1、焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構強度的基本理論焊接結構強度的基本理論本章主要內容本章主要內容一、焊接結構脆性斷裂和疲勞破壞的特點、一、焊接結構脆性斷裂和疲勞破壞的特點、產生原因及影響因素；產生原因及影響因素；二、提高結構疲勞強度和防止脆性斷裂的主二、提高結構疲勞強度和防止脆性斷裂的主要措施。要措施。 焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構的脆性斷裂焊接結構的脆性斷裂一、脆性斷裂的主要特征一、脆性斷裂的主要特征宏觀：宏觀：斷裂前斷裂前無明顯塑性變形無明顯塑性變形，沒有任何先兆，沒有任何先兆，突然性強突然性強。斷裂時

2、所承受載荷不大，遠低于設計時的許用應力，是典型的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低應力破壞形式形式。斷口形態斷口形態：斷口發光顆粒、：斷口發光顆粒、平整平整、人字花樣、河流花樣、人字花樣、河流花樣、穿晶。穿晶。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）二、焊接結構產生脆性斷裂的原因二、焊接結構產生脆性斷裂的原因1、焊接結構本身：、焊接結構本身：剛性大，整體性強，構件間很難發生相對位移，焊接應力很剛性大，整體性強，構件間很難發生相對位移，焊接應力很難消除，且對應力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在難消除，且對應力集中特別敏感。止裂能力差

3、，裂紋容易在構件之間擴展，繼而擴展到整體。構件之間擴展，繼而擴展到整體。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）2 2、溫度的影響、溫度的影響塑性材料開始由塑性變為脆性的溫度叫材料脆性轉變點。塑性材料開始由塑性變為脆性的溫度叫材料脆性轉變點。結構的使用溫度較低時，其中的某個部件或局部可能達到脆結構的使用溫度較低時，其中的某個部件或局部可能達到脆性轉變點以下，使塑性材料變脆。性轉變點以下，使塑性材料變脆。測試溫度測試溫度度度強強斷裂強度斷裂強度屈服強度屈服強度焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）3 3、焊接熱循環、焊接熱循環熱影響區組織

4、脆化，韌性下降。熱影響區組織脆化，韌性下降。改變材料脆性轉變溫度。對某些高強鋼，板厚為改變材料脆性轉變溫度。對某些高強鋼，板厚為30 mm30 mm，線，線輸入達輸入達50000J/cm50000J/cm時，可使脆性轉變點升高時，可使脆性轉變點升高50100焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）4、焊接殘余應力、焊接殘余應力焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）5 5、備料及成形加工、備料及成形加工產生附加應力。材料在成形加產生附加應力。材料在成形加工時的預應變可達工時的預應變可達2%3%，預，預應變使材料塑性降低，脆斷傾應變使材料塑

5、性降低，脆斷傾向增加。向增加。可能引入新的顯微缺陷，這些可能引入新的顯微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。缺陷可能成為斷裂源。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）6 6、焊接缺陷、焊接缺陷裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。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構的實際強度，并可能誘發氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結構的實際強度，并可能誘發微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。焊接熱烈紋焊接熱烈紋焊縫內氣孔焊縫內氣孔焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）三、影響焊接

6、結構脆性斷裂的因素三、影響焊接結構脆性斷裂的因素1、應力狀態的影響、應力狀態的影響缺口效應缺口效應2、溫度的影響：脆性轉變溫度以下工作。、溫度的影響：脆性轉變溫度以下工作。3、加載速度的影響：提高加載速度，相當于降低工作溫度。、加載速度的影響：提高加載速度，相當于降低工作溫度。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）4、材料狀態的影響、材料狀態的影響前述三個因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質量則是引起脆斷的前述三個因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質量則是引起脆斷的內因。內因。 1 1）厚度的影響。）厚度的影響。厚度增大，發生脆斷可能性增大。厚度增大，發生

7、脆斷可能性增大。一方面原因已如前所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，約束了塑性的發揮，使材料變脆；另一方大的限制而形成平面應變狀態，約束了塑性的發揮，使材料變脆；另一方面是因為厚板相對于薄板受軋制次數少，終軋溫度高，組織較疏松，內外面是因為厚板相對于薄板受軋制次數少，終軋溫度高，組織較疏松，內外層均勻性差。抗脆斷能力較低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，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，組織細密而均勻，具有較高抗斷能力。組

