第2章 焊接结构的脆性断裂
焊接结构的脆性断裂分析
焊接结构的脆性断裂分析目录摘要一、焊接结构的失效二、脆性断裂的特征三、金属材料脆性断裂的能量理论四、材料断裂的评定方法五、焊接结构脆性断裂事故六、脆性断裂产生的原因和影响因素七、防止焊接结构脆性断裂的工程技术措施八、结论摘要：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效，通常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，因此分析焊接结构脆性断裂的主要因素并从防脆断设计、制造质量的全面控制、设备使用管理等方面提出防止焊接结构发生脆断的工程技术措施显得尤为重要。
一、焊接结构的失效通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素在一定条件下断裂，接头一旦失效，就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展造成焊接结构损坏，致使设备停机影响正常生产，焊接结构的失效不仅将停止生产，还往往造成许多严重的灾难性事故。
工程中焊接结构有三种断裂形式，脆性断裂（又叫低应力断裂）、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，其中，脆性断裂一般都在应力不高于结构的设计应力和没有明显的塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，不易事先发现和预防，破坏性非常严重。
二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏,其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征，它是靠结构内部蓄积的弹性能量的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往带来巨大的损失，一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是皇光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端是指向启裂点的方向,形成山形花样,追综这个花样可以找到启裂点。
三、金属材料脆性断裂的能量理论1920年Griffith 取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，先使平板受到单向均匀拉伸应力σ（图1），然后将其两端固定，以杜绝外部能源，垂直于拉应力的方向开长度为a 2的穿透裂纹，平板中的弹性应变能将有一部分释放，其释放量为U ，新表面吸收的能量为W ，系统总能量变化为E ，则W U E +-=裂纹释放的弹性应变能U 为E a U 22σπ=设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ，则形成裂纹所需要的总表面能W 为a W γ4=因此，裂纹体的能量改变总量E 为a E a E γσπ422+-=能量E 随裂纹长度a 的变化如图2γσπγσπ424222+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂=∂∂E a a E a a a E 裂纹扩展的临界条件0=∂∂aE ，即 0422=+-γσπE a 因此a E c πγσ2=，c σ－对应于裂纹半长为a 时导致断裂的应力，22πσγE a =－在应力σ作用下，如果裂纹半长c a a <时，裂纹不扩展，结构可以安全工作。
钢结构焊接连接脆性断裂事故的分析
３ 避 免焊 接连接 脆性 断裂 的方法
为 了避 免 钢结 构 焊 接 连 接 的 脆性 断 裂 ，就 必 须 严 格 遵 守 规 范 的 有关 规 定 ， 且 还 要 对 设计 和施 工 加 以 改进 ： 并 （） １ 连接应尽量采用熔 透焊或高强 螺栓 ， 避免采 用贴脚焊 ；
尽量在地面上进行 焊接 ， 采用 自动焊 ， 避免大量的人工焊合高空 作业。同时应注意合适 的焊接工 艺 ， 以提高焊缝质量 ， 减少焊接 热影响区 ， 降低热残余应力。
（ ） 计 上 应 选 择 适 当 的 焊 缝 金 属 缺 口韧 性 ， 厚板 材 或 型 ２设 较 钢 焊 前必 须 预 热 ， 焊 过 程 中尽 量 不 在 负 温 条 件 下 进 行 ， 接后 施 焊 必须 保温 缓 冷 ， 量 保 证 焊接 质 量 ， 尽 减少 缺 陷 产 生 。 （） ３ 设计焊接结构应尽量避免焊缝集 中和重叠交叉 ， 要采用
摘 要 ：文章分析 了影响钢 结构焊接质量的主要 因素和避免焊接连接脆性 断裂 的方法 ， 简 单 介 绍 了脆 性 断 裂 目前 的研 究 理论 、 法 ， 力 强 度 因子 Ｋ 与 断 裂 韧 度 之 间的 关 系以及 方 应 ， 传 统 的 冲 击韧性 指标 与 断裂 韧 度 指 标 之 间 的 关 系。针 对 Ｎｏｔｒ ｇ 震 和 日 贩神 地 震 ｒ ｉ ｅ地 ｈｄ 本 中梁柱 焊接 节 点 的 失效 模 式做 出分析 并提 出 了节点 形 式 及设 计方 法改 进 。 关 键词 ：焊 接 连接 ； 性 断 裂 ； 脆 梁柱 节 点 ； 结构 钢 中 图分 类号 ：Ｔ ３ Ｕ５ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ — １６２０ ）４ ０ ０ — ３ ０ ０ ８３ （ ８０ — １２ ０ Ｏ
