焊接结构的失效形式
焊接结构可靠性及失效分析
课程教学大纲介绍-主要学习内容
3.焊接结构服役安全性及剩余寿命评估评价
断裂力学基础 焊接结构脆性和延性断裂 焊接结构的疲劳强度 焊接结构的脆断安全性评价
焊接结构的剩余寿命评估
4.焊接结构的失效分析
失效分析的思路与分析方法 焊接结构失效特征及分析 焊接缺欠的评定实例
核心教学目的：
掌握断裂力学在焊接结构可靠性评估中的运用方法。
1.2.2影响焊接结构可靠性的主要因素
焊接缺欠（明确“缺欠”与“缺陷”的差 别） 焊接应力（静载、疲劳、尺寸稳定性、机 加工精度、受压稳定性、应力腐蚀） 焊接变形 焊接接头的组织和微区力学性能（恶化） 应力集中 服役载荷特征（高低温、疲劳、静载、腐 蚀）
1.2.3焊接结构的主要失效形式
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后销轴短期疲劳失效-解决方案
解决方案：改变焊缝位置、降低应力集中
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
举例7：电机转轴短期疲劳失效 （断轴）
解决方案：降低焊接应力和应力集中
1.4焊接结构可靠性学习重点与分析思路
1.4.1各类失效事故统计 制造中验收不合格：
断口照片 焊缝根部未熔合、
预热温度低-应力高
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
自卸车承载后销轴短期疲劳失效
设计缺陷-应力集中大导致销轴根部短期疲劳断裂
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后销轴短期疲劳失效-解决方案
有限元建模分析是本案例核心方案
-解决结构设计（焊接应力、应力集中）及焊接工艺问题
320mm
车体侧墙板结构
地板结构
底架结构 11
高速列车事故直接反映出的问题
焊件失效分析(1)
焊件失效分析(1)焊件失效分析焊接是现代制造业中常见的连接方法，广泛应用于汽车工业、航空航天、建筑等领域。
但是，在使用过程中，焊件失效是经常发生的情况。
下面从以下几个方面来分析焊件失效原因和解决方法。
1.焊接过程控制焊接过程的控制是焊件成败的关键。
焊接过程中的一些问题如氧气和湿气的侵入、杂质的混入等都会导致焊接质量下降，甚至造成焊件的失效。
因此，在焊接过程中需要采取适当的措施，如严格控制焊接温度、控制焊接速度、选择合适的焊接材料等，以确保焊接过程的质量。
2.设计的缺陷焊件失效的另一个原因是设计缺陷。
在焊件的设计过程中，如果设计存在问题，如焊缝长、焊接点过多等，则会导致焊件在使用过程中出现疲劳断裂的问题。
因此，需要在焊件设计的过程中，结合实际使用情况，合理设计焊件结构，以降低焊件失效的风险。
3.使用环境焊件的使用环境也是焊件失效的重要原因之一。
在恶劣的使用环境下，如高温、腐蚀等，焊件的质量容易下降，导致焊件失效。
因此，需要根据实际使用环境条件选择合适的焊接材料和焊接方法，以降低焊件失效的风险。
4.焊接强度焊接强度是指焊缝的承载能力，它对焊件的稳定性和耐久性有着直接的影响。
如果焊接强度过低，焊件就容易在使用过程中出现疲劳断裂的问题。
因此，在焊接过程中要控制好焊接强度，以确保焊件长时间的稳定性。
总体来说，焊件失效是多方面因素复合的结果，需要结合实际情况进行综合分析和处理。
要做好焊件失效分析，需要在焊接前的准备过程中，对焊接材料和焊接方法进行科学而严谨的挑选和控制，并在焊件设计阶段尽可能避免缺陷。
在焊接过程中，人工操作要规范严格，监控要及时，同时根据使用环境选择合适的防护措施。
这些措施可以为焊件的长期稳定运行提供保障。
焊接工艺中的焊接接头失效与破坏机制分析
焊接工艺中的焊接接头失效与破坏机制分析焊接是一种常用的金属连接方法，在工业生产中得到广泛应用。
然而，焊接接头在使用过程中可能出现失效和破坏的情况，这对于焊接工艺的优化和质量控制具有重要意义。
本文将对焊接接头失效和破坏的机制进行分析，以期为焊接工艺改进提供参考。
一、焊接接头失效机制1. 焊接接头的力学失效焊接接头在受力过程中可能发生力学失效，主要包括断裂和变形两种情况。
断裂失效是指焊接接头在受到过大的外力作用下发生断裂。
焊接接头的断裂通常发生在焊缝或焊接处，其破坏机制主要有拉断、剪切和撕裂等。
断裂的原因可能是焊接接头的设计不合理、焊缝质量不达标或焊接材料的强度不足等。
变形失效是指焊接接头在受到外力作用后发生形状改变，影响其正常工作。
焊接接头的变形通常表现为弯曲、扭曲或塑性变形等。
变形失效的原因主要是焊接接头的结构设计不合理、焊接时产生了过大的应力或焊接材料的塑性变形能力不足等。
2. 焊接接头的热失效焊接接头在焊接过程中会受到高温热源的作用，可能导致热失效的发生。
热裂纹是一种常见的焊接接头热失效形式，其主要原因是焊接接头在焊接过程中受到了热应力的影响，导致金属发生裂纹。
热裂纹可以分为固溶相裂纹、热影响区裂纹和焊缝内裂纹等多种类型。
焊接接头还可能发生热变形失效，即焊接接头在焊接过程中受到了热膨胀的影响，导致形状改变。
热变形失效通常是由于焊接接头受热后温度分布不均匀或受到了约束等原因引起的。
二、焊接接头破坏机制1. 焊缝破坏焊缝是焊接接头中最容易出现破坏的部位之一。
焊缝的破坏机制包括断裂、变形和裂纹等。
断裂是指焊缝在受到外力作用下发生破裂。
焊缝的断裂主要取决于焊缝的设计、焊缝的质量以及焊接材料的性能。
如果焊缝的尺寸设计不合理、焊缝的质量不过关或焊接材料的强度不够，都可能导致焊缝的断裂。
变形是指焊缝在受到外力作用后发生形状改变。
焊缝的变形主要与焊接接头的受力情况、焊接材料的性能以及焊接工艺的参数有关。
当焊接接头受到过大的力作用或焊接材料的塑性变形能力不足时，焊缝容易出现变形现象。
焊接失效分析报告
焊接失效分析报告1. 引言焊接是一种常用的连接金属的方法，但在实际应用中，焊接接头可能会发生失效。
