焊接结构的脆性断裂表现和预防措施

跨度最长的一段桥身突然掉落塌陷
事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标合格造成的。
1917年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣 工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥之
一。
轮船的脆性断裂—著名的事故调查
对象：万吨级的自由轮 时间：二次大战期间 所属：US海军部
一九四六年，美国海军部发表资料表明，在第二次世界大战期间，美国制造的 4694艘船只中，发现在970嫂船上有1442处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的 自由轮上，其中24艘甲板全部横断，1 艘船底发生完全断裂，8艘从中腰断为 两半，其中4艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情两个区面积的比值为R,则通常把R=1时 的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转 变温度、塑性-脆性转变温度）
• 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。
延性断裂 Ductile Fracture
延性断裂过程：金属材料在载荷作用下，首先产生弹 性变形，当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈 服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变 形，继而发生微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙 一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形 成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导 致最后断裂。
同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。 研究表明，最重要的影响因素是：
温度、应力状态和加载速度
例如温度越低、加载速度越大，材料中三向应力状态越严重则发 生解理断裂的倾向性越大。这就是说，在一定温度、应力状态和 加载速度下材料呈延性破坏。
而在另外的条件下，材料又呈脆性破坏。此外晶粒度及显微组织 对材料破坏倾向也有重大影响。
5.2.1 金属材料断裂的形态特征
工程上分类：仅有延性断裂和脆性断裂两种
区分两者的方法：断口在断裂前的塑性变形量
如何分析：材料状态工作条件-
断裂性质
断口：金属破断后获得的一对相互匹配的
断裂表面及其外观形貌
• 记录着有关断裂全过程的许多珍贵信息
断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过 程的应力状态以及裂纹扩展速率等均可由断口获得
及晶界(沿晶)断裂。
主要特征：在工作应力低于材料的设计应力和没有显著的塑性 变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展 速度可高达1 500～2 000m/s）。解理面一般是表面能量最小的 晶面。常见的解理面见表1。面心立方晶系的金属及合金,在一 般情况下,不发生解理断裂。
作为当时世界上最长跨度 的钢悬臂桥，库帕忘乎所 以地把大桥的主跨由490 米延伸至550米，以此节 省建造桥墩基础的成本。
Quebec Bridge 坍塌后的惨状
• 然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。1907年8月29日，大桥杆 件发生失稳，突然倒塌，19 000吨钢材和86名建桥工人落入水中，只有 11人生还。
微观特征：韧窝
延性断裂的表面SEM图片
韧窝花样和硫化物 （Sulfide）颗粒
材料：ASTM 1080碳素钢 化学成分：
C：0.75-0.88 Mn: 0.69-0.90 P: ≤0.040 S硫: ≤0.050 Si: ≤0.10 Cu: 铜≤0.20
dimple
韧窝的形成的两种机制
• 由于库帕的过分自信而忽略了对桥梁重量的精确计算，导致了一场事故。
9年后，不幸的是悲剧再次发生
1913年，这座大桥的建设重新开始 1916年9月，中间跨度最长的一段桥身 在被举起过程中突然掉落塌陷。
结果13名工人被夺去了生命。 事故原因：举起过程中一个支撑点的材
料指标不足。 惨痛教训：86-11+13=88
(a)微孔聚集模型
(b) 在第二相粒子处形核模型
三种基本韧窝形态
实际断口常常是混合型韧窝
等轴韧窝：在正应力的作用下,显微空洞周
边均匀增长,断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。
三种基本韧窝形态——撕裂韧窝：
在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲 击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配 断面上，抛物线的凸向相反。
起 超过某个临界尺寸就以极高速度扩展 中、低强度钢常发生在较低温度，高强
度钢没有明显的温度效应
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 选用不当、构造设计不合理、制造质量和检验技术 不完善等；
防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验 或计算方法是不能确保安全使用的。
5.2 金属材料的断裂及其影响因素
三种基本韧窝形态——剪切韧窝：
在撕裂应力的作用下形成,常见于尖锐裂纹的 前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈 抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形 状相似,而且抛物线的凸向也相同。
脆性断裂-脆性断裂是指材料在未断裂之前无
塑性形变发生,或发生很小的塑性形变导致破坏的现象
解理断裂定义：是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏 而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离。包括半解理断裂
裂纹拦腰扩展——油轮
Why the Titanic Sunk ？
直径24m*16m高糖蜜罐
-30℃下脆断 4000t 人员和财产巨大损失 P180
表5-2 典型脆断事例统计
调查研究脆断发现的特点：
低应力、没有显著的塑性变形 塑性材料也发生脆断 总是由裂纹源（0.1mm以上）扩展引
第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施
正确选材,采用合理的焊接结构设计,用断裂力学方法评定结构安全性.
焊接结构广泛应用以来，曾发生过 一些脆性断裂事故
这些事故无征兆，是突然发生的， 一般都有灾难性后果
桥梁脆性断裂（特例）
位于加拿大的圣劳伦斯河 之上的Quebec Bridge本 该是著名设计师 Theodore Cooper的一 个真正有价值的不朽杰作。
焊接结构的脆性断裂表 现和预防措施
主要内容
第一节 金属材料的脆性断裂
脆断事故及研究脆断的意义,脆断的形态特征及影响因素,材料断裂的评定 方法脆性，断裂的能量理论
第二节 焊接结构的特点及其对脆断的影响
刚度大,整体性强的特点,焊接结构制造工艺特点
第三节 焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法
脆性断裂的产生,扩展与停止,焊接接头抗开裂性能试验,止裂试验.