焊接结构脆性断裂的防止方法
焊接结构脆性断裂的防止方法摘要：本文主要分析影响焊接结构脆性断裂的主要因素，并就预防焊接结构脆性断裂从正确选用材料、采用合理的焊接结构设计、减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响等三个方面提出了针对性的措施。
关键词：焊接结构，脆性断裂，防止方法一、前言焊接结构脆性断裂事故虽然数量较少，但其后果是严重的，甚至是灾难性的。
脆性断裂一般都是在应力不高于焊接结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生的，并迅速扩展到整个焊接结构，事先不易发现和预防，因而往往造成重大安全事故。
二、影响焊接结构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。
金属脆断主要受到材料状态内部因素以及应力状态、温度和加载速度等外界条件的影响。
1.材料状态的影响焊接结构的材料选择，首先要了解材料本身状态对断裂形式的重要影响。
（1）材料厚度对脆性破坏有影响。
厚板在缺口处容易形成三向应力使材料变脆，因而沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制。
而当板较薄时，材料在厚度方向能比较自由的收缩，减小厚度方向的应力，使之接近于平面应力状态。
（2）脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方晶格的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方晶格金属中发生。
因而面心立方晶格金属（如奥氏体不锈钢）可以在很低的温度下工作而不发生脆性断裂。
（3）对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的塑性—脆性转变温度也有很大影响，晶粒度越细，其转变温度越低。
（4）钢中的C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性，另一些元素Mn、Ni、Cr、V则有助于减小钢的脆性。
2.应力状态的影响物体受外载荷作用时，在主平面上作用有最大正应力δmax 与主平面成45°的平面上作用有最大切应力τmax。
如果在τmax达到屈服强度前δmax先达到抗拉强度，则发生脆断；反之，如τmax先达到屈服强度，则发生塑性变形或形成延伸断裂。
实际结构中，若处于单向或双向拉伸应力作用，一般呈塑性状态。
第8讲 焊接结构的脆性断裂
第8讲焊接结构的脆性断裂1.1 金属的断裂一、金属材料断裂和形态特征焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。
断裂现象可以有多种分类标准：(1)根据金属材料断裂前变形的大小分：塑性断裂，脆性断裂(2)按金相显微组织的形状分：穿晶断裂，沿晶断裂(3)按宏观形态的方位分：正断，切断由于大多数断裂是在瞬间发生的，所以，用实验方法难于掌握断裂的过程和微观机理。
但是，由于断裂后在断口上经常留下能够反映断裂过程和微观机理的痕迹和特征。
所以可以借助断口分析对断裂进行研究。
表1-1归纳了各种断裂及其特征。
表1-1金属断裂的分类及其特征二、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。
脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂，如图1-1所示。
脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，脆性断裂在钢中的传播速度能够达到1800m/s 。
脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。
(a)解理型断口 (b)晶间断裂图1-1 脆性断裂断口形貌 1.解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。
解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。
表1-2显示了部分晶型的主解理面、次解理面及滑移面。
表1-2 部分晶型的解理面 晶体结构金属名称 主解理面 次解理面或滑移面 体心立方密排六方Zn,Cd,Mg,α-Ti,Sn {0001} {1010},{0001} 金刚石晶体Si,Ge {111} / 离子晶体NaCl,LiF {100} {110} 面心立方 Al,Cu,Ni,r 型钢等/ {111}解理断裂过程包括裂纹的萌生和扩展两个阶段。
Cottrell 提出的位错聚合模型，如图1-2所示。
第二章 焊接结构的脆性断裂
造成脆性断裂的原因
材料选用不当 起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低
二、金属材料脆性断裂的能量理论
（格里菲斯）Griffith裂纹理论
基点：材料中已存在裂纹 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理 论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 大量研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只 有它理论断裂强度的1/10~1/1000.
