船舶制造基礎(chǔ)

1、l焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況l影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素l預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況損壞日期結(jié)構(gòu)類(lèi)別、地點(diǎn)破壞簡(jiǎn)況和主要原因1919年1月制糖容器(鉚接) 美國(guó)馬薩諸塞州波士頓高14m 直徑30m 入孔處開(kāi)始，安全系數(shù)不足，強(qiáng)度不足，可看到典型指向裂紋源的人字紋。1944年10月圓筒形壓力容器(直徑24m，高 13m) 美國(guó)俄亥俄州雙層容器，內(nèi)層用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5的Ni鋼制成。選材不當(dāng)，低溫脆性斷裂。1962年原子能電站壓力容器法國(guó)chlon

2、由厚100mm的錳鉬鋼焊制，環(huán)焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋沿母材擴(kuò)展。1965年儲(chǔ)氨罐英國(guó) 用厚度為150mm的Mn-Cr-Mo-V鋼板和鍛鋼制造，從一側(cè)的10mm三角形裂紋處引起破壞，應(yīng)力退火溫度控制不好，造成脆化及鍛鋼件偏析帶。1968年4月球形容器(容積2226m3) 日本德山厚29mm、800MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼，修補(bǔ)時(shí)，焊接熱輸入過(guò)大，造成熔合區(qū)脆化。1974年12月圓筒形大型石油儲(chǔ)罐日本 用厚12mm的600MPa級(jí)強(qiáng)度鋼焊制。在環(huán)形板與罐壁拐角處的底角部有13m長(zhǎng)的裂紋，使大量油溢出。 1975年5月容積為1000m3的球罐我國(guó)岳陽(yáng)石油化工廠(chǎng)用厚34mm的15MnVR鋼焊制。制造時(shí)存有

3、較大角變形、錯(cuò)邊、咬邊。一半焊縫采用酸性焊條焊接，造成焊縫和熱影響區(qū)塑性很差，在超載情況下爆炸。1962年1月直徑2 2m、高21m的水洗塔我國(guó)吉林化學(xué)工業(yè)公司用厚44mm的前蘇聯(lián)CT3鋼制成，介質(zhì)為H2-CO2混合氣體，在正常操作條件下爆炸，裂成43個(gè)碎片，死傷多人，直接塊經(jīng)濟(jì)損失272萬(wàn)元。焊縫、熱影響區(qū)的沖擊韌度很低，造成低應(yīng)力脆性斷裂。 1979年12月400m3石油液化氣儲(chǔ)罐(球罐) 我國(guó)吉林煤氣公司用厚28mm的15MnVR鋼焊制，北溫帶與赤道帶的環(huán)縫熔合線(xiàn)開(kāi)裂，迅速擴(kuò)展至13.5m，液化石油氣沖出至明火處引起爆炸。1992年1月4000m3糖蜜罐我國(guó) 罐底與罐壁的連接焊縫有較長(zhǎng)的

4、未焊透。罐體位置正處在風(fēng)口，北面向風(fēng)，破裂時(shí)有偏北風(fēng)，氣溫為 -17，南側(cè)和西南側(cè)罐體根部又被焦炭覆蓋，造成溫差，導(dǎo)致附加應(yīng)力。在不利因素綜合作用下，使罐體突發(fā)脆性斷裂。焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況焊接結(jié)構(gòu)的破壞情況影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素u應(yīng)力狀態(tài)的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響u溫度的影響溫度的影響u加載速度的影響加載速度的影響u材料狀態(tài)的影響材料狀態(tài)的影響 圖示為構(gòu)件受均勻拉應(yīng)力時(shí)，其中一個(gè)缺口根部出圖示為構(gòu)件受均勻拉應(yīng)力時(shí)，其中一個(gè)缺口根部出現(xiàn)高值的應(yīng)力和應(yīng)變集中情況；缺口越深越尖，其局部現(xiàn)高值的應(yīng)力和應(yīng)變集中情況；缺口越深越尖，其局部應(yīng)力和應(yīng)變也越大

