《焊接结构学(第2版)》教学课件-第5章
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解理面中部向四周放射的河流花样。
图5-8 解理断裂微观断口
a）微观断口—河流花样 b）河流花样形成示意图
图5-9 工业纯铁室温 夏比冲击沿晶脆性断口 图5-10 典型准解理断口
影响焊接结构脆性断裂的因素包括内部因素和外部条件。内部因素有材料晶格类型、
组织成分、缺陷、结构制造特征、焊接残余应力状态等，外部条件包括外加应力状 态、温度、加载速率、环境介质等。
(4)裂纹源一旦超过某个临界尺寸，裂纹将以极高速扩展，并瞬时扩展到 结构整体，直到断裂，具有突然破坏的性质；
(5)中、低强度钢的脆断事故，一般发生在较低的温度，而高强度材料没 有明显的温度效应。
5.2.1 断裂的分类
断裂过程包括裂纹的萌生和扩展，断裂属性有多种角度的分类方法
（1）按断裂塑性应变分类 断裂可分为韧性断裂和脆性断裂两种。
液化天然气圆筒形容器，直径24 m，高13米，美国 俄亥俄
为双层容器，内筒采用含3.5%镍合金钢制成，由于材料选用不当，有大量裂 纹，在-162℃低温下爆炸
1949-1963
美国以外建造的商船
钢材选择不当，韧性低
1950
直径4.57 m，水坝内全焊管道，美国
由环焊缝不规则焊波向四周扩展的小裂纹引发
1949-1951
图 5-3 颗粒处孔洞生成示意图
图 5-4 孔洞聚集形成韧窝并断裂示意图 a）孔穴形成、生长及互连过程 b）在力的作用下孔洞周围产生滑移 c）滑移使孔穴之间的联系被切断
5.2.2金属材料断裂的形态特征 脆性断裂机制的核心是微孔萌生、长大和聚集汇合。
图 5-3 颗粒处孔洞生成示意图 图 5-4 孔洞聚集形成韧窝并断裂示意图 a）孔穴形成、生长及互连过程 b）在力的作用下孔洞周围产生滑移 c）滑移使孔穴之间的联系被切断
（第2版）
第5章
焊接结构的 脆性断裂
第5章 焊接结构的脆性断裂
5.1损坏脆日期性断裂事故及其危结构害种类性、特点地点
表5-1
焊接结构断裂的典型案例 损坏的情况及主要原因
1919
糖蜜罐（铆接）高14m，直径30 m 美国波士波
安全系数不足、超应力引起，在人孔附近起裂
1934
油罐 美国
气候骤冷时，罐底与罐壁的温差引起脆性裂纹
若1 2 3，max / max 0,必然发生脆断。
图5-12 温度对tT和SOT的影响
图5-13 部分体心立方结构金属的正应力 临界值与切应力临界值随温度的变化
（1）应力状态的影响
单轴拉伸时:
max
/
max
1 2
三若轴1 拉2伸时3，：max /max 0,必然发生脆断。
1 3
max 2 1 (1 3 ) 1
ma x
1
2 1 2
图5-11 Я.Б.Фридман力学状态图
如按第二强度理论 ：
max
1 2
(
1
3
)
max 1 ( 2 3 )
1938-1940
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，气候骤冷，焊接裂纹引起脆 断
1942
油罐 德国汉茨
补焊处产生裂纹
1942-1946
EC2（自由轮）货船 美国建造
设计不当，材料性能差
1943.2
球形氧罐，直径13m 美国纽约
应力集中、残余应力、钢材脆性（半镇静钢）
1944.10
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
大型油船“世界协和号”美国制造
钢材缺口韧性差。断裂发生在船中部，即纵梁与隔舱板中段的两端处引发裂 纹然后裂纹从船底沿船两侧向上发展，并穿过甲板。断裂时有大风浪。
1962
Kings桥，焊制钢梁 澳大利亚墨尔本
支承钢筋混凝土桥面的四根板腹主梁发生脆裂，裂纹从角焊缝热影响区扩展 到母材中
5.2.2金属材料断裂的形态特征
脆性断裂从晶体微观破坏方式上分为穿晶（解理或准解理）断裂和沿晶断裂
➢ 解理断裂微观断口的特征是有解理台阶、河流花样、舌状花样、扇形花样等。 ➢ 沿晶界脆性断裂的断口宏观特征是，呈现不同程度的晶粒多面体，外形如岩石状
花样或冰糖冰块状花样。 ➢ 准解理脆性断口形貌为，大量高密度的短而弯曲的撕裂楞线条，点状裂纹源由准
（2）按断裂微观路径分类 断裂可分为穿晶断裂、沿晶断裂和混合断裂。
