焊接结构的脆性断裂疲劳断裂和腐蚀破坏
第四章焊接结构的脆性断裂
于压力窗口的大型化、厚截面或超厚截面压力窗口增多以及化
工、石油工业中低温压力容器的使用，使脆断事故迭有发生。
这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，
英、日本等国家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并
提出了工程结构脆断防止措施。
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（一）
压力容器脆性断裂
•
压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是脆性断裂更引人注意。
很多． • (3)焊接结构刚性大，破坏一旦发生，瞬时就能扩展到结构整
体，所以脆断事故难以事先发现且往往造成较严重的后果。
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脆性断裂的影响因素
• 综合研究分析认为，一般脆断事故原因与以下几方面因素有关。 • (1）结构在低温下工作，低温使材料的性质变脆。 • (2)结构中存有一些焊后漏检缺陷，或在使用中发生延迟裂纹。 • (3)在许多情况下，焊接残余应力起到不良的作用，焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降。
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应力腐蚀裂纹
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4.2 焊接结构脆断事故分析
•
•
焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。这些事故
无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。引起焊接结构脆断的
原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结
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脆性断裂的宏观断口
• 从下图可看出，脆性断裂的宏观断口分为三个区：纤维区、放射区、剪切唇。
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宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确
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。
焊接接头的脆性断裂
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四、预防焊接结构脆断的措施
1．正确选用材料
（1）原则：焊缝具有一定的抗开裂性能、母材具有一定的止 裂性能 （2）选择材料时要充分考虑工作环境的温度变化、载荷条件 （3）选择材料要综合考虑材料的强度、韧性，不能只追求高 强度，可按冲击韧性或断裂韧性选择材料，或按抗裂比 KIC/σs选择材料
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2．合理结构设计
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材料：LD7铝合金 工艺情况：工作温度为 50~270℃（进口低，出口高） 组织说明：疲劳条带形貌，条 带间距细密，应为高周疲劳断 裂特征
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2．疲劳断裂的类型
（1）高周疲劳：105以上 （ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）低周疲劳104～105以下 （3）热疲劳 （4）腐蚀疲劳 （5）接触疲劳
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3．疲劳强度：经无数次（107）循环不破坏的应力
第九章 焊接接头的脆性断裂 与疲劳断裂
Brittle fracture ＆ Fatigue fracture of Welded Joint
焊接结构脆性断裂、疲劳断裂事故时有发生，典型案例：
实例之一：二战期间，美国250艘全焊接战时标准船的断裂事 故，其中10艘在平静港湾突然一断为二。 实例之二一：泰坦尼克号的失事是低温引起材料焊接处脆断 实例之三：2001年11月7日，四川省宜宾市南门中承拱桥因吊 杆脆断造成大桥桥面坍塌 实例之四：1998年3月5日，西安液化石油气站2个400 m3球罐 发生特大爆炸事故。一只紧固螺栓的疲劳断裂
一、疲劳的基本概念
1．疲劳断裂的特征
（1）疲劳断裂的三个阶段：裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展 （2）断口特征：三个区
宏观断口呈脆性 裂纹多起源于表面的几何不 连续，应力集中部位，如焊趾、 弧坑、咬边、未焊透、角变形、 错边等位置。
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。
