第5章焊接结构的脆性断裂.pptx

第第5章章 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂Brittle Fracture of the Welding StructureBrittle Fracture of the Welding Structure用了用了用了用了5 5学时学时学时学时主要内容主要内容第一节第一节第一节第一节金属材料的脆性断裂金属材料的脆性断裂金属材料的脆性断裂金属材料的脆性断裂 脆断事故及研究脆断的意义脆断事故及研究脆断的意义,脆断的形态特征及影响因素脆断的形态特征及影响因素,材料断裂的评材料断裂的评定方法脆性，断裂的能量理论定方法脆性，断裂的能量理论第二节第二节第二节第二节焊接结构的特点及其对脆断的影响焊接结构的特点及其对脆断的影响焊接结构的特点及其对脆断的影响焊接结构的特点及其对脆断的影响 刚度大刚度大,整体性强的特点整体性强的特点,焊接结构制造工艺特点焊接结构制造工艺特点第三节第三节第三节第三节焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法 脆性断裂的产生脆性断裂的产生,扩展与停止扩展与停止,焊接接头抗开裂性能试验焊接接头抗开裂性能试验,止裂试验止裂试验.第四节第四节第四节第四节预防焊接结构脆性断裂的措施预防焊接结构脆性断裂的措施预防焊接结构脆性断裂的措施预防焊接结构脆性断裂的措施 正确选材正确选材,采用合理的焊接结构设计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用断裂力学方法评定结构安全性.5.1 脆断事故和研究脆断的意义脆断事故和研究脆断的意义n n焊接结构广泛应用以来，曾发生过发生过一些脆性断裂事故n n这些事故无征兆，是突然发生突然发生的，一般都有灾难性后果桥梁脆性断裂（特例）桥梁脆性断裂（特例）n n位于加拿大的圣劳伦斯河位于加拿大的圣劳伦斯河位于加拿大的圣劳伦斯河位于加拿大的圣劳伦斯河之上的之上的之上的之上的Quebec BridgeQuebec BridgeQuebec BridgeQuebec Bridge本本本本该是著名设计师该是著名设计师该是著名设计师该是著名设计师Theodore Theodore Theodore Theodore CooperCooperCooperCooper的一个真正有价值的一个真正有价值的一个真正有价值的一个真正有价值的不朽杰作。的不朽杰作。的不朽杰作。的不朽杰作。n n作为当时世界上最长跨度作为当时世界上最长跨度作为当时世界上最长跨度作为当时世界上最长跨度的钢悬臂桥，库帕忘乎所的钢悬臂桥，库帕忘乎所的钢悬臂桥，库帕忘乎所的钢悬臂桥，库帕忘乎所以地把大桥的主跨由以地把大桥的主跨由以地把大桥的主跨由以地把大桥的主跨由490490490490米延伸至米延伸至米延伸至米延伸至550550550550米，以此节米，以此节米，以此节米，以此节省建造桥墩基础的成本。省建造桥墩基础的成本。省建造桥墩基础的成本。省建造桥墩基础的成本。QuebecBridge 坍塌后的惨状坍塌后的惨状 然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。19071907年年年年8 8月月月月2929日，大桥杆日，大桥杆日，大桥杆日，大桥杆件发生失稳，突然倒塌，件发生失稳，突然倒塌，件发生失稳，突然倒塌，件发生失稳，突然倒塌，19 00019 000吨钢材和吨钢材和吨钢材和吨钢材和8686名建桥工人落入水中，只有名建桥工人落入水中，只有名建桥工人落入水中，只有名建桥工人落入水中，只有1111人生还。人生还。人生还。人生还。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。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。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。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年后，不幸的是悲剧再次发生n n1913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。n n结果13名工人被夺去了生命。n n事故原因：举起过程中一个支撑点的材料指标不足。n n惨痛教训：86-11+13=88跨度最长的一段桥身突然掉落塌陷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。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。19171917年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣年，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工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥之工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥之工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥之一。