焊接失效可能会导致结构强度降低、漏气、裂纹等问题，给工程项目带来严重的安全隐患。
本报告旨在对焊接失效进行分析，并提出相应的解决方案。
2. 焊接失效类型根据焊接接头失效的特征和原因，我们可以将焊接失效分为以下几种类型：2.1 强度失效强度失效是指焊接接头的强度无法达到设计要求，无法承受工作负荷而发生破坏。
强度失效可能由焊接过程中的缺陷、焊接材料的选择不当、焊接接头的设计错误等因素引起。
2.2 漏气失效漏气失效是指焊接接头在使用过程中发生气体泄漏。
漏气失效可能由焊接过程中的不完全熔合、气孔、裂纹等缺陷引起。
2.3 腐蚀失效腐蚀失效是指焊接接头由于与外界环境的接触而发生腐蚀，导致焊接接头的性能下降。
腐蚀失效可能由焊接材料的选择不当、焊接接头表面处理不当等原因引起。
3. 焊接失效分析方法为了准确分析焊接失效并找出根本原因，我们可以采用以下方法：3.1 目视检查首先，我们可以对焊接接头进行目视检查，寻找明显的焊接缺陷，如气孔、裂纹、未熔合等。
通过目视检查，可以初步判断焊接失效类型。
3.2 金相分析金相分析是一种常用的材料分析方法，可以通过制备金属样品，并利用显微镜观察组织结构、晶粒大小等信息，从而判断焊接接头是否存在组织缺陷。
3.3 断口分析断口分析是一种通过观察焊接接头破坏面形态来判断焊接失效原因的方法。
不同类型的焊接失效，其断口形态也有所不同。
通过断口分析，可以初步确定焊接失效的原因。
3.4 化学分析化学分析是一种通过对焊接接头进行成分分析来判断焊接失效原因的方法。
通过化学分析，可以检测焊接接头中的杂质含量，从而找出导致焊接失效的原因。
4. 焊接失效解决方案根据焊接失效分析结果，我们可以采取以下解决方案：4.1 强度失效解决方案对于强度失效，我们可以采取增加焊接接头的尺寸、增加焊接材料的强度等方式来提高焊接接头的强度。
典型焊接失效模式及机理
1.1 焊接工艺原理
四种扩散形式： 表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散
1.1 焊接工艺原理
③ 合金化 冶金结合，形成金属间化合物IMC(Intermetallic Compound)。
典型焊接失效模式及机理
目录
1. 焊接原理及焊接工艺失效案例
1.1 焊接工艺原理 1.2 焊接工艺缺陷案例分析
3. 电化学迁移相关机理及失效案例
3.1 焊接过程中的化学反应 3.2 离子残留失效案例分析 3.3 电化学迁移失效机理
2. 焊点疲劳失效机理及评价方法
2.1 热疲劳失效 2.2 焊点疲劳寿命评价方法
1.2 典型焊接工艺失效案例分析
④ 机械过应力失效案例分析 避免应力失效： ➢ 增加焊点的强度（改变焊接材料、增加焊接面积、改善焊点润湿情况、改善IMC） ➢ 减少器件和板之间的相对位移（减少振动、冲击条件下的应力） ➢ 在振动应力强的情况下，增加支撑（点胶固定） ➢ 器件长轴和应力方向平行 ➢ 器件避开应力发生位置
4. 元器件典型工艺失效案例分析
4.1 电子元器件可靠性概述 4.2 电子元器件可焊性不良失效案例分析 4.3 塑封器件潮湿敏感损伤失效案例分析 4.4 器件锡须失效机理及案例分析 4.5 器件ESD失效机理及案例分析
1. 焊接原理及焊接工艺失效案例
1.1 焊接工艺原理
1.2 焊接工艺缺陷案例分析 ➢ 典型焊接工艺缺陷分析 ➢ 枕头效应失效案例分析 ➢ 焊点过应力失效机理机案例分析 ➢ 无铅PCB坑裂失效案例分析
1.1 焊接工艺原理
润湿的不同状态
焊点的最佳润湿角 15~45°
焊接结构的失效及断口分析
中图分类号 ：
文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： ０ ９ ３ （０ ７ Ｏ １ ９— ７５ ２０ ）５—０９ Ｏ ０ ０ ８一 ３
焊接结 构 的失 效 可 能 造成 重 大 或 灾难 性 事 故 ，
刻 面” 组成 的 。 因此 ， 据 这 个宏 观 形貌 很 容 易判 别 根
维普资讯
２０ ０ ７年 ｌ ０月 第２ ３卷第 ５ 期
皖 西学 院学 报
Ｊｕ ｎ ｌ ｆ ｅ ｔ ｈ ｉＵ ｉｅｓ ｙ ｏ ｒ ａ ｓ Ａｎ ｕ ｎｖ ｒｉ ｏＷ ｔ
Ｏｃ ．， ０ ７ ｔ ２０ Ｖｏ ． ３ ＮＯ． １２ ５１２ 脆性 断裂断 口的宏观和 微观 分析 ．
舌状 花样 是解 理 断裂 的典型 特征 之一 ， 的电子 它
形貌 特征 为舌 头状 ， 舌状 花样在 钢 铁材 料 中往往成 组 脆性断裂断 口在宏观上有小刻面和放射状或人 出现 ， 断面 上 的“ 头 ” 凸 起 的 ， 另 一相 匹配 的 在 舌 是 在 字 花样两种 形式 。脆 性 断 口穿 晶结 晶面 为解 理 面 ， 在
于韧性 断裂 ， 而且很 少 发 现 可 见 的 塑 性 变形 ， 断裂 之 相互汇合 ， 沿着裂纹扩展方 向观察， 便可以见到河流 前没 有明显 的征兆 ， 而是突 然发 生 。脆 性断 裂 断 口表 花样 。它是解 理 断 口最 突 出 的显微 形 貌 特 征 。河 流 面发亮 ， 呈颗粒 状 ， 于平直 类型 ， 在平 面应 变 状 态 属 是 花样在裂纹扩展时倾 向于合并， 并指明了解理裂纹 的 下发生的。同时 ， 脆性 断裂是 在低应 力条件下发 生 局部扩展方向， 其相反方向为裂纹源的位置。 的， 因而这 种断裂 往往 带来恶 性事 故 和 巨大损 失 。
焊接结构发生脆断的原因及预防
焊接结构发生脆断的原因及预防随着焊接结构在工业生产中应用范围和数量的增大，焊接结构因脆性断裂而失效的事故也越来越多。
脆性断裂是焊接结构最可怕的失效形式，它都是在应力不高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，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，因此其后果往往是灾难性的，造成的经济损失也往往是巨大的。
