1、四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第八章焊接結構的脆性斷裂焊接結構的脆性斷裂四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛一、斷裂概述一、斷裂概述 第一節第一節 金屬材料的斷裂及影響因素金屬材料的斷裂及影響因素 1、斷裂的概念及分類 斷裂材料在應力的作用下分解成兩部分或兩部分以上的現象四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science an

2、d Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛金屬材料的斷裂及影響因素結晶學的微觀角度解理斷裂剪切斷裂斷面與應力的關系角度正斷（與拉應力垂直）切斷（與切應力平行）斷裂斷裂分類分類四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛解理斷裂時，材料幾乎沒有發生塑性變形就出現破斷，其斷口為閃閃發光的結晶狀斷口，亦稱脆性斷裂剪切斷裂時，材料在發生足夠大的塑性變形后出現的斷裂，其斷口灰暗無光，通常為纖維狀，亦稱韌性斷裂、切變斷裂斷裂時應變與能量吸收角度脆性斷裂韌性斷裂金屬材料的斷裂及影響因素四川

3、大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛2 2、斷裂的一般過程、斷裂的一般過程構件拉伸時隨著應力的增大，將從均勻變形過渡到局部的塑性變形，并發生頸縮。頸縮處的心部受三向拉應力，不易變形，滑移受阻，將出現位錯增殖、堆積，并形成空孔和微裂紋隨著應力的增大，空孔和微裂紋將合并長大并緩慢擴張，逐步達到臨界裂紋尺寸達到臨界裂紋尺寸的裂紋將會急速擴張，最后發生脆性斷裂金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Enginee

4、ring焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛3 3、解理斷裂、解理斷裂解理斷裂解理斷裂在拉應力的作用下，晶體材料沿某些特定的結晶學截面（解理面）發生的斷裂解理斷裂是一種脆性斷裂。在低溫、高應變速率或高應力集中的體心立方、密排六方金屬中，當材料的塑性變形嚴重受阻，材料不能以形變的形式而只能以分離來順應外加應力，此時變形速度遠遠跟不上斷裂速度，就會發生解理斷裂金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛在解理斷裂中，體心立方金屬常沿100面解理；密排六方金屬沿0001面解理。

5、解理斷口常表現為河流花樣、解理臺階、舌狀花樣、魚骨狀花樣等金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛解理斷裂通常并不是沿一個晶面解理，而是沿一族相互平行的晶面同時發生解理，不同高度的解理面將形成解理臺階。在裂紋擴張過程中，臺階的高度由小的差異逐漸導致大的差異，尤如小河川匯成大河川，故稱為“川流結構”或“河流花樣”圖圖1 1 河流花樣的裂紋擴展示意圖河流花樣的裂紋擴展示意圖金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturin

6、g Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛圖圖2 2 河流花樣河流花樣金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛當解理發展遇到障礙（如孿晶面）時，如果繞不過去，則會在障礙物前的晶粒上停留，當形成多個新裂紋源后再向前發展，并繞過障礙物，而留下小部分孤島。故在“河流花樣”中常存在著“舌狀結構”圖圖3 3 舌狀結構形成示意圖舌狀結構形成示意圖金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturi

7、ng Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛圖圖4 4 舌狀結構舌狀結構金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛4 4、剪切斷裂、剪切斷裂剪切斷裂在切應力的作用下，沿滑移面滑移并產生大量塑性變形后出現的斷裂圖圖5 5 圓柱試樣拉伸時不同韌性的斷裂形式圓柱試樣拉伸時不同韌性的斷裂形式 a- a-頸縮型；頸縮型；b-b-雙杯型；雙杯型；c-c-杯錐型；杯錐型；d-d-剪切型剪切型金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院

8、School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛A A、滑移變形集中在狹小區域里的滑移切斷不論哪種形式的剪切斷裂，均是滑移變形的結果。其滑移的基本形式有兩種：圖圖6 6 滑移切斷滑移切斷金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛B B、左右同時滑移產生的頸縮斷裂左右同時滑移產生的頸縮斷裂圖圖7 7 頸縮型斷裂頸縮型斷裂金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of M