（3）按构件断裂时的断口形貌分类 断裂可分为解理断裂、准解理断裂、沿晶断裂、纯剪切断裂、 及微孔聚集型断裂
5.2.2金属材料断裂的形态特征 韧性断裂机制的核心是微孔萌生、长大和聚集汇合，断口的微观特征形态是韧 窝，韧窝实质是材料微孔聚集型开裂所留下的圆形或椭圆形凹坑。
无论是中、低强度钢，还是高强度材料都有可能发生脆性断裂，具有以 下几个特点：
(1)脆断一般都在Байду номын сангаас力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情 况下发生，不易事先发现和预防，因此往往造成人身伤亡和财产的巨大损 失，所以通常称这类破坏为低应力脆断；
(2)塑性材料也发生脆性断裂； (3)脆断总是由构件内部存在宏观尺寸（0.1mm以上）的裂纹源扩展引起。 这种宏观裂纹源可能是在制造过程或使用过程中产生的；
5.2.2金属材料断裂的形态特征 韧性宏观特征：延性断裂的断口一般呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，断口附近有 宏观的塑性变形。杯锥状断口是一种常见的韧性断口。 韧性断裂的微观特征形态是韧窝，韧窝的实质是材料微区塑性变形成空洞聚集和长大 导致材料断裂所留下的圆形或椭圆形凹坑 。
图5-5 典型韧性拉伸断口示意图a）及外观形貌b） 图5-6 韧性断裂的韧窝花样（TC4钛合金）
1962
原子能电站压力容器 法国Chinon
厚100 m m锰钼钢的制成，环焊缝热处理不当导致开裂
1965.12
合成氨用大型压力容器，内径1.7 m 厚149-150 m m 美国
在筒体与锻件埋弧焊时，锻体偏析（Mn-Cr-Mo-V钢制），在锻件一侧热影 响区有裂纹，焊后未进行恰当的消除应力热处理
1965
“海宝”号钻井船椿腿 英国北海油田
由升降连接杆气割火口裂纹引发脆断，平台整个坍塌
1968
球形容器 日本
=29mm，80公斤级高强钢，补焊热输入量过大，导致开裂
1974.12
圆筒形石油贮罐 日本
用厚12mm，60公斤级钢焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹扩展13m， 大量石油外流。
图5-1 某糖蜜储罐的脆性断裂 a)布局俯视图 b)开裂局部
图5-8 解理断裂微观断口
a）微观断口—河流花样 b）河流花样形成示意图
图5-9 工业纯铁室温 夏比冲击沿晶脆性断口 图5-10 典型准解理断口
影响焊接结构脆性断裂的因素包括内部因素和外部条件。内部因素有材料晶格类型、
组织成分、缺陷、结构制造特征、焊接残余应力状态等，外部条件包括外加应力状 态、温度、加载速率、环境介质等。
(4)裂纹源一旦超过某个临界尺寸，裂纹将以极高速扩展，并瞬时扩展到 结构整体，直到断裂，具有突然破坏的性质；
(5)中、低强度钢的脆断事故，一般发生在较低的温度，而高强度材料没 有明显的温度效应。
5.2.1 断裂的分类
断裂过程包括裂纹的萌生和扩展，断裂属性有多种角度的分类方法
（1）按断裂塑性应变分类 断裂可分为韧性断裂和脆性断裂两种。
液化天然气圆筒形容器，直径24 m，高13米，美国 俄亥俄
为双层容器，内筒采用含3.5%镍合金钢制成，由于材料选用不当，有大量裂 纹，在-162℃低温下爆炸
1949-1963
美国以外建造的商船
钢材选择不当，韧性低
1950
直径4.57 m，水坝内全焊管道，美国
由环焊缝不规则焊波向四周扩展的小裂纹引发
1949-1951
图 5-3 颗粒处孔洞生成示意图
图 5-4 孔洞聚集形成韧窝并断裂示意图 a）孔穴形成、生长及互连过程 b）在力的作用下孔洞周围产生滑移 c）滑移使孔穴之间的联系被切断
5.2.2金属材料断裂的形态特征 脆性断裂机制的核心是微孔萌生、长大和聚集汇合。
图 5-3 颗粒处孔洞生成示意图 图 5-4 孔洞聚集形成韧窝并断裂示意图 a）孔穴形成、生长及互连过程 b）在力的作用下孔洞周围产生滑移 c）滑移使孔穴之间的联系被切断
（第2版）
第5章
焊接结构的 脆性断裂
第5章 焊接结构的脆性断裂
5.1损坏脆日期性断裂事故及其危结构害种类性、特点地点
表5-1
焊接结构断裂的典型案例 损坏的情况及主要原因
1919
糖蜜罐（铆接）高14m，直径30 m 美国波士波
安全系数不足、超应力引起，在人孔附近起裂
1934
油罐 美国
