第六章焊接結(jié)構(gòu)的疲勞

1、 焊焊 接接 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)第五章第五章 焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂Brittle Fracture材料成型及控制工程2012.9 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂、疲勞斷裂事故時有發(fā)生，典型案例：焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂、疲勞斷裂事故時有發(fā)生，典型案例：實例之一：實例之一：二戰(zhàn)期間，美國二戰(zhàn)期間，美國250艘全焊接戰(zhàn)時標準船的斷艘全焊接戰(zhàn)時標準船的斷裂事故，其中裂事故，其中10艘在平靜港灣突然一斷為二。艘在平靜港灣突然一斷為二。實例之二一：實例之二一：泰坦尼克號的失事是低溫引起材料焊接處脆泰坦尼克號的失事是低溫引起材料焊接處脆斷斷實例之三：實例之三：2001年年11月月7日，四川省宜賓市南門中承拱

2、橋日，四川省宜賓市南門中承拱橋因吊桿脆斷造成大橋橋面坍塌因吊桿脆斷造成大橋橋面坍塌實例之四：實例之四：1998年年3月月5日，西安液化石油氣站日，西安液化石油氣站2個個400 m3球罐發(fā)生特大爆炸事故。一只緊固螺栓的疲勞斷裂球罐發(fā)生特大爆炸事故。一只緊固螺栓的疲勞斷裂 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 四川天然氣管道曾經(jīng)發(fā)生多起硫化物應力腐蝕引起的爆裂四川天然氣管道曾經(jīng)發(fā)生多起硫化物應力腐蝕引起的爆裂事故，其中一起發(fā)生在事故，其中一起發(fā)生在1995年底，泄漏的天然氣引起了年底，泄漏的天然氣引起了火災。管道為火災。管道為7208.16 mm 螺旋焊管，工廠壓力螺旋焊管，工廠壓力1.92.5MPa。事故管段已經(jīng)運

3、行。事故管段已經(jīng)運行16年。爆口長度年。爆口長度1440mm，沿焊縫擴展。管道內(nèi)壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現(xiàn)象。沿焊縫擴展。管道內(nèi)壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現(xiàn)象。經(jīng)過試驗分析，結(jié)論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣中經(jīng)過試驗分析，結(jié)論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣中含有含有H2S及補焊工藝不合理及補焊工藝不合理 使焊縫產(chǎn)生了馬氏體組織和使焊縫產(chǎn)生了馬氏體組織和高的殘余應力有關。高的殘余應力有關。 塔吊：地角螺栓塔吊：地角螺栓45鋼、鋼、40Cr，焊接部位易脆斷，焊接部位易脆斷 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 本章提要：本章提要： 1）脆性斷裂的）脆性斷裂的危害危害及其及其基本特征基本特征； 2）造成焊接結(jié)構(gòu)脆斷

4、的）造成焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要原因主要原因； 3）焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要）焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要影響因素影響因素； 4）焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要）焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要防止措施防止措施。 以上內(nèi)容作為本章的要點。以上內(nèi)容作為本章的要點。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.1 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的基本原因與脆斷的基本特征 5.1.1 5.1.1 金屬的脆性斷裂金屬的脆性斷裂 通常指沿一定結(jié)晶面劈裂的通常指沿一定結(jié)晶面劈裂的解理斷裂解理斷裂或或晶界斷裂晶界斷裂。 5.1.2 5.1.2 脆斷的基本特征脆斷的基本特征 1 1）脆斷由正應力引起，）脆斷由正應力引起，幾乎沒有塑性變形幾乎沒有塑性變形； 2 2）脆斷時所需能量小，屬于）脆斷時所需