9、anufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛5 5、裂紋的形成與擴張、裂紋的形成與擴張由于同號位錯在障礙物夾雜、第二相、氣孔或晶界等處堆積，或由于兩個交叉的滑移面上的位錯皆向交叉處滑移、堆積，從而形成微裂紋，即型裂紋圖圖8 8 型微裂紋的形成示意圖型微裂紋的形成示意圖金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛由于異號位錯在相鄰很近的滑移面上相對滑移，在交錯處形成微裂紋，即型裂紋圖圖9 9 型微裂紋的形成示意

10、圖型微裂紋的形成示意圖金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛隨著滑移的進行，在型和型裂紋中，不斷移入多余的位錯，由于滑移和附加應力的作用，微裂紋擴張成稍大的裂紋或空孔。截面上的應力狀態不同，最后斷裂的微觀斷口形式也不同圖圖10 10 空孔的合并與斷口的走向示意圖空孔的合并與斷口的走向示意圖金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛

11、在空孔合并最后形成蜂窩狀斷口的韌性斷裂中，空孔或微裂紋主要是由于第二相或夾雜物前面大量堆積的位錯產生的。故第二相顆粒的大小和分布狀態對韌性斷裂有重要影響圖圖11 11 韌性斷口的韌性斷口的“韌窩韌窩”金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛二、影響金屬材料斷裂的主要因素1、應力的影響物體在外力的作用下，在其截面上將產生正應力和切應力。當物體受到單向拉應力時，其最大正應力max作用在與外力垂直的平面上，最大切應力max作用在與外力成45的截面上當正應力達到材料的正

12、斷抗力時，將產生正斷，斷口與外力方向垂直當切應力達到材料的屈服點時，將發生塑性變形；當切應力達到材料的剪斷抗力時，將發生剪斷金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛構件在外力的作用下，在正應力max未達到材料的正斷抗力前，如果切應力max首先達到屈服點，則構件將產生塑性變形，隨后出現塑性斷裂；如果在切應力max達到屈服點之前，正應力max首先達到正斷抗力，則構件將發生脆性斷裂金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufactu

13、ring Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛當有缺口的構件受到拉應力y時，由于缺口根部橫向收縮受阻，將在橫向和厚度方向產生拉伸應力x和z，從而在缺口根部產生三軸拉應力，使該處材料變脆。缺口越深、越尖，局部應力和應變就越大圖圖12 12 缺口根部應力分布缺口根部應力分布金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛2、溫度的影響隨著溫度的降低，構件的破壞方式將由塑性破壞變為脆性破壞。由韌性斷裂到脆性斷裂的轉變溫度稱為韌脆轉變溫度

14、在較高溫度時，材料處于臨界溫度以上，位錯借助于熱激活能可以比較容易地進行移動，并可能會出現新的滑移面，因而脆性裂紋難于形成。而當溫度較低時，位錯的運動將受到極大阻礙，位錯的堆積將導致裂紋形成金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛3、加載速度的影響隨著變形速度的增加，材料來不及進行塑性變形和滑移，位錯擺脫束縛進行滑移所需的熱激活時間減少，使脆性轉變溫度提高，故易于脆斷。當材料中有缺口時，應變速率將快速提高，從而將大大降低材料的局部韌性 圖圖13 13 韌脆轉變溫

15、度韌脆轉變溫度與應變速率的關系與應變速率的關系金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛4、組織狀態的影響化學成分的影響降低C、P、S的含量和增加Mn的含量，既可保證鋼的強度，又可提高鋼的塑性，對防止斷裂有利適當增加Ni、V、Cr、Nb、Ti、Zr、Al等元素含量，可細化晶粒，有利于提高材料的抗斷裂能力金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學

16、楊楊 剛剛氫在鋼中易產生氫脆；氮在鋼中易形成氣團，阻止位錯的運動，產生位錯積塞，降低韌性。同時，氮易以針狀氮化物的形式存在于鋼中，嚴重降低韌性；氧常以氧化物夾雜形式存在于鋼中，降低材料的強度、硬度和塑性，產生脆化組織狀態和板厚的影響材料的晶粒度越小，其斷裂強度就越高。隨著晶粒度的增大，材料發生脆性解理斷裂的可能性增加 構件的厚度越大，材料的塑性約束增加，斷裂將由塑性斷裂向脆性斷裂轉變金屬材料的斷裂及影響因素四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節 焊接材料斷裂的評定方法一、臨界轉