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析一、脆性断裂钢材或钢结构的脆性断裂是指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。
钢结构尤其是焊接结构，由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。
脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后，断裂即以极高速度扩展,脆断前无任何预兆而突然发生破坏。
钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果，主要是以下几方面：(1)钢材质量差、厚度大：钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差等；较厚的钢材辊轧次数较少，材质差、韧性低，可能存在较多的冶金缺陷。
(2)结构或构件构造不合理：孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重。
(3)制造安装质量差：焊接、安装工艺不合理,焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重；冷加工引起的应变硬化和随后出现的应变时效使钢材变脆。
(4)结构受有较大动力荷载或反复荷载作用：但荷载在结构上作用速度很快时（如吊车行进时由于轨缝处高差而造成对吊车梁的冲击作用和地震作用等），材料的应力-应变特性就要发生很大的改变。
随着加荷速度增大，屈服点将提高而韧性降低。
特别是和缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时，材料的脆性将显著增加。
(5)在较低环境温度下工作：当温度从常温开始下降肘,材料的缺口韧性将随之降低,材料逐渐变脆。
这种性质称为低温冷脆。
不同的钢种，向脆性转化的温度并不相同。
同一种材料,也会由于缺口形状的尖锐程度不同，而在不同温度下发生脆性断裂。
所以，这里所说的"低温"并没有困定的界限。
为了确定缺口韧性随温度变化的关系，目前都采用冲击韧性试验。
显而易见,随着温度的降低，Cv能量值迅下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏。
同时可见，钢材由塑性破坏到脆性破坏的转变是在一个温度区间内完成的，此温度区T1－T2称为转变温度区。
在转变温度区内，曲线的转折点〈最陡点〉所对应的温度T0称为转变温度。
焊接结构强度
焊接结构向大型化、高参数、精确尺寸方向发展焊接结构的优点：1、采用焊接结构可以减轻结构的重量，提高产品质量，特别是大型毛坯的质量2、焊接结构由于采用焊接连接，理论上其连接厚度是没有限制的（与铆接相比），这就为制造大厚度巨型结构创造了条件3、焊接结构多用轧材制造，其过载能力、承受冲击载荷能力较强4、焊接结构可根据结构各部位在工作时的环境，所承受的载荷大小和特征，采用不同的材料制造，并采用异种钢焊接式堆焊制成5、节省制造工时，节约设备与场地占用时间，从而节约能源焊接是一个整体，铆接分离，比铆接接头容易产生脆性断裂，焊接结构刚性，不容易产生位移，焊接应力集中，有局部加热和冷却，局部脆化缺陷，残余应力焊接结构存在的问题1、焊接结构中必然存在焊接残余应力和变形2、焊接过程会局部改变材料的性能，但结构中的性能可能不均匀3、焊接结构是一个整体，这一方面是气密、水密的前提，另一方面刚度大，在焊接结构中易产生裂纹，使之很难像铆接或螺栓连接那样在零件的过渡处被制止，由于这个原因和上述原因（焊接应力和变形、缺陷、大应力集中、性能不均匀等）导致焊接结构对脆性断裂和疲劳、应力腐蚀等的破坏特别敏感内应力是在结构上无外应力作用时保留于物体内部的应力应力按其分布可分为：宏观内应力和微观内应力内应力按其作用的时间：瞬时应力和残余应力残余应力：在焊接过程全部结束，焊接完全冷却后残余在焊件中的内应力焊接温度场：焊接过程中的某一瞬间焊接接头中各点的温度分布状态纵向残余应力：应力作用方向与焊缝平行的残余应力横向残余应力：垂直于焊缝的应力纵向残余应力和横向残余应力的峰值都出现在最后一层焊道下方某处，可以认为该种材料在埋弧焊条件下板厚达到一定程度时，残余应力的峰值不受板厚变化的影响，趋于一个稳定值。
焊缝及附近区域中总是产生纵向高达屈服点的拉伸残余应力；而腹板中部、翼板边缘则产生压应力焊接残余应力对焊接结构的影响1、对焊接结构的影响：若材料有足够的延性进行塑性变形，则内应力的存在并不影响构件承载能力，若材料处于脆性状态，外应力与内应力叠加时，可能发生局部断裂2、对结构加工尺寸精度的影响3、对压杆稳定性的影响4、对应力腐蚀的影响预防焊接残余应力的措施（调整和减小的方法）设计：1、尽量减小焊缝截面尺寸，在保证强度的前提下尽量减少填充金属的数量2、将焊缝布置在最大工作应力区外3、尽量防止焊缝密集、交叉4、采用局部降低刚度的方法，使焊缝能够比较自由地收缩5、采用合理的接头形式工艺措施：1、合理的选择装配焊接顺序。
焊接变形原因及预防措施资料
第二节
焊接变形
一、焊接变形的种类及其影响因素
焊接变形分为5种基本变形形式：收缩变形、 角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。
焊接变形的基本形式
