焊接結構脆性斷裂第1頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

脆性斷裂發生的條件：結構在低溫下工作結構中存在焊接缺陷焊接殘余應力對脆斷產生了嚴重影響材料性能劣質結構設計不合理引言第2頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

引言第3頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

一、斷裂分類及特征

1.按塑性變形大小:延性斷裂和脆性斷裂2.從“合于使用”原則出發εs>ε′>ε″>ε線彈性斷裂ε′>εs>ε″>ε彈塑性斷裂ε′>ε″>εs>ε韌帶屈服斷裂ε′>ε″>ε>εs全面屈服斷裂3.從斷裂的機制來說:解理斷裂、剪切斷裂

第4頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

第5頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

解理斷裂：低溫、高應變速率及高應力集中情況下，材料的塑性變形嚴重受阻，材料不能以形變方式而是以分離順應外加應力。第6頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

剪切斷裂：在剪應力作用下，沿滑移面形成的斷裂，可分為純剪切斷裂和微孔聚集斷裂。

第7頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

二、影響脆斷的因素

1.溫度

2.應力狀態

3.加載速度

4.殘余應力

5.板厚

6.材料因素第8頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

1.溫度影響:是造成材料脆性斷裂的重要因素。溫度降低屈服極限升高晶?；评щy形成裂紋的表面能降低第9頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

2.應力狀態影響單軸拉伸狀態三軸拉伸σ1=σ2=σ3

第10頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

3.加載速度影響（應變速率）加載速度增加：材料屈服極限增加，抗拉強度提高材料來不及塑性變形和滑移，位錯擺脫束縛進行滑移所需激活時間減小，結構存在缺口，由于缺口處存在應力集中，應變速度比無缺口高的多。第11頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

4.殘余應力影響脆性斷裂一般在拉伸應力場中產生和擴展焊縫及近縫區通常存在高的殘余拉伸應力該區也是材料性能發生變化的區域，容易成為脆性斷裂的起源。

第12頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

5.板厚影響：板厚增加，塑性變形抗力增加，由平面應力狀態向平面應變狀態轉變

第13頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

6.材料因素晶粒度小，晶界面積增大，晶界上夾雜物濃度下降，使脆性轉變溫度降低。在材料的軋制及加工過程中，晶粒出現拉長或出現線狀及帶狀的夾雜物，造成材料產生各向異性，對材料的脆斷溫度產生影響。第14頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

三、脆性和延性斷裂裂紋產生和擴展首先在缺陷尖端或應力集中處產生裂紋，然后以一定形式擴展。區域Ⅰ：溫度低，裂紋以解理機制產生。區域Ⅱ：溫度升高，裂紋產生所需能力提高，裂紋以解理和剪切混合機制產生。區域Ⅲ：純剪切機制。

第15頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-1材料斷裂及影響因素

裂紋產生和擴展之間關系圖

第16頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法斷裂評定方法可分為抗開裂性能試驗轉變溫度評定方法：①沖擊試驗；②寬板拉伸試驗（靜載）；③尼伯林克試驗（動載）斷裂力學方法。止裂性能試驗①羅伯遜試驗（ESSO）；②落錘試驗；③動態撕裂試驗；④雙重拉伸試驗。第17頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法第18頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法一、轉變溫度（缺口韌性指標）概念溫度降低，σs上升速率大于σf上升速率，兩線交點對應溫度Tk稱為韌脆轉變溫度，當T<Tk時，σf<σs，材料尚未達到屈服極限就已達到斷裂強度，即材料無塑性變形而產生脆斷。分為：塑性斷裂轉變溫度FTP；彈性斷裂轉變溫度FTE；無延性轉變溫度NDT；斷口形貌轉變溫度Tf；止裂轉變溫度Ta。第19頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法二、轉變溫度評定方法

1.沖擊試驗試驗設備簡單，試樣制備和試驗程序簡單。試驗結果具有一定的局限性，不能用于高強度結構鋼：因試樣未考慮材料厚度，同時加載速率與實際結構受力情況出入較大。

第20頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法1.沖擊試驗評定方法：能量準則：以沖擊斷裂功αk值降低到某一特定數值的溫度作為臨界溫度Tk。斷口形貌準則：按斷口中纖維狀區域與結晶狀區域某一相對面積對應的溫度來確定延性準則：按斷口在缺口根部橫向相對收縮變形急劇降低的溫度來作為臨界轉變溫度Tk。第21頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法沖擊試樣

第22頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

2.威爾斯寬板拉伸試驗在實驗室里再現低應力脆性斷裂開裂情況，同時又能在板厚、焊接工藝、焊接殘余應力、整體尺寸、裂紋部位、焊接熱循環方面模擬實際結構。用于確定臨界轉變溫度。這種方法不僅用來研究脆性斷裂理論，而且也用來作為選材的方法。

第23頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法威爾斯寬板拉伸試驗試樣

第24頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法尖銳缺口和殘余應力對斷裂強度的影響第25頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

3.尼伯林克試驗采用逐步增加高度多次沖擊，這樣比一次加載更接近于實際結構破壞情況。即每一次沖擊都在缺口尖端產生一定的塑性變形，當此變形超過一定數值時發生破壞。同時由于每一次沖擊都有一部分能力將進一步使缺口尖端產生塑性變形，反映了缺口尖端加工硬化的作用。

