焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本理論

1、第三章焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本理論焊接結(jié)構(gòu)在使用中，除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠時(shí)會(huì)導(dǎo)致破壞外，還有其他形式的破壞，如疲勞破壞、脆性斷裂等，這些破壞也是焊接結(jié)構(gòu)常見(jiàn)破壞形式。本章主要介紹焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞、脆性斷裂產(chǎn)生的原因，以及提高疲勞強(qiáng)度和防止脆性斷裂的主要措施。第一節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞一、疲勞的定義疲勞定義為由重復(fù)應(yīng)力所引起的裂紋起始和緩慢擴(kuò)展而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷，疲勞極限是指試樣受“無(wú)數(shù)次”應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。在承受重復(fù)載荷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位，當(dāng)部件所受的公稱應(yīng)力低于彈性極限時(shí)，就可能產(chǎn)生疲勞裂紋，由于疲勞裂紋發(fā)展的最后階段一一失穩(wěn)擴(kuò)展（斷裂）是突然發(fā)生的，沒(méi)有預(yù)兆，沒(méi)有明顯的塑性變形，

2、難以采取預(yù)防措施，所以疲勞裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有很大危脅。焊接結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，也會(huì)由于裂紋引發(fā)（或）擴(kuò)展而發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般從應(yīng)力集中處開(kāi)始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產(chǎn)生。二、影響焊接接頭疲勞性能的因素焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，在很大程度上決定于構(gòu)件中的應(yīng)力集中情況，不合理的接頭形式和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的各種缺陷（如未焊透、咬邊等）是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。除此之外，焊接結(jié)構(gòu)自身的一些特點(diǎn)，如接頭性能的不均勻性，焊接殘余應(yīng)力等，都對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有影響。1 .應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的影響結(jié)構(gòu)上幾何不連續(xù)的部位都會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，金屬材料表面的缺口和內(nèi)部的缺陷也可造成

3、應(yīng)力集中。焊接接頭本身就是一個(gè)幾何不連續(xù)體，不同的接頭形式和不同的焊縫形狀，就有不同程度的應(yīng)力集中，其中具有角焊縫的接頭應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。構(gòu)件上缺口愈尖銳，應(yīng)力集中愈嚴(yán)重（即應(yīng)力集中系數(shù)K愈大），疲勞強(qiáng)度降低也愈大。不同材料或同一材料因組織和強(qiáng)度不同，缺口的敏感性（或缺口效應(yīng)）是不相同的。高強(qiáng)度鋼較低強(qiáng)度鋼對(duì)缺口敏感，即在具有同樣的缺口情況下，高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度比低強(qiáng)度鋼降低很多。焊接接頭中，承載焊縫的缺口效應(yīng)比非承載焊縫強(qiáng)烈，而承載焊縫中又以垂直于焊縫軸線方向的載荷對(duì)缺口最敏感。圖3-1是對(duì)三種強(qiáng)度不同結(jié)構(gòu)鋼的軋制表面光滑試件、對(duì)接接頭和十字接頭（均未加工）的疲勞極限與應(yīng)力比r的關(guān)系曲線（疲

4、勞圖）。圖中說(shuō)明，表面光滑（無(wú)應(yīng)力集中）強(qiáng)度高的材料，其疲勞強(qiáng)度也高；對(duì)接接頭有了應(yīng)力集中，這三種材料的疲勞強(qiáng)度都有降低。強(qiáng)度越高降低的幅度也越大；十字接頭因具有更嚴(yán)重的應(yīng)力集中，這三種材料的疲勞強(qiáng)度都降低很多，且都在一個(gè)應(yīng)力水平上。說(shuō)明在疲勞載荷的作用下由于應(yīng)力集中的存在使高強(qiáng)鋼失去了其靜載強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。圖3-1低、中、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭疲勞極限與應(yīng)力比的關(guān)系a）軋制板材b）中等質(zhì)量的對(duì)接接頭c）中等質(zhì)量的十字接頭圖3-2為低碳鋼搭接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果比較。圖3-2a是只有側(cè)面焊縫的搭接接頭，其疲勞強(qiáng)度只達(dá)到母材的34%。焊腳為1:1的正面焊縫的搭接接頭（圖3-2b）,其疲勞強(qiáng)度比只有側(cè)面