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1. 收缩变形 焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。
纵向和横向收缩变形 （1）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形 2. 角变形 角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收 缩沿板厚分布不均匀所致。
焊接结构的不足之处大多反映在焊接接头 上的问题，主要有以下几方面：
1）焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程， 焊接结构必然存在焊接残余应力和变形，这不仅 影响焊接结构的外形尺寸和外观质量，同时给焊 后的继续加工带来很多麻烦，甚至直接影响焊接 结构的强度。 2）由于焊接接头要经历冶炼、凝固和热处理 三个阶段。 3）焊接会改变材料的部分性能。
只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝 多且密集处，可以采用铸—焊联合结构， 就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁 板厚度，以减少肋板数量，或者采用压型 结构代替肋板结构，都对防止薄板结构的 变形有利。
（3）合理安排焊缝位置 梁、柱等焊接构件、常因焊缝偏心配置而产 生弯曲变形。
箱形结构的焊缝安排
合理安排焊缝位置防止变形 2. 工艺措施 （1） 留余量法 （2） 反变形法
1. 对结构强度的影响 2. 对焊件加工尺寸精度的影响
机械加工引起内应力释放和变形 3. 对受压杆件稳定性的影响
四、控制焊接残余应力的措施
1. 设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。
2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的距离。
容器接管焊接 3）采用刚性较小的接头形式。
减小接头的刚性措施
平板对接焊时的反变形法 （3）刚性固定法 1） 将焊件固定在刚性平台上。
焊接结构疲劳与失效
下图为直升机起落架的疲劳断裂图，裂纹是从 应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆 2118次后发生破坏，属于低周疲劳。
下图为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂，该梁板 厚5mm，承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊 接处，因应力集中很高而产生裂纹，该车破坏时 已运行30000km。
3、焊接缺陷的影响 （1）焊缝的片状缺陷对疲劳强度影响大于圆角缺 陷；
a) 沿焊缝中心线分布
b) 斜向分布
结晶裂纹的形态分布
（2）表面缺陷的影响大于内部；
咬边
咬边
角焊缝咬边
咬边 对接焊缝咬边
双面焊未焊透
角焊缝未焊透
（3）位于残余拉应力场内缺陷的影响大于在残余 压应力场内； （4）与作用力方向垂直的片状缺陷的影响大于其 它方向；
典型脆断事故的实例及产生原因
损坏日期 结构种类、特点及地点
损坏的情况及产生原因
1934
油罐，美国
在气候骤冷时，罐底与罐壁的温 差引起脆性裂纹
1938~1940
ห้องสมุดไป่ตู้
威廉德式桥，比利时
由于严重应力集中，残余应力高， 钢材性能差，气温骤冷，焊接裂 纹引起脆断
1949~1951
板梁式钢桥，加拿大魁 北克
材料为不合格的沸腾钢，因出现 裂纹曾局部修补过
1954年
大型油船“世界协和 号”，美国制造
钢材缺口韧性差。断纹发生在船 中部，即纵粱与隔舱板中断的两 端处引起裂纹，然后裂纹从船底 沿两侧向上发展，并穿过甲板。 断裂时有大风浪。
放大
下图表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用 应力集中系数很高的角焊缝而导致疲劳断裂，改为应 力集中较小的对接焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。
焊接结构疲劳强度
焊接结构疲劳强度焊接是一种常见的金属连接方法，但焊接接头在使用过程中容易受到疲劳破坏。
焊接结构的疲劳强度是指焊接接头在受到交变载荷作用下能够承受的最大循环载荷次数。
疲劳强度的评估对于焊接结构的设计和使用至关重要。
本文将介绍焊接结构的疲劳破坏机制、影响疲劳强度的因素以及提高焊接接头疲劳强度的方法。
焊接结构的疲劳破坏机制主要包括以下几种：1.脆性断裂：焊接接头容易出现脆性断裂，主要是由于焊接过程中，焊缝和周边热影响区的组织发生变化，使其变得脆性，降低了焊接接头的疲劳强度。
2.裂纹扩展：焊接接头中存在的焊接缺陷（如气孔、夹杂等）是裂纹扩展的起始点。
在交替加载下，焊接接头中的裂纹会逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。
影响焊接结构疲劳强度的因素主要包括以下几个方面：1.焊接材料选择：焊接材料的强度和塑性对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
通常情况下，焊接接头的强度应大于被焊接材料的强度，以保证焊接接头的疲劳寿命。
2.焊接工艺参数：焊接过程中的工艺参数（如焊接电流、焊接速度等）会对焊接接头的组织结构和性能产生影响，进而影响焊接接头的疲劳强度。
