焊接結(jié)構(gòu)斷裂理論

焊接結(jié)構(gòu)斷裂理論第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂一、脆性斷裂的主要特征宏觀：斷裂前無明顯塑性變形，沒有任何先兆，突然性強。斷裂時所承受載荷不大，遠低于設計時的許用應力，是典型的低應力破壞形式。斷口形態(tài)：斷口發(fā)光顆粒、平整、人字花樣、河流花樣、穿晶。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一二、焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的原因1、焊接結(jié)構(gòu)本身：剛性大，整體性強，構(gòu)件間很難發(fā)生相對位移，焊接應力很難消除，且對應力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構(gòu)件之間擴展，繼而擴展到整體。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一2、溫度的影響塑性材料開始由塑性變?yōu)榇嘈缘臏囟冉胁牧洗嘈赞D(zhuǎn)變點。結(jié)構(gòu)的使用溫度較低時，其中的某個部件或局部可能達到脆性轉(zhuǎn)變點以下，使塑性材料變脆。測試溫度度強斷裂強度屈服強度第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一3、焊接熱循環(huán)熱影響區(qū)組織脆化，韌性下降。改變材料脆性轉(zhuǎn)變溫度。對某些高強鋼，板厚為30mm，線輸入達50000J/cm時，可使脆性轉(zhuǎn)變點升高50~100℃平板堆焊第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一4、焊接殘余應力降低材料實際承載能力。產(chǎn)生應力集中，使微裂紋擴展成脆性斷裂源。簡單輪輻結(jié)構(gòu)第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一5、備料及成形加工產(chǎn)生附加應力。材料在成形加工時的預應變可達2%~3%，預應變使材料塑性降低，脆斷傾向增加?？赡芤胄碌娘@微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。鋼板彎曲成形矯正彎曲變形第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一6、焊接缺陷裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結(jié)構(gòu)的實際強度，并可能誘發(fā)微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。焊接熱烈紋焊縫內(nèi)氣孔第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一三、影響焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素1、應力狀態(tài)的影響缺口效應2、溫度的影響：脆性轉(zhuǎn)變溫度以下工作。3、加載速度的影響：提高加載速度，相當于降低工作溫度。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一4、材料狀態(tài)的影響前述三個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力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方面是因為厚板相對于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差?？勾鄶嗄芰^低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，組織細密而均勻，具有較高抗斷能力。2）晶粒度的影響。對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，晶粒度越細，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。3）化學成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加，其強度也隨之提高，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。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一四、防止焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施1、正確選用材料㈠接頭各部分的要求㈡不能盲目選用高強度材料2、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設計㈠減少應力集中第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一減小應力集中盡量采用圓滑過渡把角接頭改成對接接頭焊縫錯開布置第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一㈡盡量減小結(jié)構(gòu)剛度對于大型焊接結(jié)構(gòu)，在滿足使用條下件，應盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降低應力集中和附加應力對脆性斷裂傾向的影響。通常用開“緩和孔”或開“緩和槽”等方法來減小接頭的剛度，有時還故意留一段焊縫不焊。三條焊縫空間交叉，剛度大，應力集中嚴重。把一塊板切掉一角，降低結(jié)構(gòu)剛度。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一3、不可采用過厚截面在大型焊接結(jié)構(gòu)中，在滿足工作應力的條件下，盡量采用薄板材。在工作應力較大時，可采用多層板結(jié)構(gòu)，從而降低鋼板的脆性轉(zhuǎn)變溫度。不能用減低許用應力的辦法來減小脆斷傾向性，這樣會使板厚增大，斷裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。4、重視附件和不受力的焊縫設計5、減小和消除焊接殘余應力與變形第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一6、了解焊接結(jié)構(gòu)的工作條件詳細了解工作環(huán)境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井的設計要求掌握近20年的氣象報告，最后通過概率統(tǒng)計得出結(jié)構(gòu)最低工作溫度。充分考慮結(jié)構(gòu)的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結(jié)構(gòu)更要給予特殊的關(guān)注，一般要通過實驗確定結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫度。對于儲存腐蝕性介質(zhì)的容器，要求焊縫熱影響區(qū)不能與介質(zhì)接觸。熱影響區(qū)腐蝕介質(zhì)熱影響區(qū)腐蝕介質(zhì)增加板厚第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一小結(jié)脆性斷裂的特征

