焊接结构断裂理论

焊接结构制造工艺及实施（断裂理论） 1
焊接结构强度的基本理论
本章主要内容
一、焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的特点、 产生原因及影响因素； 二、提高结构疲劳强度和防止脆性断裂的主 要措施。
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焊接结构的脆性断裂
一、脆性断裂的主要特征
宏观：断裂前无明显塑性变形，没有任何先兆，突然性强。 断裂时所承受载荷不大，远低于设计时的许用应力，是典型的低应力破坏 形式。 断口形态：断口发光颗粒、平整、人字花样、河流花样、穿晶。
影响焊接接头疲劳强度的因素：
（1）应力集中的影响 对接焊缝由于形状变化不大，因此，它的应力集中比其它形式的接头要小； T形(十字)接头的疲劳强度远远低于对接接头。在搭接接头中，由于其应力 集中很严重，其疲劳强度也是很低的。 （2）残余应力的影响 残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应力 较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸的，则它 降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外残 余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环特征以及循环次数 等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。 （3）缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片 状缺陷(如裂纹、未熔合、未焊透)比带圆角的缺陷(如气孔)影响大；表面缺 陷比内部影响大；位于应力集中区的缺陷比在均匀应力场中的同样缺陷影响 大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大；位于残余拉应力 场内的缺陷比在残余压应力区的影响大。值得说明的是，同样尺寸的缺陷对 不同材料焊接结构的疲劳强度的影响也不相同。
㈡ 尽量减小结构刚度
对于大型焊接结构，在满足使用条下件，应尽量减小结构的刚度，以降 低应力集中和附加应力对脆性断裂倾向的影响。
通常用开“缓和孔”或开“缓和槽”等方法来减小接头的刚度，有时还 故意留一段焊缝不焊。
三条焊缝空间交叉，刚度大， 应力集中严重。
把一块板切掉一角，降低结构刚 度。
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断裂强度
度 强
屈服强度
测试温度
焊接结构制造工艺及实施（断裂理论） 5 3、焊接热循环 热影响区组织脆化，韧性下降。 改变材料脆性转变温度。对某些高强钢，板厚为30 mm， 线输入达50000J/cm时，可使脆性转变点升高50~100℃
平板堆焊
4、焊接残余应力
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对于储存腐蚀性介质的容器，要求焊缝热影响区不能与介质
接触。
腐蚀介质
腐蚀介质
增加板厚
热影响区
热影响区
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小结ຫໍສະໝຸດ Baidu
脆性断裂的特征
无明显塑性变形的低应力破坏，突然性强。
产生脆断的原因
⑴ 使用温度低于脆性转变温度使塑性材料变脆； ⑵ 焊接热循环容易使热影响区组织粗大，塑性下降; ⑶ 焊接残余应力使焊接接头强度下降并且接头处易产生应力集中； ⑷ 焊接缺陷使结构的实际承载面积减小，并可能引起微裂纹； ⑸ 备料及成形加工时容易引入缺陷和降低材料塑性； ⑹ 焊接结构刚度大，焊接应力难消除，裂纹在构件之间扩展容易。
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断口特征
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疲劳破坏的过程
构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过程。 三个阶段组成：1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；2）裂纹稳定扩 展；3）结构断裂。 疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。
应力循环次数N（疲劳寿命）

fy
应力幅越低，作用循环次数越多，
如油漆或镀锌等。
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降低材料实际承载能力。 产生应力集中，使微裂纹扩展成脆性断裂源。
简单轮辐结构
5、备料及成形加工
矫正弯曲变形 钢板弯曲成形
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产生附加应力。材料在成形加 工时的预应变可达2%~3%，预 应变使材料塑性降低，脆断倾 向增加。
可能引入新的显微缺陷，这些 缺陷可能成为断裂源。
在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力。相反，若构件在 荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷载随时间有显著的变化 ，这类荷载称为动荷载。
交变应力
工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力称 为交变应力。
焊接结构制造工艺及实施（断裂理论） 18 例如齿轮上任一齿的齿根处A点的应力(图(a)），在传动过 程中，轴每转一周该齿啮合一次，A点的弯曲正应力就由零 变到最大值，然后再回到零。齿轮不停地转动，应力就不 断地作周期性变化，如图(b)所示。
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四、防止焊接结构脆性断裂的措施 1、正确选用材料
㈠ 接头各部分的要求 ㈡ 不能盲目选用高强度材料
2、采用合理的焊接结构设计
㈠ 减少应力集中
减小应力集中
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尽量采用圆滑过渡
把角接头改成对接接头
焊缝错开布置