5、焊縫的接頭略高一些，但仍然很低。正面焊縫焊腳比例為1:2的搭接接頭，應(yīng)力集中獲得改善，疲勞強(qiáng)度有所提高，但效果不大。如果在焊縫向母材過(guò)渡區(qū)進(jìn)行表面機(jī)械加工（見(jiàn)圖3-2d）,也不能顯著地提高接頭的疲勞強(qiáng)度。只有當(dāng)蓋板的厚度比按強(qiáng)度條件所要求的增加一倍，焊腳比例為1:38,并經(jīng)機(jī)械加工使焊縫向母材平滑地過(guò)渡（圖3-2e）,才可提高到與母材一樣的疲勞強(qiáng)度，但這樣的接頭成本太高，不宜采用。圖3-2f是在對(duì)接接頭上加蓋板，這種接頭極不合理，把原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭大大地削弱了。圖3-2低碳鋼搭接接頭的疲勞極限對(duì)比表面狀態(tài)粗糙相當(dāng)于存在很多微缺口，這些缺口的應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。表面越粗糙，疲勞極

6、限降低就越嚴(yán)重。材料的強(qiáng)度水平越高，表面狀態(tài)的影響也越大。焊縫表面波紋過(guò)于粗糙，對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度是不利的。2 .焊接殘余應(yīng)力的影響焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度是有影響的。焊接殘余應(yīng)力的存在，改變了平均應(yīng)力bm的大小，而應(yīng)力幅ba卻沒(méi)有改變。在殘余拉應(yīng)力區(qū)使平均應(yīng)力增大，其工作應(yīng)力有可能達(dá)到或超出疲勞極限而破壞，故對(duì)疲勞強(qiáng)度有不利影響。反之，殘余壓應(yīng)力對(duì)提高疲勞強(qiáng)度是有利的。對(duì)于塑性材料，當(dāng)循環(huán)特征r<1時(shí)，材料是先屈服后才疲勞破壞，這時(shí)殘余應(yīng)力已不發(fā)生影響。由于焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)上是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時(shí)存在。如果能調(diào)整到壓殘余應(yīng)力位于材料表面或應(yīng)力集中區(qū)則是十分有利的，如果材料表面或應(yīng)力集

7、中區(qū)存在的是殘余拉應(yīng)力，則極為不利，應(yīng)設(shè)法消除。3 .焊接缺陷的影響焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的缺陷，其影響比在殘余壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的大；同樣的缺陷，位于應(yīng)力集中場(chǎng)內(nèi)（如焊趾裂紋和根部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的影響大。三、提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施由上面討論知道，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要原因，只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質(zhì)量良好時(shí)，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有

8、較高的疲勞強(qiáng)度。提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，一般采取下列措施：1 .降低應(yīng)力集中疲勞裂紋源于焊接接頭和結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中點(diǎn)，消除或降低應(yīng)力集中的一切手段，都可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。（1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)先選用對(duì)接接頭，盡量不用搭接接頭；重要結(jié)構(gòu)最好把T形接頭或角接接頭改成對(duì)接接頭，讓焊縫避開(kāi)拐角部位；必須采用T形接頭或角接接頭時(shí)，希望采用全熔透的對(duì)接焊縫。盡量避免偏心受載的設(shè)計(jì)，使構(gòu)件內(nèi)力的傳遞暢、分布均勻，不引起附加應(yīng)力。減小斷面突變，當(dāng)板厚或板寬相差懸殊而需對(duì)接時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)平緩的過(guò)渡區(qū)；結(jié)構(gòu)上的尖角或拐角處應(yīng)作成圓弧狀，其曲率半徑越大越好。避免三向焊縫空間匯交，焊縫盡量不設(shè)置在應(yīng)力集中區(qū)，盡量

9、不在主要受拉構(gòu)件上設(shè)置橫向焊縫；不可避免時(shí)，一定要保證該焊縫的內(nèi)外質(zhì)量，減小焊趾處的應(yīng)力集中。只能單面施焊的對(duì)接焊縫，在重要結(jié)構(gòu)上不允許在背面放置永久性墊板；避免采用斷續(xù)焊縫，因?yàn)槊慷魏缚p的始末端有較高的應(yīng)力集中。綜上所述，在常溫靜載下工作的焊接結(jié)構(gòu)和在動(dòng)載或低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造設(shè)計(jì)上有著不同的要求，后者更要重視細(xì)部設(shè)計(jì)。表3-1列出兩種承載情況下構(gòu)造設(shè)計(jì)上的差別。表3-1常溫下承受靜載荷與變載荷的焊接結(jié)構(gòu)在細(xì)部設(shè)計(jì)上的區(qū)別序號(hào)靜載荷卜，作變載荷卜工作1表圖3-1表圖3-102表圖3-2表圖3-113表圖3-3表圖3-124表圖3-4表圖3-135表圖3-5表圖3-146表圖3-6表圖