17、變溫度和斷裂判據溫度、變形速度、構件狀態對脆性斷裂有重要影響：降低溫度、提高變形速度以及構件的大厚度、存在缺口和殘余應力會增大脆斷的可能性四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛為防止脆斷，常模擬實際工作條件進行試驗，將材料韌性急劇下降的溫度定為由塑性斷裂向脆性斷裂轉變的臨界溫度，以此作為材料是否發生脆性斷裂的判據。如果構件的實際使用溫度高于該臨界溫度，則認為構件沒有發生脆斷的危險焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Scien

18、ce and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛焊接材料斷裂的評定方法二、防止裂紋發生和阻止裂紋擴展的原則止裂原則： 焊接構件在最低工作溫度下工作時，必須能夠止裂條件：裂紋起源于材料的局部脆化區內，且處于較高阻止脆性裂紋的自由擴展的應力場中。當焊縫及近縫區的缺陷及應力集中所產生的脆性裂紋擴展進入韌性區和較低的應力場中時，已經裂開的裂紋長度如果小于新區域中裂紋失穩斷裂的臨界長度時，則裂紋的擴展將受到阻止一般情況下，在高于止裂溫度時，材料內出現的脆性裂紋將被相鄰的母材制止，從而可有效防止構件出現整體脆性斷裂四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing

19、Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛三、防止結構脆斷的試驗研究方法1、沖擊試驗在沖擊試驗中，V形缺口沖擊試驗應用較多a、按能量標準確定臨界溫度將被測工件浸入相關的控溫介質（如酒精、冰、液氮等）中，然后在低溫下做系列沖擊試驗，并測定沖擊功隨溫度改變的變化曲線，當沖擊斷裂功aK降至某一特定數值時的溫度即為臨界溫度TK焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛右圖為兩種典型的系列沖擊試驗曲線。曲線A的沖擊功在某一溫度時突然下降，該溫

20、度即為材料的臨界溫度TK大多數材料的沖擊功是在某一溫度范圍內連續下降的，如曲線B。此時應根據各材料的沖擊功降至某一特定值時來確定對應的臨界溫度TK圖圖14 14 沖擊斷裂功和試驗溫度的關系沖擊斷裂功和試驗溫度的關系焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛b、按斷口形貌確定臨界溫度隨著溫度的降低，沖擊斷口的纖維狀區域面積將減小，結晶狀區域將增加。根據纖維狀區域與結晶狀區域相對面積的大小來確定其對應的臨界溫度TK。通常將結晶區域面積占總面積50%時所對應的溫度作為臨界

21、溫度TK圖圖15 15 沖擊斷口形貌示意圖沖擊斷口形貌示意圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛沖擊斷口剪切唇沖擊斷口纖維區沖擊斷口纖維區沖擊斷口放射區沖擊斷口放射區焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛沖擊斷口剪切唇沖擊斷口剪切唇焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing S

22、cience and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛2、落錘試驗在厚度為25.4mm的長條狀試件中部焊一6413 mm的脆性焊道，然后在焊道中部的垂直方向上鋸一1.5mm以下的人工缺口，將試件焊面朝下置于一砧座上，在不同溫度下，用一頭部半徑為25.4mm的圓柱面重錘向試件的中部加載，當試件發生斷裂的最高溫度就是臨界溫度圖圖16 16 落錘試驗落錘試驗1-1-砧座；砧座；2-2-試件；試件；3-3-重錘；重錘；4-4-終止撓度；終止撓度；5-5-止撓塊止撓塊焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and

