第8讲-焊接结构的脆性断裂

第8讲焊接结构的脆性断裂1.1金属的断裂一、金属材料断裂和形态特征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。断裂现象可以有多种分类标准：(1)根据金属材料断裂前变形的大小分：塑性断裂，脆性断裂(2)按金相显微组织的形状分：穿晶断裂，沿晶断裂(3)按宏观形态的方位分：正断，切断由于大多数断裂是在瞬间发生的，所以，用实验方法难于掌握断裂的过程和微观机理。但是，由于断裂后在断口上经常留下能够反映断裂过程和微观机理的痕迹和特征。所以可以借助断口分析对断裂进行研究。表1-1归纳了各种断裂及其特征。表1-1金属断裂的分类及其特征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σmax方向切断断裂的宏观表面平行于τmax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）二、脆性断裂脆性断裂---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。脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂，如图1-1所示。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，脆性断裂在钢中的传播速度能够达到1800m/s。。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。(a)解理型断口(b)晶间断裂图1-1脆性断裂断口形貌1.解理断裂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。表1-2显示了部分晶型的主解理面、次解理面及滑移面。表1-2部分晶型的解理面晶体结构金属名称主解理面次解理面或滑移面体心立方α-Fe,W,Nb,V,Cr,Mo,Mn{100}{110},{112}密排六方Zn,Cd,Mg,α-Ti,Sn{0001}{1010},{0001}金刚石晶体Si,Ge{111}/离子晶体NaCl,LiF{100}{110}面心立方Al,Cu,Ni,r型钢等/{111}解理断裂过程包括裂纹的萌生和扩展两个阶段。Cottrell提出的位错聚合模型，如图1-2所示。{001}解理面与{101}和{10}滑移面成45º相交于[010]轴。在外力σ作用下，沿{101}面有一个具有柏氏矢量为和沿{10}+→(1-1)图1-2解理裂纹形成的示意图图1-3解理裂纹扩展的示意图在体心立方晶体中形成的a[001]刃型位错，是和解离面的刃口相合，具有较低的弹性能。位错合成石相吸的。由于位错不断反应，所形成的许多a[001]位错相聚合，形成具有柏氏矢量为nb的大位错，此大位错即为解理裂纹的胚芽，而n为裂纹胚芽中的位错数目。解理裂纹扩展受裂纹前端应力状态、材质、温度等因素影响。在一定弹性应力场作用下释放的弹性能驱动裂纹的扩展。图1-3为解离断裂扩展过程的示意图。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面，有金属光泽，一般与主应力垂直，没有塑性变形量较小。微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。解理断口的微观特征形态常出现河流花样、舌状花样、扇形花样等，如图1-4所示。(a)宏观断口-人字花样(b)微观断口：A台阶，B河流花样图1-4脆性断裂断口形貌脆性解理断裂的主要特征是解离裂纹形成所需要的能量较低。裂纹一旦开始扩展即不需增加驱动力而发生失稳扩展。裂纹扩展速度极快，不能抑制。从而反应在工程上为低应力的灾难性破坏。2.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。准解离断面形貌如图1-5所示。介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。图1-5准解离断面形貌3.晶(间)界断裂晶界断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。晶界脆性断裂即是沿晶粒边界发生的分离，是由于各种析出相、夹杂物和元素偏析，出现第二相粒子，甚至出现脆性薄层，加之环境（如应力腐蚀）、温度（如热损伤等）和机械（如三向应力状态）等外来因素，导致沿晶界的破断，如图1-6所示。图1-6沿晶断裂的断口形貌晶界断断裂的原因大致有：①晶界存在连续分布的脆性第二相；②微量有害杂质元素在晶界上偏聚；③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。晶界断裂的断口宏观形貌较灰暗，没有明显塑性变形。微观形貌表现为穿晶、岩石花样、冰糖花样。二、影响金属断裂因素(1)化学成分合金元素，杂质，气体，夹杂物等。钢中的C、N、O、H、S、P增加钢的脆性。另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当则有助于减少钢的脆性。(2)金属晶粒度和各项异性对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性—延性转变温度有很大影响，即晶粒越细，其转变温度越低。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。