焊接结构断裂理论范例.ppt

焊接结构的疲劳破坏 * 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 本章主要内容 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； 二、提高结构疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。 焊接结构的脆性断裂 一、脆性断裂的主要特征 宏观：断裂前无明显塑性变形，没有任何先兆，突然性强。 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形式。 断口形态：断口发光颗粒、平整、人字花样、河流花样、穿晶。 二、焊接结构产生脆性断裂的原因 1、焊接结构本身： 刚性大，整体性强，构件间很难发生相对位移，焊接应力很难消除，且对应力集中特别敏感。止裂能力差，裂纹容易在构件之间扩展，继而扩展到整体。 2、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。 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。 测试温度 度 强 断裂强度 屈服强度 3、焊接热循环 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30 mm，线输入达50000J/cm时，可使脆性转变点升高50~100℃ 平板堆焊 4、焊接残余应力 降低材料实际承载能力。 产生应力集中，使微裂纹扩展成脆性断裂源。 简单轮辐结构 5、备料及成形加工 产生附加应力。材料在成形加工时的预应变可达2%~3%，预应变使材料塑性降低，脆断倾向增加。 可能引入新的显微缺陷，这些缺陷可能成为断裂源。 钢板弯曲成形 矫正弯曲变形 6、焊接缺陷 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，并可能诱发微裂纹，如扩展到表面，就可能成为断裂源。 焊接热烈纹 焊缝内气孔 三、影响焊接结构脆性断裂的因素 1、应力状态的影响 缺口效应 2、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。 4、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内因。 1）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。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。 2）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温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。 3）化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助减小钢的脆性。 四、防止焊接结构脆性断裂的措施 1、正确选用材料 ㈠ 接头各部分的要求 ㈡ 不能盲目选用高强度材料 2、采用合理的焊接结构设计 ㈠ 减少应力集中 减小应力集中 尽量采用圆滑过渡 把角接头改成对接接头 焊缝错开布置 ㈡ 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，以降低应力集中和附加应力对脆性断裂倾向的影响。 通常用开“缓和孔”或开“缓和槽”等方法来减小接头的刚度，有时还故意留一段焊缝不焊。 三条焊缝空间交叉，刚度大，应力集中严重。 把一块板切掉一角，降低结构刚度。 3、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，这样会使板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。 4、重视附件和不受力的焊缝设计 5、减小和消除焊接残余应力与变形 6、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，如海洋钻井的设计要求掌握近20年的气象报告，最后通过概率统计得出结构最低工作温度。 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。 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。 热影响区 腐蚀介质 热影响区 腐蚀介质 增加板厚 小 结 脆性断裂的特征 无明显塑性变形的低应力破坏，突然性强。 产生脆断的原因 ⑴ 使用温度低于脆性转变温度使塑性材料变脆； ⑵ 焊接热循环容易使热影响区组织粗大，塑性下降; ⑶ 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； ⑷ 焊接缺陷使结构的实际承载面积减小，并可能引起微裂纹； ⑸ 备料及成形加工时容易引入缺陷和降低