焊接区韧性测试

1、一、填空：1、按断裂路径分类，一般可分为穿晶断裂、沿晶断裂和混合断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部而延伸的断裂。沿晶断裂：裂纹沿晶粒边界扩展的断裂。混合断裂：同一裂纹体中的裂纹既可能发生穿品，也可能发生沿晶，呈混合状， 从而成为混合断裂。一般情况下的脆性断裂、延性断裂及疲劳断裂多属穿品型的断裂。沿品型断裂是 高温条件下材料断裂行为的特点。高温蠕变断裂首先是沿晶粒边界发生的。沿晶 断裂基本上均属脆性断裂的范畴。品界腐蚀开裂一般也是沿晶型断裂。2、按断裂前材料的断裂应变分类，可分为脆性断裂和韧性（或延性）断裂。脆性断裂：材料（或构件）断裂前没有宏观塑性变形或塑性变形很小，即断裂应变 很小。脆性断裂的

2、断口往往垂直于正应力方向，较平坦、整齐，断口有金属光泽， 强光下可看到断口中颗粒状的小面闪闪反光。用肉眼可看到断口中往往有放射条 纹或人字纹。工程上规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%的材料称为脆性材 料。韧性断裂：材料（或构件）断裂前有明显的塑性变形，即断裂应变较大。延性断裂 宏观断口形貌呈凹凸不平的暗灰色纤维状。根据金属断裂理论，多晶体材料的断裂过程可分为裂纹形核、裂纹扩展和断 裂三个阶段。3、按断口形貌分类，可分为解理断裂（对应解理断口）、准解理断裂（对应准解理 断口）、沿晶断裂（对应沿晶断口）、纯剪切断裂及微孔聚集型断裂（对应韧窝断口）。 在大多数情况下，断裂面显示混合断口，宏观断口的

3、不同区域显示不同的微观断 口形貌。4、断口特征三要素。纤维区（Fibrous Zone FZ），此区为裂纹启裂区。表面较粗 糙，呈纤维状；放射区（Radial Zone RZ）。此区与纤维区相邻，两者交界处标志 着裂纹由缓慢扩展向快速失稳扩展过渡。放射区的特征在于它具有放射状花样， 放射的方向与裂纹扩展方向平行，且垂直于裂纹前沿的轮廓线，其逆向则指向裂 纹源。放射性花样是剪切型低能量撕裂的一种标志。剪切唇区（Shear Lip Zone SL）。此区为断裂的最终阶段区，它紧邻放射区，表面较光滑，并与拉伸应力轴 呈45交角。剪切唇区的断裂为典型的剪切型断裂，也是裂纹失稳快速扩展的结 果。5、按受

4、力情况可将裂纹分为I型、II型及III型，它是依照裂纹面和裂纹扩展方 向与受力方向间的关系确定的。I型裂纹为张开型裂纹，裂纹面与受力方向相垂直，裂纹扩展方向也垂直于外力。 II型裂纹为滑开型裂纹，裂纹面及裂纹扩展方向均与受力方向相平行。III型裂纹为撕开型裂纹，此时裂纹面平行于受力方向，而裂纹扩展方向则垂直于 受力方向。以上三种型式裂纹中，以I型裂纹最为有害，危险性最大。6、断裂韧度：在断裂力学中，构件裂纹起始扩展时的临界应力强度因子称为断 裂韧度。广义地讲，临界J积分和临界裂纹尖端张开位移也称为断裂韧度。断裂 韧度是材料的韧性指标，反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。断裂韧度值越高， 说明材料

5、的韧性越好，抵抗裂纹失稳扩展的能力越强。7、金属的韧性是一种力学性能，它是金属断裂前吸收变形能量的能力，也是在 给定外界条件下所表现的行为。金属的韧性在数值上用力学试验中应力-应变曲 线所包围的面积来表示，这个面积就表示了金属发生塑性变形及断裂全过程中所 吸收的能量，它是强度和塑性的综合体现。8、应力强度因子：它表示着在名义应力作用下裂纹尖端应力场的强弱程度，为 各应力分量中的共同因子，故它的大小确定了裂纹尖端附近区域诸点应力的高 低，因而称为应力场强度因子。当构件的值达到其临界值KIc时，构件就会失 稳断裂。KI的临界值KIc，就表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗断裂 的一个韧性指标，

