焊接結(jié)構(gòu)斷裂理論

焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本理論本章主要內(nèi)容一、焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂和疲勞破壞的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及影響因素；二、提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和防止脆性斷裂的主要措施。

焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂一、脆性斷裂的主要特征宏觀：斷裂前無明顯塑性變形，沒有任何先兆，突然性強(qiáng)。斷裂時(shí)所承受載荷不大，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的許用應(yīng)力，是典型的低應(yīng)力破壞形式。斷口形態(tài)：斷口發(fā)光顆粒、平整、人字花樣、河流花樣、穿晶。二、焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的原因1、焊接結(jié)構(gòu)本身：剛性大，整體性強(qiáng)，構(gòu)件間很難發(fā)生相對位移，焊接應(yīng)力很難消除，且對應(yīng)力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構(gòu)件之間擴(kuò)展，繼而擴(kuò)展到整體。2、溫度的影響塑性材料開始由塑性變?yōu)榇嘈缘臏囟冉胁牧洗嘈赞D(zhuǎn)變點(diǎn)。結(jié)構(gòu)的使用溫度較低時(shí)，其中的某個(gè)部件或局部可能達(dá)到脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，使塑性材料變脆。測試溫度度強(qiáng)斷裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度3、焊接熱循環(huán)熱影響區(qū)組織脆化，韌性下降。改變材料脆性轉(zhuǎn)變溫度。對某些高強(qiáng)鋼，板厚為30mm，線輸入達(dá)50000J/cm時(shí)，可使脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)升高50~100℃平板堆焊4、焊接殘余應(yīng)力降低材料實(shí)際承載能力。產(chǎn)生應(yīng)力集中，使微裂紋擴(kuò)展成脆性斷裂源。簡單輪輻結(jié)構(gòu)5、備料及成形加工產(chǎn)生附加應(yīng)力。材料在成形加工時(shí)的預(yù)應(yīng)變可達(dá)2%~3%，預(yù)應(yīng)變使材料塑性降低，脆斷傾向增加?？赡芤胄碌娘@微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。鋼板彎曲成形矯正彎曲變形6、焊接缺陷裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度，并可能誘發(fā)微裂紋，如擴(kuò)展到表面，就可能成為斷裂源。焊接熱烈紋焊縫內(nèi)氣孔三、影響焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素1、應(yīng)力狀態(tài)的影響缺口效應(yīng)2、溫度的影響：脆性轉(zhuǎn)變溫度以下工作。3、加載速度的影響：提高加載速度，相當(dāng)于降低工作溫度。4、材料狀態(tài)的影響前述三個(gè)因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的內(nèi)因。1）厚度的影響。厚度增大，發(fā)生脆斷可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方面是因?yàn)楹癜逑鄬τ诒“迨苘堉拼螖?shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差。抗脆斷能力較低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，組織細(xì)密而均勻，具有較高抗斷能力。2）晶粒度的影響。對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，晶粒度越細(xì)，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。3）化學(xué)成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加，其強(qiáng)度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素會增大鋼材的脆性。而適量加入Ni、Cr、V、Mn等元素則有助減小鋼的脆性。四、防止焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施1、正確選用材料㈠接頭各部分的要求㈡不能盲目選用高強(qiáng)度材料2、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)㈠減少應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中盡量采用圓滑過渡把角接頭改成對接接頭焊縫錯(cuò)開布置㈡盡量減小結(jié)構(gòu)剛度對于大型焊接結(jié)構(gòu)，在滿足使用條下件，應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力對脆性斷裂傾向的影響。通常用開“緩和孔”或開“緩和槽”等方法來減小接頭的剛度，有時(shí)還故意留一段焊縫不焊。三條焊縫空間交叉，剛度大，應(yīng)力集中嚴(yán)重。把一塊板切掉一角，降低結(jié)構(gòu)剛度。3、不可采用過厚截面在大型焊接結(jié)構(gòu)中，在滿足工作應(yīng)力的條件下，盡量采用薄板材。在工作應(yīng)力較大時(shí)，可采用多層板結(jié)構(gòu)，從而降低鋼板的脆性轉(zhuǎn)變溫度。不能用減低許用應(yīng)力的辦法來減小脆斷傾向性，這樣會使板厚增大，斷裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。4、重視附件和不受力的焊縫設(shè)計(jì)5、減小和消除焊接殘余應(yīng)力與變形6、了解焊接結(jié)構(gòu)的工作條件詳細(xì)了解工作環(huán)境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井的設(shè)計(jì)要求掌握近20年的氣象報(bào)告，最后通過概率統(tǒng)計(jì)得出結(jié)構(gòu)最低工作溫度。充分考慮結(jié)構(gòu)的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結(jié)構(gòu)更要給予特殊的關(guān)注，一般要通過實(shí)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫度。對于儲存腐蝕性介質(zhì)的容器，要求焊縫熱影響區(qū)不能與介質(zhì)接觸。熱影響區(qū)腐蝕介質(zhì)熱影響區(qū)腐蝕介質(zhì)增加板厚小結(jié)脆性斷裂的特征