5、。應(yīng)力和應(yīng)變也越大。 三向應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理：在受力過(guò)程中，缺口根部材料三向應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理：在受力過(guò)程中，缺口根部材料的伸長(zhǎng)，必然引起沿寬度和厚度方向的收縮，但由于缺的伸長(zhǎng)，必然引起沿寬度和厚度方向的收縮，但由于缺口尖端以外的材料受到的應(yīng)力較小，引起收縮也較?。豢诩舛艘酝獾牟牧鲜艿降膽?yīng)力較小，引起收縮也較小；由于收縮不均勻，缺口根部收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生寬度和由于收縮不均勻，缺口根部收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生寬度和厚度方向的拉應(yīng)力厚度方向的拉應(yīng)力x和和z，導(dǎo)致缺口根部形成三向應(yīng)力，導(dǎo)致缺口根部形成三向應(yīng)力狀態(tài)。狀態(tài)。 在三向應(yīng)力情況下，材料的屈服點(diǎn)較單向應(yīng)力時(shí)提在三向應(yīng)力情況下，材料的屈服點(diǎn)較單向應(yīng)力時(shí)提高，即缺

6、口根部材料的屈服點(diǎn)提高，從而使該處材料變高，即缺口根部材料的屈服點(diǎn)提高，從而使該處材料變脆。脆。 因此，脆性斷裂事故多起源于因此，脆性斷裂事故多起源于具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口應(yīng)的缺口處。處。 實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單向或雙向拉應(yīng)力時(shí)，呈現(xiàn)延性；當(dāng)處于三向拉應(yīng)力時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單向或雙向拉應(yīng)力時(shí)，呈現(xiàn)延性；當(dāng)處于三向拉應(yīng)力時(shí)，不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)脆性。不發(fā)生塑性斷裂而呈現(xiàn)脆性。 在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，三向應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多情況是由于在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，三向應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多情況是由于結(jié)構(gòu)的幾何不連結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)性續(xù)性引起的。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)處于單向或雙向拉應(yīng)

7、力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計(jì)或工引起的。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)處于單向或雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計(jì)或工藝不當(dāng)，往往出現(xiàn)局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)。藝不當(dāng)，往往出現(xiàn)局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)。應(yīng)力狀態(tài)的影響應(yīng)力狀態(tài)的影響影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素溫度的影響溫度的影響 當(dāng)當(dāng)TTk時(shí)，時(shí)，b s，無(wú)缺口試件單軸拉伸時(shí)，無(wú)缺口試件單軸拉伸時(shí)，先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于先屈服再斷裂，為延性斷裂，即處于塑性狀態(tài)塑性狀態(tài)；當(dāng)；當(dāng)TTk，若對(duì)材料加載，在破斷前只發(fā)生彈性變形，若對(duì)材料加載，在破斷前只發(fā)生彈性變形，不產(chǎn)生塑性變形，材料呈現(xiàn)脆性斷裂，即處于，不產(chǎn)生塑性變形，材料呈現(xiàn)脆性

8、斷裂，即處于脆脆性狀態(tài)性狀態(tài)。 脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk ：從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)：從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度。變的溫度。Tk越低，則材料處于延性狀態(tài)的溫度范越低，則材料處于延性狀態(tài)的溫度范圍越廣；反之，一切促成圍越廣；反之，一切促成Tk升高的因素，均將縮小升高的因素，均將縮小材料塑性狀態(tài)的范圍，增大材料產(chǎn)生脆性斷裂的趨材料塑性狀態(tài)的范圍，增大材料產(chǎn)生脆性斷裂的趨勢(shì)。因此勢(shì)。因此Tk是衡量材料抗脆性破壞的重要參數(shù)是衡量材料抗脆性破壞的重要參數(shù)。 金屬在高溫時(shí)，具有良好的變形能力，當(dāng)溫度降低時(shí)，其變形能力就減小，金金屬在高溫時(shí)，具有良好的變形能力，當(dāng)溫度降低時(shí)，其變形能力就減小，金屬