10、3-157表圖3-7表圖3-168表圖3-8表圖3-179表圖3-9表圖3-18(2)正確的焊縫形狀和良好的焊縫內(nèi)外質(zhì)量對(duì)接接頭焊縫的余高應(yīng)盡可能小，焊后最好能刨(或磨)平而不留余高；T形接頭最好采用帶凹度表面的角焊縫，不用有凸度的角焊縫；焊縫與母材表面交界處的焊趾應(yīng)平滑過(guò)渡，必要時(shí)對(duì)焊趾進(jìn)行磨削或僦弧重熔，以降低該處的應(yīng)力集中。任何焊接缺陷都有不同程度的應(yīng)力集中，尤其是片狀焊接缺陷如裂紋、未焊透、未熔合和咬邊等對(duì)疲勞強(qiáng)度影響最大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證每條焊縫易于施焊、以減少焊接缺陷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的缺陷必須清除。2 .調(diào)整殘余應(yīng)力殘余壓應(yīng)力可提高疲勞強(qiáng)度，而拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。因此，若能調(diào)

11、整構(gòu)件表面或應(yīng)力集中處存在殘余壓應(yīng)力，就能提高疲勞強(qiáng)度。例如，通過(guò)調(diào)整施焊順序、局部加熱等都有可能獲得有利于提高疲勞強(qiáng)度的殘余應(yīng)力場(chǎng)。圖3-3所示工字梁對(duì)接，對(duì)接“縫1受彎曲應(yīng)力最大且與之垂直。若在接頭兩端預(yù)留一段角焊縫3不焊，先焊焊縫1,再焊腹板對(duì)接縫2,焊縫2的收縮，使焊縫1產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。最后焊預(yù)留的角焊縫3,它的收縮使縫1與縫2都產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。試驗(yàn)表明，這種焊接順序比先焊焊縫2后焊焊縫1疲勞強(qiáng)度提高30%圖3-4為縱向焊縫連接節(jié)點(diǎn)板，在縱縫端部缺口處是應(yīng)力集中點(diǎn)，采取點(diǎn)狀局部加熱，只要加熱位置適當(dāng)，就能形成一個(gè)殘余應(yīng)力場(chǎng)，使缺口處獲得有利的壓殘余應(yīng)力。圖3-3工字梁對(duì)接焊接順序圖3-

12、4節(jié)點(diǎn)板局部加熱的殘余應(yīng)力此外，還可以采取表面形變強(qiáng)化，如滾壓、錘擊或噴丸等工藝使金屬表面塑性變形而硬化，并在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度。對(duì)有缺口的構(gòu)件，采取一次性預(yù)超載拉伸，可以使缺口頂端得到殘余壓應(yīng)力。因?yàn)樵趶椥孕遁d后，缺口殘余應(yīng)力的符號(hào)總是與（彈塑性）加載時(shí)缺口應(yīng)力的符號(hào)相反。此法不宜用彎曲超載或多次拉伸加載。它常與結(jié)構(gòu)驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)合，如壓力容器作水壓試驗(yàn)時(shí)，能起到預(yù)超載拉伸作用。3 .改善材料的組織和性能1）提高母材金屬和焊縫金屬的疲勞抗力還應(yīng)從材料內(nèi)在質(zhì)量考慮。應(yīng)提高材料的冶金質(zhì)量、減少鋼中夾雜物。重要構(gòu)件可采用真空熔煉、真空除氣、甚至電渣重熔等冶煉工藝的材料，以保證純度；

13、在室溫下細(xì)化晶粒鋼可提高疲勞壽命；通過(guò)熱處理可以獲得最佳的組織狀態(tài)，在提高（或保證）強(qiáng)度同時(shí)，也能提高其塑性和韌性?；鼗瘃R氏體、低碳馬氏體（一般都有自回火效應(yīng)）和下貝氏體等組織都具有較高抗疲勞能力。2）強(qiáng)度、塑性和韌性應(yīng)合理配合。強(qiáng)度是材料抵抗斷裂的能力，但高強(qiáng)度材料對(duì)缺口敏感。塑性的主要作用是通過(guò)塑性變形，可吸收變形功、削減應(yīng)力峰值，使高應(yīng)力重新分布。同時(shí)，也使缺口和裂紋尖端得以鈍化，裂紋的擴(kuò)展得到緩和甚至停止。塑性能保證強(qiáng)度作用充分發(fā)揮。所以對(duì)于高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，設(shè)法提高一點(diǎn)塑性和韌性，將顯著改善其抗疲勞能力。4.特殊保護(hù)措施大氣及介質(zhì)侵蝕往往對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度有影響，因此采用一定的保護(hù)

