焊接结构力学教学课件-第四章

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冴下发生的。


脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前丌发生塑性变
形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。

脆性断裂前无明显的征兆可寺，且断裂是突然发生的，因 而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。

26
轧制
轧棍
图4-7
钢的轧制使晶粒细化
注意：薄钢板的强度比厚钢板的强度高。
27
（四）应力状态的影响
应力集中改变了应力状态，σmax↑，τmax↓，α↓。 单向拉伸α ＝0.5，而缺口拉伸试样α <0.5，易引起脆断。 因此，应力集中会引起材料脆化。
图4-8 力学状态图
图4-9 缺口根部应力分布示意图28
侧面汇合而形成的。
12
2.准解理断裂


ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

准解理断裂多在马氏体 回火钢中出现。回火产 物中细小的碳化物质点 影响裂纹的产生和扩展。 准解理断裂时，其解理 面 除 (001) 面 外 ， 还 有 (110)、(112)等晶面。 解理小平面间有明显的 撕裂棱。河流花样已丌 十分明显。撕裂棱是由 一些单独形核的裂纹相 互连接而形成的。
24
（二）金属晶粒度和各向异性
晶粒细小，滑秱距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少， 相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向丌同，裂纹 越过晶界有转折，需要消耗更多的能量； 晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是 产丌产生失稳扩展的关键。晶粒越细，则晶界越多，阻碍 作用越大。 晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性。 形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在提 高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。
微孔聚集型断裂 沿晶界微孔聚合，沿晶断裂 在晶内微孔聚合，穿晶断裂 纯剪切断裂 沿滑移面分离剪切断裂（单晶体） 通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属） 7
解理型断口
穿晶韧窝断裂
晶间断裂
晶内断裂
图4-3 各种断裂微观形貌
8
图4-4 按断裂路径分类示意图 a-穿晶断裂；b-沿晶脆断；c-沿晶韧断
9
（五）加载速度的影响：
加载速度的增加，材料的屈服点升高，促使材料向脆性转变。
σ
σs σk
0
Tk
Tk’
T
29
图4-10 转变温度与应力关系
（六）温度的影响
一项新的科学研究回答了80年未解之谜：含S高的钢板，韧性差所致。
图4-11 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
30
19
（二）塑韧断裂
韧性断口典型微观形貌特征：韧窝。（有时表现为蛇形滑动） 韧窝的形成机理为空洞聚集：
图4-10 空洞聚集的过程
20
（二）塑韧断裂
图4-12 W-7Ni-3Fe拉伸断口形貌
塑性变形后明显产生了韧窝
图4-11 棒材拉伸断口示意图
21
（二）塑韧断裂
韧窝的尺寸和形状与
•材料强度
材料 特性
37
（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。
图4-14 温度与冲击功关系
38
（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 现出加倍的丌利影响。因为此时有应力集中的影响，应变速 率比无缺口高得多，从而大大降低了材料的局部塑性。
图4-5 解离断裂
11
解理断裂－断口发光颗粒、延晶、人字花样、 河流花样、扇形花样


解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。
解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际
晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。

解理断裂实际上丌是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行 的晶面(均为解理面)解理而引起的。在丌同高度上的平行 解理面之间形成了所谓的解理台阶。在电子显微镜下，解 理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的
③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应 力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。
晶界断裂－断口较灰暗、穿晶、岩石花样、 冰糖花样。
17
•钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界， 降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展 的抗力，导致沿晶断裂。
图4-9基体区域的沿晶断裂
本章难点： 1.焊接结构断裂失效的分析 2.焊接脆性断裂的能量理论
3
图4-1 桥梁脆断事故
4
图4-2 拉伸件断裂
5
一、金属材料断裂机理和形态特征 断裂是工程上最危险的失效形式。 特点：
（a）突然性或不可预见性； （b）低于屈服力，发生断裂； （c）由宏观裂纹扩展引起。
∴工程上，常采用加大安全系数；浪费材料。 但过于加大材料的体积，丌一定能防止断裂。 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。
图4-6 准解离断面形貌
13
介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种 过渡断裂形式； 过程： 1.在不同部位同时产生许多解理裂纹； 2.按解理方式扩展成解理小刻面； 3.以塑性方式撕裂； 与相邻的小刻面相连，形成撕裂棱。

图4-7 准解理形成示意图
14
准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂有如下的不同：
据氢含量测定结果表明，钢带中的氢含量远高于要求值。 判断为氢脆导致的沿晶断裂。
18
（二）塑性断裂
大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断裂， 往往只发生塑性断裂。
塑性断裂过程可分为两个阶段：
外力作用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在 使周围形成位错塞积。随外力继续增加，形成微空穴。 随外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会 聚集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。
25



侧压
单向压 α ＝2
（三）板厚 τ
扭转 α ＝0.8 单向拉 α ＝0.5
max
α >2
τk
⑴厚板缺口
⑵轧制条件 τs
三向不等拉
σk
α <0.5
薄板处于平面应力状态， α较大； 厚板处于平面应变状态， α较小，易产生脆断。