6、称为断裂韧性。9、裂纹张开位移：简称COD (Crack Opening Displacement)，系指裂纹体受载 后，在原裂纹尖端垂直于裂纹方向上所产生的位移，一般用少表示。当裂纹张开 位移少达到某一临界值时，裂纹将会开裂。即心少c时，是材料弹塑性断裂 韧性指标，是材料常数，可以由实验测得，它与温度有关。必须注意，是裂纹 开裂的临界值，而不是裂纹最后失稳的临界值。10、裂纹扩展能量释放率：裂纹扩展单位面积时系统能量释放量，或为裂纹扩展 单位长度时的扩展力，用G表示。对一定材料而言，裂纹扩展所消耗的塑性功 和裂纹表面能都是材料常数，而与外载情况以及裂纹儿何形状无关，因此G反 映了材料抵抗断裂

7、破坏的能力，称为材料的断裂韧度，它可由材料实验测定。当 G达到G时，裂纹将失去平衡，开始失稳扩展。所以能量释放率断裂判据为： cG=Gc。11、J积分反映了裂纹尖端的某种力学特性或应力应变场强度；同时在分析中有 可能避开裂纹尖端这个难以直接严密分析的区域。J积分的数值是一个与积分路 径无关的常数，即具有守恒性。12、疲劳断裂占失效90%，从应力集中出开始。断口显微特征为疲劳辉纹。13、线弹性断裂力学：断裂力学的一个重要分支，它用弹性力学的线性理论对裂 纹体进行力学分析，并采用由此求得的某些特征参量（如应力强度因子、能量释 放率）作为判断裂纹扩展的准则。线弹性断裂力学理论是断裂力学中最简单也是最

8、基本的理论。其研究基础是线弹 性理论，其研究对象是理想的线弹性体即服从胡克定律的材料。它主要从两个角 度分析裂纹体的力学性能：一个是通过分析含有裂纹体的应力应变场，得到表征 裂纹尖端应力应变场强度的特征参数应力强度因子K；另一个是从能量的观 点出发，考察裂纹扩展过程中能量的变化，得到表征裂纹扩展的能量变化的参数 能量释放率G。14、弹塑性断裂力学：应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准 则，适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。由于直接求裂纹尖 端附近塑性区断裂问题的解析解十分困难，因此多采用J积分法、COD （裂纹张 开位移）法、R （阻力）曲线法等近似或实验方法进行

9、分析。弹塑性断裂力学的研究范围为：当裂纹尖端前缘的塑性区尺寸大到了与裂纹尺寸 相近，或超过；裂尖应力强度因子已不再适用的大范围屈服（包括全范围屈服， 限于小变形）的弹塑性体的断裂问题。当前对于弹塑性断裂力学问题常用的研究方法有两种：J积分法和裂纹尖端张开 位移（CTOD）法。J积分法是一种能量法，该方法有解析基础和比较明确的物理意 义，是一种有前途的方法;裂纹尖端张开位移法是一种实验方法，适用范围广， 可用于由小范围屈服直到全范围屈服以及大变形的任何情况。15、断裂力学：应用线弹性和弹塑性力学，研究带裂纹的结构或部件在外部及内 部因素作用下，裂纹再萌生、扩展直至断裂的条件和规律，并研究部件材料

10、抗裂 纹扩展、抗断裂能力，做出部件安全性和寿命估算的学科。二、名词解释：1、断口金相的宏观分析：用肉眼、放大镜或立体光学显微镜(40-50倍以下)对断 口全貌进行的分析，被称为宏观分析。2、断口金相的微观分析：借助于焦点深度大、分辨率高的电子显微镜，对表面 凹凸差较大的断口在高倍下进行的微观分析。3、穿晶断裂4、沿晶断裂5、延性断裂6、脆性断裂7、张开型裂纹8、应力强度因子9、裂纹张开位移10、断裂力学11、线弹性断裂力学12、弹塑性断裂力学13、断裂韧度14、裂纹扩展能量释放率三、简答题：1、简要叙述平面应变断裂韧性KIC的测定步骤。答：1)、准备阶段、试件制备：取样，预制裂纹一一先用线切割

11、机切割引发裂纹。要求a/W在0.450.55之间，以裂纹总长a=0.5W为宜。、测试装置：用三点弯曲试件测定KIC的测试系统是由加力装置，测力装置、 位移测量装置和检测记录装置所组成。、进行实验、测量试件尺寸。、置试件于万能试验机的支座上，使裂纹线与加载线对中，并将位移传感器 安装在贴刀口的部位，将应变仪的输出接到X-Y函数记录仪的两个接线柱上。、动态电阻应变仪的平衡调节。、选择应变仪和函数记录仪的量程。、开动万能材料试验机，缓慢加载，记录仪自动绘制载荷位移关系曲线。、测量裂纹长度：a1、a2、a3、a4、a5。、在记录的P-V曲线上，确定条件临界载荷值。、实验结果处理、计算条件应力强度因子。