無明顯塑性變形的低應力破壞，突然性強。產(chǎn)生脆斷的原因

⑴使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度使塑性材料變脆；⑵焊接熱循環(huán)容易使熱影響區(qū)組織粗大，塑性下降;⑶焊接殘余應力使焊接接頭強度下降并且接頭處易產(chǎn)生應力集中；⑷焊接缺陷使結(jié)構(gòu)的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋；⑸備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性；⑹焊接結(jié)構(gòu)剛度大，焊接應力難消除，裂紋在構(gòu)件之間擴展容易。生產(chǎn)和設計中防止脆斷的措施了解使用條件；合理設計結(jié)構(gòu)；降低應力集中；盡量減少缺陷。第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞動荷載的概念所謂靜荷載是指由零緩慢地增加到某一定值后保持不變或變動很小的荷載。構(gòu)件受靜荷載作用時，體內(nèi)各點沒有加速度，或加速度很小可忽略不計，此時構(gòu)件處于靜止或勻速直線運動的平衡狀態(tài)。在靜荷載作用下，構(gòu)件中產(chǎn)生的應力稱為靜應力。相反，若構(gòu)件在荷載作用下，體內(nèi)各點有明顯的加速度，或者荷載隨時間有顯著的變化，這類荷載稱為動荷載。交變應力工程中的某些構(gòu)件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應力稱為交變應力。第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一例如齒輪上任一齒的齒根處A點的應力(圖(a)），在傳動過程中，軸每轉(zhuǎn)一周該齒嚙合一次，A點的彎曲正應力就由零變到最大值，然后再回到零。齒輪不停地轉(zhuǎn)動，應力就不斷地作周期性變化，如圖(b)所示。結(jié)構(gòu)在交變應力作用下的破壞，稱為疲勞破壞。第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一疲勞破壞的特點（1）交變應力下材料發(fā)生破壞時的最大應力，一般低于靜荷載作用的強度極限，有時甚至低于屈服極限（低應力破壞）。（2）無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應力作用下，均表現(xiàn)為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。（3）材料發(fā)生破壞時，交變應力的循環(huán)次數(shù)與應力的大小有關(guān)，應力越大，循環(huán)次數(shù)越少。（4）斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，如圖所示。斷口特征第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一疲勞破壞的過程構(gòu)件的疲勞破壞，實質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴展和最后斷裂的全過程。三個階段組成：1）在應力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩(wěn)定擴展；3）結(jié)構(gòu)斷裂。疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。應力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）0NX105N1N2fy123456

應力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；應力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一應力循環(huán)特征(b)脈沖循環(huán)(a)完全對稱循環(huán)(c)不完全對稱循環(huán)(d)不完全對稱循環(huán)第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一影響焊接接頭疲勞強度的因素：（1）應力集中的影響對接焊縫由于形狀變化不大，因此，它的應力集中比其它形式的接頭要??；T形(十字)接頭的疲勞強度遠遠低于對接接頭。在搭接接頭中，由于其應力集中很嚴重，其疲勞強度也是很低的。（2）殘余應力的影響

殘余應力對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，取決于殘余應力的分布狀態(tài)。在工作應力較高的區(qū)域，如應力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應力是拉伸的，則它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應力，則提高疲勞強度。另外殘余應力對疲勞強度的影響，還與應力集中程度、應力循環(huán)特征以及循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)，特別是應力集中系數(shù)越高，殘余應力影響越顯著。（3）缺陷的影響

焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、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)影響大；表面缺陷比內(nèi)部影響大；位于應力集中區(qū)的缺陷比在均勻應力場中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應力場內(nèi)的缺陷比在殘余壓應力區(qū)的影響大。值得說明的是，同樣尺寸的缺陷對不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度的影響也不相同。第二十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一提高焊接接頭疲勞強度的措