14、涂層是有利的。例如在應(yīng)力集中處涂上含填料的塑料層是一種實(shí)用的改進(jìn)方法。第二節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來(lái)，曾發(fā)生過(guò)一些脆性斷裂（簡(jiǎn)稱脆斷）事故。這些事故無(wú)征兆，是突然發(fā)生的，一般都有災(zāi)難性后果，必須高度重視。引起焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因是多方面的，它涉及材料選用、構(gòu)造設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量和運(yùn)行條件等。防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷是一個(gè)系統(tǒng)工程，光靠個(gè)別試驗(yàn)或計(jì)算方法是不能確保安全使用的。一、焊接結(jié)構(gòu)脆斷的基本現(xiàn)象和特點(diǎn)通過(guò)大量焊接結(jié)構(gòu)脆斷事故分析，發(fā)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)脆斷有下述一些現(xiàn)象和特點(diǎn)：1）多數(shù)脆斷是在環(huán)境溫度或介質(zhì)溫度降低時(shí)發(fā)生，故稱為低溫脆斷。2）脆斷的名義應(yīng)力較低，通常低于材料的屈服點(diǎn)，往往還低于設(shè)計(jì)應(yīng)

15、力。故又稱為低應(yīng)力脆性破壞。3）破壞總是從焊接缺陷處或幾何形狀突變、應(yīng)力和應(yīng)變集中處開(kāi)始的。4）破壞時(shí)沒(méi)有或極少有宏觀塑性變形產(chǎn)生，一般都有斷裂片散落在事故周圍。斷口是脆性的平斷口，宏觀外貌呈人字紋和晶粒狀，根據(jù)人字紋的尖端可以找到裂紋源。微觀上多為晶界斷裂和解理斷裂。5）脆斷時(shí)，裂紋傳播速度極高，一般是聲速的1/3左右，在鋼中可達(dá)12001800m/s。當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入更低的應(yīng)力區(qū)或材料的高韌性區(qū)時(shí)，裂紋就停止擴(kuò)展。6）若模擬斷裂時(shí)的溫度對(duì)斷口附近材料做韌性能試驗(yàn)，則發(fā)現(xiàn)其韌性均很差，對(duì)離斷口較遠(yuǎn)材料進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率往往仍符合原規(guī)范要求。二、焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因?qū)Ω鞣N焊接結(jié)構(gòu)脆斷

16、事故進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷是材料（包括母材和焊材）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝三方面因素綜合作用的結(jié)果。就材料而言，主要是在工作溫度下韌性不足，就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，主要是造成極為不利的應(yīng)力狀態(tài)，限制了材料塑性的發(fā)揮；就制造工藝而言，除了因焊接工藝缺陷造成嚴(yán)重應(yīng)力集中外，還因?yàn)楹附訜岬淖饔酶淖兞瞬馁|(zhì)（如產(chǎn)生熱影響區(qū)的脆化）和產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與變形等。L影響金屬材料脆斷的主要因素研究表明，同一種金屬材料由于受到外界因素的影響，其斷裂的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，其中最主要的因素是溫度、加載速度和應(yīng)力狀態(tài)，而且這三者往往是共同起作用。溫度的影響溫度對(duì)材料斷裂性質(zhì)影響很大，圖3-5為熱軋低碳鋼的溫度一拉伸性能關(guān)

17、系曲線。從圖中可看出，隨著溫度降低，材料的屈服應(yīng)力心和斷裂應(yīng)力bb增加。而反映材料塑性的斷面收縮率少卻隨著溫度降低而降低，約在-200C時(shí)為零。這時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力與斷裂應(yīng)力接近相等，說(shuō)明材料斷裂的性質(zhì)已從延性轉(zhuǎn)化為脆性。圖中屈服應(yīng)力bs與斷裂應(yīng)力人匯交處所對(duì)應(yīng)的溫度或溫度區(qū)間，被稱為材料從延性向脆性轉(zhuǎn)變的溫度，又稱為臨界溫度。其他鋼材也有類似規(guī)律，只是脆性轉(zhuǎn)變溫度的高低不同。因此，可以用作衡量材料抗脆性斷裂的指標(biāo)。脆性轉(zhuǎn)變溫度受試驗(yàn)條件影響，如帶缺口試樣的轉(zhuǎn)變溫度高于光滑試樣的轉(zhuǎn)變溫度。圖3-50.2%C鋼的溫度與拉伸性能關(guān)系溫度不僅對(duì)材料的拉伸性能有影響，也對(duì)材料的沖擊韌度、斷裂韌度發(fā)生類似