一、焊接结构产生脆性断裂的原因分析焊接结构产生脆性断裂的原因基本上可归纳为三个方面：（一）材料的韧性不足材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。
（二）存在裂纹等缺陷断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。
（三）设计和制造工艺不合理不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。
二、影响脆性断裂的主要因素同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。
最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。
温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。
（一）应力状态的影响当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。
在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。
虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。
因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。
（二）温度的影响随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。
当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。
脆性转变温度高，则脆性倾向严重。
（三）加载速度的影响试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。
在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。
焊接工程失效的常见原因
焊接工程失效的常见原因
焊接工程失效的常见原因包括：
1.焊缝根部未焊透。
这种疲劳裂纹一般是产生于焊缝根部并扩展到工件表面。
2.坡口是单边的45度坡口。
这种类型的坡口根部的溶合都不理想，原因有二：一是无坡口侧的热传递很快，容易形成假焊；二是二保焊有喷嘴的原因，电弧不容易达到根部，可达性不好。
3.坡口根部没有留间隙，导致坡口根部的溶合不良。
4.轴头的刚性太强，轴管相对较弱，焊接的焊缝正好在轴头的刚性最强处。
5.焊缝根部没有圆滑过渡。
疲劳试验中，此区域会产生很高的应力集中。
6.工艺上可能没有考虑整体热处理。
7.堵板在此有杠杆作用，放大了轴受到的力，导致焊缝根部受到的张力大幅提高。
8.焊缝没有进行内部无损检测。
9.早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头。
10.工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式。
11.焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大。
12.焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。
综上所述，焊接工程失效的原因有很多种，包括设计不合理、材料质量、施工不当等多种因素。
因此，在进行焊接工程时，需要严格控制各个环节的质量，确保工程的安全性和稳定性。
航空航天焊接结构失效案例
航空航天焊接结构失效案例1. 简介航空航天焊接结构失效是指飞机或航天器等航空航天器件中的焊接部件在使用过程中出现了失效现象。
由于焊接结构在航空航天领域扮演着重要的角色，焊接失效不仅会导致设备损坏，还可能对运行的安全性产生重大影响。
2. 失效原因分析2.1 材料问题2.1.1 材料质量不合格有时焊接过程中所使用的焊条、焊丝或焊接板材可能存在质量问题。
例如，材料中可能存在气孔、夹杂物或裂纹等缺陷，这些缺陷会在焊接过程中导致焊接接头的不可靠性。
2.1.2 材料不匹配焊接过程中如果使用了不匹配的材料，也会导致焊接接头的不牢固。
例如，焊接时使用不同材质的金属进行焊接会引起不良的冷焊效果，使焊接接头的强度降低，进而导致焊接结构失效。
2.2 设计问题2.2.1 设计缺陷在焊接结构的设计中，可能存在一些缺陷。
例如，焊接接头的几何形状不合理，焊缝的尺寸不符合规范等。
这些设计缺陷可能导致焊接接头出现较大的应力集中，从而降低焊接结构的强度和韧性。
2.2.2 焊接工艺设计不当焊接工艺设计的不当也是焊接结构失效的一个原因。
例如，焊接接头的预热温度、焊接速度、焊接电流等参数设置不正确，都可能导致焊接接头的缺陷或强度不足。
2.3 制造问题2.3.1 焊接工艺控制不当焊接制造过程中，如果焊接工艺的控制不到位，也会导致焊接结构失效。
例如，焊接过程中没有控制好焊接温度和焊接时间，容易导致焊接接头的质量不稳定，引发焊接结构的失效。
2.3.2 质量控制不严格焊接制造过程中，如果质量控制不严格，例如没有进行适当的焊接检测和焊接质量评估，也会导致焊接接头的质量问题，最终导致焊接结构失效。
3. 实例分析3.1 实例背景某航空器上一处重要焊接接头出现了失效现象，引起了航空界的关注。
这一焊接结构失效案例为我们深入探讨航空航天焊接结构失效的原因和解决方法提供了宝贵的经验。
3.2 失效原因分析通过对该焊接结构失效案例的研究，我们可以得出以下结论： 1. 该焊接接头存在焊缝几何形状不合理的问题，导致焊接接头应力集中。
焊接结构的断裂失效与防治
焊接结构脆性断裂的防治方法
1 降低结构局部区域的应力水平 ① 设计过程中的控制措施 ②制造工艺中的控制措施 ③消除焊接残余应力
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焊接结构脆性断裂的防治方法