防止结构发生脆性破坏的两个设计准则
①
开裂控制（防止裂纹产生准则）
设计要求在焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头 处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力。
②
扩展控制（止裂性能准则）
设计要求如果在这些部位产生了脆性小裂纹，其 周围材料应具有将其迅速止住的能力。
（二）断裂评定方法
金属材料的断裂除与材料本质特征有关外，还与 结构所处于的温度、加载速度、应力状态等外加因 素有关，其中温度是个主要因素。 对于一种材料有两个临界温度即开裂温度和 止裂温度。开裂、止裂温度的高低可以用来衡量材 料的抗裂性能和止裂性能。且开裂、止裂的温度越 低，材料的抗开裂性能和止裂性能就越好。
1、冷应变时效：材料经历切割、冷热成形（剪切、弯
曲、矫正）等工序使材料发生应变时效导致材料变脆。
2、热应变时效：在焊接时，近缝区某些加工时留下的刻
槽，即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附 近，金属受到热循环和热塑变循环的作用，产生焊接应力-应 变集中，导致较大的塑性变形，引起应变时效。 解决措施：焊后经过550～650℃热处理可以消除两类应变时 效对低碳钢和一些合金结构钢的影响，恢复其韧性。
焊接结构强度的基本理论
第三章焊接结构强度的基本理论焊接结构在使用中，除结构强度不够时会导致破坏外，还有其他形式的破坏，如疲劳破坏、脆性断裂等，这些破坏也是焊接结构常见破坏形式。
本章主要介绍焊接结构疲劳破坏、脆性断裂产生的原因，以及提高疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。
第一节焊接结构的疲劳破坏一、疲劳的定义疲劳定义为由重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤，疲劳极限是指试样受“无数次”应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。
在承受重复载荷结构的应力集中部位，当部件所受的公称应力低于弹性极限时，就可能产生疲劳裂纹，由于疲劳裂纹发展的最后阶段——失稳扩展（断裂）是突然发生的，没有预兆，没有明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大危胁。
焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发（或）扩展而发生疲劳破坏。
疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。
二、影响焊接接头疲劳性能的因素焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因。
除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。
1．应力集中和表面状态的影响结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可造成应力集中。
焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。
构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。
不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。
高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。
焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。
防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施
二、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施一、焊接钢结构的脆性断裂1、影响焊接钢结构脆断的因素：(1)、化学成分1．碳(C)碳是形成钢材强度的主要成分。
钢的强度来自渗碳体与珠光体。
碳含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性，冷弯性能，可焊性及抗锈蚀能力下降。
因此不能用含碳量高的钢材，以便保持其他的优良性能。
2．锰(Mn)锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。
锰还能消除硫对钢的热脆影响。
锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。
3．硅(Si)硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。
