焊接结构的脆性断裂疲劳断裂和腐蚀破坏

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第一节金属材料的断裂及其影响因素
• 1.温度的影响 • 如果把一组开有相同缺口的试样在不同温度下进行试验，就焊接结
构用钢而言，就会看到随着温度的降低，它们的破坏方式从延性破坏 转为脆性破坏。 • 2.加载速度的影响 • 提高加载速度(或应变速率)，其作用相当于降低温度，提高了材料 的屈服应力，影响了材料塑性变形的能力，促使材料发生脆性破坏。 在同样的加载速率下，当结构中有缺口时，由于受应力集中的影响， 应变速率可呈现出加倍的不利影响。结构钢一旦产生裂纹，就很容易 扩展就是这个原因。
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第二节防止焊接结构脆性断裂的措施
• 电渣焊熔敷金属在焊态下的缺口韧性是很差的，但可以通过应力消除 和正火处理得到改善。
• 在选择的焊接材料使焊缝金属与基本金属具有相同的延性、韧性的条 件下，适当选用屈服点较高的焊缝金属，即高匹配可以提高焊缝的止 裂性能。
• 3.严格管理生产 • 不要随意在构件上引弧，因为每个弧坑都是微裂纹源;不随意在构
件上焊接质量不高的附件，否则在去掉附件后须仔细打磨施焊处;妥 善放置构件或产品，避免造成附加应力和温度应力等。
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第三节焊接结构的疲劳断裂
• 一、疲劳强度和疲劳极限 • 对试样用不同载荷进行反复加载试验，即可测得不同载荷下使试样
破坏所需的加载循环次数N。按破坏应力与N绘成如图3-12所示的曲 线即为疲劳曲线。 • 二、疲劳断裂过程 • 疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳往往是从焊接 接头处开始。疲劳断裂一般由三个阶段组成:疲劳裂纹的形成、裂纹 扩展、断裂。可以说这三个阶段没有严格的界限，也可能三个阶段没 有全部进行，像压力容器没有产生断裂阶段就出现了泄漏。
断裂，这个结晶平面称为解理面。解理通常发生在体心立方、密排六 方金属中，而面心立方晶体如奥氏体不锈钢只有在特殊情况下出现。 一般情况下，解理断裂呈现脆性性质。解理断裂断口的微观特征是河 流状花样，宏观断口常呈现人字纹花样。 • 二、影响金属脆断的主要因素 • 同一种材料在不同条件下，可以显示出不同的破坏形式。研究表明， 最重要的影响因素是温度、加载速度和应力状态。此外，材料状态也 有重大影响。
• 3.材质的影响 • 研究表明，对焊接接头来说，它的疲劳强度与材料本身的抗拉强度
没有关系。 • 对于低碳钢来说，焊接导致的近缝区力学性能和冶金因素的变化对
接头疲劳强度影响较小。低合金钢的情况较复杂，但在实际焊接结构 中，如果热影响区的尺寸不大，一般不会降低焊接接头的疲劳强度。 • 4.板材边缘切割的影响 • 由于火焰切割的切口不平可引起缺口效应，造成金相组织的改变， 产生高值拉伸残余应力，因而可对板材的疲劳强度产生影响。
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第三节焊接结构的疲劳断裂
• 裂纹源包括疲劳裂纹成核的微观断口，在该断口处可以用肉眼观察到 晶粒的粗滑移和用一般放大镜能看的工程尺寸裂纹源(0. 076 mm)。 图3-13(a)所示为轴类零件的疲劳断口;图3-13(b)为焊接压力容器接管 部位的疲劳断口示意
• 瞬时断裂区与断裂阶段相对应，一般呈粗晶状断口或出现放射棱线， 外观与脆性失稳断裂相似。如果材料韧性很好，出现塑性断裂，则断 口可能出现具有纤维状结构，并可能出现45。的剪切唇
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第二节防止焊接结构脆性断裂的措施
• 二、合理的焊接结构设计 • 设计防止脆性断裂的焊接结构，注意以下几个原则。 • 1.要尽量减小焊接结构或接头的应力集中 • (1)构件截面改变的地方，必须设计成平缓过渡，不要形成尖角。如
图3-2 (a)为不合理设计，图(b)为合理设计 • (2)尽量采用应力集中系数小的对接接头，如图3-3(b)采用对接接头
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第一节金属材料的断裂及其影响因素
• 3.应力状态的影响 • 4.材料状态的影响 • 除上述因素外，材质也有一定的影响，因而对焊接结构选材也是非常
重要的。
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Байду номын сангаас