气候骤冷时，罐底与罐壁的温差引起脆性裂纹
若1 2 3，max / max 0,必然发生脆断。
图5-12 温度对tT和SOT的影响
图5-13 部分体心立方结构金属的正应力 临界值与切应力临界值随温度的变化
（1）应力状态的影响
单轴拉伸时:
max
/
max
1 2
三若轴1 拉2伸时3，：max /max 0,必然发生脆断。
1 3
max 2 1 (1 3 ) 1
ma x
1
2 1 2
图5-11 Я.Б.Фридман力学状态图
如按第二强度理论 ：
max
1 2
(
1
3
)
max 1 ( 2 3 )
1938-1940
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，气候骤冷，焊接裂纹引起脆 断
1942
油罐 德国汉茨
补焊处产生裂纹
1942-1946
EC2（自由轮）货船 美国建造
设计不当，材料性能差
1943.2
球形氧罐，直径13m 美国纽约
应力集中、残余应力、钢材脆性（半镇静钢）
1944.10
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
大型油船“世界协和号”美国制造
钢材缺口韧性差。断裂发生在船中部，即纵梁与隔舱板中段的两端处引发裂 纹然后裂纹从船底沿船两侧向上发展，并穿过甲板。断裂时有大风浪。
1962
Kings桥，焊制钢梁 澳大利亚墨尔本
支承钢筋混凝土桥面的四根板腹主梁发生脆裂，裂纹从角焊缝热影响区扩展 到母材中
5.2.2金属材料断裂的形态特征
脆性断裂从晶体微观破坏方式上分为穿晶（解理或准解理）断裂和沿晶断裂
➢ 解理断裂微观断口的特征是有解理台阶、河流花样、舌状花样、扇形花样等。 ➢ 沿晶界脆性断裂的断口宏观特征是，呈现不同程度的晶粒多面体，外形如岩石状
花样或冰糖冰块状花样。 ➢ 准解理脆性断口形貌为，大量高密度的短而弯曲的撕裂楞线条，点状裂纹源由准
（2）按断裂微观路径分类 断裂可分为穿晶断裂、沿晶断裂和混合断裂。
（3）按构件断裂时的断口形貌分类 断裂可分为解理断裂、准解理断裂、沿晶断裂、纯剪切断裂、 及微孔聚集型断裂
5.2.2金属材料断裂的形态特征 韧性断裂机制的核心是微孔萌生、长大和聚集汇合，断口的微观特征形态是韧 窝，韧窝实质是材料微孔聚集型开裂所留下的圆形或椭圆形凹坑。
无论是中、低强度钢，还是高强度材料都有可能发生脆性断裂，具有以 下几个特点：
(1)脆断一般都在Байду номын сангаас力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情 况下发生，不易事先发现和预防，因此往往造成人身伤亡和财产的巨大损 失，所以通常称这类破坏为低应力脆断；
(2)塑性材料也发生脆性断裂； (3)脆断总是由构件内部存在宏观尺寸（0.1mm以上）的裂纹源扩展引起。 这种宏观裂纹源可能是在制造过程或使用过程中产生的；
5.2.2金属材料断裂的形态特征 韧性宏观特征：延性断裂的断口一般呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，断口附近有 宏观的塑性变形。杯锥状断口是一种常见的韧性断口。 韧性断裂的微观特征形态是韧窝，韧窝的实质是材料微区塑性变形成空洞聚集和长大 导致材料断裂所留下的圆形或椭圆形凹坑 。
图5-5 典型韧性拉伸断口示意图a）及外观形貌b） 图5-6 韧性断裂的韧窝花样（TC4钛合金）
1962
原子能电站压力容器 法国Chinon
厚100 m m锰钼钢的制成，环焊缝热处理不当导致开裂
1965.12
合成氨用大型压力容器，内径1.7 m 厚149-150 m m 美国
在筒体与锻件埋弧焊时，锻体偏析（Mn-Cr-Mo-V钢制），在锻件一侧热影 响区有裂纹，焊后未进行恰当的消除应力热处理
1965
“海宝”号钻井船椿腿 英国北海油田
由升降连接杆气割火口裂纹引发脆断，平台整个坍塌
1968
球形容器 日本
=29mm，80公斤级高强钢，补焊热输入量过大，导致开裂
1974.12
圆筒形石油贮罐 日本
用厚12mm，60公斤级钢焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹扩展13m， 大量石油外流。
图5-1 某糖蜜储罐的脆性断裂 a)布局俯视图 b)开裂局部