4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。
我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性，韧性。
5．铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0．015％，以保证必要的低温韧性。
6．硫(S)当热加工及焊接使温度达800~1000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。
硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。
7．磷(P)磷在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。
在高温寸磷也能使钢减少塑性。
但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。
8．氧(O)、氮(N)氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。
(2)、内部组织(3)、板材厚度及多向应力当板厚较大时将会引起比较明显的三向应力，此时就不能忽略Z方向的应力σz。
由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。
当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。
没有塑性变形的断裂是脆性断裂。
所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。
因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。
(4)、环境温度钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。
相比之下，低温性能更重要。
焊接结构的脆性断裂及预防措施
焊接结构的脆性断裂及预防措施作者：王从明来源：《职业》2011年第13期一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂，是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷，从而引起应力集中，形成断裂源。
另外，还由于焊接接头处的力学性质的不均匀，使附近热影响区材料性质变脆，以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。
所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。
特别是一些直接承受动载荷的焊接结构，或是处于低温工作环境时，焊接结构更易发生脆性断裂。
二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏。
其特点是裂纹扩展迅速，能量的消耗远小于韧性断裂，以低应力破坏为重要特征。
它是靠结构内部蓄积的弹性能的释放而自动传播导致破坏的，因而很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的预兆，而是突然发生的，所以说这种断裂往往会造成巨大的损失。
一般来说，金属脆性断裂时，无论是具有解理形断口，还是呈光泽的结晶状外观断口，都与板面大体垂直，而且板厚方向上的变形很小，在表面上附有一层剪切壁，呈无光泽灰色纤维状的剪断形，材料越脆，断裂的剪切壁越薄，断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向，形成山形花样，追踪这个花样可以找到启裂点。
三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的，其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。
首先产生一小的裂纹，而后该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部贯穿于结构中，造成脆性失效。
因此．防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。
同时，如果这些部位产生了脆性小裂纹时，其周围母材有将其迅速止住的能力。
在上述设计方法中，一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上，以此作为设计的依据。
对于中低强度钢来说，由于残余应力的作用，焊缝接头处一旦产生脆性裂纹，通常向母材方向扩展，因此需要母材有一定的止裂性能。
这时，对于防止结构的脆性断裂是有意义的。
预防焊接结构脆性断裂的措施
3
3. 1