2 减少结构缺陷 ① 合理设计 ② 优化制造工艺
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焊接结构脆性断裂的防治方法
3 改善材料的断裂韧性 ① 正确的设计选材 应采用“等韧性”或“等性能”原则，才 能保证 焊缝区不成为结构的薄弱环节， 以避免脆 性断裂。 ② 优化焊接工艺 ③ 合理制订、严格执行耐压试验规程
焊接结构断裂失效的分类及危害
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。 疲劳断裂过程一般由三个阶段组成： ① 初始疲劳裂纹在应力集中区孕育、 萌生； ② 裂纹亚临界扩展或稳定扩展； ③ 失稳扩展，以至与断裂。
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焊接结构断裂失效的分类及危害
应力腐蚀断裂失效 腐蚀是材料与周围介质作
1.应力的影响 ① 增加拉伸应力会降低疲劳寿命，而增加压
缩应力则可提高疲劳强度。 ② 焊接残余应力会降低焊接接头的疲劳强度，
这时构件的平均应力随之提高，应力比增大， 裂纹扩展速率会增加。
2.接头形式及应力集中的影响 3.焊接缺陷的影响 4.热影响区金属性能变化的影响
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提高焊接结构疲劳强度的方法
防止和控制焊接结构产生应力腐蚀 的措施
2 防止和控制焊接结构产生应力腐蚀的措施 2.1 设计方面的控制 2.2 制造工艺过程中的控制 ① 焊接材料选择 ② 焊接工艺条件的控制 ③ 控制冷作变形
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感谢观看！
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焊接过程引起的两种脆化
焊接工艺中的焊接接头失效与破坏机理
焊接工艺中的焊接接头失效与破坏机理在焊接工艺中，焊接接头的失效与破坏是一个重要的问题。
了解焊接接头失效的机理对于提高焊接质量和安全性至关重要。
本文将探讨焊接接头失效与破坏的几种常见机理。
1. 焊缝开裂焊缝开裂是焊接接头失效的主要形式之一。
焊缝开裂可以分为冷裂纹和热裂纹两种类型。
冷裂纹是由于焊缝在凝固过程中产生的应力引起的。
在焊接过程中，焊缝材料会经历收缩和形变，这会产生应力。
如果焊缝的冷却速度过快或焊接不当，应力可能导致冷裂纹的形成。
热裂纹则是由于焊接过程中的高温引起的。
当焊接接头在高温下受热时，焊接金属中的某些元素可能发生相变，形成脆性相。
当焊接接头冷却时，这些脆性相可能导致热裂纹的形成。
2. 焊接接头腐蚀焊接接头腐蚀是另一种常见的问题。
焊接接头处于恶劣的工作环境中，易受到气体、液体或化学物质的侵蚀。
焊接接头的腐蚀可能导致金属的蚀损或结构的削弱，从而引起焊接接头的失效。
焊接接头腐蚀的主要原因包括缺乏保护措施、焊接材料本身的不耐腐蚀性以及工作环境中的腐蚀介质。
为了防止焊接接头腐蚀，可以采取合适的防护措施，如涂层、防腐蚀剂或选择耐腐蚀的焊接材料。
3. 焊接接头疲劳破坏焊接接头的疲劳破坏是由于反复加载引起的。
在实际使用中，焊接接头可能会受到循环载荷的作用，例如机械震动、脉动流体或周期性的负载。
这些循环载荷会导致焊接接头中的应力集中，从而引发疲劳破坏。
要预防焊接接头的疲劳破坏，可以采取以下措施：合理设计焊接结构，增加焊接接头的强度和硬度，使用高强度焊材，提高焊接接头的表面光洁度等。
4. 焊接接头变形焊接接头的变形是在焊接过程中常见的问题。
焊接接头加热和冷却会引起材料的热膨胀和收缩，从而导致接头产生变形。
焊接接头的变形可能会导致其几何形状不符合设计要求，从而降低焊接接头的强度和稳定性。
为了减少焊接接头的变形，可以采取一些措施，如使用适当的预热和焊接顺序、加强焊接接头的支撑和固定等。
总结起来，焊接接头失效与破坏的机理主要包括焊缝开裂、焊接接头腐蚀、焊接接头疲劳破坏和焊接接头变形。
焊接结构的失效形式
焊接结构的失效形式焊接结构的失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。
下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。
一脆性失效：1 脆性失效的特征：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。
通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。
脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。
其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。
脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。
同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。
2 脆性断裂断口的宏观分析：脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。
脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。
将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。
一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”．即解理断口是由许多“小刻面”组成的。
因此，根据这个宏观形貌很容易判别解理断口；放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。