(3)板厚厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制，形成所谓的平面应变状态；而当板材比较薄时，材料在厚度方向能比较自由地收缩，故厚度方向的应力较小，接近于平面应力状态。如前所述，平面应变的三轴应力使材料变脆。生产薄板时压延量大，轧制温度较低，组织细密，相反，厚板轧制次数少，终轧温度较高，组织疏松，内外层均匀性较差。(4)应力状态应力集中能够改变应力状态。实验证明，许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性，当处于三轴拉伸应力下，因不易发生塑性变形，呈现脆性。(5)加载速度加载速度提高使得材料的屈服点升高，促使材料向脆性转变。(6)温度对于一定的加载方式（应力状态），当温度降至某一临界值时，将出现延性到脆性断裂的转变。这个温度称之为转变温度。转变温度随最大切应力与最大正应力之比值的降低而提高。1.2焊接结构的脆性断裂事故、原因、影响因素一、焊接脆性断裂特征：(1)脆断一般在没有显著塑性变形情况下发生。(2)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。(3)脆断事故难以事先发现。二、一般情况，脆断事故与原因与以下几个方面因素有关：(1)结构在低温下工作，低温使得材料的性质变脆；(2)焊接残余应力起到不良作用；(3)焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降；(4)用不合格材料；(5)结构设计不合理；(6)焊接过程中形成错边和产生角变形。1.3材料断裂的评定方法结构的抗脆断性能不能用光滑试件和静载荷加载方式试验来反映。一、转变温度的评定方法用转变温度作为标准来评定钢材的脆性-韧性行为。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度，Tk，如图1-7所示。图1-7屈服强度和临界断裂强度与温度的关系材料由韧性状态向脆性状态转变的临界温度常常有以下几种方法确定：（一）冲击试验在研究船舶脆断事故中常用。(1)能量准则法(2)断口形貌准则法(3)延性准则法（二）佩里尼断裂分析理论断裂的表现有三种：裂纹源，裂纹扩展，裂纹的止裂。(1)爆炸试验(2)落锤试验(3)静载试验(4)动态撕裂试验（三）尼伯林克试验四点弯曲法——是目前检验母材或焊接接头抗脆性断裂的重要方法之一。（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)堆焊静弯试验二、断裂力学方法常规力学无法满足带裂纹的、强度高而塑性储备小的合金材料以及大厚度构件的破坏分析。这些结构对缺陷、应力集中、内部应力的敏感性高，低应力脆断容易发生，断裂力学应运而生。在断裂力学研究中，常采用金属材料平面应变断裂韧性，金属材料的裂纹张开位移和延性断裂韧性为脆性断裂的判据。断裂力学即裂纹体力学，是专门研究裂纹体中，裂纹在萌生、扩展中的力学理论及其应用问题的科学。这里的裂纹是广义的，材料中的微小缺陷也被视作微裂纹。断裂力学通过研究裂纹尖端局部区域的应力、应变(方向、大小、分布)情况，了解裂纹在应力作用下的扩展规律，以确定带裂纹构件(即裂纹体)的承载能力或使用寿命，保证构件安全工作。断裂力学试验的本质就是缺口韧性试验。断裂力学的任务在于：(1)研究宏观裂纹在什么条件下，才会导致失稳扩展，引发脆性断裂；(2)建立裂纹尺寸与破坏应力之间的关系。对于结构安全设计、合理选材、改进材质和施工工艺，以及制定裂纹体力学的概念标准有重要意义。按裂纹存在的几何特性，把裂纹分为表面裂纹、深埋裂纹和穿透裂纹，图1-8是三种裂纹规则形式示意图。若裂纹位于构件的表面或裂纹的深度与构件的厚度相比较小，则称为表面裂纹。在工程中表面裂纹常简化为半椭圆形裂纹。裂纹处于构件内部，在表面上看不到开裂的痕迹，这种裂纹称为深埋裂纹。计算时常简化为椭圆片状或圆片状裂纹。裂纹贯穿整个构件厚度，则称为穿透裂纹，也称为贯穿裂纹。图1-8三种裂纹规则形式在断裂力学中，裂纹常按其受力及裂纹扩展途径分为三种类型，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型裂纹即为张开型裂纹，如图1-9(a)所示，拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹上下表面沿作用力的方向张开，裂纹沿裂纹面向前扩展。工程中属于这类裂纹的如板中有一穿透裂纹，其方向与板所受拉应力方向垂直，或压力容器中的纵向裂纹等。Ⅱ型裂纹即为滑开型裂纹。其特征为裂纹的扩展受切应力控制，切应力平行作用于裂纹面而且垂直于裂纹线，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展，如图1-9(b)所示。Ⅲ型裂纹即为撕开型裂纹。在平行于裂纹面而与裂纹前沿线方向平行的剪应力的作用下，裂纹面产生沿裂纹面的撕开扩展，如图1-9(c)所示。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。断裂韧度KIC，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：MPa·m1/2或者MN·m-3/2。