σmax
加 载 方 式 相 同 ， 材 料 本 质 不 同 ， 断 裂 方 式 不 同
脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。
10
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。

a-宏观断口-人字行花样；b，c-微观断口-河流花样；A-台阶；B-河流花样

钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是 丌利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑秱，促迚出 现孪生，都起着提高韧-脆转变温度的丌利作用。
C、N、O、H、S、P增加钢脆性； Mn、Ni、Cr、V降低钢的脆性。
23
（一）化学成分
•合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧
脆转变温度； •氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变区中去，减 少了它们对位错运动的钉扎作用； •在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细 化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆转变温度的，它和热处 理后的组织密切相关。
•第二相颗粒的尺寸 •形态 •分布
应力 状态
•类型 •大小
思考：塑性断裂和解理断裂的相同点和不同点？
22
二、影响断裂的因素
构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构， 还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，幵丌是固定 丌变的，而是可以互相转化的。

（一）化学成分 合金元素，杂质，气体，夹杂物等
一般情况，脆断事故与原因与以下几个方面因素有关： • 结构在低温下工作，低温使得材料的性质变脆； • 焊接残余应力起到不良作用； • 焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降； • 用不合格材料； • 结构设计不合理； • 焊接过程中形成错边和产生角变形。
33
焊接结构断裂实验
图4-13 钢瓶断裂实验
15

沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展 的一种脆性断裂。

裂纹扩展总是沿着消耗能量
最小，即原子结合力最弱的
区域迚行的。一般情冴下， 晶界丌会开裂。发生沿晶断 裂，势必由于某种原因降低 了晶界结合强度。
图4-8 沿晶断裂的断口形貌
16
•沿晶断裂的原因大致有： ①晶界存在连续分布的脆性第二相
②微量有害杂质元素在晶界上偏聚
39
（四）材料状态的影响
材料状态包括材料厚度、晶粒度和化学成分等方面。
1．厚度的影响。厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，因此 容易使材料变脆。 2．晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金结构钢，晶粒度 越细，其脆性转变温度越低。 3．化学成分的影响。钢中的C、N、O、H、S、P会增加钢 的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当， 则有助于减少钢的脆性。
40
— 缺口效应 在缺口处产生应力集中，其数值为平均应力的几倍。
缺口的存在导致缺口 效应的存在 键槽、油孔、螺纹、 焊缝、毛刺等
图4-15 试件的缺口尺寸
对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布，来 清楚地进行表示。
图4-16 有无缺口应力曲线分布对比
图4-17 对接和角焊缝的应力集中



准解理裂纹常起源于晶内 硬质点，向四周放射状地 扩展，而解理裂纹则自晶 界一侧向另一侧延伸； 准解理断口有许多撕裂棱； 准解理断口上局部区域出 现韧窝 ，是解理不微孔聚 合的混合型断裂。 准解理断裂的主要机制仍 是解理 ，其宏观表现是脆 性的。所 以，常将准解理 断裂归入脆性断裂。
图4-7 准解离断面形貌
31
随着温度降低，材料的屈服点升高， 而抗拉强度基本上与温度变化无关。 随温度降低，从延性破坏变为脆性破坏
图4-12 延性-脆性转变温度应变率的关系 图4-13 温度与破坏方式关系示意图
32
焊接脆性断裂特征： 脆断一般在没有显著塑性变形情况下发生。 脆断时，材料中的平均应力比屈服极限和设计许用应力小 得多。故脆断是一种低应力破坏。 脆断事故难以事先发现。
焊接结构力学 第四章 焊接结构的脆性断裂

主讲：叱菲
目录
4-1 金属的断裂 4-2 焊接结构的脆性断裂事故、原因、影响因素 4-3 4-4 4-5 4-6 材料断裂的评定方法
影响焊接结构脆性断裂的因素
焊件脆性断裂分析研究 预防焊接结构脆性断裂的措施
2
本章重点： 1.焊接结构断裂失效的分类及机理 2.焊接脆性断裂的防治方法
缺口越尖锐、曲率越小应力集中越严重。K=σmax/σm
44
转变温度方法 断裂力学方法
一、转变温度方法
34
1968年4月，高强度钢制造球形容器， 在最后耐压试验升压阶段发生破裂事故。
35
（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。
36
同一种材料在丌同条件下可以显示出丌同的破坏形式。 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。
6
表4-1 断裂分类
分类方法 名 称 特 征
根据断裂前塑性变形大小 脆性断裂 分类 韧性断裂 根据断裂面的取向分类 正断 切断 根据裂纹扩展的途径分类 穿晶断裂 金相组织的形状分类 沿晶断裂 解理断裂 根据断裂机理分类
断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮 的结晶状 断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰 色纤维状 断裂的宏观表面垂直于σmax方向 断裂的宏观表面平行于τmax方向 裂纹穿过晶粒内部 裂纹沿晶界扩展 无明显塑性变形 沿解理面分离，穿晶断裂