5、能量小，屬于低應力破壞低應力破壞； 3 3）裂紋擴展速度快）裂紋擴展速度快（可達（可達1800km/s1800km/s），），具有具有突發(fā)性突發(fā)性， 措不及防；措不及防； 4 4）脆斷）脆斷對溫度條件敏感，對溫度條件敏感，即所謂的即所謂的金屬冷脆現(xiàn)象；金屬冷脆現(xiàn)象； 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 5.1.3 .1.3 金屬脆斷的斷口特征：金屬脆斷的斷口特征： 1 1）斷面顏色：）斷面顏色： 解理斷裂：晶狀斷口，解理斷裂：晶狀斷口，閃閃發(fā)光閃閃發(fā)光； 晶界斷裂：較晶界斷裂：較灰暗灰暗； 2 2）宏觀斷口形狀：宏觀斷口形狀： 解理斷裂解理斷裂：斷口平齊斷口平齊，有放射狀撕裂棱形，即，有放射狀撕裂棱形，即 人字

6、紋人字紋，其尖鋒指向裂紋源；，其尖鋒指向裂紋源； 晶界斷裂晶界斷裂：表面平齊，呈：表面平齊，呈顆粒顆?；蚧虼执纱执蔂?，邊緣狀，邊緣 有有剪切唇剪切唇； 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)脆斷的斷口特征3）微觀斷口形貌：微觀斷口形貌： 解理斷裂：河流花樣，舌狀花樣， 扇形花樣； 晶界斷裂：冰糖狀花樣， 巖石狀花樣， 不同程度的晶粒多面體。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)35CrMo 870正火正火 等軸韌窩等軸韌窩 鑄鐵鑄鐵 氫脆氫脆 沿晶冰糖狀沿晶冰糖狀 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.1.4 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的產(chǎn)生原因 金屬脆斷理論表明，金屬發(fā)生脆斷的影響因素金屬脆斷理論表明，金屬發(fā)生脆斷的影響因素很多

7、。很多。情況較為復雜情況較為復雜； 焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的原因原因更加復雜更加復雜。專業(yè)人員專業(yè)人員尤其需要尤其需要深入研究深入研究。 從宏觀上可定性地概括為以下幾點：從宏觀上可定性地概括為以下幾點： 1) 結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)在使用工況使用工況下的下的韌性不足韌性不足； 尤其是尤其是缺口韌性缺口韌性不足不足； 這與這與材料本身的性能材料本身的性能、構(gòu)件的加工質(zhì)量構(gòu)件的加工質(zhì)量、載荷作用方式、載荷作用方式、環(huán)境與介質(zhì)條件環(huán)境與介質(zhì)條件等均有一定關系。等均有一定關系。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.1.4 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的產(chǎn)生原因 2）結(jié)構(gòu)在）結(jié)構(gòu)在設計、制造環(huán)節(jié)設計、制造環(huán)節(jié)上存在上存在工藝缺陷；工藝

8、缺陷； 這些這些未能得以未能得以及時消除的及時消除的工藝缺陷工藝缺陷，進一步造成了構(gòu)，進一步造成了構(gòu)件承載能力件承載能力尤指尤指抗開裂能力抗開裂能力的的惡化惡化。 如：如：焊接殘余應力焊接殘余應力、附加殘余變形附加殘余變形、熱應變時效熱應變時效以及以及各種焊接缺陷各種焊接缺陷等引起的等引起的應力集中應力集中和和脆化脆化現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 3）產(chǎn)品檢驗技術產(chǎn)品檢驗技術不夠完善不夠完善，并未對重要結(jié)構(gòu)采取有效的，并未對重要結(jié)構(gòu)采取有效的質(zhì)量跟蹤質(zhì)量跟蹤措施和及時準確的措施和及時準確的無損評價無損評價。 涉及：涉及：產(chǎn)品檢驗產(chǎn)品檢驗技術規(guī)范、手段技術規(guī)范、手段等。等。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.1.5 焊接結(jié)構(gòu)

9、發(fā)生脆斷的危害性 1)1) 金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的幾率脆斷的幾率 從總體上并不大，從總體上并不大，低于低于0.4 ； 2 2）脆斷的脆斷的突發(fā)性突發(fā)性 ！ 盡管盡管脆斷發(fā)生的幾率脆斷發(fā)生的幾率并不大，但由于并不大，但由于脆斷發(fā)生具有脆斷發(fā)生具有突突發(fā)性發(fā)性，往往，往往難以防范難以防范，因而，造成的損失往往是難以想象，因而，造成的損失往往是難以想象的，有時甚至是的，有時甚至是災難性的！災難性的！這已被歷史所見證。這已被歷史所見證。 可見，焊接結(jié)構(gòu)的可見，焊接結(jié)構(gòu)的安全性安全性仍然是每個焊接工作者仍然是每個焊接工作者必須必須關注關注的問題。的問題。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.2 影響金屬脆性斷裂