12、、检查实验的有效性如果有效性条件全部满足，则条件应力强度因子值就是材料平面应变断裂韧性KIC 值。2、分析焊缝金属韧性的影响因素及相应的改善措施？答：影响焊缝区韧性的因素和热影响区大致相同，包括焊接材料和焊接工艺两方 面的因素，但有两个主要特点：、焊缝原始组织很粗大，以柱状品为主、含氧量高，组织组成不同于热影响区、焊接材料它决定了焊缝金属的WM-CCT图的特征。焊缝金属中AF含量越多，韧性越好;GBF含量越多，韧性越差。、焊接工艺它决定了焊缝金属的冷却曲线。、合金元素C是主要合金元素，影响结品形态和提高淬硬性，实际C%在0.04-0.07%较好； Mn是主要的淬硬性元素和强化元素，当Mn含量在

13、0.6-1.8%范围内，以Mn = 1.5%时，韧性最好；Si含量应与Mn含量匹配，含量无论过多或者过少，韧性 均下降，只有当Mn = 0.8-1.0%，Si = 0.1-0.25%时，冲击吸收功最高；Ni对提高 韧性是有利的，但需要C和S含量的配合，即在低C、低S含量的条件下对韧 性有利，但太高，韧性下降；Mn和Ni都是扩大A区的元素，增加强度和硬度， 当Mn含量在1.5%左右，Ni含量在1.3%左右，韧性最好；适当的Nb、V提高 焊缝的冲击韧性，如Nb=0.03-0.04%，V=0.05-0.1%时，焊缝具有良好的韧性。 少量的稀土元素有助于提高韧性；微量元素Nb、V、Ti、B起微合金化作

14、用，可 改善韧性。改善焊缝区韧性的主要措施有：1）、选择最佳C、Mn、Si、O含量C 0.05-0.07%、Mn1.35-1.5%、Si0.23-0.35%、O300ppm，这样可以形成大量针状 铁素体。2）、Ti-B 韧化B提高渗透性，抑制边界铁素体形成，使较多的大部分A到低温再转变。要使 Ti、B、O、N含量配合恰当，以期待得到以针状铁素体为主的组织。3）、用稀土可以降低氧化物夹杂，使其球化，韧性能大幅度提高，可以明显提高 上平台韧性。总之，可以看出改善焊缝金属韧性的重要途径，就是减少初析铁素体，增加针状 铁素体，避免贝氏体。3、分析焊接热影响区韧性的影响因素及相应的改善措施？答：焊接热影

15、响区的韧性影响因素，包括材料方面及焊接工艺两方面因素：1）、材料方面a、晶粒大小；一般来说，品粒越小，韧性越高。巾第二相的大小；第二相总体上是使品粒细化的，都有助于提高韧性。c、合金元素的影响；C是主要合金元素，影响结品形态和提高淬硬性，实际C%在0.04-0.07%较好； Mn是主要的淬硬性元素和强化元素，当Mn含量在0.6-1.8%范围内，以Mn = 1.5%时，韧性最好；Si含量应与Mn含量匹配，含量无论过多或者过少，韧性 均下降，只有当Mn = 0.8-1.0%，Si = 0.1-0.25%时，冲击吸收功最高；Ni对提高 韧性是有利的，但需要C和S含量的配合，即在低C、低S含量的条件下

16、对韧 性有利，但太高，韧性下降；Mn和Ni都是扩大A区的元素，增加强度和硬度， 当Mn含量在1.5%左右，Ni含量在1.3%左右，韧性最好；适当的Nb、V提高 焊缝的冲击韧性，如Nb=0.03-0.04%，V=0.05-0.1%时，焊缝具有良好的韧性。 少量的稀土元素有助于提高韧性；微量元素Nb、V、Ti、B起微合金化作用，可 改善韧性。2）、焊接工艺方面3、冷却速度；冷却速度应合适，太快形成马氏体，韧性变差，太慢形成上贝氏体，韧性变差。 含碳量低时，冷却速度快，得到自回火的低碳马氏体，综合性能好，含碳量高时， 冷却速度快，得到不能自回火的高碳马氏体，韧性差。b、焊接线能量线能量太大，形成过热

