脆转变温度。* 一般认为，这种能量转变主要取决于裂纹产生前和裂纹开始扩展时缺口根部的塑性变形值:当塑性变形较小时，需要较小的冲击吸收功；当塑性变形较小时，需要较小的冲击吸收功；当塑性变形较大时，需要较大的冲击吸收功；当塑性变形较大时，需要较大的冲击吸收功；（一）冲击试验图4-20 冲击试验及

22、其评定标准-冲击吸收功温度（温度（）54（一）冲击试验断口形貌准则法断口形貌准则法以试件断口形貌来衡量转变温度特性，称为断口形貌转变以试件断口形貌来衡量转变温度特性，称为断口形貌转变温度；温度；是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，表示金属由晶粒状破是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，表示金属由晶粒状破坏向纤维状剪切破坏的转变：坏向纤维状剪切破坏的转变：在温度较低时，试件具有扩展快、吸收功低的解理断口；在温度较低时，试件具有扩展快、吸收功低的解理断口；在温度较高时，试件具有扩展慢、吸收功高的剪切破坏断口；在温度较高时，试件具有扩展慢、吸收功高的剪切破坏断口；图4-21 冲击试验及其评定标准-断口形貌法温

23、度（温度（）55（一）冲击试验 延性准则法测量冲击试件缺口根部厚度随温度的变化；随温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口表面的横向膨胀量；通常采用的转变温度微对应于3.8%的侧向膨胀率。图4-22 冲击试验及其评定标准-延性法温度（温度（）56图4-23 系列冲击试验57断裂的表现有三种：裂纹源，裂纹扩展，裂纹的止裂。50年代初，美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。58图4-24 爆炸膨胀试验a.平裂情况b.凹裂情况c.凹陷和局部断裂情况d.膨胀撕裂情况59图4-25 裂口方位韧性断裂脆性断裂60

24、断口形貌断口特征三要素断口特征三要素图4-26 圆棒试样韧性断口宏观形貌61图4-27 爆破断口宏观形貌62落锤试验图4-28 落锤试验示意图Penillni落锤试验是在研究钢的脆断倾向，评定比较止裂行为时使用。63图4-29 断裂分析图(1)不能定量评定脆性断裂(2)未考虑板厚的影响缺点：缺点： 落锤实验获得的数据可落锤实验获得的数据可建立断裂分析图；建立断裂分析图； 表示许用应力、缺陷和表示许用应力、缺陷和温度之间的关系曲线。温度之间的关系曲线。64（3）静载试验静拉伸，静弯曲试验图4-30 在小缺口试样上静弯试验所得载荷（P）-挠度（f）曲线简称DT试验；由美国海军研究所（NRL）于19

25、62年开创的一种新型工程试验方法；适用于各种异性敏感的高强度钢、超高强度钢；钢的晶粒度、碳化物金相组织的大小和分布、钢中P,N,O等都对显微裂纹的形成产生较大影响。65四点弯曲法是目前检验母材或焊接接头抗脆性断裂的重 要方法之一。在动载下的裂纹张开位移法66 在一定程度上模拟了板材焊接残余应力、焊缝缺陷、板厚效应等； 在一定程度上反映了加工硬化的影响； 可以反映出实际结构焊接接头中裂纹的扩展方向。67（四）静载试验（四）静载试验1.梯普尔试验2.范德文试验和V形缺口静弯试验3.堆焊静弯试验图4-31 堆焊弯曲试验68转变温度方法转变温度方法断裂力学方法断裂力学方法转变温度方法的缺点和局限性断裂

26、力学试验的本质就是缺口韧性试验。实际材料中是存在微裂纹及各种冶金缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷，因此有必要研究带裂纹体的问题。断裂力学研究表明：裂纹尖端的应力应变场可用物理量来表征。x x , , y , xyx x , , y , xy图4-33 裂纹尖端应力应变69图4-32 3种裂纹规则形式半椭圆形或半圆形椭圆形或圆形张开型裂纹张开型裂纹I型型滑移型裂纹滑移型裂纹II型型撕裂型裂纹撕裂型裂纹III型型图4-34 裂纹张开形式70: 几何形状因子，Y12；: 工作应力； a : 裂纹半长度。IKYa2a图4-35 裂纹扩展71研究表明：当KI较小时，裂纹不会扩展，零件是安全的；当KI

27、达到一个临界值时，裂纹才会扩展；这个临界值KIC是材料的性质。 断裂韧度：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。 72断裂韧度K KICIC: : 是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2KI KIC 构件发生脆性断裂构件发生脆性断裂KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件构件发生低应力脆性断裂的临界条件断裂判据：断裂判据：断裂韧度断裂韧度KIC73已知应力