人字花样指向裂纹源，其反向即倒人字为裂纹扩展方向。
因此，可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。
另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。
二塑性失效：1 塑性失效的特征：塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。
由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。
塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。
在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。
2垫性断裂断口的宏观分析：由于显微空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形纤维状断口。
这种断裂形式多属穿晶断裂，因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。
焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂
焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂一、焊接结构的疲劳破坏大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。
美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190 亿美元的代价，相当国民经济总产值4 % ，而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。
美国有几座桥梁的疲劳断裂纹发生在靠近焊缝端部的焊趾部位，如图2 一53 所示，在图示的裂纹部位有较高的应力集中。
在载荷作用下，腹板平面位移集中在一个比较狭窄而没有支撑的腹板高度上，也就是翼板至加强肋底部的腹板高度上（划阴影线区域），从而使该处腹板开裂。
疲劳定义为重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展，从而产生的结构部件的损伤。
疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。
‘一）疲劳断口的特征在进行疲劳断口的宏观分析时，一般把断口分成三个区，这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2 一54 所示。
疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。
由于疲劳源区一般很小，所以宏观仁难以分辨疲劳源区的断面特征。
疲劳源一般总是发生在表面，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等，也可在构件内部发生。
疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，则于其应变幅值较大，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。
疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。
其宏观形貌特征常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进，呈弧形线条，而且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。
其微观特征是疲劳裂纹，又称疲劳辉纹，每一贝壳花纹内有干万条。
它通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。
疲劳条纹的间距在 0.1- 0.4 Уm 之间一般来说，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢）的疲劳条纹比较清晰、明显。
体心立方金属及密排六方结构金属的疲劳条纹远不如前者明显，如钢的疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。
浅析焊接结构的失效分析
浅析焊接结构失效分析摘要：焊接结构的失效除了与焊接工艺有关外，还与选材和设计有重要关系。
通过失效分析发现和认识在选材、设计和施工等方面的问题，减少因脆断、疲劳、应力腐蚀、磨损等失效造成的损失。
提高焊接结构产品质量是促进焊接技术发展和质量控制的重要环节。
关键词：焊接结构；失效分析程序；失效分析内容焊接是通过加热、加压，或两者并用，用或者不用填充材料，使焊接达到结合的一种加工工艺．焊接不仅可以用于金属材料．而且可以实现某些非金属材料的永久性连接，如玻璃焊接、陶瓷焊接、塑料焊接等．随着科学技术不断进步，焊接技术作为20世纪初科学技术，在近几十年来得到了迅速发展和传播。
在工业生产中多用于金属材料的连接而焊接结构失效问题也随之摆在人们面前，引起人们的广泛关注。
焊接结构的失效一是凭经验和力学性能实验不合格而报废的焊件；二是工作中发现焊缝不能继续执行其设计功能和性能的焊件。
焊接结构的失效可能由断裂、磨损、腐蚀或变形引起。
研究焊接失效并加以分析，目的在于找出失效的原因，制定预防此类失效发生的方案。
1失效分析程序失效分析的第一步工作是搜集和编制有关失效焊件及其制备工作的尽可能完整的历史资料，尽可能地获得历史资料对成功做出失效的正确结论起很大的作用。