17、粗品脆化；线能量较大，形成上贝氏体和M-A组元脆化； 线能量较小时，形成马氏体加下贝氏体组织，韧性较好。可见，一般采用较小线 能量，可提高韧性c、拘束状态拘束状态可以改善焊接热影响区的组织，提高其韧性和强度。改善焊接热影响区韧性的主要措施有：1）、细化晶粒在非调制钢中，阻止奥氏体长大使用TiN，即加入Ti，一方面减少固溶氮和氮化 铁，同时生成的TiN有钉扎作用，阻止奥氏体长大，同时作为铁素体的核心细化 二次组织。2）、硼处理在调制钢中进行Ti-B处理，因为B可以增加钢的淬透性，得到调制钢所需的 Bl+M组织，而用Ti固N，得B；但发现，对Ti量要求严格，0.03%以上韧性显 著变坏。因为Ti是

18、活性元素，所以高强度钢HT80以上生产始终不甚稳定。80 年代以后日本采用Al-B处理。3）、极低S，Ca处理TiN细化HAZ品粒，1300-1450度以上就比较困难。用电镜观察距熔合线50pm 内，TiN全部溶解，50-70um有少量TiN，70pm以上才有和母材同样的TiN，所 以熔合线附近已经不起作用，且生产大量针状M-A组织。日本用极低 S0.001%+Ca0.0024%处理C-Mn-Si-Ti钢，晶粒比TiN处理更细，韧性更好。主 要机理是CaO溶解温度很高，引起熔化前不溶解，又可作为铁素体核心细化二 次组织，铁素体以球状氧化钙为中心成长。4、冲击断口上几个重要参数是什么？答：1)、

19、纤维区宽度纤维区的宽或窄，标志着塑性裂纹稳定扩展过程的长短。塑性裂纹稳定扩展 是韧窝形成与聚合长大的过程。因而要消耗较多的能量。纤维区宽度越大，试样 的韧性值越高。、起裂源与缺口根部的距离主应力的峰值出现在距缺口根部一定距离之外。随外加载荷的增加，主应力 不断增大，塑性区尺寸增大，高应力区的范围也增大，主应力峰值区向更远离缺 口的方向移动。、解理小剖面的尺寸剖面尺寸越大，解理断裂失稳扩展越易发生，韧性值下降。5、简述缺口对材料力学性能的影响？答：(1)产生应力集中；引起三向拉应力状态，使塑性变形受到约束，从而使材料发生整体屈服的应 力升高，产生约束系数，也就使材料的屈服强度提高，产生应力强化；

20、由应力集中带来应变集中；应力强化约束了变形使其集中；使缺口附近的应变速率增高。6、针对一个含有很多焊缝的失效构件，你认为应从哪些方面进行分析？答：1)、保护失效现场保护失效现场的一切证据，维持原状、完整无缺和真实不伪，是保证失效分析得 以顺利有效地进行的先决条件。失效现场的保护范围视机械设备的类型及其失效 发生的范围而定。2)、侦察失效现场和收集背景材料失效现场侦察应由授权的失效分析人员执行，并授权收集一切有关的背景材料。 失效现场侦察可用摄影、录像、录音、绘图及文字描述等方式进行记录。失效现场侦察所应注意观察和记录的项目主要有：、失效部件及碎片的名称、尺寸大小、形状和散落方位。、失效部件周围

21、散落的金属屑和粉末、氧化皮和粉末、润滑残留物、及一切 可疑的杂物和痕迹。、失效部件和碎片的变形、裂纹、断口、腐蚀、磨损的外观、位置和起始点， 表面的材料特征，如烧伤色泽、附着物、氧化物、腐蚀生成物等。、失效设备或部件的结构和制造特征。、环境条件：失效设备的周围景物、环境温度、湿度、大气、水质。、听取操作人员及佐证人介绍事故发生时情况(录音记录)。在观察和记录时要按照一定顺序，避免出现遗漏。例如观察和记录时由左向右、 由上向下、由表及里、由低倍到高倍等。所应收集的背景材料通常有：、失效设备的类型、制造厂名、制造日期、出厂批号，用户、安装地点、投 入运行日期、操作人员、维修人员、运行记录、维修记录

