第二节 脆性破坏

第二节焊接结构的脆性破坏一、脆性断裂的危害、特征自从焊接结构得到广泛应用以来，许多国家都发生过一些焊接结构的脆性断裂事故。

虽然发生脆断事故的焊接结构数量与安全工作的焊接结构数量相比是很少的，例如英国对原子能压力容器失效调查统计（表5-1）表明无论在制造中或运行中，脆断事故的比例是很低的。

但是，由于这种事故具有突然发生不易预防的特点，其后果往往是十分严重的，甚至是灾难性的，所以它引起了世界范围有关人员的高度重视。

表5-1压力容器失效调查统计（单位：%）1．典型焊接结构脆断事例第二次世界大战前，比利时阿尔拜(Albert)运河上建造了大约50座威廉德式桥梁，从桥梁的设计上看，此种形式桥梁的刚度很大，选材为比利时当时生产的St-42钢（转炉钢），桥梁为全焊结构。

1938年3月14日，跨度74.52m的哈塞尔特桥( Hassled)在使用14个月以后，在载荷不大的情况下断塌，事故发生时的气温为- 20℃；1940年1月19日和25日该运河上另外两座桥梁又发生局部脆断事故。

从1938年到1940年期间，在此50余座桥梁中共有十多座先后发生了脆断事故。

1946年，美国海军部发表的资料表明，在第二次世界大战期间，美国制造的4694艘船只中，发现970艘船上有1442处裂纹。

这些裂纹多出现在万吨级的自由轮上，其中24艘甲板全部裂断，一艘船底发生完全断裂，八艘从中腰断为两半，其中四艘沉没，上述事故有的发生在风平浪静的情况下。

圆筒形贮罐和球形贮罐的破坏事故更为严重，如1944年10月20日美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气贮存基地，该基地装有三台内径为17.4m的球形贮罐，一台直径为21.3m、高为12.8m的圆筒形贮罐。

事故是由圆筒形贮罐开始的，首先在其1/3～1/2的高度处喷出气体和液体，接着听见雷鸣般的响声，倾即化为火焰，然后贮罐爆炸，酿成大火，20min后，一台球罐因底脚过热而倒塌爆炸，使灾情进一步扩大。

这次事故造成128人死亡，损失达680万美元；另一起事故发生在1971年西班牙马德里，一台5000m3球形煤气贮罐，在水压试验时三处开裂而破坏，死伤15人。

2．脆性断裂的危害脆断一般都在应力不高于结构的设计许用应力和没有显著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，因此往往造成人员伤亡和财产的巨大损失。

这些不幸事件，引起了科学技术人员对金属结构脆性破坏的注意，推动了对脆性破坏机理的研究，采用许多试验方法研究各种有关因素的影响，取得了不少成果，使脆断事故大为减少。

但是，由于问题复杂，有些问题尚未完全解决。

随着国防工业、石油化学工业、机械工业、炼钢工业、电力工业和交通运输业的发展，焊接结构在我国已经得到广泛应用，也曾发生多起脆断事故，因此焊接结构的脆性断裂问题仍是一个应该予以十分重视的问题。

3．脆性断裂的特征通过对脆断事故的分析和研究，发现它们都具有如下特征：1)断裂一般都在没有显著塑性变形的情况下发生，具有突然破坏的性质。

．2)破坏一经发生，瞬时就能扩展到结构大部分或全体，因此脆断不易发现和预防。

3)结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力。

二、脆性断裂的原因研究表明，造成焊接结构脆断的原因是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等等。

由此可见了解金属材料的性质和焊接结构的特点，对防止脆断来说是非常必要的。

通常脆性断裂系指沿一定结晶面劈裂的解理断裂（包括准解理断裂）及晶界（沿晶）断裂。

解理断裂是沿晶内一定结晶学平面分离而形成的断裂，是一种晶内断裂。

金属材料在一定条件下，，例如低温、高应变速率及高应力集中的情况下，当应力达到一定数值时，就会发生解理断裂。

关于解理断裂的产生已经有许多模型，它们大多与位错理论相联系，普遍认为，当材料的塑性形变过程严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离来顺应外加应力，从而发生解理裂纹。

金属中的夹杂物、脆性析出物和其他缺陷对解理裂纹的产生亦有重要影响。

解理断裂的宏观端口平整，一般与主应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。

金属材料实际是由取向不同的多晶体组成，因此各晶粒中的解理面（总是沿晶内原子排列密度最大的晶面）不可能在同一平面，故在强光下，断口上可以观察到闪闪发光的颗粒，常称为晶状断口。

应当指出，面心立方晶体很少发生解理断裂，这就是奥氏体钢很少发生脆性断裂的一个原因。

解理断裂裂纹急速扩展，其宏观断口常呈现放射状撕裂棱形，即所谓人字纹花样。

人字纹尖锋指向裂纹源，与人字纹成正交的曲线族，即裂纹的瞬间位置，如图5-4a所示。

解理断口的微观特征形态常出现河流花样、舌状花样、扇形花样等，a) b)图5-4解理断裂断口a)宏观断口一人字铱花样b)微观断口，河流花样图5-4b是一典型的河流花样图像。

晶界脆性断裂即是沿晶粒边界发生的分离，是由于某种原因，例如各种析出相、夹杂物和元素偏析，出现第二相粒子，甚至出现脆性薄层，加上环境（如应力腐蚀）、温度（如热损伤等）和力学（如三向应力状态）等外来因素，导致沿晶界的断裂。