10、的因素 具體分析金屬脆斷的影響因素時，又可從具體分析金屬脆斷的影響因素時，又可從總體上將它們分為總體上將它們分為內(nèi)因內(nèi)因和和外因外因。 任務：任務： 1)1)通過對脆斷影響因素的深入分析，全面認識通過對脆斷影響因素的深入分析，全面認識 脆斷的本質(zhì)脆斷的本質(zhì)與與產(chǎn)生機理；產(chǎn)生機理； 2)2)深刻理解深刻理解聯(lián)合強度理論聯(lián)合強度理論, , 學會使用學會使用力學狀態(tài)圖力學狀態(tài)圖 綜合判定綜合判定金屬的金屬的斷裂性質(zhì)斷裂性質(zhì)及及相關問題相關問題。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.2.1 5.2.1 影響金屬脆斷的外部因素影響金屬脆斷的外部因素 1) 1)引起脆斷的外部三要素引起脆斷的外部三要素： 應力狀態(tài)、溫度條

11、件、加載速度應力狀態(tài)、溫度條件、加載速度。 深入理解：深入理解： 溫度條件溫度條件是引發(fā)金屬脆斷的是引發(fā)金屬脆斷的前提前提 促成促成脆性轉(zhuǎn)變脆性轉(zhuǎn)變！ 應力狀態(tài)應力狀態(tài)是是決定斷裂性質(zhì)決定斷裂性質(zhì)的的天平天平 基于基于載荷形式載荷形式！ 加載速度加載速度則是促成脆斷的則是促成脆斷的導火索導火索 勝似勝似雪上加霜雪上加霜！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)具體分析外部三要素溫度的影響溫度的影響 溫度條件影響斷裂性質(zhì)的溫度條件影響斷裂性質(zhì)的根本原因根本原因是：是： 材料是否有材料是否有冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象 ！ 實驗證明：有些金屬的實驗證明：有些金屬的沖擊韌性指標沖擊韌性指標 對溫度具有敏感性對溫度具有敏感性。 即當溫

12、度由高到低變化到某一即當溫度由高到低變化到某一臨界范圍臨界范圍時，其時，其沖擊韌性沖擊韌性會發(fā)生會發(fā)生驟驟然下降然下降，材料學稱之為，材料學稱之為冷脆現(xiàn)象，冷脆現(xiàn)象，而導致金屬發(fā)生冷脆現(xiàn)象的臨界溫而導致金屬發(fā)生冷脆現(xiàn)象的臨界溫度稱為該金屬的度稱為該金屬的延延脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度。 顯然，材料的顯然，材料的延延脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度越低越低，在一定溫度下發(fā)生，在一定溫度下發(fā)生冷脆的傾冷脆的傾向越小向越??！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)具有冷脆現(xiàn)象金屬的具有冷脆現(xiàn)象金屬的晶格特征晶格特征 研究表明：研究表明：具有具有冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象的金屬多為：的金屬多為： 體心立方晶格或密排六方晶格結(jié)構(gòu)體心立方晶格或密

13、排六方晶格結(jié)構(gòu)。 大多大多面心立方晶格面心立方晶格的金屬，如：的金屬，如： 鋁、銅等金屬則鋁、銅等金屬則沒有冷脆現(xiàn)象沒有冷脆現(xiàn)象。 所以，低溫環(huán)境的壓力容器往往選擇所以，低溫環(huán)境的壓力容器往往選擇 含含鎳鎳量較高的量較高的面心立方晶格面心立方晶格的金屬。的金屬。 這類金屬材料具有較高的低溫韌性！這類金屬材料具有較高的低溫韌性！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)不同材料沖擊韌性與溫度關系曲線不同材料沖擊韌性與溫度關系曲線 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)的影響應力狀態(tài)的影響 1）聯(lián)合強度理論）聯(lián)合強度理論 基本概念：基本概念： 材料某一單元體受力狀態(tài)可能是多種多樣，但是，材料某一單元體受力狀態(tài)可能是多種多樣，但是，材料