28、，材料，确定结构安全的最大裂纹长度ICcKYa2ICcKaY已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力74已知应力，裂纹长度，确定结构安全的材料IICKYaK断裂韧度是高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等大型零件的重要性能指标。75一、焊接结构的特点及其对脆断的影响刚性大、整体性强o 焊接结构是由许多不可拆卸的焊接接头连接而成；o 焊接结构的刚性大；o 焊接结构的整体性为设计制造合理的钢结构提供了可能性。76图4-36 “自由轮”甲板舱口设计对比a-原始设计； b-改进设计 7778二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响低应力脆性断裂有以下几种情况

29、：A.在低应力下产生裂纹并立即断裂。这是最危险的失隐断裂。B.低应力下虽产生脆性裂纹，但裂纹扩展到一定长度后自行停止。以后继续加载到屈服强度后才完全断裂。C.在较高温度下，则要有高达屈服强度的应力才会产生裂纹，最后发生断裂。(一)焊接残余应力对脆性断裂的影响 当温度在材料的脆性转变温度以下时，如果焊接残余应力为拉应力，拉伸残余应力将和工作应力迭加共同起作用，在外加载荷很低时，发生低应力脆性破坏。 拉伸残余应力一般只限于焊缝附近部位，所以在焊缝附近的峰值残余应力有助于断裂的发生。 79图4-37图4-3880图4-39（二）焊接应力循环和应变循环对脆断的影响试验结果表明，焊接应力、应变循环对于焊

30、前有裂纹和焊后开裂的宽板试件抗脆断能力有不同程度的影响，特别是应变循环的影响差别更大。二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响81由应力循环、应变循环、热塑性变形循环以及热循环引起的应变时效对局部脆化影响严重。由热循环引起的应变时效热应变时效或动应变时效。82二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响（三）焊接生产过程对结构脆断的影响1.预应变对脆断的影响图4-41 钢板弯曲成形图4-40 矫正弯曲成形2.火焰弯板和矫形对脆断的影响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。 焊接过程的快速加热和冷却，使焊缝本身和热影响区发生一系列组织变化，过小的焊接热输

31、入易造成淬硬组织并易产生裂纹；过大的焊接热输入易造成晶粒粗大和脆化，降低接头的韧性。（四）焊接热循环产生的金相组织变化对脆断的影响q过小导致淬硬组织，易产生裂纹。q过大导致晶粒粗大，材质脆化，韧性减小。二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响83（五）角变形和错边对脆断的影响二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响图4-42 角变形产生的附加弯矩a-具有角变形的对接接头的拉伸b-没有角变形的对接接头的拉伸图4-43 角变形对破坏应力的影响8485图4-44 堆焊“防裂焊缝”示意图图4-45 接头错边造成附加弯矩图4-44 堆焊“防裂焊缝”示意图图4-45 接头错边造成附加弯矩86（六）焊接缺陷对脆断的

32、影响 焊接接头中，大约40的脆断事故是从焊接缺陷处开始的。在外载作用下，裂纹前沿附近会产生少量塑性变形，同时尖端有一定量的张开位移，使裂纹缓慢发展，当外载增加到某一临界值时，裂纹即以高速度扩展，此时裂纹如位于高值拉应力区，往往引起整个结构的脆性断裂。 除去裂纹以外，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝表面成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏。二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响8788平面缺陷：裂纹、分层、未焊透这类缺陷对断裂的影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度。横向裂纹横向裂纹中心线裂纹中心线裂纹根部裂纹根部裂纹根部未熔合根部未熔合89单个夹杂单个夹杂链状气孔链状气

33、孔气孔气孔内侧未熔合内侧未熔合内部未熔合内部未熔合线状夹渣线状夹渣非平面缺陷：气孔、夹渣对断裂的影响程度一般低于平面缺陷。90外部咬肉外部咬肉内部咬肉内部咬肉根部焊瘤根部焊瘤内凹内凹错边错边一、由亚临界裂纹引起的结构脆断 由断裂力学得知，如果结构中的裂纹尺寸超过了由材料和工作应力所确定的临界尺寸时，则裂纹将发生扩展，直至结构发生断裂。但是，对于焊接结构并非一定如此。实际调查表明，在某些焊接结构中，一些断裂现象发生在裂纹尺寸小于临界尺寸的情况。造成亚临界裂纹扩展到临界尺寸的原因：l对结构提供了附加能量；l使结构产生局部脆化；l造成疲劳和应力腐蚀裂纹。亚临界裂纹扩展速率方程：亚临界裂纹扩展速率方程：v=AK1n 91ca0aca0aC失稳扩展亚临界亚临界扩展图4-46 亚临界裂纹扩展92断裂理论在材料中