焊接结构力学教学课件-第四章

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1、焊接结构力学焊接结构力学第四章第四章 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂主讲：史菲金属的断裂4-1焊接结构的脆性断裂事故、原因、影响因素4-2材料断裂的评定方法4-3焊件脆性断裂分析研究4-5影响焊接结构脆性断裂的因素4-4预防焊接结构脆性断裂的措施4-6目目 录录2本章重点： 1.焊接结构断裂失效的分类及机理 2.焊接脆性断裂的防治方法 本章难点： 1.焊接结构断裂失效的分析 2.焊接脆性断裂的能量理论 3图4-1 桥梁脆断事故4图4-2 拉伸件断裂5一、金属材料断裂机理和形态特征断裂是工程上最危险的失效形式。特点： 工程上，常采用加大安全系数；浪费材料。 但过于加大材料的体积，不一定能防

2、止断裂。焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂纹扩展引起。6分 类 方 法名 称特 征根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状韧性断裂断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状根据断裂面的取向分类正断断裂的宏观表面垂直于max方向切断断裂的宏观表面平行于max方向根据裂纹扩展的途径分类金相组织的形状分类穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部沿晶断裂裂纹沿晶界扩展根据断裂机理分类解理断裂无明显塑性变形沿解理面分离，穿晶断裂微孔聚集型断裂沿晶界微孔聚

3、合，沿晶断裂在晶内微孔聚合，穿晶断裂纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属）表表4-1 断裂分类断裂分类7晶间断裂晶间断裂晶内断裂晶内断裂图4-3 各种断裂微观形貌解理型断口解理型断口穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂8图4-4 按断裂路径分类示意图a-穿晶断裂；b-沿晶脆断；c-沿晶韧断9脆性断裂-通常称为低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的。脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。脆性

4、断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。脆性断裂脆性断裂10解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。图4-5 解离断裂a-宏观断口-人字行花样；b，c-微观断口-河流花样；A-台阶；B-河流花样11解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均为解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。

5、在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。解理断裂断口发光颗粒、延晶、人字花样、河流花样、扇形花样122.准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、(112)等晶面。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。图4-6 准解离断面形貌13介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式；过程： 1. 1.在不同部位同时产生许多解理裂纹； 2. 2.按解理方式扩展成解理小刻面； 3. 3.以塑性方式撕

6、裂；与相邻的小刻面相连，形成撕裂棱。图4-7 准解理形成示意图14准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂有如下的不同：图4-7 准解离断面形貌15沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。图4-8 沿晶断裂的断

7、口形貌16晶界断裂断口较灰暗、穿晶、岩石花样、 冰糖花样。沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相 微量有害杂质元素在晶界上偏聚 由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。17钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。图4-9基体区域的沿晶断裂据氢含量测定结果表明，钢带中的氢含量远高于要求值。判断为氢脆导致的沿晶断裂。18（二）塑性断裂 大多数金属材料在正常工作情况下一般不会出现脆性断裂，往往只发生塑性断裂。 塑性断裂过程可分为两个阶段： 外力作

8、用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在使周围形成位错塞积。随外力继续增加，形成微空穴。随外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会聚集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。1920韧性断口典型微观形貌特征：韧窝。（有时表现为蛇形滑动）韧性断口典型微观形貌特征：韧窝。（有时表现为蛇形滑动） （二）塑韧断裂韧窝的形成机理为空洞聚集：韧窝的形成机理为空洞聚集： 图4-10 空洞聚集的过程21塑性变形后明显产生了韧窝塑性变形后明显产生了韧窝图4-12 W-7Ni-3Fe拉伸断口形貌图4-11 棒材拉伸断口示意图（二）塑韧断裂22（二）塑韧断裂思考：塑性断裂和解理断裂的相同点和不同点？ 材料强度

9、第二相颗粒的尺寸 形态 分布材料特性 类型大小应力状态韧窝的尺寸和形状与韧窝的尺寸和形状与 二、影响断裂的因素构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，并不是固定不变的，而是可以互相转化的。（一）化学成分 合金元素，杂质，气体，夹杂物等钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高韧-脆转变温度的不利作用。C、N、O、H、S、P增加钢脆性；Mn、Ni、Cr、V降低钢的脆性。2324（一）化学成分合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度；氮、碳等原子被吸收到

10、Ni、Mn所造成的局部畸变区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用；在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆转变温度的，它和热处理后的组织密切相关。（二）金属晶粒度和各向异性晶粒细小，滑移距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少，相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量；晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是产不产生失稳扩展的关键。晶粒越细，则晶界越多，阻碍作用越大。晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性。形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在提高材料强度的同时，总要降低一些塑

11、性和韧性。25maxmaxksk侧压侧压22单向压单向压2 2扭转扭转0.80.8单向拉单向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.50.5（三）板厚 厚板缺口 轧制条件薄板处于平面应力状态， 较大；厚板处于平面应变状态， 较小，易产生脆断。加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同26注意：注意：薄钢板的强度比厚钢板的强度高。薄钢板的强度比厚钢板的强度高。轧制轧棍图4-7 钢的轧制使晶粒细化2728（四）应力状态的影响应力集中改变了应力状态，max，max，。 单向拉伸0.5，而缺口拉伸试样0.5，易引起脆断。因此，应力集中会引起材料脆化。因此，应力集中会