搜集资料的顺序没有固定的规律可循，重要的一点是在当事人对事件的记忆犹新的时候，尽可能迅速地得到有关失效情况的所有口头报告和相关物证。
I．1调查研究确定失效是在何时何地怎样发生的，包括所有有关操作者，了解焊接结构失效后是如何处理的，是否受到保护，断口是否做过处理，失效是否涉及到高温加热而导致焊缝和基体金属显微组织的变化。
残骸碎片的相对位置，部件的畸变和损伤情况，绘制草图或拍照。
了解工作历史，即负载、环境气氛的性质和工作时间的长短，是否遇到过事故，是否出现过其他类似的失效。
搜集失效部件的背景资料，取得焊接接头的设计图纸及工作应力计算和工作寿命估计的资料。
弄清规定的和实际采用的基体金属及焊条金属，如果可能的话，还要取得基体金属的实际化学成分、热处理方法和机械性能以及焊条金属的实际化学成分。
焊接结构的疲劳断裂
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本章内容：1.焊接结构疲劳失效的分类及危害 2.焊接疲劳断裂的特征 3.焊接结构疲劳的原因及影响因素 4.焊接结构疲劳的防治措施
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构， 约占失效结构的90%。
劳极限”，
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb 条件疲劳极限：
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。
四、疲劳断裂的类型
2、晶界处开裂 晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界
开裂。
3、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，
各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出 现开裂。 只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续
长大。
二、疲劳裂纹扩展过程及机理
1、裂纹扩展的两个阶段 第一阶段 沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速
例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）在 长期运行中受热不均匀经受较大的交变热 应力，致使集箱产生热疲劳破坏。
1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的
疲劳称为热疲劳。
热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性 变形）。
由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称 为热机械疲劳。
2、热应力的产生 外部约束 不让材料自由膨胀； 内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。 热应变 导致裂纹的萌生，扩展。
这种应力称为交变应力。
二、平均应力：
三、应力幅：
焊接材料的变质行为分析
焊接材料的变质行为分析焊接是一种常见的金属加工方法，广泛应用于船舶、桥梁、汽车制造等领域。
而焊接材料的质量直接关系到焊接接头的强度和耐久性。
然而，焊接材料在焊接过程中会发生变质现象，这对焊接接头的质量和可靠性产生不良影响。
本文将分析焊接材料的变质行为，探讨其原因和对策。
一、焊接材料的变质现象焊接材料在焊接过程中可能会发生以下几种变质现象：1. 金属熔化与凝固过程中的组织变化：焊接过程中，金属材料经历了高温熔化和迅速冷却的过程，这导致了焊接接头区域的组织结构发生变化。
例如，在焊接过程中，金属的晶粒尺寸可能会变大，晶界的清晰度可能会降低，这些都会影响焊接接头的强度和韧性。
2. 焊接过程中的氧化和脱氧：焊接过程中，焊接材料与空气中的氧气发生反应，产生氧化物。
这些氧化物可能会降低焊接接头的强度和耐蚀性。
另外，焊接材料中的一些元素，如锰、硅等，也可能参与到脱氧反应中，形成氧化物，进一步影响焊接接头的质量。
3. 焊接过程中的热影响区：焊接过程中，焊接接头周围的金属区域受到了高温热影响，这会导致金属的组织结构发生变化。
在焊接接头的热影响区，晶粒尺寸可能会变大，晶界的清晰度可能会降低，从而影响焊接接头的强度和韧性。
二、焊接材料变质的原因焊接材料的变质主要是由以下几个方面的原因引起的：1. 温度变化：焊接过程中，焊接材料经历了高温熔化和迅速冷却的过程，这种温度变化导致了焊接材料的组织结构发生变化，从而影响焊接接头的质量。
2. 化学反应：焊接过程中，焊接材料与空气中的氧气发生反应，产生氧化物。
同时，焊接材料中的一些元素也可能与氧气发生反应，形成氧化物。
这些化学反应导致了焊接材料的质量下降。
3. 热影响区：焊接过程中，焊接接头周围的金属区域受到了高温热影响，这会导致金属的组织结构发生变化，从而影响焊接接头的质量。
三、焊接材料变质的对策为了减少焊接材料的变质现象，提高焊接接头的质量和可靠性，可以采取以下对策：1. 控制焊接温度：合理控制焊接温度可以减少焊接材料的组织变化。
焊接结构的失效分析
8 s ac c ln sec E0 2 s
当裂纹尖端只有小的屈服时，与KIC有下列近似关系
c
K IC E0 s
2. 缺欠合用验收规范
这一规范的基础是断裂力学，主要运用KIC与 c 判据。 考虑一定的安全系数以后给出适用的公式，用以计算 容许的缺欠尺寸。由于缺欠各种各样，必须加以规格 化处理，确定一个“等效缺欠尺寸”— a 。还要分析 实际的应力应变情况，以求出总的作用应力或应变。 am I 然后通过计算求得容许的最大裂纹尺寸 ，或计算出K 或 。最后通过对比，最终做出判断该缺欠是否容许 存在。
