第四章 脆性斷裂

1、第4章 焊接結(jié)構(gòu)斷裂分析及控制 金屬材料脆性斷裂與延性斷裂 斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 焊接接頭的斷裂力學(xué)分析 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的影響因素 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制 抗斷裂性能的試驗(yàn)評定方法,4.1 金屬材料脆性斷裂與延性斷裂 斷裂過程：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂 根據(jù)斷裂前塑性變形的大小，將斷裂分為： （1）脆性斷裂 沒有明顯的塑性變形、瞬時擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體、突然破壞、應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力 （2）延性斷裂（塑性斷裂或韌性斷裂）斷裂前有明顯塑性變形,4.1.1 脆性斷裂 放射狀條紋 人字形花樣,脆性斷裂的主要特征： （1）低應(yīng)力脆性斷裂 工作應(yīng)力 屈服極限或許用應(yīng)力 （2）低溫脆性斷裂 （3）裂紋超過某個臨界尺寸

2、，將迅速擴(kuò)展，直至斷裂，具有突然性。 （4）脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬中出現(xiàn),脆性斷裂機(jī)制：解理斷裂和晶間斷裂,4.1.2 延性斷裂（韌性斷裂） 塑性材料的晶體載荷作用下，彈性變形 載荷繼續(xù)增加，發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形 繼續(xù)變形，作用力增加（加工硬化） 加大載荷，產(chǎn)生微裂口或微空隙 微空隙擴(kuò)展匯合成宏觀裂紋 宏觀裂紋發(fā)展到一定尺寸 最終快速失穩(wěn)斷裂,韌性斷口：微孔洞（韌窩） 韌性斷裂的過程：微孔成核、微孔長大和微孔聚合三個階段。,4.1.3 韌性脆性轉(zhuǎn)變 一、影響金屬材料斷裂的主要因素 （1）應(yīng)力狀態(tài) （2）溫度 （3）加載速度 （4）材料的內(nèi)在因素 化學(xué)成分、組織狀態(tài),三軸應(yīng)力狀態(tài)

3、的缺口效應(yīng),二、韌性脆性轉(zhuǎn)變 溫度降低，塑性斷裂脆性斷裂 韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度,4.2 斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 4.2.1 含裂紋件的斷裂行為,剩余強(qiáng)度：將含裂紋結(jié)構(gòu)在連續(xù)使用中任一時刻所具有的承載能力,含裂紋結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析應(yīng)解決的主要問題： （1）結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度與裂紋尺寸之間的函數(shù)關(guān)系； （2）在工作載荷作用下，結(jié)構(gòu)中容許的裂紋尺寸，即臨界裂紋尺寸或裂紋容限； （3）結(jié)構(gòu)中一定尺寸的初始裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸需要的時間； （4）結(jié)構(gòu)在制造過程中容許的缺陷類型和尺寸； （5）結(jié)構(gòu)在維修周期內(nèi)，裂紋檢查的時間間隔。,4.2.2 線彈性斷裂力學(xué) 一、裂紋類型 根據(jù)裂紋體的受載和變形情況分為三種類型：,（1）

4、張開型（或稱拉伸型）裂紋（型裂紋） 外加正壓力垂直于裂紋面，在應(yīng)力作用下裂紋尖端張開，擴(kuò)展方向和正壓力方向垂直 （2）滑開型（或稱剪切型）裂紋（型裂紋） 剪切應(yīng)力平行于裂紋面，裂紋滑開擴(kuò)展 （3）撕開型裂紋（型裂紋） 在切應(yīng)力作用下，一個裂紋面在另一裂紋面上滑動脫開。裂紋前緣平行于滑動方向 大多數(shù)裂紋形式屬于型裂紋，最危險,二、裂紋尖端的應(yīng)力場 設(shè)一無限大平板中心含有一長度為2a 的穿透裂紋 Irwin 離裂紋尖端（r，）的點(diǎn),薄板平面應(yīng)力狀態(tài) 厚板平面應(yīng)變狀態(tài),應(yīng)力強(qiáng)度因子KI：衡量裂紋尖端區(qū)應(yīng)力場強(qiáng)度的重要參數(shù)，下標(biāo)代表型裂紋 受單向均勻拉伸應(yīng)力作用的無限大平板有長度為 的中心裂紋的應(yīng)力強(qiáng)