9、這種低溫脆化的性質(zhì)稱(chēng)為屬這種低溫脆化的性質(zhì)稱(chēng)為“低溫脆性低溫脆性”。它是金屬材料屈服點(diǎn)隨溫度降低急劇增加。它是金屬材料屈服點(diǎn)隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。的結(jié)果。 任何金屬材料都有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)任何金屬材料都有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)s和和b 。b隨溫度變化很小，而隨溫度變化很小，而s卻對(duì)溫度卻對(duì)溫度變化十分敏感。變化十分敏感。溫度降低溫度降低，屈服點(diǎn)急劇升高屈服點(diǎn)急劇升高，故兩曲線(xiàn)相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，故兩曲線(xiàn)相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為為T(mén)k -脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度。塑性狀態(tài)脆性狀態(tài)影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素加載速度的影響加載速度的影響影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素

10、材料狀態(tài)的影響材料狀態(tài)的影響 脆性斷裂開(kāi)始溫度與板厚的關(guān)系影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素試驗(yàn)條件：試驗(yàn)條件：10mm10mm、20mm20mm、30mm30mm、40mm40mm板厚的試件板厚的試件預(yù)制預(yù)制40mm40mm長(zhǎng)的裂紋長(zhǎng)的裂紋施加應(yīng)力等于施加應(yīng)力等于1/21/2屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)厚度小于當(dāng)厚度小于30mm30mm時(shí)，發(fā)生脆斷的脆性轉(zhuǎn)變溫度隨板厚度增加而直線(xiàn)上升；時(shí)，發(fā)生脆斷的脆性轉(zhuǎn)變溫度隨板厚度增加而直線(xiàn)上升；當(dāng)板厚超過(guò)當(dāng)板厚超過(guò)30mm30mm，脆性轉(zhuǎn)變溫度增加得較為緩慢。，脆性轉(zhuǎn)變溫度增加得較為緩慢。試驗(yàn)證明試驗(yàn)證明脆性轉(zhuǎn)變溫度和鐵素體晶粒直徑的關(guān)

11、系影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素 影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施正確、合理地選用材料正確、合理地選用材料預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施1 盡量減少結(jié)構(gòu)或接頭部位的應(yīng)力集中盡量減少結(jié)構(gòu)或接頭部位的應(yīng)力集中 尖角過(guò)渡和平滑過(guò)渡的接頭 a) 不可采用 b）可以采用 封頭設(shè)計(jì)時(shí)合理與不合理的接頭a）不合理 b）合理預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 不同板厚的接頭設(shè)計(jì)方案a) 可以采用 b) 最好 c) 不可以采用預(yù)防船

12、體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 不易施焊的焊態(tài)部位舉例預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施 焊接容器中焊縫之間的最小距離 a) T形交叉 b) 補(bǔ)強(qiáng)和對(duì)接焊縫 c) 筒體縱縫 d) 封頭上的平行焊縫預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施2 盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度 威廉德式橋立桿和弦桿的連接 a) 立桿和弦桿連接處 b) 局部放大不合理的連接 c) 局部放大改進(jìn)的連接弦桿弦桿腹桿腹桿預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施3 不采用過(guò)厚的截面不采用過(guò)厚的截面預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施4 重視附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì)重視附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì) 預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施合理安排結(jié)構(gòu)制造工藝合理安排結(jié)構(gòu)制造工藝預(yù)防船體脆性斷裂的措施預(yù)防船體脆性斷裂的措施疲勞斷裂、脆性斷裂的區(qū)別與聯(lián)系疲勞斷裂、脆性斷裂的區(qū)別與聯(lián)系u斷裂時(shí)的變形都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載；斷裂時(shí)的變形都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載；u結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢地，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年時(shí)間；結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢地，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年時(shí)間；u脆斷受溫度的影響特別明顯，隨著