第四章焊接结构的脆性断裂

于压力窗口的大型化、厚截面或超厚截面压力窗口增多以及化
工、石油工业中低温压力容器的使用，使脆断事故迭有发生。
这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，
英、日本等国家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并
提出了工程结构脆断防止措施。
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（一）
压力容器脆性断裂
•
压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是脆性断裂更引人注意。
很多． • (3)焊接结构刚性大，破坏一旦发生，瞬时就能扩展到结构整
体，所以脆断事故难以事先发现且往往造成较严重的后果。
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脆性断裂的影响因素
• 综合研究分析认为，一般脆断事故原因与以下几方面因素有关。 • (1）结构在低温下工作，低温使材料的性质变脆。 • (2)结构中存有一些焊后漏检缺陷，或在使用中发生延迟裂纹。 • (3)在许多情况下，焊接残余应力起到不良的作用，焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降。
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应力腐蚀裂纹
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4.2 焊接结构脆断事故分析
•
•
焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。这些事故
无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。引起焊接结构脆断的
原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结
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脆性断裂的宏观断口
• 从下图可看出，脆性断裂的宏观断口分为三个区：纤维区、放射区、剪切唇。
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宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确
定裂纹区。
脆性断口
源区
源区
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石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件， 在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由 于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变 形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。
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焊接结构断裂失效的分类及危害
2.疲劳断裂失效 金属材料及其结构因受交变载荷而发生损坏或
断裂的现象，称为疲劳断裂。 3.应力腐蚀断裂失效
腐蚀是材料与周围介质作用产生的物理化学 过程。而应力腐蚀是指敏感金属或合金在一定的 拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用下所产生的 腐蚀断裂过程。
将取决于金属的力学性能和实际应力状态。
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•
在承受载荷的金属材料中，当某—部位形成裂纹胚核之后，它们会进一步聚集长大，当裂纹达到某一
临界尺寸时，将会发生解理断裂。在一般情况下．首先在承受载荷材料的缺口根部出现应力集中和应变集
中形成塑性变形区。当应力达到临界应力两时，便会产生解理裂纹的扩展，在扩记过程中将前方裂纹核连
端部引起应力集中．一旦应力超过金属材料的断裂强度时，就
会出现开裂，形成裂纹胚核。
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在合金(如钢)的晶界上如果有硬的二相颗粒分布，而且这些颗粒较脆，不可能使位锗积塞的尖端有较
大的应力松弛，因而比较容易外裂，形成裂纹胚核。
•
相比之下，在纯金属中裂纹胚核的形成就比较困难。裂纹胚核形成之后，是否能扩展并发生解理断裂，
构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。
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自本世纪初以来，桥梁、船舶、压力窗口、管道、球罐、
热电站发电设备的汽轮机和发电机转子以及其他设备曾发生脆
性断裂事故。近20年来，随着焊接结构的大型化、钢结构截面
增厚以及高强度钢的采用，容易引起焊接结构的脆断。例如由
脆性断裂。本世纪40年代球形贮罐的破坏事故更为突出，1943年美国纽约州有一个直径12米的大型贮气罐，
当温度降到－12℃时发生脆断。
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（2） 锅炉汽包脆断
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1 9 6 6 年 英 国 C o c k e n i z e 电 厂 锅 炉 汽 包 在 水 压 试 验 时 发 生 脆 性 断 裂 。 汽 包 是 用 M n - C r- M o - V 钢 板 制 造
成—片，最后导致解理断裂。
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•
解理断裂后的宏观断口特征是：断口表面平整，颜色光亮
呈晶状断口。这是由于解理面往往是晶体内于排列密度最大的品面，同时多晶体各晶粒的解理面不在同一平面内导致的结
果。断口中没有宏观塑性变形，断口平面垂直于主应力作用的
方向。
•
在解理裂纹的高速扩展断口中，常常可以看到放射状的撕
•
根据金属材料断裂前塑性变形的大小，断裂可分为延性断
裂和脆性断裂两种形式。
•
⑴延性断裂 断裂过程是：金属材料在载荷作用下，首先
产生弹性变形。当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，
产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生
微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙一经形成，便在随后的
加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一
应力和焊接残余应力相迭加，以及氢的延迟破坏等因素综合作
用的结果。
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（二） 船舶脆性断裂
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在焊接结构断裂中，船舶的脆性断裂事故颇受人们注意。在第二次世界大战期间，美国的焊接“自由
轮”在使用过程中发生大量的破坏事故，其中238艘向完全报废、19艘船沉没。船舶损坏有完全断裂或部
分断裂两种情况，据统计有24艘船舶脆断成两半的情况。
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Shank等人对船舶的脆性断裂事故作了详细调查，并获得了大量数据。认为造成最主要的原因是钢的
缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆断是在气温较低的情况下发生的。当时美国船舶技术标准中
没有列出对船舶钢板的缺口敏感性和低温韧性的性能要求。
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第二次世界大战后船舶脆断最典型的例子是：1956年英
国最大油轮“世界协和”号，在爱尔兰海的一次大风暴中轮船
破裂成两段，当时海上温度为10.5℃。后经调查表明：裂纹发
生在船腹中部，裂纹由船底开始沿船的两侧向上扩展，并穿过
甲板。裂纹是不连续的，而是由若干单独的裂纹所组成。
•
总结船舶脆性断裂原因大致可归纳为：①钢板低温脆性所
引起;②脆性断裂是由应力集中处开始;③钢板具有较大的缺口敏
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• (4)使用不合格的材料或塑性很差的材料。 • (5)结构设计不合理，存在较严重的不连续性。 • (6)焊接过程中形成错边和产生角变形等。
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二、断口学分析
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最早的断口学分析只是用肉眼直接观察断口，随后用放大镜和光学显微镜来观察断口。
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从1950年以后，将电子显微镜用于断口研究，使断口分析进人了一个崭新的阶段，从而产生了三大
纹起始处材料的金相组织未发现异常的特征;汽包的设计、所用
材料、制造方法、热处理以及检验均符合于英国标准1113-
1958要求。而且焊接完毕后，在消除应力退火前用磁粉探伤并
未发现任何裂纹。经研究确定：这条裂纹是在消除应力退火处
理的初期阶段就已形成，但尚未扩展成脆性临界裂纹。而且认
为这种裂纹产生原因是由于在较低温度时急剧加热所产生的热
的，筒体全长23米、内径1.7米、壁厚140毫米。该容器采用了以新的贯通形管接头代替旧的管接头。在沿
该管接头的汽包筒身内侧靠近省煤器管接头处潜伏着一个长度为330毫米、深为90毫米的大裂纹，并且裂
纹表面已发黑。破坏就是从这里开始的。裂纹呈人字形方向扩展。
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经检查表明：在原始钢板中没有发现任何缺陷，而且在裂
感性.