18、的影響。圖3-6為溫度對(duì)不同材料沖擊吸收功入的影響，圖3-7為溫度對(duì)Ni-Cr-Mo-V鋼斷裂韌度Kc的影響；圖3-8為溫度對(duì)Mn-Cr-Mo-V鋼8c的影響。可看出隨著溫度降低，其韌性和韌度都下降，也都可以通過(guò)試驗(yàn)確定其脆性轉(zhuǎn)變溫度。圖3-6溫度對(duì)三類不同材料沖擊吸收功的影響圖3-7溫度對(duì)Ni-Cr-Mo-V鋼Kc的影響圖3-8溫度對(duì)Mn-Cr-Mo-V鋼8c的影響加載速度的影響實(shí)驗(yàn)證明，鋼的屈服點(diǎn)門(mén)隨著加載速度提高而提高，見(jiàn)圖3-9。說(shuō)明了鋼材的塑性變形抗力隨加載速度提高而加強(qiáng)，促進(jìn)了材料脆性斷裂。提高加載速度的作用相當(dāng)于降低溫度。圖3-9加載速度對(duì)口的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響塑性變形主要是由于

19、金屬晶體內(nèi)沿滑移面發(fā)生滑移，引起滑移的力學(xué)因素是切應(yīng)力。因此，金屬內(nèi)有切應(yīng)力存在，滑移可能發(fā)生。物體受外載時(shí)，在不同載面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力(T和切應(yīng)力。在主平面上作用有最大正應(yīng)力bmax,另一與之垂直的主平面上作用著最小主應(yīng)力bmin,與主平面成對(duì)45°角的平面上作用著最大的Tma.當(dāng)CmaX達(dá)到屈服強(qiáng)度后產(chǎn)生滑移，表現(xiàn)為塑性變形。若。max先達(dá)到材料的切斷抗力，則發(fā)生延性斷裂。若最大拉正應(yīng)力bmax首先達(dá)到材料的正斷抗力，則發(fā)生脆性斷裂。因此，發(fā)生斷裂的性質(zhì)，既與材料的正斷抗力和切斷抗力有關(guān)，又與°maJbmax的比值有關(guān)。后者描述了材料的應(yīng)力狀態(tài)。顯然比值增大，塑斷可能

20、性大。反之，脆斷可能性大。Tmax/(Tmax的比值與加載方式和材料的形狀尺寸有關(guān)，桿件單軸拉伸時(shí)，Tmax/(TmaX=1/2；圓棒純扭轉(zhuǎn)時(shí)，Tmax/(Tmax=1；前者發(fā)生脆斷可能性大于后者。厚板結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài)，若61=(72=(73,則Tmax/(Tmax=0o這時(shí)塑性變形受到拘束，必然發(fā)生脆斷。裂紋尖端或結(jié)構(gòu)上其他應(yīng)力集中點(diǎn)和焊接殘余應(yīng)力容易出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)。材料狀態(tài)的影響前述三個(gè)因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的內(nèi)因。1）厚度的影響。厚度增大，發(fā)生脆斷可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限

21、制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方面是因?yàn)楹癜逑鄬?duì)于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差。抗脆斷能力較低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，組織細(xì)密而均勻，具有較高抗斷能力。2）晶粒度的影響。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，晶粒度對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，晶粒度越細(xì)，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。3）化學(xué)成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加，其強(qiáng)度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素會(huì)增大鋼材的脆性。而適量加入Ni、Cr、V、Mn等元素則有助減小鋼的脆性。必須指出，金屬材料韌性不足發(fā)生脆斷既有內(nèi)因，又有外因，

22、外因通過(guò)內(nèi)因起作用。但是上述三個(gè)外因的作用往往不是單獨(dú)的而是共同作用相互促進(jìn)。同一材料光滑試樣拉伸要達(dá)到純脆性斷裂，其溫度一般都很低，（見(jiàn)圖3-6,低碳鋼約-200C左右）。如果是帶缺口試樣，則發(fā)生脆性斷裂的溫度將大大提高。缺口越尖銳，提高脆斷的溫度幅度就越大。說(shuō)明不利的應(yīng)力狀態(tài)提高了脆性轉(zhuǎn)變溫度。如果厚板再加上帶有尖銳的缺口（如裂紋的尖端），在常溫下也會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂。提高加載速度（如沖擊）也同樣使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度大幅度提高。2 .影響結(jié)構(gòu)脆斷的設(shè)計(jì)因素焊接結(jié)構(gòu)是根據(jù)焊接工藝特點(diǎn)和使用要求而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)上，有些不利因素是這類結(jié)構(gòu)固有特點(diǎn)造成的，因而比其他結(jié)構(gòu)更易于引起脆斷。有些則是設(shè)計(jì)不合理

