焊接结构制造工艺及实施（断裂理论）*第1页，共23页，星期日，2025年，2月5日焊接结构的脆性断裂一、脆性断裂的主要特征宏观：断裂前无明显塑性变形，没有任何先兆，突然性强。断裂时所承受载荷不大，远低于设计时的许用应力，是典型的低应力破坏形式。断口形态：断口发光颗粒、平整、人字花样、河流花样、穿晶。第2页，共23页，星期日，2025年，2月5日二、焊接结构产生脆性断裂的原因1、焊接结构本身：刚性大，整体性强，构件间很难发生相对位移，焊接应力很难消除，且对应力集中特别敏感。止裂能力差，裂纹容易在构件之间扩展，继而扩展到整体。第3页，共23页，星期日，2025年，2月5日2、温度的影响塑性材料开始由塑性变为脆性的温度叫材料脆性转变点。结构的使用温度较低时，其中的某个部件或局部可能达到脆性转变点以下，使塑性材料变脆。测试温度度强断裂强度屈服强度第4页，共23页，星期日，2025年，2月5日3、焊接热循环热影响区组织脆化，韧性下降。改变材料脆性转变温度。对某些高强钢，板厚为30mm，线输入达50000J/cm时，可使脆性转变点升高50~100℃平板堆焊第5页，共23页，星期日，2025年，2月5日4、焊接残余应力降低材料实际承载能力。产生应力集中，使微裂纹扩展成脆性断裂源。简单轮辐结构第6页，共23页，星期日，2025年，2月5日5、备料及成形加工产生附加应力。材料在成形加工时的预应变可达2%~3%，预应变使材料塑性降低，脆断倾向增加。可能引入新的显微缺陷，这些缺陷可能成为断裂源。钢板弯曲成形矫正弯曲变形第7页，共23页，星期日，2025年，2月5日6、焊接缺陷裂纹、未焊透等面缺陷可能直接成为断裂源。气孔、夹渣等三维缺陷会降低结构的实际强度，并可能诱发微裂纹，如扩展到表面，就可能成为断裂源。焊接热烈纹焊缝内气孔第8页，共23页，星期日，2025年，2月5日三、影响焊接结构脆性断裂的因素1、应力状态的影响缺口效应2、温度的影响：脆性转变温度以下工作。3、加载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。第9页，共23页，星期日，2025年，2月5日4、材料状态的影响前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的内因。1）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较高抗断能力。2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。3）化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助减小钢的脆性。第10页，共23页，星期日，2025年，2月5日四、防止焊接结构脆性断裂的措施1、正确选用材料㈠接头各部分的要求㈡不能盲目选用高强度材料2、采用合理的焊接结构设计㈠减少应力集中第11页，共23页，星期日，2025年，2月5日减小应力集中尽量采用圆滑过渡把角接头改成对接接头焊缝错开布置第12页，共23页，星期日，2025年，2月5日㈡尽量减小结构刚度对于大型焊接结构，在满足使用条下件，应尽量减小结构的刚度，以降低应力集中和附加应力对脆性断裂倾向的影响。通常用开“缓和孔”或开“缓和槽”等方法来减小接头的刚度，有时还故意留一段焊缝不焊。三条焊缝空间交叉，刚度大，应力集中严重。把一块板切掉一角，降低结构刚度。第13页，共23页，星期日，2025年，2月5日3、不可采用过厚截面在大型焊接结构中，在满足工作应力的条件下，尽量采用薄板材。在工作应力较大时，可采用多层板结构，从而降低钢板的脆性转变温度。不能用减低许用应力的办法来减小脆断倾向性，这样会使板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。4、重视附件和不受力的焊缝设计5、减小和消除焊接残余应力与变形第14页，共23页，星期日，2025年，2月5日6、了解焊接结构的工作条件详细了解工作环境的最低气温和气温变化情况，如海洋钻井的设计要求掌握近20年的气象报告，最后通过概率统计得出结构最低工作温度。充分考虑结构的承载情况，对承受动载和冲击载荷的结构更要给予特殊的关注，一般要通过实验确定结构的脆性转变温度。对于储存腐蚀性