5、度因子為 KI取決于裂紋的形狀和尺寸， 以及應(yīng)力的大小,三、裂紋尖端的塑性區(qū) 當(dāng) = 0，切應(yīng)力為零，正壓力最大 當(dāng)r0時，應(yīng)力趨于，表明裂紋尖端處應(yīng)力場有r -1/2階奇異性（理論上） 塑性區(qū),Irwin考慮塑性區(qū)的影響，裂紋長度 a a + ry ry為塑性區(qū)長度，型裂紋的ry為 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）,將修正后的裂紋尺寸a + ry代入 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）,四、斷裂分析的能量原理 Griffith取一塊單位厚度的“無限”大平板 彈性應(yīng)變能釋放量U 新表面吸收能量W ，總能量變化為 設(shè)裂紋的單位表面吸收的表面能為 ,系統(tǒng)能量與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系 裂紋擴(kuò)展的臨界條件 能量釋放率 （裂

6、紋擴(kuò)展的驅(qū)動力） 裂紋擴(kuò)展的阻力,裂紋自動擴(kuò)展 裂紋不能自動擴(kuò)展 若給定裂紋半長a，則裂紋擴(kuò) 展的臨界應(yīng)力為 若給定應(yīng)力，則裂紋擴(kuò)展的 臨界長度為 玻璃、陶瓷等脆性材料,金屬材料 裂紋尖端局部區(qū)域 塑性變形 Orowan 設(shè)P為裂紋擴(kuò)展單位面積所需的塑性變形能，以（P+）來代替，裂紋的臨界擴(kuò)展條件為 金屬材料 塑性變形是阻止裂紋擴(kuò)展的主要因素 薄板（平面應(yīng)力）,五、斷裂韌度和斷裂判據(jù) 無限大平板長為2a的穿透裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子KI與應(yīng)變能釋放率G （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 斷裂韌度 GC與K IC，斷裂準(zhǔn)則 或 KIC是材料常數(shù) KIC通過有關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)來獲得 K IC的選取應(yīng)保證平面應(yīng)力的延

7、性斷裂,4.2.3 彈塑性斷裂力學(xué) 一、 裂紋張開位移（COD） 1961年 Wells COD理論 COD表征裂紋尖端附近的塑性變形程度 COD判據(jù)：裂紋體承受載荷時，裂紋尖端張開位移達(dá)到極限值C（mm）時，裂紋會起裂擴(kuò)展，斷裂準(zhǔn)則為 C為材料的裂紋擴(kuò)展阻力，可通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測定。COD判據(jù)是一個起裂判據(jù),COD常用的定義方法 圖a 有明顯的物理意義，但試驗(yàn)中不容易測得 圖b 便于測定，在大多數(shù)情況下有滿意的精度 圖c 直觀易懂，應(yīng)用較廣 圖d 應(yīng)用于中心穿透裂紋，便于有限元分析,COD是裂尖變形的直接量度，在材料發(fā)生整體屈服前均適用 小范圍屈服時無限大平板中心裂紋受到單向拉伸 （平面應(yīng)力

8、） （平面應(yīng)變） 在大范圍屈服條件下 工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)曲線,二、J 積分 1968年 Rice 設(shè)有一單位厚度的型裂紋體，J積分的定義為 小范圍屈服條件下 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 斷裂準(zhǔn)則為 JIC 彈塑性斷裂韌度,4.2.4 剩余強(qiáng)度 以寬為W的中心裂紋板為例 當(dāng) 時，結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，剩余強(qiáng)度為,4.2.5動態(tài)裂紋擴(kuò)展與止裂 動態(tài)裂紋擴(kuò)展通常有兩種情況： 1）含靜止裂紋的結(jié)構(gòu)承受迅速變化的動載荷作用引起的裂紋擴(kuò)展； 2）凈載荷或緩慢變化的載荷作用下的裂紋快速擴(kuò)展 在線彈性材料特性范圍內(nèi)，第一類問題的裂紋起裂準(zhǔn)則為 式中， KI是動載荷下的應(yīng)力強(qiáng)度因子 KId是動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子,一、動態(tài)裂紋擴(kuò)