3.焊接接头形状和几何尺寸：焊接接头的形状和几何尺寸也会影响其疲劳强度。
一般来说，焊接接头的强度随着接头厚度的增加而增加，但是当厚度过大时，会导致应力集中，从而降低疲劳强度。
提高焊接接头疲劳强度的方法主要包括以下几个方面：1.选择合适的焊接方法：不同的焊接方法对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
例如，自动化焊接方法相对于手工焊接方法具有更高的焊接质量和疲劳强度。
2.进行焊接前的准备工作：在焊接前，需要对焊接接头进行彻底的清洁和表面处理，以减少焊接缺陷的产生。
3.优化焊接工艺参数：通过调整焊接的工艺参数，可以改善焊接接头的疲劳强度。
例如，适当增大焊接电流和焊接速度，可以减少焊缝内的局部熔化区，从而提高焊接接头的强度。
4.对焊接接头进行后处理：通过对焊接接头进行热处理或应力释放，可以改善焊接接头的组织结构和性能，提高其疲劳强度。
焊接接头的脆性断裂
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1．温度的影响
温度对拉伸性能的影响
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温度对冲击韧性的影响
温度对Ni-Cr-Mo-V钢断裂韧性的影响
温度降低断裂韧性、冲击韧性都降低，抗冲击能力、抗裂纹扩张能力降低
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冲击值降低至正常冲击值的 50～60% 断口中结晶状断面占面积50% 时的温度
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材料：LD7铝合金 工艺情况：工作温度为 50~270℃（进口低，出口高） 组织说明：疲劳条带形貌，条 带间距细密，应为高周疲劳断 裂特征
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2．疲劳断裂的类型
（1）高周疲劳：105以上 （2）低周疲劳104～105以下 （3）热疲劳 （4）腐蚀疲劳 （5）接触疲劳
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3．疲劳强度：经无数次（107）循环不破坏的应力
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高匹配焊接接头不均匀体低周疲劳损伤研究，机械强度，2002 ,24 (4) :556～557
三、提高焊接结构疲劳强度的措施
激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响,焊接学报，2001
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3．接头匹配的影响
高匹配的焊接接头,在低周疲劳的载荷条件下,随着中间高强度的焊缝宽度的 增加,焊接接头在断裂时的循环次数将下降,而接头中损伤的发展则在加快。 硬区是45 钢,屈服强度415MPa ;两侧软 区是16Mn 钢,屈服强度是365 MPa 。试 样的热处理状态是850 ℃正火态。
α < 0.5
α =0
很难变形，发生断裂必然为脆断 引起三轴拉伸的原因：三向载荷 几何不连续性：缺口、裂纹 厚板易出现三向应力状态
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4．材料状态的影响
（1）厚度的影响：厚板易形成三向拉应力状态，同时厚板轧制质量比薄板差 （2）晶粒度的影响 ：晶粒越细，韧脆转变温度越低，越不容易发生脆断 （3）化学成分的影响： 间隙原子C、N、O，及杂质S、P使韧性降低，脆性增加 合金元素Ni、V有助于减小钢的脆性。 （4）组织状态的影响 A、F、P、BL、M 脆性
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。
焊接钢结构断裂与疲劳
1.焊接钢结构的缺点及其原因答：1、热影响区：受焊接高温影响，焊缝附近的母材存在“热影响区”，易使材质变脆。
热影响区内随各部分的温度的不同，其金相组织及其性能也发生了变化，有些部分的晶粒变粗。
硬度加大，塑性和韧性降低，易导致材质变脆。
2、焊缝缺陷：除非正确选择板材和焊接工艺，焊缝易存在各种的缺陷，如裂纹、边缘未融合、根部未焊透、咬肉、焊瘤、夹渣和气孔等。
缺陷的存在易导致构件产生应力集中而使裂纹扩大。
图1：各类焊缝缺陷裂纹：产生裂纹的主要原因是钢材的化学成分不当，含S高易产生热裂纹，含P高易产生冷裂纹。
不合适的焊接工艺和不合适焊接程序也将导致裂纹的产生。
裂纹有纵向也有横向，可以存在于焊缝内也有在焊缝附近的金属内。
边缘未融合：与焊前钢材表面的清理不彻底有关，焊接电流过小和焊接速度过快以致母材未达到融化状态有关。
根部未焊透：除电流不够和焊接速度过快外，焊条过粗及焊工的其他的不当操作也会致使该现象。
咬肉：因焊接参数选择不当或由于操作工艺不正确产生，如所用的焊接电流过强和电弧过长。
这是靠近焊缝表面的母材处产生的缺陷。
焊瘤：是焊接过程，熔化的金属流淌到焊缝以外未熔化的母材所形成的。
夹渣：是微粒焊渣在焊缝金属凝固时来不及浮至金属表面而存在于焊缝内的缺陷。
焊缝冷却过快会加剧此现象。
气孔：焊条受潮，熔化时产生的气体侵入焊缝而形成的。
总之，以上缺陷的存在，会导致构件产生应力集中而使裂纹扩大。