一。一。一。轮船的脆性断裂轮船的脆性断裂著名的事故调查著名的事故调查著名的事故调查著名的事故调查一九四六年，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4694469446944694艘船只中，发现在艘船只中，发现在艘船只中，发现在艘船只中，发现在970970970970嫂船上有嫂船上有嫂船上有嫂船上有1442144214421442处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的处裂纹。这些裂纹多出现在万吨级的自由轮上，其中自由轮上，其中自由轮上，其中自由轮上，其中24242424艘甲板全部横断，艘甲板全部横断，艘甲板全部横断，艘甲板全部横断，1 1 1 1 艘船底发生完全断裂，艘船底发生完全断裂，艘船底发生完全断裂，艘船底发生完全断裂，8 8 8 8艘从中腰断为艘从中腰断为艘从中腰断为艘从中腰断为两半，其中两半，其中两半，其中两半，其中4 4 4 4艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情况下。艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情况下。艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情况下。艘沉没。上述事故有的发生在风平浪静的情况下。对象：万吨级的自由轮对象：万吨级的自由轮对象：万吨级的自由轮对象：万吨级的自由轮时间：二次大战期间时间：二次大战期间时间：二次大战期间时间：二次大战期间所属：所属：所属：所属：USUS海军部海军部海军部海军部裂纹拦腰扩展裂纹拦腰扩展油轮油轮Why the Titanic Sunk？直径直径24m*16m高糖蜜罐高糖蜜罐n n-30下脆断n n4000tn n人员和财产巨大损失n nP180n n表5-2 典型脆断事例统计调查研究脆断发现的特点：调查研究脆断发现的特点：n n低应力、没有显著的塑性变形n n塑性材料也发生脆断n n总是由裂纹源（0.1mm以上）扩展引起n n超过某个临界尺寸就以极高速度扩展n n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必须高度重视n n引起焊接结构脆断的引起焊接结构脆断的原因是多方面的原因是多方面的原因是多方面的原因是多方面的，它涉及，它涉及材料选材料选材料选材料选用不当、构造设计不合理、制造质量和检验技术不完用不当、构造设计不合理、制造质量和检验技术不完用不当、构造设计不合理、制造质量和检验技术不完用不当、构造设计不合理、制造质量和检验技术不完善等善等善等善等；n n防止焊接结构脆断是一个防止焊接结构脆断是一个系统工程系统工程系统工程系统工程，光靠，光靠个别试验个别试验个别试验个别试验或或计算方法计算方法计算方法计算方法是不能确保安全使用的。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金属材料的断裂及其影响因素n n同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破环形式。n n研究表明，最重要的影响因素是：研究表明，最重要的影响因素是：研究表明，最重要的影响因素是：研究表明，最重要的影响因素是：温度、应力状态和加载速度温度、应力状态和加载速度温度、应力状态和加载速度温度、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。加载速度下材料呈延性破坏。加载速度下材料呈延性破坏。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。对材料破坏倾向也有重大影响。对材料破坏倾向也有重大影响。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金属材料断裂的形态特征n n工程上分类：仅有工程上分类：仅有延性断裂延性断裂和和脆性断裂脆性断裂两种两种n n区分两者的方法：区分两者的方法：断口在断裂前的塑性变形量断口在断裂前的塑性变形量n n如何分析：如何分析：材料状态材料状态-工作条件工作条件-断裂性质断裂性质断裂性质断裂性质断口：断口：金属破断后获得的一对相互匹配的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记录着有关断裂全过程的许多珍贵信息记录着有关断裂全过程的许多珍贵信息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、断裂过断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过断裂起因、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程的应力状态以及裂纹扩展速率等均可由断口获得程的应力状态以及裂纹扩展速率等均可由断口获得程的应力状态以及裂纹扩展速率等均可由断口获得n