9、展 （G - R）的大小決定了裂紋擴(kuò)展速度的大小 若裂紋擴(kuò)展在恒應(yīng)力下進(jìn)行，G與裂紋擴(kuò)展速度無關(guān)，且材料的裂紋擴(kuò)展阻力R為常值，裂紋擴(kuò)展速度為,當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展時， K(V)為動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，K(0)是同一載荷及當(dāng)前裂紋長度下的靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，k(V)是裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù) 瞬時能量釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系 A(V)是裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù) 動態(tài)裂紋能量釋放率與靜態(tài)裂紋能量釋放率之間的關(guān)系 G(V)為動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，g(V)是裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù)，G(0)是靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子,二、 裂紋止裂的基本原理 利用能量平衡原理進(jìn)行研究 如果G稍微降到R以下，裂紋止裂,4.3 焊接接頭的斷裂力學(xué)分析 4.3

10、.1 含裂紋焊接接頭的斷裂模式 影響因素：接頭強(qiáng)度失配比、裂紋尺寸、應(yīng)變硬化性能等相互影響 低匹配 高匹配,臨界裂紋尺寸 焊接接頭發(fā)生全面屈服的最大裂紋尺寸ag 焊接接頭母材發(fā)生屈服并斷裂的最大裂紋尺寸abg 在高匹配條件下，焊縫發(fā)生小范圍屈服而母材發(fā)生屈服斷裂的最大裂紋尺寸an,nB 母材的極限強(qiáng)度 KCW 焊縫的斷裂韌度,4.3.2 失配性對焊縫裂紋驅(qū)動力的影響 高匹配焊縫中心裂紋寬板（CCT試件）橫向拉伸 2H/B和W一定，當(dāng)a ac1（臨界裂紋尺寸）時， “凍結(jié)”現(xiàn)象 匹配因子M的 增大，COD曲線 將會降低,裂紋驅(qū)動力：低匹配 低估 高匹配 高估 充分考慮非匹配因素的影響,4.4 焊

11、接結(jié)構(gòu)的斷裂控制 4.4.1影響焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要因素 一、焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響 焊接結(jié)構(gòu)剛性大、整體性強(qiáng)、對應(yīng)力集中敏感,“自由”輪甲板艙口設(shè)計(jì)對比 a) 原始設(shè)計(jì) b) 改進(jìn)后設(shè)計(jì),二、焊接殘余應(yīng)力的影響 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 對脆斷影響不大 轉(zhuǎn)變溫度 無不利影響， c s = 轉(zhuǎn)變溫度 c 急劇下降 轉(zhuǎn)變溫度 c很小， c s,拉伸殘余應(yīng)力只限于焊縫附近部位，離開焊縫區(qū)迅速減小，峰值殘余應(yīng)力有助于斷裂的產(chǎn)生,平行焊接接頭試樣開裂路徑和試件中縱向殘余應(yīng)力,三、焊接缺陷的影響 焊接缺陷對脆斷的影響與缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度和缺陷附近材料的性能有關(guān) （1）平面缺陷如裂紋、分層和未焊透等，其影響取決于缺陷的

12、大小、取向、位置和缺陷前沿的尖銳程度 （2）非平面缺陷如氣孔、夾渣等，其影響程度一般低于平面缺陷 40%的脆斷事故是從焊接缺陷處開始的，各種缺陷中以裂紋對脆斷的影響最大,四、金相組織改變對脆性的影響 熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)之一 熱影響區(qū)的金相組織主要取決于鋼材的原始組織、化學(xué)成分、焊接方法和焊接線能量,焊接接頭不同部位的韌性,五、應(yīng)變時效對脆斷的影響 兩種應(yīng)變時效： （1）應(yīng)變時效 鋼材被剪切、冷作和彎曲成形之后，若在150450范圍內(nèi)加熱，材料的性能就會發(fā)生脆化現(xiàn)象 塑性變形（剪切、冷作矯形） 加熱（150400） 脆化 （2）動應(yīng)變時效（熱應(yīng)變時效） 在焊接過程中，材料經(jīng)受應(yīng)力和應(yīng)變