第26頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法尼伯林克試樣第27頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法三、止裂性能試驗方法羅伯遜試驗（ESSO）落錘試驗動態撕裂試驗雙重拉伸試驗第28頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法1.羅伯遜試驗（ESSO）確定脆性裂紋在鋼板中擴展的應力和溫度的臨界條件第29頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法羅伯遜試驗典型溫度－應力關系曲線圖第30頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

2.落錘試驗測定厚度大于16mm鋼板的NDT(無塑性轉變溫度)的試驗方法，可替代大型止裂試驗研究材料的止裂性能，其缺點是試樣尺寸不能反映大型焊接結構的尺寸效應和較大拘束效應對熱敏感的合金材料難以使用。

第31頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法落錘試驗試樣

第32頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法斷裂分析圖

第33頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法

2.動態撕裂試驗確定材料斷裂韌性全范圍的試驗方法，屬于大型沖擊試驗。除了確定NDT溫度之外，還能確定最高塑性斷裂溫度及相應的沖擊功。適用于高強鋼及厚板和特厚板焊接結構。第34頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法動態撕裂試驗試樣

第35頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法小型試驗抗開裂試驗V形缺口沖擊試驗試驗方法簡單，不能用于高強鋼尼伯林克試驗適用于動載結構止裂試驗落錘試驗試驗簡單，對結構尺寸、拘束效應難以反映動態撕裂試驗確定NDT溫度、最高塑性斷裂溫度、沖擊功大型試驗抗開裂試驗焊接寬板試驗在實驗室再現低應力脆斷的開裂情況止裂試驗雙重拉伸試驗模擬實際結構在靜載條件下啟裂羅伯遜試驗測量止裂溫度的典型方法第36頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法四、斷裂力學評定方法某些材料的脆性轉變溫度不明顯轉變溫度方法的試驗結果往往受板厚、材料的強度等級、冶金因素、載荷及加載速度的影響轉變溫度方法未能建立許用應力和缺陷尺寸之間可靠的定量關系第37頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法測定KⅠC試驗三點彎曲試樣第38頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法KⅠC試驗載荷-位移圖

第39頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法厚度對KⅠC影響

第40頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-2斷裂評定方法加載速度對KⅠC影響

第41頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素一、焊接結構的整體性及大剛度

引起較大的附加應力，焊接為剛性連接，連接構件之間不易產生相對位移對應力集中因素特別敏感一旦有不穩定脆性裂紋出現，很可能會穿越接頭擴展至整個結構

第42頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素船舶艙口設計

第43頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素船舶艙口設計

第44頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素二、焊接結構制造工藝的影響應變時效引起局部脆化焊接線能量造成材料性能變化焊接缺陷的影響角變形和錯邊焊接殘余應力第45頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素應變時效引起局部脆化人工時效：鋼材在剪切、冷作、彎曲成型之后，如果在150~450℃范圍內加熱，材料性能會產生脆化，即產生應變時效。動應變時效：材料在熱循環和熱塑性變形循環的作用下，在缺陷處和產生較嚴重的應變集中，具有較大的熱應變量，降低了材料的延性。第46頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素

CF-60鋼母材應變時效沖擊試驗結果

第47頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素

CF-60鋼焊縫應變時效沖擊試驗結果

第48頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素

CF-60鋼熱影響區應變時效沖擊試驗結果

第49頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素焊接線能量造成材料性能變化在焊接熱循環作用下，焊縫及近縫區的組織會發生一系列的變化，使接頭各部位的缺口韌性不同。過小的線能量，引起淬硬組織，易產生裂紋；過大的線能量，使晶粒粗大，造成韌性降低。第50頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素裂紋尖端焊接熱應力循環有限元分析

第51頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素裂紋尖端焊接熱應變循環有限元分析

第52頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素焊接缺陷的影響與缺陷形成的應力集中及缺陷附近材料性能有關。其影響程度與缺陷的性質、尺寸、形狀及部位有關，其中裂紋、未焊透等影響最為嚴重平面缺陷―裂紋、分層、未焊透非平面缺陷―氣孔、夾渣

第53頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素角變形和錯邊的影響產生附加彎曲力矩和新的應力應變集中，在拉伸載荷和附加彎曲力矩的共同作用下，易造成接頭破壞。第54頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-3焊接結構設計及制造工藝特點對脆斷因素焊接殘余應力的影響脆性斷裂一般總是拉伸應力場中產生和擴展。在焊接接頭中，焊縫和近縫區通常存在高的殘余拉伸應力，同時也是材料性能發生變化的區域，加上焊接缺陷的集中和熱應變時效脆化的影響，極易成為脆性裂紋的起源。

第55頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-4預防焊接結構脆性斷裂的措施一、防止裂紋發生和阻止裂紋擴展原則防止開裂原則：適用承受靜載或壓力變化緩慢的壓力容器及一般結構。止裂原則：設計的結構在可能出現最低溫度下工作，必須能阻止裂紋自由擴展。用阻止脆性裂紋擴展的相應臨界轉變溫度來選擇合適的結構材料。

第56頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-4預防焊接結構脆性斷裂的措施斷裂應力與溫度的關系

第57頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-4預防焊接結構脆性斷裂的措施斷裂應變與溫度的關系

第58頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-4預防焊接結構脆性斷裂的措施二、預防焊接結構脆斷措施采用合理的結構設計正確選用材料嚴格執行制造工藝和質量監督第59頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

§6-4預防焊接結構脆性斷裂的措施典型結構設計比較

第60頁，課件共66頁，創作于2023年2月第六章焊接結構脆性斷裂

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