23、 Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛由于落錘試驗是裂紋傳播試驗，如果鋸口根部未開裂，則試驗無效；鋸口開裂但被母材制止，未能擴展至試件邊緣則判為未斷；鋸口根部開裂并擴展至邊緣則判定為斷裂焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛3、邏伯遜試驗和ESSO試驗右圖試件一端呈半圓形，在其心部鉆孔，并鋸一缺口，然后將試件焊接到聯接板上。試驗時，先在試件上制造一有穩定溫度梯度的溫度場，然后在試件上帶有缺口的一端用重錘施加沖擊載荷，使缺口開裂。在均勻拉應力下，試

24、件中的裂紋將繼續擴展，直至某一溫度區域才被制止。裂紋尖端出現剪切唇的溫度即為止裂轉變溫度圖圖17 17 邏伯遜試件邏伯遜試件焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛右圖為邏伯遜止裂溫度試驗(CAT試驗)測定的典型曲線。由圖可見，在低溫區由于鋼材的韌性極差，使CAT曲線平緩，即在該區間內溫度對鋼材的承載能力影響很小。當溫度高于某一值時，材料的止裂能力顯著提高圖圖18 18 邏伯遜試驗的邏伯遜試驗的CATCAT曲線曲線焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院S

25、chool of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛CAT曲線也可用ESSO試驗求得。將右圖試件置于一溫度場中，其一側有一尖銳缺口，在另一側也開一極細的切口，當被冷卻到指定溫度時，對缺口用楔子錘擊加載，使之引發脆性裂紋，根據裂紋擴展情況可繪制出相應的CAT曲線圖圖19 ESSO19 ESSO裂紋擴展試驗試件裂紋擴展試驗試件焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛佩里尼把DW落錘試驗、ESSO法以

26、及邏伯遜法進行了綜合，從而把溫度、缺陷尺寸的大小與脆斷之間建立起了有機聯系，形成了佩里尼斷裂分析圖（FAD）當溫度低于NDT時，隨缺陷尺寸的增加，斷裂強度明顯下降；當工作溫度高于NDT時，斷裂強度明顯上升圖圖20 20 佩里尼裂紋分析圖佩里尼裂紋分析圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛4、寬板試驗寬板試驗用于再現焊接結構中低應力脆性斷裂的開裂情況。它由兩個半塊組成，試件的焊邊刨成X形坡口，并在坡口上鋸出切口。然后在X形坡口上用焊條電弧焊焊成縱向對接焊縫，將試

27、件裝配在特制的拉伸試驗機上，當試件中部冷卻至不同溫度后加載將其拉斷圖圖21 21 寬板試驗示意圖寬板試驗示意圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛寬板試驗的低應力脆性斷裂的幾種情況：a、低應力下產生裂紋并立即斷裂，如H點。此為焊接結構中非常危險的失穩斷裂，該斷裂溫度稱為失穩斷裂溫度 圖圖22 22 寬板試驗示意圖寬板試驗示意圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineer

28、ing焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛b、低應力下產生脆性裂紋，但裂紋發展到一定程度會自行停止。繼續增加負載，低溫下當構件達到屈服強度后出現斷裂，如A、B、C等點c、在較高溫度及在屈服強度的應力下才會產生裂紋，最后發生斷裂。如F點圖圖23 23 寬板試驗示意圖寬板試驗示意圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛木原的寬板試驗斷裂行為圖分為7個區域：有殘余應力和尖銳缺口，裂紋開裂后不擴展應力較高，裂紋開裂后即擴展應力超過屈服強度s時發生斷裂的區域溫度高于裂紋開裂臨界

29、溫度，但不產生脆性開裂圖圖24 24 木原寬板試驗斷裂行為圖木原寬板試驗斷裂行為圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛溫度較高，應力較低，既不發生脆性開裂又能制止別處引發裂紋有尖銳缺口，但無殘余應力，達到塑斷區域時才能發生塑性斷裂有尖銳缺口，無殘余應力，試件開裂后不會擴展，能夠止裂圖圖25 25 木原寬板試驗斷裂行為圖木原寬板試驗斷裂行為圖焊接材料斷裂的評定方法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and E