焊接结构设计 第十五章焊接结构脆性断裂
授课教师：侯军才
15.1.2影响金属材料断裂的主要因素
1.应力状态的影响
实验证明，许多材料处于单轴或双 轴拉伸应力下，呈现塑性，当处于 三轴拉伸应力下，因不易发生塑性 变形，呈现脆 性。
2.温度的影响
对于一定的加载方式（应力状态）， 当温度降至某一临界值时，将出现 由延性到脆性断裂的转变，这个温 度称之为韧脆转变温度。转变温度 随最大切应力与最大正应力之比值 的降低而提高。带缺口的试样的比 值比光滑试样低，拉伸试样的比值 比扭转试样低，因此转变温度前者 比后者高。 由于解理断裂通常发生在体心立方 和密集六方点阵的金属和合金中， 只在特殊情况下，如应力腐蚀条件 下，才在面心立方点阵金属中发生， 因此面心立方点阵金属（如奥氏体 不锈钢），可以在很低温度下工作 而不发生脆性断裂。
（2）对于只承受静载或压力变化缓慢的焊接压力容器和其他结构，一般适 用开裂原则是只要结构能防止裂纹发生，即可认为结构不会脆断，整个设备 是安全可靠的。由于影响材料脆性开裂的因素十分复杂，多年来选择钢材和 制造工艺都以经验为主。
第10讲 焊接结构的疲劳失效
第10讲 焊接结构的疲劳失效绝大多数的焊接结构和焊接机械零部件，都是在变载荷下工作的，疲劳破坏是这种构件的主要破坏形式。
大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。
3.1 金属材料的疲劳破坏一、疲劳强度金属机件在循环应力作用下的疲劳破坏，与在静应力作用下的失效有本质区别。
静强失效，是由于在构件的危险截面中，产生过大的残余变形或最终断裂。
疲劳破坏，是在构件局部高应力区内，较弱的晶粒在变动应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展导致最终疲劳破坏。
疲劳破坏与脆性断裂相比：同：两者断裂时的变形都很小。
异：(1)疲劳破坏需要多次加载，而脆断一般不需多次加载。
(2)结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展是缓慢的有时要长达数年时间。
(3)脆断受温度影响极大。
随温度的小而降低，脆断的危险性增加。
而疲劳破坏受温度影响甚小。
(4)疲劳破坏的断口特征明显不同于脆断。
二、载荷的种类掌握载荷的变化情况，是进行疲劳强度设计的先决条件。
变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：max σ——变动载荷或应力循环内的最大应力；min σ——变动载荷或应力循环内的最小应力；max minm 2σσσ+=——平均应力；max min2a σσσ-=——应力振幅或应力半幅；min maxr σσ= ——应力循环特性系数或应力循环对称系数。
描述循环载荷的上述参数如图3-1所示。
图3-1 疲劳试验中的载荷参数单向等幅变动载荷，按照应力幅值0σ和平均应力m σ的大小，可分为对称拉压、脉动拉伸、波动拉压等形式。
r 的变化范围在-1~+1。
图3-2为疲劳失效中载荷类型。
图3-2 疲劳时效中的载荷类型载荷种类对构件的强度行为具有根本的影响。
随着载荷特征值变小，构件产生疲劳断裂的危险增大。
对每一个焊接结构，在设计之前就应充分考虑到在不同的载荷状态下，其所承受相应载荷的能力，并使其达到设计的使用寿命。
此外，构件是否出现疲劳断裂还受构件本身形状、材料厚度、表面状况或腐蚀情况等影响。
焊件失效分析
（二）失效分析过程：
1. 原始资料的收集 原始资料是指构件服役前的全部经历，构件的服役历史和断裂 时的现场情况等。此外，还要从散落的失效残骸中选择有分析 价值的断口和供做其它检测用的试样材料。 首先要了解构件的设计依据，参数和图纸；其次是了解构件的 制造和加工工艺；然后了解构件的物理性质、力学性能和化学 成分分析的检验报告；最后还要了解构件的安装情况和试车情 况等。 其次要了解构件的服役历史： (1) 查阅操作人员的工作记录； (2) 构件的实际运行情况； (3) 构件所处的环境条件。 可是，实际上是很难知道构件的全部服役历史的。这时必须从 零星的使用情况分析构件服役时的负载变化，尽量从使用条件 中得出一些分析依据。
（一）失效分析基本思路： 1. 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中 找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。 2. 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学的研 究成果，深入分析各种失效现象的本质，以主要失 效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系，提出 改进措施。 3. 根据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性 的合理配合”这一规律，分析研究失效零部件现行 的选材、用材技术条件是否合理，是否守旧的传统 学术观念束缚。
3 消除隐患，确保产品安全可靠
失效分析可以几时发现产品的缺陷，并且将隐患消除在事故的萌发阶段。 特别是利用“故障树”预测系统的安全性和可靠性更为有利。“故障树” 是失效分析中的一种方法，它主要由各种可能引起系统失效的事故和连接 这些事故的逻辑门组成的图形，并显示出他们之间的相互关系。
4 失效分析可以提高产品的信誉
4. 采用局部复合强化，克服零部件上的薄弱环节， 争取达到材料的等强度设计。 5. 在进行失效分析和提出防止失效的措施时，还 应做到几个结合： (1) 设计、材料、工艺相结合，即对形状、尺寸、 材料、成型加工和强化工艺统一考虑； (2) 结构强度（力学计算、实验应力分析）与材 料强度相结合，试验与模拟相结合； (3) 宏观规律与微观机理相结合，宏观断口和微 观断口分析相结合，宏观与显微、亚显微组织分 析相结合； (4) 试验室规律性试验研究与生产试验相结合。
