焊接結构的脆性断裂分析.doc

焊接结构的脆性断裂分析 目录 摘要 焊接结构的失效 脆性断裂的特征 金属材料脆性断裂的能量理论 材料断裂的评定方法 焊接结构脆性断裂事故 脆性断裂产生的原因和影响因素 防止焊接结构脆性断裂的工程技术措施 结论 摘要：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效，通常脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失，因此分析焊接结构脆性断裂的主要因素并从防脆断设计、制造质量的全面控制、设备使用管理等方面提出防止焊接结构发生脆断的工程技术措施显得尤为重要。 一、焊接结构的失效 通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素在一定条件下断裂，接头一旦失效，就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展造成焊接结构损坏，致使设备停机影响正常生产，焊接结构的失效不仅将停止生产，还往往造成许多严重的灾难性事故。工程中焊接结构有三种断裂形式，脆性断裂（又叫低应力断裂）、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，其中，脆性断裂一般都在应力不高于结构的设计应力和没有明显的塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，不易事先发现和预防，破坏性非常严重。 二、脆性断裂的特征 脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏,其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征，它是靠结构内部蓄积的弹性能量的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往带来巨大的损失，一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是皇光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端是指向启裂点的方向,形成山形花样,追综这个花样可以找到启裂点。 三、金属材料脆性断裂的能量理论 1920年Griffith取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，先使平板受到单向均匀拉伸应力（图1），然后将其两端固定，以杜绝外部能源，垂直于拉应力的方向开长度为的穿透裂纹，平板中的弹性应变能将有一部分释放，其释放量为，新表面吸收的能量为，系统总能量变化为，则 裂纹释放的弹性应变能为 设裂纹的单位表面吸收的表面能为，则形成裂纹所需要的总表面能为 因此，裂纹体的能量改变总量为 能量随裂纹长度的变化如图2 裂纹扩展的临界条件 ，即 因此，－对应于裂纹半长为时导致断裂的应力，－在应力作用下，如果裂纹半长时，裂纹不扩展，结构可以安全工作。 工程上处理时，应注意两点： ① 设计时估计的可靠性； ② 检测中对于缺陷图像显示或描述的准确性如何？真实再现。 （） －裂纹扩展力 裂纹扩展阻力 给定材料为常数。 ，裂纹自动扩展 ，裂纹不能自动扩展。 此时才知道材料有这么一种性能，我们通常称之为材料的断裂韧性（Fracture toughness）实际， 、、、断裂韧性、、、，对于脆性材料，抵抗裂纹扩展主要是表面张力，对于具有一定塑性的材料，此时的阻力由两部分组成： ① 表面张力； ② 裂纹尖端附近区域在形成新表面前要产生一定的塑性变形而吸收能量，用表示： 对于金属材料，于是 ，， 由 Orowan 提出，在上述基础上，Irwin(美国)发展并确立了弹性断裂力学（1957年）（1950年，U.S.A Navy 北极星导弹） 图1 无限大平板中存在长度为的Ⅰ型裂纹模型（Griffith） 图2 系统能量与裂纹扩展的关系 四、脆性断裂的评定方法 金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度σs和断裂强度σf。温度降低，σs上升速率大于σf上升速率，两线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度，当TTk时，σfσs，材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度，即材料无塑性变形而产生脆断。 σs和σf随温度变化图 于是脆性断裂的评定主要就变为了转变温度的评定，有以下几种方法： 1. 冲击试验 分为夏比V形缺口冲击试验和梅氏U形缺口冲击试验 夏比V形缺口冲击试验评定： 能量准则：以冲击断裂功αk值降低到某一特定数值时的温度作为临界温度Tk。 断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定临界温度Tk。 延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。 2.威尔斯宽板试验 在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环方面模拟实际结构。该试验脆性断裂有三种情况： ①低应力产生裂纹并立即断裂; ②低应力产生裂纹扩展一定长度后自