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

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。而对于高强度钢来说，裂纹的产生和扩展主要发生在焊缝中，这是因为由于母材强度的提高，接头中更易出现焊接缺陷，产生裂纹。这种裂纹完全有可能沿着焊缝或接头方向扩展，最后造成破坏。因此，在这种情况下，就要求接头具有止裂性能，对于防止重要结构的脆断失效是有意义的。

四、防止脆性断裂的措施

造成结构脆性断裂的基本因素是材料在工作条件下韧性不足、缺陷的存在和过大的拉应力(包括工作应力、残余应力、附加应力和应力集中等)。如果能有效地控制其中某一因素，则结构发生脆性断裂的可能性将会显著降低或排除。一般来说，防止结构脆性断裂应着眼于选材、设计和制造三个途径。

1.选材

选材分为母材选择及焊接材料的选择。

（1）母材选择。根据所采用的焊接方法和生产条件的不同，焊接结构选用的材料必须是能得到性能优良的焊缝接头的材料，即焊接性能好的材料。焊接结构使用最多的材料是钢材，其常用的钢材有：一般结构用轧制钢材、焊接结构用轧制钢材、锅炉用轧制钢材、机械产品用碳素钢、低合金高强钢、不锈钢、耐热钢及低温钢。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、特点、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。

（2）焊接材料的选择。焊接材料主要根据母材的力学性能、化学成分来选择。对于中低强度钢，由于母材和焊缝都具有较好的韧性储备，所以按等强度原则选择高组配的焊缝接头显然是合理的。因为焊缝韧性即使比母材有所降低，但并不会影响整个结构的安全性，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更小的应变，焊缝相当于受到保护，高组配的焊接接头的抗脆断安全性更高些。

而对于高强钢来说．由于强度提高，韧性下降，所以它的储备韧性也降低。如果仍采用等强度原则，选用高组配焊缝接头，焊缝韧性进一步降低后就很可能处于安全限度以下。因此，将导致由于焊缝韧性不足引起的低应力脆性破坏。为避免这种情况发生，有时采用低组配接头，能取得良好的效果，采用低强度焊缝并不总是意味着焊缝接头的强度一定低于母材。只要焊缝金属强度不低于基体的87％，仍然可以

保证接头与母材等强。但是结构如果是在高应变区使用低组配焊缝时，应使焊缝具有比母材足够高的韧性，方能保证结构的抗脆断能力的提高。

此外，焊接材料的选择还要考虑焊件的工作条件和使用性能，在满足使用性能、操作工艺的前提下，应尽量选用成本低、规范大、效率高的焊接材料。

2.合理的焊接结构设计

根据焊接结构的强度、刚度的要求，以最理想的受力状态去确定结构的几何形状及尺寸，重视结构的整体设计，也要重视结构的细微处设计。许多焊接结构的破坏都出现在局部设计不合理的薄弱环节上，结构中要尽量减少焊接量，合理布置焊缝。

3.合理选择焊接结构的制造工艺

充分考虑应变时效引起的局部脆性带来的不利影响，合理选择焊接材料、焊接方法和工艺，严格生产管理，采用必要的热处理工艺是防止构件脆性断裂的工艺保障。

（作者单位：江西省化工技校）

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【摘要】：正一、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

【作者单位】：

【关键词】：脆性断裂焊接结构焊缝韧性焊接接头焊接缺陷应力集中焊接材料焊接残余应力焊接变形力学性质

【分类号】：TG441.7

【正文快照】：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。

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