预防焊接结构脆性断裂的措施
采用合理的焊接结构设计 脆性断裂往往是瞬间断裂的, 其原因是构件中存
在着焊接或合金缺陷产生小裂纹, 而后该裂纹以极快 的速度扩展, 部分或全部贯穿于结构中 , 造成脆性失 效。因此 , 防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方 法, 是使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产 生的能力。同时 , 如果这些部位产生了脆性小裂纹, 其周围母材有将其迅速止住的能力。因此, 要做到以 下几点。 ! 尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。 ∀ 减少结构的刚度, 以期减少应力集中和附加
件, 焊接结构选用的材料必须是能得到性能良好的焊 接接头的材料, 即焊接材料性能好的材料。焊接结构 使用最多的材料是钢 材。常用的 钢材有: 一 般结构 钢、 碳素钢、 低合金钢、 不锈钢、 耐热钢等。设计人员 必须熟悉材料的各种性能 , 特别是要根据焊接结构的 形式、 尺寸、 工作环境、 载荷条件、 材料工艺性能、 重量 要求以及产品制造的经济因素全面考虑 , 进行综合分 析, 做出正确的选择。 ∀ 焊接材料的选择。焊接材料主要是根据母材 的力学性能、 化学成分来选择。中低强度钢由于母材 和焊缝都具有较大韧性储备, 所以按等强度原则选择 高组配的焊接接头合理。因为焊缝韧性即使比母材 有所降低 , 但并不会影响整个机构的安全性, 而且当 横向载荷使结构发生弹性变形时, 由于焊缝区比母材 区发生较小的应变, 焊缝相当于受到保护。高组配的
结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力一般来说金属脆性断裂时无论是具有解理形断还是呈光泽的结晶状外观断口都与板面大体垂直而且板厚方向的变形很小在表面上附有一层剪切壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形材料越脆断裂的剪切形成山形纹路分析断口的纹路可以找到启裂点结构材料塑韧性低材料的韧性不足特别在缺口尖端处材料的微观塑性变形能力差使材料的塑性变形过程严重受阻材料不能以形变方式而是以分离来顺应外加应力从而使材料出现脆断
焊接结构的脆性断裂表现和预防措施
跨度最长的一段桥身突然掉落塌陷
事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。
1917年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣 工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥之
一。
轮船的脆性断裂—著名的事故调查
对象：万吨级的自由轮 时间：二次大战期间 所属：US海军部
一九四六年，美国海军部发表资料表明，在第二次世界大战期间，美国制造的 4694艘船只中，发现在970嫂船上有1442处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的 自由轮上，其中24艘甲板全部横断，1 艘船底发生完全断裂，8艘从中腰断为 两半，其中4艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情两个区面积的比值为R,则通常把R=1时 的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转 变温度、塑性-脆性转变温度）
• 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。
延性断裂 Ductile Fracture
延性断裂过程：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。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导 致最后断裂。
同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。 研究表明，最重要的影响因素是：
温度、应力状态和加载速度
例如温度越低、加载速度越大，材料中三向应力状态越严重则发 生解理断裂的倾向性越大。这就是说，在一定温度、应力状态和 加载速度下材料呈延性破坏。
而在另外的条件下，材料又呈脆性破坏。此外晶粒度及显微组织 对材料破坏倾向也有重大影响。
5.2.1 金属材料断裂的形态特征
工程上分类：仅有延性断裂和脆性断裂两种
焊接件断裂的原因及预防措施
开展焊接件断裂的实验研究和 案例分析，积累更多的实际经 验和数据，为预防措施的制定 和实施提供更加可靠的支撑。
加强焊接结构的安全性和可靠 性研究，推动焊接技术的不断 创新和发展，为工业生产和工 程建设提供更加可靠和高效的 技术支持。