無明顯塑性變形的低應(yīng)力破壞，突然性強(qiáng)。產(chǎn)生脆斷的原因

⑴使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度使塑性材料變脆；⑵焊接熱循環(huán)容易使熱影響區(qū)組織粗大，塑性下降;⑶焊接殘余應(yīng)力使焊接接頭強(qiáng)度下降并且接頭處易產(chǎn)生應(yīng)力集中；⑷焊接缺陷使結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載面積減小，并可能引起微裂紋；⑸備料及成形加工時(shí)容易引入缺陷和降低材料塑性；⑹焊接結(jié)構(gòu)剛度大，焊接應(yīng)力難消除，裂紋在構(gòu)件之間擴(kuò)展容易。生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中防止脆斷的措施了解使用條件；合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；降低應(yīng)力集中；盡量減少缺陷。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞動荷載的概念所謂靜荷載是指由零緩慢地增加到某一定值后保持不變或變動很小的荷載。構(gòu)件受靜荷載作用時(shí)，體內(nèi)各點(diǎn)沒有加速度，或加速度很小可忽略不計(jì)，此時(shí)構(gòu)件處于靜止或勻速直線運(yùn)動的平衡狀態(tài)。在靜荷載作用下，構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力。相反，若構(gòu)件在荷載作用下，體內(nèi)各點(diǎn)有明顯的加速度，或者荷載隨時(shí)間有顯著的變化，這類荷載稱為動荷載。交變應(yīng)力工程中的某些構(gòu)件工作時(shí)，其力往往隨時(shí)間作周期性變化，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。例如齒輪上任一齒的齒根處A點(diǎn)的應(yīng)力(圖(a)），在傳動過程中，軸每轉(zhuǎn)一周該齒嚙合一次，A點(diǎn)的彎曲正應(yīng)力就由零變到最大值，然后再回到零。齒輪不停地轉(zhuǎn)動，應(yīng)力就不斷地作周期性變化，如圖(b)所示。結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的破壞，稱為疲勞破壞。疲勞破壞的特點(diǎn)（1）交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強(qiáng)度極限，有時(shí)甚至低于屈服極限（低應(yīng)力破壞）。（2）無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應(yīng)力作用下，均表現(xiàn)為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。（3）材料發(fā)生破壞時(shí)，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少。（4）斷裂面上有裂紋的起源點(diǎn)和兩個(gè)明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，如圖所示。斷口特征疲勞破壞的過程構(gòu)件的疲勞破壞，實(shí)質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂的全過程。三個(gè)階段組成：1）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；3）結(jié)構(gòu)斷裂。疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）0NX105N1N2fy123456

應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。應(yīng)力循環(huán)特征(b)脈沖循環(huán)(a)完全對稱循環(huán)(c)不完全對稱循環(huán)(d)不完全對稱循環(huán)影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素：（1）應(yīng)力集中的影響對接焊縫由于形狀變化不大，因此，它的應(yīng)力集中比其它形式的接頭要?。籘形(十字)接頭的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對接接頭。在搭接接頭中，由于其應(yīng)力集中很嚴(yán)重，其疲勞強(qiáng)度也是很低的。（2）殘余應(yīng)力的影響

殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響，取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)力較高的區(qū)域，如應(yīng)力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則它降低疲勞強(qiáng)度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強(qiáng)度。另外殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響，還與應(yīng)力集中程度、應(yīng)力循環(huán)特征以及循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)，特別是應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力影響越顯著。（3）缺陷的影響

焊接缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大；表面缺陷比內(nèi)部影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷比在均勻應(yīng)力場中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的影響大。值得說明的是，同樣尺寸的缺陷對不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的影響也不相同。提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的