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结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏。
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疲劳破坏的特点
（1） 交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强 度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力破坏 （2） 无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为脆性 断裂，没有明显的塑性变形 （3） 材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应力越 大，循环次数越少 （4） 断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即光滑区域和粗 糙区域，如图所示。
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6、了解焊接结构的工作条件
详细了解工作环境的最低气温和气温变化情况，如海洋钻井 的设计要求掌握近20年的气象报告，最后通过概率统计得 出结构最低工作温度。
充分考虑结构的承载情况，对承受动载和冲击载荷的结构更 要给予特殊的关注，一般要通过实验确定结构的脆性转变温 度。
1
疲劳寿命越高； 应力幅相同，作用的循环次数越
2
多，疲劳寿命越高。
b
N1 N2
0 1 2 3 4 5 6 NX105
应力循环特征
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(a)完全对称循环
(b)脉冲循环
(c)不完全对称循环
(d)不完全对称循环
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2、温度的影响：脆性转变温度以下工作。 3、加载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。
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4、材料状态的影响
前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的 内因。 1）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。一方面原因已如前所 述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较 大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方 面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松，内外 层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大，终轧温度低， 组织细密而均匀，具有较高抗断能力。 2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变 温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。 3）化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高 ，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元 素会增大钢材的脆性。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助减小钢 的脆性。
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提高焊接接头疲劳强度的措施
（1）降低应力集中
（2）调整残余应力场
1)整体处理。整体处理包括整体退火或超载预拉伸法。
2)局部处理。采用局部加热或挤压可以调节焊接残余应力 场，在应力集中处产生残余压应力； （3）改善材料的力学性能
表面强化处理，挤压捶击焊缝表面和过渡区，表面喷丸处 理等； （4）特殊保护措施
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6、焊接缺陷 裂纹、未焊透等面缺陷可能直接成为断裂源。 气孔、夹渣等三维缺陷会降低结构的实际强度，并可能诱发 微裂纹，如扩展到表面，就可能成为断裂源。
焊接热烈纹
焊缝内气孔
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三、影响焊接结构脆性断裂的因素
1、应力状态的影响
缺口效应
3、不可采用过厚截面
在大型焊接结构中，在满足工作应力的条件下，尽量采用 薄板材。 在工作应力较大时，可采用多层板结构，从而降低钢板的 脆性转变温度。 不能用减低许用应力的办法来减小脆断倾向性，这样会使 板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。
4、重视附件和不受力的焊缝设计
5、减小和消除焊接残余应力与变形
生产和设计中防止脆断的措施
了解使用条件；合理设计结构；降低应力集中；尽量减少缺陷。
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焊接结构的疲劳破坏
动荷载的概念
所谓静荷载是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不变或变动很小 的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小可 忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。
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二、焊接结构产生脆性断裂的原因
1、焊接结构本身：
刚性大，整体性强，构件间很难发生相对位移，焊接应力很 难消除，且对应力集中特别敏感。止裂能力差，裂纹容易在 构件之间扩展，继而扩展到整体。
焊接结构制造工艺及实施（断裂理论） 4 2、温度的影响 塑性材料开始由塑性变为脆性的温度叫材料脆性转变点。 结构的使用温度较低时，其中的某个部件或局部可能达到脆 性转变点以下，使塑性材料变脆。