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止裂纹的产生。
结构设计改进
01
02
03
优化焊缝设计
合理布置焊缝位置、数量 和尺寸，避免焊缝集中、 受力不均等问题。
加强薄弱部位
对结构中的薄弱部位进行 加强设计，提高焊接件的 承载能力。
考虑焊接变形
在结构设计时充分考虑焊 接变形的影响，采取相应 的补偿措施。
03
工程实例分析
工程实例一：某大型桥梁的焊接断裂问题
总结词
材料缺陷、结构设计不合理
详细描述
该大型桥梁在焊接过程中，由于材料存在缺陷或焊接工艺不当，导致焊接部位出 现微裂纹。在长期承受载荷的作用下，裂纹逐渐扩展，最终导致桥梁断裂。
工程实例二：某压力容器的焊接开裂问题
总结词
焊接工艺不当、使用环境恶劣
详细描述
该压力容器在焊接过程中，由于焊接工艺参数设置不当或焊接后热处理不足，导致焊接部位存在残余应力。在长 期承受压力和腐蚀介质的作用下，焊接部位出现开裂。
焊接件断裂的原因及预防措 施
汇报人： 20 • 焊接件断裂的预防措施 • 工程实例分析 • 结论与展望
01
焊接件断裂的原因
材料因素
母材缺陷
母材中存在的夹渣、气孔、裂纹 等缺陷会导致焊接接头强度下降 ，增加断裂的风险。
焊缝金属组织不均
焊缝金属组织中存在大量脆性相 或夹杂物，导致焊缝金属的韧性 下降，容易发生脆性断裂。
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。
焊接结构的脆性断裂培训课件
• 【答案】 (1)带 河流 河运 • (2)星 街区面积扩大，现有街区沿铁路、
公路干线分布更加明显
• (3)交通线的变化
闽江口湿地生存状况调查
——生物综合实践课
丹
顶 鹤
《 一
——
个
真
实
的
故
事
》
湿地知识收集小组 实地考察小组
问卷调查小组
福州市湿地现状
• 为了加强福州湿地以及生物多样性保护， 维护湿地生态系统的生态特征和基本功能， 保护和最大限度的发挥湿地生态系统的各 种功能和效益，保证湿地资源的可持续利 用，福州市政府加强对湿地保护，福州市 人大、政协加强监督，科研、高校积极加 强对湿地研究，现在湿地的保护已经日益 受到重视。
• B．平原地区商业网点密度比山区大，与 交通条件无关
• 【解析】 本题组考查商业网点的布局。 第5题，A、B两杂货部均位于岔路口，交 通便利，符合商业网点布局的交通最优原 则。第6题，平原地区商业网点密度受交 通通达度的影响；从图中箭头所表示的客 货流量大小来看，A的商业规模比B大； 交通线的变化能够引起集市的兴衰变化。
张正阳等
二位经常在或接近地表或 为浅水所覆盖的土地，以水成土 和土壤水分饱和为其主要特征。
湿地的功能
湿地被称为“地球之肾”
• （1）保持水源 • （2）净化水质 • （3）蓄水防洪 • （4）调节气候 • （5）维护生物多样性
湿地类型
• （1）沼泽湿地。 • （2）湖泊湿地。 • （3）河流湿地。 • （4）浅海、滩涂湿地。 • （5）人工湿地。
• A．①②
B．③④
• C．①③
D．②④
• 【解析】 左图显示行人数量增加的时候，
• 4．如图所示，影响零售商业布局的主导 因素是( )
焊接结构脆性断裂及其防治
d . 舌状花样
图2-4 断口花样
第3章 焊接结构脆性断裂及其防止
3 影响金属材料脆性断裂的主要因素 ( 1 ）应力状态影响
α＝τmax/σmax表示应力状态软硬程度，α 称为软性系数.τmax按最大切应力理论计算，而 σmax按第二强度理论计算：
σmax = σ1－μ( σ2+σ3 ) 式中，μ为泊松比，而σ1>σ2>σ3.
第3章 焊接结构脆性断裂及其防止
( 2 ）断裂力学方法
由于构件不可避免地会产生缺陷，且许多缺陷应用现 代技术尚不能准确地、经济地检验出来。而许多缺陷的修 复既昂贵又危险。因此，只有承认裂纹存在，研究裂纹扩 展的条件和规律才能更有效地防止脆断事故。断裂力学就 是从构件中存在宏观裂纹这一点出发，利用线弹性力学和 弹塑性力学的分析方法，对构件中的裂纹问题进行理论分 析和实验研究的一门学科。
实践表明：三轴应力可能由三轴载荷产 生，但更多情况是由于结构几何不连续性引 起 .即虽然整体结构处于单轴或双轴拉伸应 力状态，但局部由于设计不佳、存有缺陷而 形成局部三轴载荷拉伸应力状态缺口效应.
第3章 焊接结构脆性断裂及其防止
图2-7 缺口根部应力分布示意图
第3章 焊接结构脆性断裂及其防止
（2）温度影响
1一纵桁材 2一角焊缝 3一双角焊缝T形接头 4一缺口1 5一甲板 6一缺口2 7一叠板 8一缺口3 9一缺口4 10一舱口端梁 11一舱板的焊缝
第3章 焊接结构脆性断裂及其防止
( 2 ）焊接结构具有整体性
这一特点为设计制造合理结构提供了广泛可 能性，因此整体性强是焊接结构优点，但如果设计 不当或制造不良，这一优点反而增加焊接结构脆断 危险.因为由于焊接结构整体性，将给裂纹扩展创 造十分有利条件,当焊接结构一旦有不稳定脆性裂 纹出现，有可能穿越接头扩展至结构整体.