3、裂缝易扩展：焊接结构的刚度大，焊接结构具有连续性，局部裂缝一经产生便很容易扩展到整体，加剧了焊接钢结构的低温冷脆现象。
4、残余应力：焊接后，由于冷却时的不均匀收缩，构件内将存在焊接残余应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。
5、残余变形：焊接后，由于不均匀涨缩产生焊接残余变形，如原来为平面的钢板发生凹凸变形等，残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工，如果矫正效果不佳，会影响构件的正常受力，产生附加的力和弯矩。
第六章 焊接结构的疲劳解读
尽量减小角变形或错边；
亦可在熔合线(焊趾) 堆焊防裂焊缝。
焊接结构
5.3.4 接头金相组织改变对脆性的影响 ①主要目标:
充分注意焊接热影响区的几个脆化区!
如：靠近熔合线附近的粗大的魏氏组织区； 处于蓝脆温度范围的脆化区；
合金钢接头中的高硬度马氏体区。
②处理措施： 必要时进行回火或正火处理。消除脆性组织，同时 消除焊接应力！ 焊接工艺要合理控制焊接线能量。
焊接结构
5.1.4 焊接结构脆断的产生原因
2）结构在设计、制造环节上存在工艺缺陷； 这些未能得以及时消除的工艺缺陷，进一步造成了构 件承载能力——尤指抗开裂能力的恶化。 如：焊接残余应力、附加残余变形、热应变时效以及
各种焊接缺陷等引起的应力集中和脆化现象。
3）产品检验技术不够完善，并未对重要结构采取有效的 质量跟踪措施和及时准确的无损评价。
断
实例之三：2001年11月7日，四川省宜宾市南门中承拱桥 因吊杆脆断造成大桥桥面坍塌 实例之四：1998年3月5日，西安液化石油气站2个400 m3 球罐发生特大爆炸事故。一只紧固螺栓的疲劳断裂
焊接结构
• 四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂 事故，其中一起发生在1995年底，泄漏的天然气引起了 火灾。管道为720×8.16 mm 螺旋焊管，工厂压力1.9～ 2.5MPa。事故管段已经运行16年。爆口长度1440mm， 沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。 经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中 含有H2S及补焊工艺不合理 使焊缝产生了马氏体组织和 高的残余应力有关。
焊接结构
应变时效的概念
• 应变时效 是指金属经过一定量的塑性变形后，再经历150～400℃温度范围 的加热作用而造成的材料塑性下降的现象。 • 静应变时效 是指金属经过“ 冷加工”而产生 一定量的塑性变形导致的应变时效。 • 动应变时效 是指金属经过“热循环”而产生 一定量的热塑性变形导致的应变时效。
零件的脆性断裂(含疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等)失效分析
零件的脆性断裂(含疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等)失效分析本文旨在介绍零件的脆性断裂失效分析的重要性和目的。
脆性断裂是指在零件受到一定载荷作用下，没有发生明显的塑性变形，而导致突然断裂的现象。
这种失效模式对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响。
脆性断裂的失效分析是一项关键的任务，旨在确定零件破坏的原因和机制，以及采取相应的措施来预防和控制脆性断裂的发生。
在分析中，我们还会涉及到与脆性断裂相关的其他失效现象，如疲劳断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。
通过对零件脆性断裂失效的深入分析，我们可以更好地了解材料的性能和强度，确定适当的设计和加工参数，以及制定合理的维护和检修计划。
这对于提高工程结构的可靠性，延长零件的使用寿命以及降低维护成本具有重要意义。
本文将通过对脆性断裂失效分析的相关知识进行详细解释和说明，为读者提供系统的理论基础和实践指导，以便能够有效地进行脆性断裂的失效分析工作。
解释脆性断裂是指在应力作用下，当零件发生断裂时没有明显的塑性变形。
详细讨论导致脆性断裂的各种原因，包括疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等。
脆性断裂是指材料在受力作用下发生的突然断裂，常常发生在零件长时间受重复负载或特定环境下受力情况下。
脆性断裂的原因多种多样，下面将对其中的疲劳、应力腐蚀和氢脆断裂进行详细讨论。
疲劳断裂：疲劳断裂是由于零件在长时间受到变化的载荷作用下产生的。
当重复载荷作用于零件时，如果应力超过了材料的疲劳极限，就会发生疲劳断裂。
疲劳断裂是零件的高频失效模式，常见于机械装置和结构中。
应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂是指在特定环境中，材料受到应力和腐蚀介质共同作用时突然断裂。
应力腐蚀断裂的发生是由于腐蚀介质在零件表面引起局部腐蚀，而应力则产生了裂纹的扩展。
应力腐蚀断裂是一个复杂的断裂形式，常见于化工设备和海洋装备等领域。
氢脆断裂：氢脆断裂是由于材料在存在氢的环境中发生的断裂。
氢脆断裂的主要机制是氢的扩散和积聚在材料中，导致材料的力学性能降低，从而引起断裂。