第二节防止焊接结构脆性断裂的措施
• 一、选材措施 • 采用韧性材料是重要的措施，其含义如下所述。 • (1)结构在工作条件下，焊接接头最薄弱部位应具有一定的抗开裂
影响，焊接缺陷的影响与缺陷的种类、方向和位置有关 • 2.焊接残余应力的影响 • 焊接残余应力对焊接接头的疲劳强度有不利影响，其中主要是由于
残余拉应力的作用导致疲劳强度下降。
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第四节焊接结构疲劳强度的影响因素和提高 措施
• 一般认为，残余压应力提高疲劳强度。焊后消除残余应力的焊接接头 疲劳强度高于未消除残余应力的接头。
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第四节焊接结构疲劳强度的影响因素和提高 措施
• (2) T(十)形接头 • T(十)形接头由于焊缝向母材过渡处具有明显的截面变化，应力集中
系数高，其疲劳强度低于对接接头。 • (3)搭接接头 • 搭接接头疲劳强度很低，仅有侧面角焊缝的搭接接头强度最低。加
盖板的搭接接头疲劳强度更低。 • (4)缺陷引起的应力集中 • 缺陷本身是应力集中根源，因而对结构和接头的疲劳强度产生显著
• 2.合理的选择焊接方法、材料和工艺 • 理论上讲，对所有焊接方法的焊缝金属缺口韧性的要求是一样的，
然而，埋弧焊熔敷金属难以达到焊条熔敷的焊缝金属的要求，所以其 数值要求是焊条熔敷焊缝数值的70%。用C02气体保护焊焊接的焊缝 金属缺口韧性较好，但在一般情况下其缺口韧性低于手弧焊水平。当 增加氢气比例时，焊缝金属缺口韧性随之增加。
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第二节防止焊接结构脆性断裂的措施
• 3.对于附件或不受力焊缝的设计 • 对于附件或不受力焊缝的设计，应和主要承力焊缝一样给予足够的
重视。如图3-11(a)所示支架焊到受力构件上，焊缝质量不易保证， 产生裂纹，图3-11(b)采用卡箍避免了上述缺点 • 4.减少和消除残余拉伸应力的不利影响 • 在制定工艺过程中，应当考虑尽量减少焊接残余应力值，在必要时 应考虑消除应力热处理. • 三、合理安排结构制造工艺 • 1.充分考虑应变时效引起的局部脆性 • 结构经过冷加工如剪切、矫正、弯曲等会产生一定的塑性变形，随 后再经150℃-450℃温度范围的加热，就会引起应变时效。
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第四节焊接结构疲劳强度的影响因素和提高 措施
• 二、提高焊接接头疲劳强度的措施 • 1.设计措施 • (1)降低构件中的应力集中。疲劳裂纹源于焊接接头或结构上的应
力集中处，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳 强度 • 图3-14和图3-15列出了两种承载下构造设计上的差别。 • (2)采用其他的设计措施 • ①按照前述，如果采用低碳钢能满足设计要求的话，从焊接性和疲 劳强度的角度，就没必要采用高强钢。 • ②有些情况下如循环应力较小，应力集中较高，致使焊接残余拉应 力增大时采用热处理如退火来提高疲劳强度。
接头是否传递力可分为工作焊缝(传力焊缝)和联系焊缝(非传力焊缝)。 影响焊接接头疲劳寿命的主要因素是这些接头的细节类型及其承受应 力幅值的大小。弄清楚影响因素对提高疲劳强度是有益的，下面介绍 一些主要的影响因素。 • 1.应力集中的影响 • 在焊接结构中，结构元件设计不佳、接头形式不合理和焊接缺陷是 应力集中的根源。 • (1)对接接头。影响对接接头应力集中的因素是母材与焊缝过渡半 径和余高，增大过渡半径或减小余高均可减小应力集中，从而使对接 接头的疲劳强度提高。
• 总的来看，疲劳断裂的断口与脆性断裂的断口很相似，它们都比较 平齐，而且断面与负载方向相垂直。但疲劳断口的表面具有上述的特 征，同时疲劳破坏总是在工件承受多次交变载荷之后才能发生。因此， 疲劳破坏又可以很明显地与脆性破坏相区别。
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第四节焊接结构疲劳强度的影响因素和提高 措施
• 一、影响焊接结构疲劳强度的因素 • 焊接结构是用对接焊缝和角焊缝将板件或部件连接而成。根据焊接
减小了应力集中 • (3)不等厚度的构件对接接头应圆滑过渡，如图3-4所示。同样，不
等宽度拼接时，也应平缓过渡，避免出现急剧转角，如图3-5所示
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第二节防止焊接结构脆性断裂的措施