n断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇区断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇区断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇区断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇区 n n定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,R,则通常把则通常把则通常把则通常把R=1R=1时的断裂温度称为材料的时的断裂温度称为材料的时的断裂温度称为材料的时的断裂温度称为材料的韧性脆性转变温度韧性脆性转变温度韧性脆性转变温度韧性脆性转变温度（或延性（或延性（或延性（或延性-脆性脆性脆性脆性转变温度、塑性转变温度、塑性转变温度、塑性转变温度、塑性-脆性转变温度）脆性转变温度）脆性转变温度）脆性转变温度）断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方。延性断裂延性断裂 Ductile FractureDuctile Fracturen n延性断裂过程：金属材料在载荷作用下，首先产生弹延性断裂过程：金属材料在载荷作用下，首先产生弹延性断裂过程：金属材料在载荷作用下，首先产生弹延性断裂过程：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，材料即发生屈性变形，当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈性变形，当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈性变形，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，金属将进一步变服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变服，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形，继而发生微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙形，继而发生微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙形，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，形一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形一经形成，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，扩展而导成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。致最后断裂。致最后断裂。致最后断裂。n n微观特征：韧窝微观特征：韧窝微观特征：韧窝微观特征：韧窝延性断裂的表面延性断裂的表面SEM图片图片n n韧窝花样和硫化物韧窝花样和硫化物韧窝花样和硫化物韧窝花样和硫化物（SulfideSulfide）颗粒）颗粒）颗粒）颗粒n n材料：材料：材料：材料：ASTM 1080ASTM 1080碳素钢碳素钢碳素钢碳素钢n n化学成分：化学成分：化学成分：化学成分：C C：0.75-0.88 0.75-0.88 Mn:0.69-0.90 Mn:0.69-0.90 P:0.040 SP:0.040 S硫硫硫硫:0.050:0.050 Si:0.10 Cu:Si:0.10 Cu:铜铜铜铜0.200.20dimple韧窝的形成的两种机制韧窝的形成的两种机制(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三种基本韧窝形态n n等轴韧窝：等轴韧窝：在正应力的作用下在正应力的作用下在正应力的作用下在正应力的作用下,显微空洞周显微空洞周显微空洞周显微空洞周边均匀增长边均匀增长边均匀增长边均匀增长,断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。n n实际断口常常是混合型韧窝实际断口常常是混合型韧窝实际断口常常是混合型韧窝实际断口常常是混合型韧窝三种基本韧窝形态三种基本韧窝形态撕裂韧窝：n n在切应力作用下形成的在切应力作用下形成的在切应力作用下形成的在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲通常出现在拉伸或冲通常出现在拉伸或冲通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上击断口的剪切唇上击断口的剪切唇上击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形其形状呈抛物线形其形状呈抛物线形其形状呈抛物线形,匹配匹配匹配匹配断面上，抛物线的凸向相反。断面上，抛物线的凸向相反。断面上，抛物线的凸向相反。断面上，抛物线的凸向相反。