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。当处于三

向拉伸应力作用时，因不易发生塑性变形而呈脆性。三向应力的产生主要与结构

几何不连续性以及承受三向载荷因素的影响有关。例如，虽然整个结构处于单向、双向拉伸应力状态下，但其局部区域由于设计不佳、工艺不当，往往出现形成局

部三向应力状态的缺口效应。当构件受均匀拉伸应力时，其中一个缺口根部出现

高值的应力和应变集中，缺口越深、越尖，其局部应力和应变也越大。在受力过

程中，缺口根部材料的伸长，必然要引起此处材料沿宽度和厚度方向的收缩，但

由于缺口尖端以外的材料受到的应力较小，它们将引起较小的横向收缩。由于横

向收缩不均，缺口根部横向收缩受阻，结果产生横向和厚度方向的拉伸应力使缺

口根部产生了三向拉应力，因而发生根部撕裂，则发生脆断。

3.温度的影响

如果把一组开有同样缺口的试样在不同温度下进行试验，就会看到随着温度

的降低，它们的破坏方式将从塑性破坏变为脆性破坏。对于一定的加载方式（应

力状态），当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度

称为脆性转变温度。

1.加载速度的影响

提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。在同样加载速

率下，当结构中有缺口时，在应力集中的影响下，应变速率将呈现出加倍的不利

影响。从而大大降低了材料的局部塑性。这也说明了为什么结构钢一旦开始脆性

断裂，就很容易产生扩展现象。当缺口根部小范围金属材料发生断裂时，则在新

裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷。换句话说，一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动载的还是静载的，此时随着

裂纹加速扩展，应变速率更急剧增加，致使结构最后破坏。

三、预防焊接结构脆性断裂的措施

1.正确选用材料

选材的基本原则是既要保证结构安全使用，又要考虑经济效益。使选用的钢

材和焊接用填充金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。

（1）在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合区是最容易产生脆断的部位，因此要求母材应具有一定的止裂性能。

（2）随着钢材强度的提高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降。因此，不

宜采用比实际需要强度更高的材料，特别不应该单纯追求强度指标而忽视其他性能。材料的选择可通过缺

口韧性试验或断裂韧性评定试验来确定。

2.采用合理的焊接结构设计

设计有脆性断裂倾向的焊接结构，应当注意以下几个原则：

（1）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。

（2）在满足结构使用条件下，尽量减少结构的刚度，以降低应力集中和附

加应力。

（3）不应通过降低许用应力值来减少脆性的危险性，因为这样的结果将使

厚度过分增大，从而提高钢材的脆性转变温度，降低其韧性值，反而易引起脆性

断裂。

（4）对于附件或不受力焊缝的设计，应与主要受力焊缝一样给予足够重视，防止这些接头部位产生脆性裂纹，以致扩展到主要的受力元件中，使结构破坏。

3.减少和消除焊接残余拉伸应力

减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响，必要时应考虑消除应力处理。

（1）锤击坡口或焊道表面,锤击坡口表面或多层焊层间金属可使金属表面的晶粒破碎，熔池以打碎的晶粒为基面形核、长大，从而使后层焊缝凝固时晶粒细化，并改焊道宽度善焊缝金属的组织与性能。此外，逐层锤击焊缝表面，还可以起到减少或消除残余应力的作用。

（2）预热和焊后热处理，预热可降低焊接接头区域的温差，减小焊接热影响区的淬硬倾向。预热也有利于焊缝中氢的逸出，降低焊缝中的含氢量，防止冷裂纹的产生。

（3）要求严格的焊接结构，焊后需进行热处理。焊后热处理是焊后为改善焊接接头的组织与性能或消除残余应力而进行的热处理。按热处理工艺不同，焊后热处理可分别起到改善组织、性能、消除残余应力和消除扩散氢的作用。焊后热处理的方法主要有高温回火、消除应力退火、正火和调质处理。具体的选用应根据母材的成分、焊接材料、产品的技术条件及焊接方法而定。有些产品（如大型的或在工地上装焊的结构）进行整体热处理有困难，也可采用局部热处理。