13、循環(huán)，同時也受到焊接熱循環(huán)的熱作用而發(fā)生的應(yīng)變時效 加熱和塑變同時 脆化,圖a 預(yù)彎曲量越大，轉(zhuǎn)變溫度越高 圖b 不同溫度下預(yù)彎曲的試件，其轉(zhuǎn)變溫度不同 焊后熱處理消除時效影響,缺口彎曲試件預(yù)應(yīng)變對脆斷的影響 a) 預(yù)應(yīng)變量的影響 b) 預(yù)應(yīng)變溫度的影響,六、角變形和錯邊的影響 角變形和錯邊降低結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力 角變形和錯邊比較大的接頭 承受拉應(yīng)力，力線不通過中心，產(chǎn)生附加彎矩 低應(yīng)力破壞 焊縫加厚高在熔合線處的應(yīng)力集中將其更加嚴(yán)重 可加焊防裂焊縫，消除咬肉，整形焊縫，改變?nèi)酆暇€方向，改善焊縫的受力條件,4.4.2 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制 一、正確選材 基本原則：安全性 經(jīng)濟(jì)效益 應(yīng)使所選用的鋼材

14、和焊接充填金屬保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性 選材方法：（1）用缺口韌性評定 （2）用斷裂韌性評定（斷裂韌度與屈服點(diǎn)之比） 二、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）盡量減少結(jié)構(gòu)和焊接接頭部位的應(yīng)力集中,1）構(gòu)件截面改變的地方，設(shè)計(jì)成平緩過渡，不要形成尖角 2）盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對接接頭 a）設(shè)計(jì)不合理，在使用中曾多次出現(xiàn)焊縫破壞現(xiàn)象 b）應(yīng)力集中程度，結(jié)構(gòu)的承載能力,3）不同厚度的對接接頭應(yīng)采用圓滑過渡 b 最好 焊縫部位應(yīng)力集中最小 a 和 c 雖將厚板減薄，但焊接部位應(yīng)力集中相當(dāng)大 4）將焊縫設(shè)計(jì)布置在便于焊接和檢驗(yàn)的地方 有效避免焊接缺陷產(chǎn)生,5）避免焊縫密集 防止焊接部位材質(zhì)性能變

15、壞和復(fù)雜的殘余應(yīng)力場,（2）盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度 b 設(shè)計(jì)極不合理，施焊對接焊縫時產(chǎn)生較大應(yīng)力，易引起焊接缺陷脆斷起源 c 立桿的翼板和弦桿的翼板之間不焊接，避免產(chǎn)生高拘束應(yīng)力 為減小焊接部位的剛性，開“緩和槽”以減小拘束度 （3）不采用過厚的截面,（4）對次要焊縫的設(shè)計(jì)，應(yīng)與主要焊縫一樣給予足夠重視。不在受力構(gòu)件上隨意加焊附件。 （5）減少和消除焊接殘余拉應(yīng)力的不利影響,4.4.3 焊接結(jié)構(gòu)斷裂性能的試驗(yàn)評定方法 一、脆斷過程及焊接結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)原則 脆斷過程由兩各階段組成： 第一階段 裂紋的產(chǎn)生階段或引發(fā)階段（即裂紋起源、生核和緩慢擴(kuò)展階段） 第二階段 裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展階段 焊接結(jié)構(gòu)防止脆性破

16、壞的兩種設(shè)計(jì)原則： （1）防止裂紋引發(fā)原則，即抗裂原則。 （2）止裂原則 焊接接頭的抗開裂性能和母材的止裂性能,二、轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)評定方法 （1）沖擊試驗(yàn) 常用的是夏比V形缺口和 U形缺口沖擊試驗(yàn)等,二、轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)評定方法 （1）沖擊試驗(yàn) 1）能量標(biāo)準(zhǔn)（圖a） 按某一固定沖擊能量確定TK 2）斷口標(biāo)準(zhǔn)（圖b） 一般按斷口晶粒狀斷面百分 率達(dá)到某一百分?jǐn)?shù)（例如50） 的溫度作為TK 3）延性標(biāo)準(zhǔn)（圖c） 一般側(cè)面膨脹率為3.8% 時的 溫度作為TK,（2）爆炸膨脹試驗(yàn)和落錘試驗(yàn) 1）爆炸膨脹試驗(yàn) 全厚度355mm355mm正方形鋼板,無延性轉(zhuǎn)變溫度，簡稱NDT 彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度，簡稱FTE 延性斷裂轉(zhuǎn)變溫度，簡稱FTP 對于25cm厚的低強(qiáng)度鋼板 FTE = NDT + 33 FTP = FTE + 33 = NDT + 66 ,2）落錘試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)試件有3種尺寸： P1型：25mm90mm360mm P2型：19mm51mm127mm P3型：16mm51