22、、操作规程、安全规程。、该设备的设计计算书及图纸、材料检验记录、制造工艺记录、质量控制记 录、验收记录、质量保证合同及其技术文件，使用说明书。、有关的标准、法规、及其他参考文献。、收集同类或相似部件过去曾发生过的失效情况。3)、制定失效分析计划只有极少数的情况下，通过现场和背景材料的分析就能得出失效原因的结 论。大多数失效案例都需根据现场侦察和背景材料的综合分析结果来制定“失效 分析计划”，确定进一步分析试验的目的、内容、方法和实施方式。在制定失效分析计划前要初步确定肇事件，通过肇事件的分析可以判断失效 模式、确定失效原因和机理，失效分析的详细计划是围绕着肇事件进行的，因此， 确定肇事件是一项

23、非常重要的工作。失效分析计划由授权的分析人员制定，根据具体情况或要求，可由有关方面 的代表参加讨论。失效分析试验过程通常包括以下内容：、金相检查、化学成分分析、无损检测、材料性能测试、试样的选取、保护和清洗、试样的宏观检查和分析、试样的微观检查和分析、断裂力学分析、模拟试验等对各项试验方案应考虑其必要性、有效性和经济性。一般宜先从简单的试验 方法入手，如有必要时才进一步使用费用高的和较复杂的试验方法。如确属必要 进行失效模拟试验，其设计应尽可能模拟真实的工况条件，使之具有说服力。从失效部件上和残留物上制取试件或样品，对于失效分析的成败具有十分重 要意义，务必要周密计划切取试样的位置、尺寸、数量

24、和取样方法。应当特别强 调，失效部件和残留物上具有说服力的位置和尺寸是十分有限的，一旦取样失误， 就无法复原而完全丧失说明力，致使整个失效分析计划归于失败，造成不可挽救 的后果。失效分析计划要留有余地，以便在个别试验中发现意外现象时，为了适应新 的情况，可中途改变某些方法，或做补充试验。、执行失效分析计划失效分析的各项试验应严格遵照计划执行，要有详细记录，随时分析试验结 果。失效分析的试验一般具有几个不同于一般科研试验的特点，应特别予以重 视：、一般都要求在很短的时间内取得试验结果，因此既要保证按时完成、又要 防止在匆忙中发生疏忽和差错。、许多失效分析工作涉及法律问题，为此，各项试验工作应建立

25、严格的责任 制度。试验人员在试验记录和报告上签名。、试件、样品都要直接取自失效实物。一般不能用其它来源的试件样品代替。、失效分析是人们进一步认识未知客观世界的一种科研活动，试验人员切不 可在思想上存在先入为主的概念，错误认为失效分析的试验只不过是已知条件的 复验、以致放松对试验过程中出现新现象的观察，实际上，失效分析往往含有新 发现和技术突破，试验人员更应注意观察这种试验的全过程。、综合评定分析结果授权的失效分析人员，要经过充分的讨论，对现场发现、背景材料及各项试 验结果做综合分析，确定失效的过程和原因，做出分析结论。综合分析，特别是在杂的失效案例情况下，可来用故障树(Fault Tree)找

26、其 它形式的逻辑图分析方法。在大多数情况下，失效原因可能有多种。应努力分清主要原因和次要原因。综合分析讨论会有详细的发言记录和代表共同意见的会议纪要，由与会人员 签名，存入失效案例档案。、研究补救措施和预防措施失效分析的目的不仅限于弄清失效原因，更重要的还在于研究提出有效的补 救措施和预防措施。从大量同类和相似失效案例分析积累的丰富经验有利于这类 措施的研究。补救措施和预防措施可能涉及设备的设计结构、制造技术、材料技术、运行 技术、修补技术、以及质量管理的改进，乃至涉及技术规范、标准和法规的修订 建议。这类研究工作量往往很大，除个别简单情况可由承担失效分析的人员进行 外，一般由失效分析人员提出

27、问题或补救方案，由负责单位责成有关专业部门或 单位进行专题研究，提出研究报告，做为改进设备的依据。、起草失效分析报告失效分析报告一般可不规定统一的格式，但行文要简练，条目要分明，内容一般 应包括下列项目：、题目；、任务来源：包括任务下达者及下达日期，任务内容简述，要求的分析目的；、各项试验过程及结果；、分析结果一一失效原因；、补救措施和预防措施或建议；、附件(原始记录、图片等)；、失效分析人员签名及日期。对于大宗同类产品的失效分析，宜规定一定的报告形式。以便于事后的统计分析 工作和计算机辅助失效分析。、评审失效分析报告失效分析评审会的组织形式及其参加人员可由有关方面协商决定，一般宜由 失效分析工作人员、失效设备的制造厂商代表、用户代表、管理部门代表、司法 部门代表和聘请的其它专家组成。各方面代表应本着尊重科学、尊重事