23、而引起脆斷。這些因素是：（1）焊接連接是剛性連接焊接接頭通過(guò)焊縫把兩母材熔合成連續(xù)的，不可拆卸的整體，兩母材之間已沒(méi)有任何相對(duì)松動(dòng)的可能。結(jié)構(gòu)一旦開(kāi)裂，裂紋很容易從一個(gè)構(gòu)件穿越焊縫傳播到另一構(gòu)件，繼而擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，造成整體斷裂，獅釘連接和螺栓連接不是剛性連接，接頭處兩母材是搭接，金屬之間不連續(xù)。靠搭接面的磨擦傳遞載荷，遇到偶然沖擊時(shí)，搭接面有相對(duì)位移可能，起到吸收能量和緩沖作用。萬(wàn)一有一構(gòu)件開(kāi)裂，裂紋擴(kuò)展到接頭處因不能跨越而自動(dòng)停止，不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的斷裂。（2）結(jié)構(gòu)的整體性因其剛性大，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)力集中因素特別敏感。（3）構(gòu)造設(shè)計(jì)上存在有不同程度的應(yīng)力集中因素焊接接頭中搭接接頭、T字（或十字）

24、接頭和角接接頭，本身就是結(jié)構(gòu)上不連續(xù)部位。連接這些接頭的角焊縫，在焊趾和焊根處便是應(yīng)力集中點(diǎn)。對(duì)接接頭是最理想的接頭形式，但也隨著余高的增加，使焊趾的應(yīng)力集中趨于嚴(yán)重。（4）結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)不合理焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重視選材和總體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度計(jì)算是必須的，但構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理，尤其是細(xì)部設(shè)計(jì)考慮不周，也會(huì)導(dǎo)致脆斷的發(fā)生。因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)的脆斷總是從焊接缺陷處或幾何形狀突變、應(yīng)力和應(yīng)變集中處開(kāi)始的。下面列舉幾種不妥的構(gòu)造設(shè)計(jì)，它可能成為脆斷的誘因。斷面突變處不作過(guò)渡處理；造成三向拉應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，如用過(guò)厚的板，焊縫密集，三向焊縫匯交，造成在拘束狀態(tài)下施焊，復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布等；在高工作應(yīng)力區(qū)布置焊縫；在重

25、要受力構(gòu)件上隨便焊接小附件而又不注意焊接質(zhì)量；不便于施焊的構(gòu)造設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)最容易引起焊縫內(nèi)外缺陷。3 .影響結(jié)構(gòu)脆斷的工藝因素焊接結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過(guò)程中一般要經(jīng)歷下料、冷（或熱）成形、裝配、焊接、矯形和焊后熱處理工序。金屬材料經(jīng)過(guò)這些工序其材質(zhì)可能發(fā)生變化，焊接可能產(chǎn)生缺陷，焊后產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形等，都對(duì)結(jié)構(gòu)脆斷有影響。應(yīng)變時(shí)效對(duì)結(jié)構(gòu)脆斷的影響鋼材隨時(shí)間發(fā)生脆化的現(xiàn)象稱為時(shí)效。鋼材經(jīng)一定塑性變形后發(fā)生的時(shí)效稱為應(yīng)變時(shí)效。焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過(guò)程中有兩種情況可以產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效，一種是當(dāng)鋼材經(jīng)剪切、冷成形或冷矯形等工序產(chǎn)生了一定塑性變形（冷作硬化）后經(jīng)150450c溫度加熱而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效。另一種是焊接時(shí)，由于

26、加熱不均勻，近縫區(qū)的金屬受到不同熱循環(huán)作用，尤其是當(dāng)近縫區(qū)上有某些尖銳刻槽或在多層焊的先焊焊道中存在有缺陷，便會(huì)在刻槽和缺陷處形成焊接應(yīng)力一應(yīng)變集中，產(chǎn)生了較大的塑性變形，結(jié)果在熱循環(huán)和塑性變形同時(shí)作用下產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效，這種時(shí)效稱熱應(yīng)變時(shí)效，或動(dòng)應(yīng)變時(shí)效。研究表明，許多低強(qiáng)度鋼應(yīng)變時(shí)效引起局部脆化非常嚴(yán)重，它大大降低了材料延性，提高了材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使材料的缺口韌性和斷裂韌度值下降；熱（動(dòng)）應(yīng)變時(shí)效對(duì)脆性的影響比冷作硬化后的應(yīng)變時(shí)效來(lái)得大，即前者的脆性轉(zhuǎn)變溫度高于后者。焊后熱處理（550560C）可消除這兩類應(yīng)變時(shí)效對(duì)碳鋼和某些合金鋼結(jié)構(gòu)脆斷的影響，可恢復(fù)其韌性。因此，對(duì)應(yīng)變時(shí)效敏感的鋼材，