14、內(nèi)部產(chǎn)生的材料內(nèi)部產(chǎn)生的最大正應力最大正應力和和最大切應力最大切應力是是有極限有極限的。的。 當最大切應力未達到極限值時，當最大切應力未達到極限值時，最大正應力最大正應力首先達首先達到極限值到極限值則發(fā)生則發(fā)生脆性斷裂脆性斷裂； 當最大正應力未達到極限值時，當最大正應力未達到極限值時，最大切應力最大切應力首先達首先達到極限值到極限值則發(fā)生則發(fā)生延性斷裂延性斷裂。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)2 2）力學狀態(tài)圖：）力學狀態(tài)圖： 力學狀態(tài)圖力學狀態(tài)圖聯(lián)合強度理論的轉(zhuǎn)化形式！聯(lián)合強度理論的轉(zhuǎn)化形式！mamax12tktTSOT 力學狀態(tài)圖力學狀態(tài)圖SoT 正斷抗力；tT 剪切屈服極限；tK 剪斷抗力。 焊接結(jié)構(gòu)

15、焊接結(jié)構(gòu)3 3）應力狀態(tài)指標）應力狀態(tài)指標: : 力學狀態(tài)圖中，過坐標原點的直線與橫坐標軸的夾角的正力學狀態(tài)圖中，過坐標原點的直線與橫坐標軸的夾角的正切值，即定義為切值，即定義為應力狀態(tài)指標。應力狀態(tài)指標。 顯然，顯然， max /max 其數(shù)值對應于一定的應力狀態(tài)是不變的。 在力學狀態(tài)圖中， SoT 正斷抗力； tT 剪切屈服極限； tK 剪斷抗力。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)舉例應力狀態(tài)舉例4）常見加載形式對應的應力狀態(tài)）常見加載形式對應的應力狀態(tài)單軸拉伸單軸拉伸 tg=1/2圓棒扭轉(zhuǎn)圓棒扭轉(zhuǎn) tg=1雙向拉伸雙向拉伸 tg=1/2單向壓縮單向壓縮 tg=1/（2），），為泊松比，為泊松比，

16、 如對于鋼如對于鋼=0.3，tg=1.66三向拉伸三向拉伸 tg=（1-3/1）/2三相等軸拉伸應力狀態(tài)，因三相等軸拉伸應力狀態(tài)，因1=2=3， 則則tg= 0 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5）斷裂性質(zhì)的判定）斷裂性質(zhì)的判定：（：（力學狀態(tài)圖的應用力學狀態(tài)圖的應用） 在力學狀態(tài)圖中，應力狀態(tài)可用斜率為在力學狀態(tài)圖中，應力狀態(tài)可用斜率為tgtg的直線表的直線表示，該斜率即為應力狀態(tài)指標。隨著加載過程的進行，示，該斜率即為應力狀態(tài)指標。隨著加載過程的進行，盡管應力狀態(tài)指標保持不變，但實際載荷不斷提高。盡管應力狀態(tài)指標保持不變，但實際載荷不斷提高。 脆斷條件脆斷條件:max SoT ，maxtT ； 屈服條件屈

17、服條件:maxSoT，maxtT ； 延性破壞條件延性破壞條件:max SoT，maxtK。 結(jié)論結(jié)論: : 應力狀態(tài)指標應力狀態(tài)指標tg的值的值越低越低， 發(fā)生脆斷可能性發(fā)生脆斷可能性越大越大! 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)6）缺口效應對應力狀態(tài)指標的影響具有尖銳缺口的厚板結(jié)構(gòu)，缺口即使在單向應力作用下，具有尖銳缺口的厚板結(jié)構(gòu)，缺口即使在單向應力作用下，缺口尖端缺口尖端也會出現(xiàn)也會出現(xiàn)三向拉應力狀態(tài)三向拉應力狀態(tài)，使應力狀態(tài)指標，使應力狀態(tài)指標tgtg嚴重降低嚴重降低，增大了脆斷的可能性！，增大了脆斷的可能性！三相等軸拉伸應力狀態(tài)三相等軸拉伸應力狀態(tài)，其應力狀態(tài)指標，其應力狀態(tài)指標tg=0，故其，故其破