8、織細密而均勻，具有較高抗斷能力。2 2）晶粒度的影響。）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變對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性轉變溫度影響很大，溫度影響很大，晶粒度越細，轉變溫度越低，越不易發生脆斷。晶粒度越細，轉變溫度越低，越不易發生脆斷。3 3）化學成分的影響。）化學成分的影響。碳素結構鋼，碳素結構鋼，隨著碳含量增加隨著碳含量增加，其強度也隨之提高，其強度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大脆斷傾向增大。其他如。其他如N N、O O、H H、S S、P P等元素等元素會會增大鋼材的脆性增大鋼材的脆性。而適量加入。而適量加入N

9、iNi、CrCr、V V、MnMn等元素則有助等元素則有助減小鋼的脆減小鋼的脆性性。 焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）四、防止焊接結構脆性斷裂的措施四、防止焊接結構脆性斷裂的措施1 1、正確選用材料、正確選用材料 接頭各部分的要求接頭各部分的要求 不能盲目選用高強度材料不能盲目選用高強度材料2 2、采用合理的焊接結構設計、采用合理的焊接結構設計 減少應力集中減少應力集中焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）減小應力集中減小應力集中盡量采用圓滑過渡盡量采用圓滑過渡把角接頭改成對接接頭把角接頭改成對接接頭焊縫錯開布置焊縫錯開布置焊接

10、結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論） 盡量減小結構剛度盡量減小結構剛度對于大型焊接結構，在滿足使用條下件，應盡量減小結構的剛度，以降對于大型焊接結構，在滿足使用條下件，應盡量減小結構的剛度，以降低應力集中和附加應力對脆性斷裂傾向的影響。低應力集中和附加應力對脆性斷裂傾向的影響。通常用開通常用開“緩和孔緩和孔”或開或開“緩和槽緩和槽”等方法來減小接頭的剛度，有時還等方法來減小接頭的剛度，有時還故意留一段焊縫不焊。故意留一段焊縫不焊。三條焊縫空間交叉，剛度大，三條焊縫空間交叉，剛度大，應力集中嚴重。應力集中嚴重。把一塊板切掉一角，降低結構剛把一塊板切掉一角，降低結構剛度

11、。度。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）3 3、不可采用過厚截面、不可采用過厚截面在大型焊接結構中，在滿足工作應力的條件下，盡量采用在大型焊接結構中，在滿足工作應力的條件下，盡量采用薄板材。薄板材。在工作應力較大時，可采用多層板結構，從而降低鋼板的在工作應力較大時，可采用多層板結構，從而降低鋼板的脆性轉變溫度。脆性轉變溫度。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。板厚增大，斷裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。4 4、重視附件和不受力的焊縫設計、重視附件和不

12、受力的焊縫設計5 5、減小和消除焊接殘余應力與變形、減小和消除焊接殘余應力與變形焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）6 6、了解焊接結構的工作條件、了解焊接結構的工作條件詳細了解工作環境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井詳細了解工作環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的設計要求掌握近2020年的氣象報告，最后通過概率統計得出年的氣象報告，最后通過概率統計得出結構最低工作溫度。結構最低工作溫度。充分考慮結構的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結構更充分考慮結構的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結構更要給予特殊的關注，一般要通過實驗確定結構的脆性

13、轉變溫要給予特殊的關注，一般要通過實驗確定結構的脆性轉變溫度。度。對于儲存腐蝕性介質的容器，要求焊縫熱影響區不能與介質對于儲存腐蝕性介質的容器，要求焊縫熱影響區不能與介質接觸。接觸。增加板厚增加板厚焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）小小 結結脆性斷裂的特征脆性斷裂的特征 無明顯塑性變形的低應力破壞，突然性強。無明顯塑性變形的低應力破壞，突然性強。產生脆斷的原因產生脆斷的原因 使用溫度低于脆性轉變溫度使塑性材料變脆；使用溫度低于脆性轉變溫度使塑性材料變脆； 焊接熱循環容易使熱影響區組織粗大，塑性下降焊接熱循環容易使熱影響區組織粗大，塑性下降; 焊接殘余應力使焊接

14、接頭強度下降并且接頭處易產生應力集中；焊接殘余應力使焊接接頭強度下降并且接頭處易產生應力集中； 焊接缺陷使結構的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋；焊接缺陷使結構的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋； 備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性；備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性； 焊接結構剛度大，焊接應力難消除，裂紋在構件之間擴展容易。焊接結構剛度大，焊接應力難消除，裂紋在構件之間擴展容易。生產和設計中防止脆斷的措施生產和設計中防止脆斷的措施 了解使用條件；合理設計結構；降低應力集中；盡量減少缺陷。了解使用條件；合理設計結構；降低應力集中；盡量減少缺陷。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理