27、焊后熱處理是必要的，既可消除焊接殘余應(yīng)力，也可改善這種局部脆化，對(duì)防止結(jié)構(gòu)脆斷有利。（2）焊接接頭非均質(zhì)性的影響焊接接頭中焊縫金屬與母材之間有強(qiáng)度匹配問(wèn)題以及焊接的快速加熱與冷卻使焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生金相組織變化問(wèn)題。這些非均質(zhì)性對(duì)結(jié)構(gòu)脆斷有很大影響。1）焊縫金屬與母材不匹配。目前結(jié)構(gòu)鋼焊接在選擇焊接填充金屬時(shí)，總是以母材強(qiáng)度為依據(jù)。由于焊材供應(yīng)或焊接工藝需要等原因，可能有三種不同的強(qiáng)度匹配（又稱組配）的情況，即焊縫金屬?gòu)?qiáng)度略高于母材金屬的高匹配、等于母材金屬和略低于母材金屬的低匹配。這三者只考慮了強(qiáng)度問(wèn)題，忽略了對(duì)脆斷影響最大的延性和韌性匹配問(wèn)題，因而不夠全面。通常強(qiáng)度級(jí)別高的鋼材其延性和韌性

28、都較好。很難做到既等強(qiáng)度又等韌性的理想匹配。通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別鋼材以不同強(qiáng)度匹配的焊接接頭抗斷裂試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，焊縫強(qiáng)度高于母材的焊接接頭（高匹配）對(duì)抗脆斷較為有利。這種高匹配接頭的極限裂紋尺寸acr比等匹配和低匹配的接頭來(lái)得大，而且焊縫金屬的止裂性能也較高。這種現(xiàn)象被認(rèn)為是高匹配的焊縫金屬受到周圍軟質(zhì)母材的保護(hù)，變形大部分發(fā)生在母材金屬上。采用高匹配并不意味著可放低焊縫金屬塑性和韌性的要求。因?yàn)楹附庸に嚪矫婧秃缚p金屬抗開(kāi)裂方面對(duì)塑、韌性的基本要求也應(yīng)滿足。因此認(rèn)為，要求焊縫和母材具有相同的塑性，而強(qiáng)度稍高于母材是最佳的匹配方案。2）接頭金相組織發(fā)生變化。焊接局部快速加熱和冷卻的特點(diǎn)，使焊縫和熱

29、影響區(qū)發(fā)生一系列金相組織的變化，因而相應(yīng)地改變了接頭部位的缺口韌性，圖3-10所示為碳一鎰鋼焊條電弧焊后焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材COD試驗(yàn)的結(jié)果。在這種情況下焊縫金屬具有最高轉(zhuǎn)變溫度，這可能與焊縫的鑄造組織有關(guān)。熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的缺口韌性相差很多，粗晶區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)之一，有些鋼的試驗(yàn)表明，它的臨界轉(zhuǎn)變溫度可比母材提高50100C。圖3-10焊接接頭不同部位的韌性熱影響區(qū)的顯微組織主要取決于母材的原始顯微組織、材料的化學(xué)成分，焊接方法和焊接熱輸入。對(duì)于確定的鋼種和焊接方法來(lái)說(shuō)，主要取決于焊接熱輸入。實(shí)踐表明，對(duì)高強(qiáng)度鋼的焊接，用過(guò)小的熱輸入，接頭散熱快，造成淬火組織并易產(chǎn)生裂紋

30、；過(guò)大熱輸入造成過(guò)熱，因晶粒粗大而脆化，降低材料的韌性。通常需要通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定出最佳的焊接熱輸入。采用多層焊可獲得較滿意的接頭韌性，因?yàn)槊康篮缚p可以用較小的工藝參數(shù)，且每道焊縫的焊接熱循環(huán)對(duì)前一道焊縫和熱影響區(qū)起到熱處理作用，有利于改善接頭韌性。焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)脆斷的影響是有條件的，在材料的開(kāi)裂轉(zhuǎn)變溫度以下（材料已變脆）時(shí)，焊接拉伸殘余應(yīng)力有不利影響，它與工作應(yīng)力疊加，可以形成結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力脆性破壞；而在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，焊接殘余應(yīng)力對(duì)脆性破壞無(wú)不利影響。焊接拉伸殘余應(yīng)力具有局部性質(zhì)，一般只限于焊縫及其附近部位，離開(kāi)焊縫區(qū)其值迅速減小。峰值殘余拉應(yīng)力有助于斷裂產(chǎn)生，若在峰值