18、壞形式破壞形式一定是脆性斷裂一定是脆性斷裂！通過上述分析，不難理解通過上述分析，不難理解塑性好的材料也會發(fā)生低塑性好的材料也會發(fā)生低應力破壞的道理！應力破壞的道理！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)7 7）用力學狀態(tài)圖解釋）用力學狀態(tài)圖解釋溫度降低對脆斷的影響溫度降低對脆斷的影響 原理：隨著原理：隨著溫度的降低溫度的降低， 剪切屈服極限tT升高， 而正斷抗力SOT不變， 故脆斷危險性增加！ 聯(lián)想：材料的屈服極限s 隨溫度的提高而降低！反過來，必然提高！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)1溫度的影響 溫度對拉伸性能的影響溫度對拉伸性能的影響 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)溫度對沖擊韌性的影響溫度對沖擊韌性的影響 溫度對溫度對Ni-Cr-Mo

19、-V鋼斷裂韌性的影響鋼斷裂韌性的影響 溫度降低斷裂韌性、沖擊韌性都降低，抗沖擊能力、抗裂紋擴張能力降低溫度降低斷裂韌性、沖擊韌性都降低，抗沖擊能力、抗裂紋擴張能力降低 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)加載速度的影響加載速度的影響 研究表明：研究表明： 加載速度加載速度d/dt提高提高，其作用，其作用相當于溫度降低相當于溫度降低， 同樣會使剪切屈服極限同樣會使剪切屈服極限tT升高升高，而正斷抗力，而正斷抗力SOT 不變不變，則，則脆斷危險性增加！脆斷危險性增加！ tT， SOT tT d/dt加載速度對脆斷的影響規(guī)律 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)應力集中對應力集中對d/dt的影響的影響 應該指出，在結(jié)構(gòu)應該指出，在結(jié)構(gòu)缺口

20、處缺口處由于應力集中作用，使加載由于應力集中作用，使加載速度速度d/dtd/dt明顯提高明顯提高，故脆斷危險性增大。，故脆斷危險性增大。載荷的沖擊性越大，即加載速度載荷的沖擊性越大，即加載速度d/dtd/dt越大，對工件越大，對工件的危害也就越大！的危害也就越大！ 這使我們不難理解這使我們不難理解為什麼采用為什麼采用落錘試驗落錘試驗研究材料研究材料的的抗脆斷的性能抗脆斷的性能！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.2.2 材料狀態(tài)（內(nèi)部因素）的影響 1)板厚的影響板厚的影響 應力狀態(tài)方面應力狀態(tài)方面： 厚板結(jié)構(gòu)在受力時沿厚度方向的變形受到很大限制，形厚板結(jié)構(gòu)在受力時沿厚度方向的變形受到很大限制，形成成平面應變

21、平面應變狀態(tài)，在狀態(tài)，在缺口處缺口處易出現(xiàn)易出現(xiàn)三向拉應力三向拉應力，使，使脆斷脆斷傾向傾向增大增大。 冶金方面：冶金方面： 厚板軋制量小，終軋溫度高，組織疏松，不均勻，韌性厚板軋制量小，終軋溫度高，組織疏松，不均勻，韌性相對較差。相對較差。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 2)晶粒度的影響晶粒度的影響 對軟鋼而言，對軟鋼而言，晶粒愈細晶粒愈細,韌性愈高韌性愈高, 延延脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度愈低愈低。 3)化學成分的影響化學成分的影響 有害元素有害元素 C、N、O、H、S、P等合金元素使材料等合金元素使材料脆脆性增加；性增加； 有益元素有益元素 Mn、Ni、Cr、V等合金元素使材料等合金元素使材料脆性降脆