15、論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構的疲勞破壞焊接結構的疲勞破壞動荷載的概念動荷載的概念 所謂靜荷載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。構件受靜荷載作用時，體內各點沒有加速度，或加速度很小的荷載。構件受靜荷載作用時，體內各點沒有加速度，或加速度很小可忽略不計，此時構件處于靜止或勻速直線運動的平衡狀態。小可忽略不計，此時構件處于靜止或勻速直線運動的平衡狀態。在靜荷載作用下，構件中產生的應力稱為在靜荷載作用下，構件中產生的應力稱為靜應力靜應力。相反，若構件。相反，若構件在荷載作用下，體內各點有明顯的加速度，或者荷

16、載隨時間有顯著的在荷載作用下，體內各點有明顯的加速度，或者荷載隨時間有顯著的變化，這類荷載稱為變化，這類荷載稱為動荷載動荷載。 交變應力交變應力工程中的某些構件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應力工程中的某些構件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應力稱為稱為交變應力交變應力。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）例如齒輪上任一齒的齒根處例如齒輪上任一齒的齒根處A A點的應力點的應力( (圖圖(a)(a)），在傳動過），在傳動過程中，軸每轉一周該齒嚙合一次，程中，軸每轉一周該齒嚙合一次，A A點的彎曲正應力就由零點的彎曲正應力就由零變到最大值，然后再回

17、到零。齒輪不停地轉動，應力就不變到最大值，然后再回到零。齒輪不停地轉動，應力就不斷地作周期性變化，如圖斷地作周期性變化，如圖(b)(b)所示。所示。 結構在交變應力作用下的破壞，稱為結構在交變應力作用下的破壞，稱為疲勞破壞疲勞破壞。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）疲勞破壞的特點疲勞破壞的特點（1 1） 交變應力下材料發生破壞時的最大應力，一般低于靜荷載作用的強交變應力下材料發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（度極限，有時甚至低于屈服極限（低應力破壞低應力破壞）。）。（2 2） 無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應力作用下

18、，均表現為無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應力作用下，均表現為脆性脆性斷裂斷裂，沒有明顯的塑性變形沒有明顯的塑性變形。（3 3） 材料發生破壞時，交變應力的循環次數與應力的大小有關，材料發生破壞時，交變應力的循環次數與應力的大小有關，應力越應力越大，循環次數越少大，循環次數越少。（4 4） 斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區域，即斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區域，即光滑區域光滑區域和和粗粗糙區域糙區域，如圖所示。，如圖所示。斷口特征斷口特征焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）疲勞破壞的過程疲勞破壞的過程構件的疲勞破壞，實質上是裂紋的產生、擴展和

19、最后斷裂的全過程。構件的疲勞破壞，實質上是裂紋的產生、擴展和最后斷裂的全過程。三個階段組成：三個階段組成：1）在應力集中處產生初始疲勞裂紋；）在應力集中處產生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩定擴）裂紋穩定擴展；展；3）結構斷裂。）結構斷裂。 疲勞破壞是積累損傷的結果。疲勞破壞是積累損傷的結果。缺陷缺陷微觀裂紋微觀裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋。應力循環次數應力循環次數N（疲勞壽命）（疲勞壽命）0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456 應力幅越低，作用循環次數越多，應力幅越低，作用循環次數越多，疲勞壽命越高；疲勞壽命越高； 應力幅相同，作用的循環次數越應力幅相同，作用的循環次數越多，疲勞壽命越高。多

20、，疲勞壽命越高。焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）應力循環特征應力循環特征(b)(b)脈沖循環脈沖循環(a)(a)完全對稱循環完全對稱循環(c)(c)不完全對稱循環不完全對稱循環(d)(d)不完全對稱循環不完全對稱循環焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結構制造工藝及實施（斷裂理論）影響焊接接頭疲勞強度的因素：影響焊接接頭疲勞強度的因素：（1 1）應力集中的影響）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小；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小； T T形形( (十字十字) )接頭的疲勞強度遠遠低

21、于對接接頭。在搭接接頭中，由于其應力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。集中很嚴重，其疲勞強度也是很低的。（2 2）殘余應力的影響）殘余應力的影響 殘余應力對結構疲勞強度的影響，取決于殘余應力的分布狀態。在工作應殘余應力對結構疲勞強度的影響，取決于殘余應力的分布狀態。在工作應力較高的區域，如應力集中處，受彎曲構件的外緣，殘余應力是拉伸的，則力較高的區域，如應力集中處，受彎曲構件的外緣，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、應力循環特征以及循環次殘余應力對疲勞強度的影響，還與應力集中程度、應力循環特征以及循環次數等因素有關，特別是應力集中系數越高，殘余應力影響越顯著。數等因素有關，特別是應力集中系數越高，殘余應力影響越顯著。（3 3）缺陷的影響）缺陷的影響 焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與