材料断口分析(第二至四章)
§2、解理断口形貌特征
一、宏观形貌特征
1、放射状条纹
2、人字纹
3、小刻面（facet）：发亮的小晶面
解理断口上的结晶面 宏观上呈无规则取向
强光下可见到闪闪发光的特征
解理断口是由许多小刻面组成 的，每个小刻面代表一个晶粒
二、微观形貌特征及形成机理
特征：
扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern）
H＝b N 1/2
2、河流花样
定义：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的 条纹。其形状类似地图上的河流。 形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志。当 裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而
较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形
成河流花样。
影响因素：
小角度晶界：倾斜晶界——影响不大，延伸至相邻晶粒
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界处产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
大角度晶界，扇形花样
3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出现。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
第二章 韧 性 断 裂
§1 概述 §2 韧性断裂的断口形貌特征 §3 韧窝形成机理 §4 影响韧窝形貌的因素
§1
概述
1、特点：材料断裂前发生明显的塑性变形。也 可以说塑性变形是韧断的前奏，而韧断是大量 塑性变形的结果。 2、过程：显微空洞形成、扩展、连接、断裂
3、类型：
微貌特征
高级焊工焊接知识28个问答题含解析
一、焊旌的一次结晶组织有何特征？答：焊接熔池的结晶也遵循一般液体金属结晶的基本规律：形成晶核和晶核长大。
焊接熔池中的液体金属在凝固时，通常融合区母材上的半融化晶粒成为晶核。
然后晶核吸附周围液体的原子进行长大，由于晶体是沿着与导热方向相反的方向成长，同时它也向着两侧方向成长，但由于受到相邻的正在生长的晶体所阻挡，因此晶体形成柱状形态的晶体称为柱状晶。
此外，在一定条件下，熔池中的液体金属在凝固时也会产生自发晶核，如果散热是沿各个方向进行，则晶体就沿各个方向均匀地长成晶粒状晶体，这种晶体称为等轴晶。
焊旌中通常见到的柱状晶，在一定条件下，焊缝中心也会出现等轴晶.二、焊缝的二次结晶组织有何特征？答：焊缝金属的组织，在一次结晶之后金属继续冷却到相变温度以下，又发生金相组织的变化，如低碳钢焊接时，一次结晶的晶粒都是奥氏体晶粒，当冷却到低于相变温度时，奥氏体分解为铁素体和珠光体，所以二次结晶后的组织大部分是铁素体加少量珠光体。
但由于焊催的冷却速度较快，所得珠光体含量一般比平衡组织中的含量大，冷却速度越快，珠光体含量越高，而铁素体量越少，硬度和强度也都有所提高，而塑性和韧性则有所降低。
经二次结晶后，得到室温下的实际组织。
不同钢材在不同焊接工艺条件下所得到的焊绛组织是不同的。
三、以低碳钢为例说明焊缝金属二次结晶后得到什么组织？答：以低塑钢为例，一次结晶的组织为奥氏体，焊缝金属固态相变过程称为焊檀金属的二次结晶。
二次结晶的显微组织为铁素体和珠光体。
在低碳钢的平衡组织中，焊缝金属含碳量很低，其组织为粗大的柱状铁素体加少量珠光体。
由于焊缝冷却速度大，铁素体不能按铁碳相图全部析出，结果珠光体的含量一般都较平缓组织中的含量大。
冷却速度大还会使晶粒细化，金属的硬度和强度也有所提高。
由于铁素体的减少和珠光体的增加也会使硬度增加，而塑性下降。
因此，焊缝最后得到的组织是由金属的成分和冷却条件来决定的。
由于焊接过程的特点，焊绎金属组织较细，所以焊绛金属比铸造状态组织性能要好。
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2.6 预防焊接结构脆性断裂的措施
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α＋ ＋Ｆｅ３Ｃ
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2.2 金属材料的断裂及其影响因素
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二、温度
温度增加，σs 和σb 均增加，而ψ 减小，
在-200度时为零。，由延性转为脆性。
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三、加载速度的影响
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第2章 焊接结构的脆性断裂
§2.1 脆性断裂事故和研究脆性断裂的意义 §2.2 金属材料的断裂及其影响因素 §2.3 材料断裂的评定方法 §2.4 焊接结构制造工艺特点与脆性断裂的关系 §2.5 焊接结构抗裂性能和止裂性能的评定方法 §2.6 预防焊接结构脆性断裂的措施
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四、材料状态的影响
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2.4 焊接结构制造工艺特点与脆性断裂的关系
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2.1脆性断裂事故和研究脆性断裂的意义
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