30、ngineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節 焊接結構的特點及其對脆斷的影響一、焊接結構的特點1、脆性斷裂的特征 突然性構件在沒有顯著塑性變形情況下突然發生斷裂擴展性脆性破壞一經發生，瞬間就能擴展到整個構件低應力性構件發生脆斷時，材料中的平均應力比屈服極限小得多，為低應力下的破壞四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛焊接結構的特點及其對脆斷的影響2、發生脆斷事故的原因a、構件在低溫下工作，使材料變脆b、構件中存在的缺陷和裂紋，造成了嚴重的應力集中c、焊接接頭中殘余應力的作

31、用，促進了裂紋的擴展d、構件為不合格的材料或性能較差的材質組成e、結構設計不合理造成應力集中而破壞四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛3、焊接與鉚接對脆斷的影響焊接接頭是冶金結合，具有良好的致密性和整體性。但是，如果焊接結構一旦出現開裂，裂紋就很容易由一個構件擴展至另一構件，并擴展至構件整體，造成結構整體破壞鉚接接頭則有阻止裂紋跨越構件擴展的特點。即使構件中出現了裂紋，當裂紋擴展到鉚接接頭處時會停下來，不會擴展至另一構件中，從而可避免嚴重的脆斷后果焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川

32、大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛二、焊接結構制造工藝的影響1、焊接殘余應力的影響在韌脆轉變溫度以上時，外加載荷使得殘余應力均勻化，對脆性斷裂影響不大；在韌脆轉變溫度以下時，殘余應力將使斷裂應力顯著減小2、焊接應力循環和應變循環對脆斷的影響在焊接構件的脆斷研究中，常采用帶缺口的焊接寬板試驗：一種為開了初始裂紋后再進行焊接；另一種是焊完后再開裂紋焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Enginee

33、ring焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛研究表明，焊前開缺口(裂紋源)與焊后開缺口對應力循環沒有明顯差別，且殘余應力大體相當；但兩者的熱應變循環卻有很大差別：焊前開缺口的構件在焊接熱循環中有嚴重的應變集中和較大的熱應變量，因此其應變循環和殘余應變分布與焊后開缺口的構件有明顯的差別圖圖26 26 焊接寬板試驗應力應變情況焊接寬板試驗應力應變情況a-a-應力循環；應力循環；b-b-應變循環（實線為應變循環（實線為焊前開缺口）焊前開缺口）焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工

34、程學楊楊 剛剛對于焊前預制裂紋的構件，在焊接過程中裂紋尖端將受到極大的熱應變。由于應力和應變循環的作用，使裂紋處的局部區域產生“動應變時效脆化”現象，從而增大脆性斷裂的危險圖圖27 27 焊接寬板試驗縱向殘余應力和應變分布情況焊接寬板試驗縱向殘余應力和應變分布情況a-a-殘余應力；殘余應力；b-b-殘余應變殘余應變1 1、焊前開缺口；、焊前開缺口；2 2、3-3-焊后開缺口（前、后）；焊后開缺口（前、后）；4-4-缺口尖缺口尖端位置端位置焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程

35、學焊接工程學楊楊 剛剛霍爾（Hall）動應變時效脆化試驗三種類型缺口試樣：第一種：預先開缺口，后焊接第二種：焊前開缺口，焊后再聯通第三種：先焊接，后開缺口焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛圖圖28 Hall28 Hall寬板裂紋加工圖寬板裂紋加工圖焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛霍爾(Hall)試驗結果表

36、明，第一、第二類型缺口試樣的轉變溫度比第三種類型缺口試樣高33。因此，焊接應力、應變循環對焊前有裂紋和焊后開裂紋的構件抗脆斷能力有不同程度的影響。在多層焊時，如果在先焊的焊道中產生了焊接裂紋或未焊透，則在后續的焊道焊接過程中，有可能在這些缺陷處產生熱應變時效，使焊接結構的抗脆斷能力下降焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛3、預應變對結構脆斷的影響在焊接結構的生產過程中，一般要經過剪切和成型等加工工序，材料在成型加工中的預應變量可達到2-3%。一般而言，