31、殘余拉應(yīng)力處存在有應(yīng)力集中因素則是非常不利的。焊接殘余應(yīng)力會(huì)改變脆性裂紋的走向。用圖3-11所示的具有斜焊縫的均溫止裂（ESSO）試驗(yàn)表明，如試樣未經(jīng)退火，試驗(yàn)時(shí)也不施加外力，沖擊引發(fā)裂紋后，則裂紋在殘余應(yīng)力作用下，將沿平行焊縫方向擴(kuò)展，隨外加應(yīng)力b增大，開(kāi)裂路徑愈來(lái)愈接近與外加應(yīng)力方向垂直的試樣中心線。如果試樣經(jīng)退火完全消除殘余應(yīng)力，則開(kāi)裂路徑與試樣中心線重合。圖3-11裂紋擴(kuò)展路徑焊接工藝缺陷的影響焊接接頭中，焊縫和熱影響區(qū)是最容易產(chǎn)生焊接缺陷的地方。美國(guó)對(duì)第二次世界大戰(zhàn)中焊接船舶脆斷事故調(diào)查表明，40%的脆斷事故是從焊縫缺陷處引發(fā)的。可以把缺陷和結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)性劃分為三種類型：平面缺陷：

32、包括未熔合、未焊透、裂紋以及其他類裂紋缺陷；體積缺陷：氣孔、夾渣和類似缺陷，但有些夾渣和氣孔（如線性氣孔）常與未熔合有關(guān)，這些缺陷可按類裂紋缺陷處理；成形不佳：焊縫太厚、角變形、錯(cuò)邊等。這三類缺陷中以平面缺陷結(jié)構(gòu)斷裂影響最為嚴(yán)重，而平面缺陷中又以裂紋缺陷影響為甚。裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變集中嚴(yán)重，最易導(dǎo)致脆性斷裂。裂紋的影響程度不但與其尺寸、形狀有關(guān)，而且與其所在位置有關(guān)。若裂紋位于高值拉應(yīng)力區(qū)，就更容易引起低應(yīng)力破壞。若在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)（如壓力容器的接管處、鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上）產(chǎn)生焊接缺陷，則很危險(xiǎn)。因此，最好將焊縫布置在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)以外。體積缺陷也同樣削減工作截面而造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)。也是產(chǎn)生應(yīng)力集

33、中的部位，它對(duì)脆斷的影響程度決定于缺陷的形態(tài)和所處位置。試驗(yàn)表明，焊接角變形越大，破壞應(yīng)力也越低；對(duì)接接頭發(fā)生錯(cuò)邊，就與搭接接頭相似，會(huì)造成載荷與重心不同軸，產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。圖3-12為接頭角變形和錯(cuò)邊造成的附加彎矩。焊縫有余高，在焊趾處易產(chǎn)生高值的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在該處開(kāi)裂。通常采取打磨焊趾處，使焊縫與母材圓滑過(guò)渡，也可在焊趾處作僦弧重熔或堆焊一層防裂焊縫來(lái)降低應(yīng)力集中。圖3-12接頭角變形與錯(cuò)邊造成附加彎矩a）角變形b）錯(cuò)邊三、防止焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞的措施材料在工作條件下韌性不足，結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重應(yīng)力集中（包括設(shè)計(jì)上和工藝上）和過(guò)大的拉應(yīng)力（包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力和溫度應(yīng)力）是造成結(jié)構(gòu)脆性破壞的主要因素。若能有效地解決其中一方面因素所存在的問(wèn)題，則發(fā)生脆斷的可能性將顯著減小。通常是從選材、設(shè)計(jì)和制造三方面采取措施來(lái)防止結(jié)構(gòu)的脆性破壞。L正確選用材料所選鋼材和焊接填充金屬材料應(yīng)保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性。為此選材時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：1）在結(jié)構(gòu)工作條件下，焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的最脆部位應(yīng)有足夠的抗開(kāi)裂性能，母材應(yīng)具有一定的止裂性能。也就是，首先不讓接頭處開(kāi)裂，萬(wàn)一開(kāi)裂，母材能夠制止裂紋的傳播。2）鋼材的強(qiáng)度和韌度要兼顧，不能片面追求強(qiáng)度指標(biāo)。2 .合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)有脆斷傾向的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意