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焊接结构的失效形式
焊接结构的失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。
下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。
一脆性失效：
1 脆性失效的特征：
脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。
通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。
脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。
其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。
脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。
同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。
2 脆性断裂断口的宏观分析：
脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。
脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。
将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。
一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”．即解理断口是由许多“小刻面”组成的。
因此，根据这个宏观形貌很容易判别解理断口；放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。
人字花样指向裂纹源，其反向即倒人字为裂纹扩展方向。
因此，可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。
另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。
二塑性失效：
1 塑性失效的特征：
塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。
由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。
塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。
在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。
2垫性断裂断口的宏观分析：
由于显微空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形纤维状断口。
这种断裂形式多属穿晶断裂，因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。
由于塑性断裂是先滑移而后断裂，所以断裂方式宏观上一般是切断，断口不平齐。
边缘有与主应力方向呈45°角的剪切唇。
三疲劳失效：
1 疲劳失效的特征：
零件或试样在整个疲劳失效过程中，不发生肉眼可见的宏观塑性变形。
在多数情况下疲劳断裂是突然发生的，因而这种断裂方式给焊件失效前的预报和预防工作带来一定的困难。
疲劳断裂还具有区别于其他任何性质的断口形貌。
一个典型的疲劳断口往往由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成。
这种独特的形貌是区别于其他断裂形式的极为重要的凭证。
2 疲劳断裂断口的宏观分析：
疲劳断裂断口宏观上分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。
裂纹源区出现于焊件表面的疲劳裂纹，由于这一阶段扩展速率较慢．通常需要经过多次循环才能形成，所以源区的断口形貌多数情况下较平坦、光亮且呈半圆形，与包围它的扩展区之间有明显的界线，很容易识别。
当交变载荷较高或者在应力集中处萌生裂纹时，往往出现多个疲劳源。
在此情况下，源区不再像单个疲劳源那样具有规则和典型的形状；海滩状或贝壳状花样是疲劳裂纹扩展区断口上的特征花样。
疲劳断口为单疲劳源时，断口的海滩花样往往呈扇形或椭圆形；而断口出现多疲劳源对，海滩花样呈波浪形。
弧线之间的宽度取决于交变载荷水平．一般随远离源区而宽度逐渐增大；疲劳后期的瞬时断裂属于静载断裂，瞬时断裂区其宏观形貌与静裁断裂的断口形貌基本一致。
，
四应力腐蚀失效：
1 应力腐蚀失效的特征：
应力腐蚀断裂是一种远低于金属屈服点的拉应力与化学侵蚀共同作用的破坏过程。
纯金属对该类破坏的敏感性比不纯的金属低的多，而纯二元合金对该类破坏一般都是很敏感的。
裂纹常常产生大量的分叉，并在大致垂直于影响它们产生和扩展的拉应力方向连续扩展。
在这种情况下，细小的裂纹会深深地扩展进焊件之中。
而表面又呈现出模糊不清的腐蚀迹象。
因而，不可能有即将断裂的宏观标志，具有更大的危害性。
2 应力腐蚀断裂断口的宏观分析：
在应力腐蚀断口上通常可以辨认出裂纹源、裂纹慢速扩展区和最终快速断裂区。
断裂源常发生在金属材料的表面，由于化学作用，往往在裂纹源处形成腐蚀坑。
一般情况下，应力腐蚀裂纹是多源的。
这些裂纹在扩展过程中发生合并，形成台阶或放射状条纹等形貌。
裂纹扩展部分具有明显的放射条纹，其汇聚处为裂纹源。
应力腐蚀断裂断口宏观形貌呈现脆性特征，由于化学介质的作用，在断口上可以看到腐蚀特征和氧化现象，断口表面有一定的颜色，通常呈现褐色或暗色。