晶界脆性断裂的断口宏观形态特征呈颗粒状或粗瓷状，色泽较灰暗（但比较韧性断口要光亮）。

断裂前没有可以觉察到的塑性变形，断口一般与主应力垂直，表面平齐，边缘有剪切唇。

，晶界脆性断裂的断口微观形态特征是明显的多面体，没有明显塑性变形，呈现不同程度的晶粒多面体，外形如岩石状花样或冰糖状花样。

实际金属材料的断裂由于受力状态、材质和介质特点都比较复杂，常常不是单一的机制，如纯塑性断裂或纯解理断裂等等，而是具有多种机制的混合断‘裂，即两种或两种以上断裂机制相继发生的结果。

焊接宽板拉断的断口常常可以在预制裂纹概况看到纤维状塑性起裂断口（又称指甲纹），随后为快速扩展的放射状线条区（脆性断裂区）即人字纹区，断口两侧及端部有剪切唇。

随着条件的变化，如温度降低、材料塑性变差、。

刻槽尖锐等，则剪切唇和纤维指甲纹可能减小甚至消失，人字纹也可能不明显，整个断面呈闪光的结晶状断口，出现几乎完全的解理断裂。

反之则剪切唇可以增大，形成跨越整个断面的45°斜断口，呈现典型的纤维状塑性断裂。

脆性断裂是一种低应力破坏，一些典型脆断事故的实例及产生原因，见表5-2。

从表5-2可知，产生脆断的原因基本上可归纳为三个方面：1．材料的韧性不足特别在缺口尖端处材料的微观塑性变形能力差。

低应力脆性破坏一般在较低的温度下产生，而随着温度的降低，材料的韧性亦急剧下降。

此外，随着低合金高强度钢的发展，强度指标不断上升，而塑、韧性却有所降低。

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。

2．存在着裂纹等缺骼断裂总是从缺陷处开始的，缺陷以裂纹为最危险。

而焊接则是产生裂纹的主要原因。

虽然随着焊接技术的发展，裂纹基本上可以得到控制，但要完全避免裂纹，还是比较困难的。

3．一定的应力水平不正确的设计和不良的制造工艺是产生焊接残余应力的主要原因。

因此，对于焊接结构来说，除了工作应力外，还必须考虑焊接残余应力和应力集中程度，以及由于装配不良等所带来的附加应力。

三、脆性断裂的主要影响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。

最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。

当温度越低。

加载速度越快，材料中三向应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向越大。

1．应力状态的影响1)物体在受外载时，不同的截面上产生不同的正应力σ和切应力τ，在主平面上作用有最大正应力σmax，与主平面成45°的平面上作用有最大切应力τmax。

σmax和τmax.及其比τmax ／σmax与加载方式有关，例如杆件受单向拉伸时，σmax作用在与载荷方向垂直的截面上；τmax作用在与载荷方向成45°角的截面上，并且τmax=σmax。

当圆棒受扭转时，τmax作用在与中心轴垂直的截面上，而σmax则作用在与中心轴成45°角的截面上，并且τmax=σmax。

当切应力达到屈服点时，产生塑性变形；达到剪断抗力时，产生剪断。

当正应力达到正断抗力时，产生正断，断口与σmax垂直，如果在σmax未达到正断抗力前，τmax先达到屈服点，则产生塑性变形，形成塑性断裂。

如果在τmax达到屈服点前，σmax首先达到正断抗力则发生脆性断裂，因此断裂的形式与加载形式，亦即应力状态有关。

2)试验证明，当材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性。

当处于三向拉伸应力下，则不易发生塑性变形，呈现脆性。

在实际结构中，三向拉伸应力可能由三向载荷产生，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、双向拉伸应力状态下，但其局部地区由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应，见图5-5。

在受力过程中，缺口根部材料的伸长，必然要引起材料沿宽度和厚度方向的收缩。

由于缺口根部出现高值的应力和应变集中，而缺口尖端以外的材料受到的应力较小，它们只能引起较小的横向收缩，又由于横向收缩不均，缺口根部横向收缩受阻，结果产生横向和厚度方向的拉伸应力σx和τx，即在缺口根部产生三轴拉应力，在三轴拉伸时，最大应力就超出单轴拉伸时的屈服应力，形成很高的局部应力，而材料尚不发生屈服，结果降低了材料的塑性，使该处材料变脆。

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，而在试验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为。

2．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，则随着温度的降低，其破坏方式会发生变化，即从塑性破坏变为脆性破坏。

当温度降到某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度称之为脆性转变温度。

脆性转变温度高，即脆性倾向严重，带缺口的试样脆性转变温度比光滑试样高，这和上面应力状态影响的结论是一致的，见图5-6。

3．加载速度的影响加载速度对材料破坏的影响已由试验所证实，提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。

应当指出，在同样加载速度下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响，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，这就说明了为什么结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象。

当缺口根部小范围发生断裂时，则在新裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷，也就是一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动载的还是静载的，此时随着裂纹加速扩展，应变速率更急剧增加，致使结构最后破坏。

图5-5缺口根部应力分布示意图图5-6温度与破坏方式关系示意图温度如图5-7．韧-脆转变温度与应变速率的关系韧-脆转变温度与应变速率的关系如图5-7所示，随着厚度和应变速率的增加，转变温度向高温转移。

4．材料的影响材料对脆性断裂的影响包．括材料厚度、晶粒度和化学成分等方面。