22、性降低！低！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.3 影響焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要因素 側(cè)重側(cè)重焊接工藝焊接工藝引起的引起的新矛盾、新問題新矛盾、新問題。 5.3.1 應變時效應變時效引起的引起的局部脆性局部脆性 1) 時效的概念時效的概念在一定溫度下，材料性能隨時間發(fā)生變在一定溫度下，材料性能隨時間發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為時效?；默F(xiàn)象稱為時效。 其英文為其英文為aging，即，即age的現(xiàn)在分詞。的現(xiàn)在分詞。 2) 應變時效的分類應變時效的分類 靜應變時效靜應變時效（也稱（也稱冷變形時效冷變形時效）；）； 動應變時效動應變時效（也稱為（也稱為熱應變脆化熱應變脆化）。）。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)應變時效的概念應變時效應變時效

23、 是指金屬經(jīng)過一定量的是指金屬經(jīng)過一定量的塑性變形塑性變形后后，再經(jīng)歷，再經(jīng)歷150400溫度范圍溫度范圍的的加熱作用加熱作用而造成的材料而造成的材料塑性下降塑性下降的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。靜應變時效靜應變時效 是指金屬經(jīng)過是指金屬經(jīng)過“ 冷加工冷加工”而產(chǎn)生而產(chǎn)生 一定量的一定量的塑性變形塑性變形導致的導致的應變時效。應變時效。動應變時效動應變時效 是指金屬經(jīng)過是指金屬經(jīng)過“熱循環(huán)熱循環(huán)”而產(chǎn)生而產(chǎn)生 一定量的一定量的熱塑性變形熱塑性變形導致的導致的應變時效。應變時效。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 3)應變時效產(chǎn)生的危害應變時效產(chǎn)生的危害 有害的時效往往使材料性能變壞：硬度提高，塑性下降，有害的時效往往使材料

24、性能變壞：硬度提高，塑性下降，韌性變差。韌性變差。 熱應變時效熱應變時效使材料使材料塑性極度下降塑性極度下降， 即所謂即所謂“塑性耗竭塑性耗竭”！4）應變時效的消除應變時效的消除 靜應變時效：切削時變形小，可铇去冷變形部分；或采靜應變時效：切削時變形小，可铇去冷變形部分；或采用用550560熱處理。熱處理。 動應變時效：多產(chǎn)生于應力集中處，危害較大。采用動應變時效：多產(chǎn)生于應力集中處，危害較大。采用550560熱處理熱處理，同時還，同時還可消除殘余應力可消除殘余應力，改善局，改善局部脆性。部脆性。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)不同應變量對動應變時效的影響不同應變量對動應變時效的影響靜應變時效與動應變時效影

25、響的比較靜應變時效與動應變時效影響的比較焊后焊后550550560560回火可消除殘余應力及應變時效脆化傾向回火可消除殘余應力及應變時效脆化傾向應變時效對脆斷的影響應變時效對脆斷的影響 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.3.2 焊接缺陷焊接缺陷的影響的影響 區(qū)別對待區(qū)別對待 焊接缺陷的影響與其所在的焊接缺陷的影響與其所在的位置位置和和種類種類有關有關! ! 影響的本質(zhì)影響的本質(zhì): : 損失損失承載截面承載截面; ;形成形成缺口效應缺口效應, ,導致導致應力集中應力集中! ! 防止措施防止措施: : 改進工藝改進工藝, ,加強管理加強管理, ,強化檢測手段強化檢測手段! !運用運用 質(zhì)量管理體系質(zhì)量管理體系的