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(三)桥梁脆性断裂
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在1935年前后,比利时在Albert运河上建造了大约50座
焊接桥梁,这些桥梁在以后几年内不断发生脆性断裂事故.1938
年3月比利时Albert运河上Hasseld桥全长74.5米的焊接结构,
在气温-20℃时发生脆性断裂,整个桥梁断成三段坠入河中.1940
• 3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应 第35页/共114页
• 4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般 都有断裂片散落在事故周围。断口是脆性的平断口， 宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可 以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理断裂。
• 5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的 1/3左右，在钢中可达1200~1800m/s。当裂纹 扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹 就停止扩展。
类现代断门分析方法，即宏观断口分析法、光学显微镜断口分析法和电于显微镜断口分析法。
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通过对断口的大量分析研究，目前可以认为断裂过程分为裂纹的起源裂纹生核和缓慢扩展)和裂纹快速
扩展(瞬时断裂)两个阶段。一‘般将断裂按韧性断裂和脆性断裂分类，
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三、脆性断裂的断裂机理
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典型的脆性断裂可以表现为沿一定结晶平面的劈裂(解理断
裂)和沿晶界的断裂。
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解理断裂过程包括裂纹成核和裂纹扩展两个阶段。裂纹核
的形成可以有各种方式，大量试险证实，裂纹核(解理胚核)形成
的前提是发生‘—定程度的塑性变形。在外力作用下，在某一
方向最有利的滑移面上位错发生滑移。当滑移位错遇到晶界中
硬颗轮的阻碍时，将会在此处造成位紫塞积，并在位错塞积的
• 6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能 试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进 行力学性能复验，其强第3度6页和/共1伸14页长率往往仍符合原规
二、影响金属材料脆性断裂的因素
•
对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构
发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三
方面因素综合作用的结果。
低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂 和沿晶断裂。
解理断口
沿晶断口
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4.4.焊接结构脆性断裂
一、 焊接结构脆断的基本现象和特点
•
通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊
接结构脆断有下述一些现象和特点：
• 1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发 生，故称为低温脆断。
• 2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服 点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆 性破坏。
•
就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，
•
就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制
了材料塑性的发挥；
•
就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中
外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）
和产生焊接残余应力与变形等。
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研究表明，同一种金属材料由于受到外界因素的影响，其断裂的性质会发生改变，其中最主要的因素
裂痕迹，它们是不连续的裂纹核会合时，在几条裂纹之间形成
的“撕裂线”，呈现人字形花纹，人字纹的尖端指向裂纹源，
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解理断裂常常发生在低温、大变形速度、严重血力集中和
大品粒度的情况下。
• 一般说来，具有面心立方(fcc)晶体结构的金届材料不会发生 解理断裂。具有体心立方(bcc)和密排六方(hcp)晶体结构的金 属材料，如纯铁、低碳钢、钨、铜、铬(均属bcc)和锌和锰(均属 hcp)等金属，都会发生解理断裂。由于奥氏体不锈钢是fcc晶体 结构，因此．可以在很低的温度下不发生脆性解理断裂：
定尺寸后，扩展而导致最后断裂。
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• ⑵ 脆性断裂
脆性断裂---通常称为低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况 下发生的。金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展速度可高达1500～200m/s）称为脆性断裂。
•
脆性断裂的裂口平整，与正应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。
年又有两座桥梁在-14℃温度下发生局部断裂,其中一座桥梁在
下弦曾发现长达150毫米裂纹,裂纹是由焊接接头处开始的;另一
座桥梁在桥架下弦曾发现六条大裂纹.据统计,在1947-1950年
期间比利时还有十四座桥梁发生脆断事故,其中六次是在低温下
发生的.
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4.3 脆性断裂特征及产生机理
• 一、特征 • 对各种脆断事故分析后发现，焊接脆断有如下几个特征。 • (1)脆断—般都是在没有显著塑性变形的情况下发生的； • (2)脆断时．材料中的平均应力比屈服极限和设计许用应力小
压力容器一旦发生脆性断裂，则将整个结构毁坏，其后果甚为严重。早基Shank曾对压力容器的破坏作了
调查，在调查报告中收入压力容器脆性断裂事故18例，其中最典型的例子为：1919年美国马萨诸塞州糖浆
贮罐脆性断裂事故。
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•
事故原因是由于整个贮罐强度不够，特别是对局部应力集中缺乏考虑，以致在糖浆的内压作用下产生