• (4)设计时焊缝应布置在易于焊接(图3-6所示)和易于检验(图3-7所示， 箭头表示射线照相方向)的地方，不合理的设计无法保证质量，如图 3-6所示
• (5)尽量避免焊缝密集，如图3-8所示的是焊接压力容器中焊缝之间的 最小距离。
• 2.减少结构刚度 • 在满足结构使用条件下，尽量减少结构的刚度以便降低附加应力的
应力集中的影响。如图3-9所示是降低结构刚度的例子示意。同时， 尽量不要采用过厚的截面。厚板不但会引起三轴应力，而且其冶金质 量不如薄板。有时也可通过开工艺槽或缓和槽的方法降低结构刚度， 如图3-10所示。
• 图3-17所示的是几种元件设计正误比较。 • 2.工艺措施 • (1)改善几何形状方法，见表3-1 • (2)残余应力方法和涂装方法，见表3-2。
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第五节焊接结构的腐蚀破坏简介
• 一、焊接接头腐蚀破坏的基本形式 • 焊接接头按腐蚀形成机制可将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大
类。通常见到的腐蚀现象绝大多数属于电化学性质的，金属材料与电 解质溶液接触，通过电极反应产生腐蚀。电化学腐蚀反应是一种氧化 还原反应。在反应中，金属失去电子而被氧化，其反应过程称为阳极 反应过程，反应产物是进入介质中的金属离子或覆盖在金属表面上的 金属氧化物(或金属难溶盐);介质中的物质从金属表面获得电子而被还 原，其反应过程称为阴极反应过程。在阴极反应过程中，获得电子而 被还原的物质习惯上称为去极化剂。 • 金属的腐蚀形态分为全面腐蚀、局部腐蚀及在应力作用下的腐蚀等。 全面腐蚀即均匀腐蚀，是在整个或大部分金属表面上发生的腐蚀，其 金属表面各处腐蚀速度大致相等，如图3-18所示。
第三章焊接结构的脆性断裂、疲劳断裂 和腐蚀破坏
• 第一节金属材料的断裂及其影响因素 • 第二节防止焊接结构脆性断裂的措施 • 第三节焊接结构的疲劳断裂 • 第四节焊接结构疲劳强度的影响因素和提高措
施 • 第五节焊接结构的腐蚀破坏简介
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第一节金属材料的断裂及其影响因素
• 一、断裂机制和断口形貌 • 剪切和解理均为表示金属及其结构断裂机制的术语 • 某些金属可沿着一定的结晶平面如{100}平面发生断裂，称为解理
能力;同时希望，如果在这些地方产生了脆性的小裂纹，其周围基本 金属应具有对小裂纹的止裂能力。 • (2)不宜采用比实际需要强度更高的材料。因为随着钢材强度的提 高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降。所以不应单纯追求强度指标， 忽视其他性能。 • 通常用以下两种方法进行材料的验收和评定。 • (1)按照缺口韧性试验检验材料。 • (2)用断裂韧性评定材料。
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第四节焊接结构疲劳强度的影响因素和提高 措施
• ③用机加工方法沿着力的传递方向打磨焊缝区，打磨时保证把焊趾缺 陷除掉，如图3-16(a)所示。有时焊缝质量较高时，可以用机加工方 法消除接头区域的各种刻痕。
• ④在某些情况下，可以通过开缓和槽使力线绕过焊缝的应力集中处来 提高接头的疲劳强度。
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第五节焊接结构的腐蚀破坏简介
• 焊接接头电化学腐蚀的类型及特点见表3-3。 • 二、提高焊接接头抗腐蚀性的途径 • 焊接接头抗腐蚀性的改善是一个综合性的问题，从选材、设计、制
造、防护到结构的运行维护，对每一个环节都必须予以足够重视，才 能达到预期效果。以下简单介绍焊接接头抗腐蚀性的几个环节。 • 1.结构材料及焊接材料的合理选择 • 结构材料的抗腐蚀性在一般的腐蚀手册中可查到，但焊接接头的抗 腐蚀性则必须通过试验加以确定。表3-4列出了用于焊接接头的腐蚀 试验。 • 2.焊接结构的合理设计 • 首先对结构在给定工况下可能产生的腐蚀类型有一概括的了解，在此 基础上开始有针对性地设计。
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第二节防止焊接结构脆性断裂的措施
• 另外，焊接时金属受到热循环的作用，如果这时在待焊焊缝附近存在 有某些尖锐刻槽或在多层焊道中已焊完焊道中存在有缺陷的话，在焊 接过程中在缺陷处产生焊接应力一应变集中，发生较大的塑性变形。 热循环和塑性变形同时作用也会引起应变时效，一般称为热应变时效 或动应变时效。