26、功能，盡最大可能的功能，盡最大可能消除焊接缺陷消除焊接缺陷！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 5.3.3 角變形和錯邊的影響角變形和錯邊的影響 試驗結(jié)果試驗結(jié)果: 角變形增加角變形增加,轉(zhuǎn)變溫度升高轉(zhuǎn)變溫度升高! 原因分析原因分析: 角變形過大角變形過大使使工件承載時產(chǎn)生工件承載時產(chǎn)生附加彎矩附加彎矩,造成造成熔合線處熔合線處的的應力集中程應力集中程度加大度加大！ 因而，因而，脆斷的危險性增大脆斷的危險性增大！ 嚴重錯邊嚴重錯邊與與角變形過大作用等同！角變形過大作用等同！ 防止措施防止措施盡量減小角變形或錯邊；盡量減小角變形或錯邊；亦可在熔合線亦可在熔合線(焊趾焊趾) 堆焊防裂焊縫堆焊防裂焊縫。 焊接結(jié)構(gòu)焊

27、接結(jié)構(gòu)5.3.4 接頭金相組織改變對脆性的影響 主要目標主要目標: : 充分注意焊接熱影響區(qū)的幾個充分注意焊接熱影響區(qū)的幾個脆化區(qū)脆化區(qū)! 如：靠近熔合線附近的粗大的魏氏組織區(qū)；如：靠近熔合線附近的粗大的魏氏組織區(qū)； 處于藍脆溫度范圍的脆化區(qū)；處于藍脆溫度范圍的脆化區(qū)； 合金鋼接頭中的高硬度馬氏體區(qū)。合金鋼接頭中的高硬度馬氏體區(qū)。 處理措施：處理措施： 必要時進行必要時進行回火回火或或正火正火處理。處理。消除脆性組織消除脆性組織，同時，同時消除焊接應力消除焊接應力！ 焊接工藝要合理控制焊接工藝要合理控制焊接線能量焊接線能量。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu) 5.3.5 焊接殘余應力和塑性變形的影響焊接殘余應

28、力和塑性變形的影響 寬板拉伸試驗結(jié)果：寬板拉伸試驗結(jié)果： 殘余應力和塑性變形影響殘余應力和塑性變形影響斷裂應力斷裂應力！ ESSO試驗結(jié)果：試驗結(jié)果： 殘余應力影響殘余應力影響裂紋擴展方向裂紋擴展方向 ！ 預防措施：預防措施： 合理布置焊縫合理布置焊縫 不使焊縫過于密集不使焊縫過于密集 ； 調(diào)整殘余應力場調(diào)整殘余應力場局部加熱局部加熱、熱處理熱處理、 機械拉伸機械拉伸等。等。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)C-Mn焊條電弧焊接頭的焊條電弧焊接頭的COD 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)n 寬板實驗的結(jié)果顯示：在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上殘余應力無影響，在寬板實驗的結(jié)果顯示：在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上殘余應力無影響，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下有不利影

29、響。與工作應力疊加促進脆斷的發(fā)生。韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下有不利影響。與工作應力疊加促進脆斷的發(fā)生。n 殘余應力的存在還會改變裂紋的走向。殘余應力的存在還會改變裂紋的走向。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的措施 總括：焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的危險依然存在！總括：焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的危險依然存在！ 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的策略應該從多方面著眼：防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的策略應該從多方面著眼： 1 1）選擇）選擇與實際工況匹配與實際工況匹配的的低溫韌性好低溫韌性好的母材；的母材；滿足滿足缺口韌性指標缺口韌性指標的要求！的要求！ 2 2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計, ,完善制造工藝，完善制造工藝，消除消除焊接缺陷焊接缺

30、陷、焊接焊接應力與變形應力與變形帶來的帶來的危害！危害！ 3 3）強化）強化質(zhì)量意識質(zhì)量意識和和質(zhì)量保證體系質(zhì)量保證體系, ,實現(xiàn)產(chǎn)品的實現(xiàn)產(chǎn)品的全程質(zhì)量全程質(zhì)量監(jiān)控監(jiān)控！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4.1 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的設計措施 (1) (1) 盡量減少應力集中盡量減少應力集中 焊縫位置焊縫位置應在平滑過渡處；應在平滑過渡處； 搭接搭接接頭形狀接頭形狀應應圓滑過渡圓滑過渡； 避免避免焊縫過于焊縫過于密集密集； 焊縫應布置在焊縫應布置在易焊易檢易焊易檢的位置。的位置。(2)(2) 盡量減小結(jié)構(gòu)剛度盡量減小結(jié)構(gòu)剛度 不采用不采用過厚截面過厚截面； 結(jié)構(gòu)重要部位結(jié)構(gòu)重要部位剛性過大剛性過大應應開緩和