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。
焊接结构生产焊接应力
由于焊接局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，导致在焊接结构内 部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐 蚀断裂和失稳破坏的主要原因，焊接变形使结构的形状和尺寸精度难以达 到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能。
焊接应力与变形的基本知识 1. 变形。物体在外力或温度等因素的作用下,其形状和尺寸发生变化。 2. 应力。存在于物体内部的、受外力作用或其他因素引起物体内部之 间相互作用力，叫做内力。物体单位截面积上的内力叫做应力。 3.焊接应力与焊接变形。焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存 在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。
④ 平面交叉焊缝焊接时，在焊缝的交叉点易产 生较大的焊接应力。
平面交叉焊缝的焊接顺序
2020/3/7 湖南机电职业技术学院焊接教研室 曾 广 奎
⑤ 对接焊缝与角焊缝交叉的结构。
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2）降低焊缝的拘束度—— 降低局部刚度减少内应力
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1. s E(e T )
弹性状态， 无残余应力
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2. s ,TMAX 500C E(e T ) T s 100C
E
有塑性变形 及残余应力
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当ε﹤εs时不产生残余应
力和残余变形；
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s c,T 500C s c0,T 500600C s 0,T 600C
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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
• 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。
• (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。
• 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
• 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
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
• 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
• (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
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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。
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。
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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。
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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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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
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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。
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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。
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。
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。
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。