37、預應變將使材料斷裂時的殘余塑性變形減小，斷裂韌性降低，因此使材料的塑性降低，脆斷傾向增加。高溫(200-600)預應變對材料脆化傾向的影響比室溫預應變的影響更大焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛下圖為C-Mn鋼缺口彎曲試件預應變對脆斷的影響試驗。預彎時先使缺口張開0.16mm，然后向里彎曲到原來的尺寸。可見，不同溫度下的預彎處理，其轉變溫度不同：20預彎試件的轉變溫度最低，250預彎試件的轉變溫度最高；預彎變形量越大，轉變溫度越高圖圖29 29 缺口

38、彎曲試件預應變對脆斷的影響缺口彎曲試件預應變對脆斷的影響焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛4、焊接熱循環的組織變化對脆斷的影響在焊接過程中，由于快速的加熱和冷卻，其熱影響區的作用使接頭中各部位的缺口韌性不同。焊接工藝參數，尤其是焊接熱輸入對熱影響區的組織有重要影響。對于高強鋼的焊接結構，更應注意焊接熱輸入的選擇：過小的熱輸入會引起淬硬組織，容易產生裂紋；過大的熱輸入易導致晶粒粗大，韌性降低，材料脆化焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程

39、學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛5、焊接缺陷對脆斷的影響焊接缺陷是焊接結構脆斷的重要原因，40%的脆斷事故是從焊接缺陷處開始破壞焊接缺陷分為平面缺陷和非平面缺陷平面缺陷如裂紋、未焊透等，其對斷裂的影響取決于缺陷大小、位置、尖銳程度非平面缺陷如氣孔、夾渣等，其對斷裂的影響程度低于平面缺陷焊接結構的特點及其對脆斷的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節 預防焊接結構脆斷的措施一、正確

40、選擇材料選材原則1、在保證結構安全的前提下，同時要考慮經濟效益2、母材及焊縫填充材料應有較好的缺口韌性，即應使焊縫、熱影響區和熔合線部位具有足夠的抗開裂性能，母材應具有一定的止裂性能3、隨著強度的提高，更應考慮材料的斷裂韌性問題4、應充分了解結構的使用溫度及載荷情況四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛預防焊接結構脆斷的措施通常采用以下兩種方法對材料進行驗收和評定：1、按缺口韌性試驗驗收材料選定的鋼材用V形缺口沖擊試驗來驗證材料的適用性，即要求以該種材料制備的標準試件在規定溫度下能達

41、到某一規定的能量值來考核。研究表明, V形缺口沖擊試驗測定的參考溫度與材料的最低設計溫度有一定的對應關系四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛由寬板拉伸試驗的轉變溫度（作為允許的最低設計溫度）和結構強度決定的板厚，可查得V形缺口沖擊試驗時選擇材料的參考溫度，然后從材料標準中選取能滿足規定的V形缺口沖擊試驗最低沖擊能量所要求材料圖圖30 30 寬板試驗與寬板試驗與V V形缺口沖擊試驗轉變溫度的關系形缺口沖擊試驗轉變溫度的關系a a、焊態、焊態 b b、焊后熱處理、焊后熱處理預防焊接結構

42、脆斷的措施四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛2、用斷裂韌度與屈服點的比值來評定材料的抗脆斷能力材料的斷裂韌度（K）與屈服點的比值能很好地說明材料的脆塑性，兩者的比值反映了裂紋尖端處在斷裂前塑性區的大小。塑性區小意味著裂紋擴展消耗的能量少，可以認為是一種脆性材料；塑性區大意味著裂紋擴展時要消耗較多的能量，可以認為該材料具有較好的抗脆斷性能預防焊接結構脆斷的措施四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛二、合理結構設計焊接結構設計時必須遵守以下幾項原則：1、應全面了解焊接構件的工作環境和工作條件如：對于在露天下工作的構件，應清楚其最低工作溫度和溫度變化規律；對于儲存低溫工作介質的焊接容器，應將環境溫度和介質溫度中的最低溫度作為設計計算溫度；應詳細了解焊接構件是否承受沖擊載荷等預防焊接結構脆斷的措施四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛2、應盡量減少結構和接頭的應力集中a、在結構的截面過渡中不允許有突變和尖角，應設計成平緩過渡圖圖31 31