断裂判据：KI<KIC构件安全KI>KIC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(a)Ⅰ型张开型裂纹;(b)Ⅱ型滑开型裂纹;(c)Ⅲ型撕开型裂纹图1-9裂纹扩展形式K准则使我们向更全面更科学地评估和确定结构安全性的道路上迈进了一大步，其基本步骤是：根据探伤实验测定构件中的缺陷尺寸，计算出构件的受力状态，这样可计算出裂纹尖端的应力场强度因子KI，将其与材料的断裂韧性KIC比较，若KI<KIC，则结构是安全的，否则将有脆断的危险，反过来可以确定选材是否合理。根据传统设计方法，为了提高构件的安全性，总是加大安全系数，这样势必提高材料的强度等级，对于高强钢来说，往往造成低应力脆断。断裂力学提出了新的设计和评估思路，即为了保证结构的安全，采用较小的传统意义上的安全系数，适当降低材料的强度等级，提高材料的断裂韧性。KIC是衡量材料工艺质量和服役可靠性的新指标，追求高的不一定正确，但追求高的KIC却一定是正确的，兼顾两者才是科学的态度。1.4影响焊接结构脆性断裂的因素一、焊接结构的特点及其对脆断的影响二十世纪二十年代以前，大型金属结构都采用铆接结构，断裂事故不多。焊接结构脆断事故与焊接结构的特点有关。与铆接结构相比，焊接结构整体性强、刚性大。二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响焊接结构制造工艺中所发生的材质应变脆化、焊接缺陷、焊接应力与变形、应力集中和金相组织不均匀都是研究焊接结构脆断的关键。（一）焊接残余应力对脆性断裂的影响韦尔斯(wells)于1956年提出预先开缺口的焊接宽板拉伸试验，获得了模拟低应力脆性断裂的初次成功。低应力脆性断裂有以下几种情况：(1)在低应力下产生裂纹并立即断裂。这是最危险的失隐断裂。(2)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。(3)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。有关残余应力对开裂性能的定量估计正在研究之中。（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、应变循环对于焊前有裂纹和焊后开裂纹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。在焊接过程中，材料经受应力和应变循环，同时也受到热作用而发生应变时效，即称“热应变时效”（或“送应变时效”）。所以在进行多层焊时，如果在先焊的焊道中产生了焊接裂纹或未焊透，则在后续的焊道焊接过程中，有可能在这些缺陷处产生热应变时效，使焊接结构的抗脆断能力下降。（三）焊接生产过程对结构脆断的影响(1)与应变对脆断的影响焊接结构生产过程中，一般要经剪切、成形等加工工序。材料在成形加工中的预应变量可能达到2~3%导致材料的塑性降低，脆断倾向增加高温(200~600℃)(2)火焰弯板和矫形对脆断的影响焊接结构的弯板和矫形时，常采用气体火焰加热并用水冷的办法完成。导致材料的性能发生变化。研究表明，火焰加热区的温度分布、最高加热温度、冷却条件和加热次数都对材质的脆化有影响。（四）焊接热循环产生的金相组织变化对脆断的影响热影响区是焊接接头薄弱环节之一。热影响区的金相组织主要取决于焊接线能量。合理的选择焊接线能量对防止结构发生脆断极为重要：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。（五）角变形和错便对脆断的影响在焊接接头受力过程中，角变形和错边都会引起附加弯曲应力，从而易引起接头破坏，导致焊接结构脆断。（六）焊接缺陷对脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关。以缺陷对脆断的影响而言，可将焊接缺陷分为：(1)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。(2)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。1.5焊件脆性断裂分析研究在焊接结构的生产制造过程中，要想完全避免焊接缺陷是不现实的，必须承认，在实际的焊接结构中，总会存在不同程度的宏观和微观裂纹。因此用断裂力学原理来分析焊接结构的脆断是合理的。裂纹的扩展分为稳定扩展(又称亚临界扩展)和失稳扩展(不稳定扩展)。裂纹的稳定扩展，是裂纹在不断接受外界能量情况下才会扩展。裂纹的不稳定扩展，是裂纹在不需要继续提供能量的情况下裂纹就发生的扩展，低应力脆断时的裂纹扩展即属于此种情况。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。图1-10为亚临界裂纹扩展示意图。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：(1)对结构提供了附加能量；(2)使结构产生局部脆化；(3)造成疲劳和应力腐蚀裂纹。图1-10亚临界裂纹扩展二、焊接结构的两种设计原则防止断裂引发原则结构的薄弱环节应具有一定的抗开裂性能。止裂原则一旦出现裂纹，材料应具有止裂能力。防止焊接结构脆性破坏事故有效而又经济的方法是使焊接结构的薄弱环节─焊接接头处（因为此处材料受到焊接循环所造成的各种不同因素的影响并容易产生各种缺陷）具有一定的抵抗性断裂引发的能力，即所谓抗开裂性能，同时希望，一旦在这些地方产生了脆性小裂纹，限制其只在接头局部扩展，而周围的母材具有将其迅速止住的能力，即对小裂纹的止裂