31、槽開緩和槽。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4.1 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的設計措施防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的設計措施 (3) 充分注意充分注意受力構(gòu)件受力構(gòu)件上的上的不重要焊縫不重要焊縫 例例如：船體、容器上的掛鉤、支架等。 原則：原則：能不焊就不焊能不焊就不焊！ 俗話說得好：紅傷藥再好，不如不拉口！ 分析：不重要焊縫往往不重要焊縫往往不被重視不被重視，產(chǎn)生缺產(chǎn)生缺 陷的可能性大！陷的可能性大！然而，這些缺陷又然而，這些缺陷又 處在處在受力構(gòu)件上，受力構(gòu)件上，因而，導致受力因而，導致受力 構(gòu)件的低應力破壞。構(gòu)件的低應力破壞。 可謂：可謂：螻蟻之穴潰千里之堤！螻蟻之穴潰千里之堤！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4.1 防止焊接

32、結(jié)構(gòu)脆斷的設計措施 (4) 充分考慮焊接殘余應力和變形的影響充分考慮焊接殘余應力和變形的影響 在在第二章第二章已經(jīng)重點討論了已經(jīng)重點討論了焊接殘余應力和變形焊接殘余應力和變形的危害的危害。從防止脆斷發(fā)生的角度，。從防止脆斷發(fā)生的角度，本章第三節(jié)本章第三節(jié)也對也對焊接殘余應力和變形的影響進行了討論。焊接殘余應力和變形的影響進行了討論。 重點從兩個方面理解：重點從兩個方面理解： 構(gòu)成復雜應力場，導致構(gòu)成復雜應力場，導致缺口效應缺口效應使材料使材料變變脆脆，而，而殘余應力殘余應力對對脆性材料脆性材料的靜載破壞是的靜載破壞是有影響有影響的！。的！。 角變形和錯邊角變形和錯邊都會產(chǎn)生都會產(chǎn)生附加彎矩附加

33、彎矩! !使焊趾處的使焊趾處的應力集中程度加大應力集中程度加大！ 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4.2 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的工藝措施 主要是：主要是： 控制控制應變時效應變時效； 防止產(chǎn)生防止產(chǎn)生脆性組織脆性組織； 控制控制焊接缺陷焊接缺陷； 控制控制角變形及錯邊角變形及錯邊； 注意消除焊接注意消除焊接殘余應力殘余應力。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4.3 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的選材原則 1）滿足結(jié)構(gòu)使用工況的韌性要求：滿足結(jié)構(gòu)使用工況的韌性要求： 舉例舉例: 應用時可詳細查閱應用時可詳細查閱相關標準相關標準. 鋼 號壁厚 mm試樣方向 沖擊功最低值/J20- 20-40 -60 -12025CrMo440縱橫604

34、0503545304027x.8Ni940縱橫70507050705070505035 表表4-1 根據(jù)根據(jù)DIN17280 低低溫韌溫韌性性鋼對鋼對沖沖擊韌擊韌性的要求性的要求(ISO尖型缺口尖型缺口試樣試樣) 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)ISO尖型缺口試樣 試樣尺寸試樣尺寸: 101055 缺口型式缺口型式: V型 試驗方法試驗方法: 參考GB2650 應用意義應用意義: 相對評價材料的性能; 安全評價的依據(jù). 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)5.4.3 防止焊接結(jié)構(gòu)脆斷的選材原則 2) 2) 按斷裂力學確定選材標準按斷裂力學確定選材標準 借鑒借鑒寬板拉伸試驗結(jié)果寬板拉伸試驗結(jié)果指導選材指導選材; 不要一味追求材料的不要一味追求材料的高強度高強度! 斷裂力學更強調(diào)斷裂力學更強調(diào): 較高的較高的