三种基本韧窝形态三种基本韧窝形态剪切韧窝：n n在撕裂应力的作用下形成在撕裂应力的作用下形成在撕裂应力的作用下形成在撕裂应力的作用下形成,常见于尖锐裂纹的常见于尖锐裂纹的常见于尖锐裂纹的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前端及平面应变条件下低能撕裂断口上前端及平面应变条件下低能撕裂断口上前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈也呈也呈也呈抛物线形抛物线形抛物线形抛物线形,但在匹配断口上但在匹配断口上但在匹配断口上但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形撕裂韧窝不但形撕裂韧窝不但形撕裂韧窝不但形状相似状相似状相似状相似,而且抛物线的凸向也相同。而且抛物线的凸向也相同。而且抛物线的凸向也相同。而且抛物线的凸向也相同。脆性断裂脆性断裂-脆性断裂是指材料在未断裂之前无塑脆性断裂是指材料在未断裂之前无塑脆性断裂是指材料在未断裂之前无塑脆性断裂是指材料在未断裂之前无塑性形变发生性形变发生性形变发生性形变发生,或发生很小的塑性形变导致破坏的现象或发生很小的塑性形变导致破坏的现象或发生很小的塑性形变导致破坏的现象或发生很小的塑性形变导致破坏的现象 n n解理断裂定义：是金属在正应力作用下解理断裂定义：是金属在正应力作用下解理断裂定义：是金属在正应力作用下解理断裂定义：是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏由于原子结合键被破坏由于原子结合键被破坏由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面而造成沿一定晶体学平面而造成沿一定晶体学平面而造成沿一定晶体学平面(即解理面即解理面即解理面即解理面)快速分离。快速分离。快速分离。快速分离。包括半解理断裂包括半解理断裂包括半解理断裂包括半解理断裂及晶界及晶界及晶界及晶界(沿晶沿晶沿晶沿晶)断裂。断裂。断裂。断裂。n n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（裂纹扩展变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展速度可高达速度可高达速度可高达速度可高达1 5001 5001 5001 5002 000m/s2 000m/s2 000m/s2 000m/s）。解理面一般是表面能量最小的）。解理面一般是表面能量最小的）。解理面一般是表面能量最小的）。解理面一般是表面能量最小的晶面。常见的解理面见表晶面。常见的解理面见表晶面。常见的解理面见表晶面。常见的解理面见表1 1 1 1。面心立方晶系的金属及合金。面心立方晶系的金属及合金。面心立方晶系的金属及合金。面心立方晶系的金属及合金,在一在一在一在一般情况下般情况下般情况下般情况下,不发生解理断裂。不发生解理断裂。不发生解理断裂。不发生解理断裂。n n微观机制：解理断裂、准解理断裂和晶界断裂微观机制：解理断裂、准解理断裂和晶界断裂微观机制：解理断裂、准解理断裂和晶界断裂微观机制：解理断裂、准解理断裂和晶界断裂典型的解理断口典型的解理断口解理断口典型特征解理断口典型特征n n河流花样裂纹扩展中解理（台）阶在图像上的表现裂纹扩展中解理（台）阶在图像上的表现形式态。形式态。裂源在河流的上游某处的晶界裂源在河流的上游某处的晶界n n舌状花样主解理面与孪晶面相遇形成的短暂的二次主解理面与孪晶面相遇形成的短暂的二次解理解理Brittle Fracture 裂纹源裂纹源板件断口的人字纹板件断口的人字纹板件断口的人字纹板件断口的人字纹汇集的河流花样汇集的河流花样汇集的河流花样汇集的河流花样解理花样，二次裂纹明显，并有空穴状形貌解理花样，二次裂纹明显，并有空穴状形貌解理花样，二次裂纹明显，并有空穴状形貌解理花样，二次裂纹明显，并有空穴状形貌M30160M30160大六角高强度螺栓，材质：大六角高强度螺栓，材质：大六角高强度螺栓，材质：大六角高强度螺栓，材质：42CrMo42CrMo 上海市机械制造工艺研究所有限公司上海市机械制造工艺研究所有限公司 准解理断口准解理断口介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂介于解理断裂和塑性断裂之间的一种断裂形式。形式。在电子显微镜中观察其断口时，既有韧窝花样，既有韧窝花样，但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面，但又较浅，显示塑性较低；既有平坦的小晶面，但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河但又不是沿结晶学平面断开的解理面，既有河流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发流花样，但又显得短而弯曲，而且又有显示发生过局部一定塑性变形的撕裂棱。生过局部一定塑性变形的撕裂棱。准解理断口的特征准解理断口的特征基本断裂机制的比较基本断裂机制的比较n n微观形貌沿晶沿晶解理解理准解理准解理韧窝韧窝钢轨闪光焊试验件断裂原因分析钢轨闪光焊试验件断裂原因分析宏观断口10245.2.2 影响金属脆断的主要因素影响金属脆断的主要因素 应力状态、温度、加载速率和材料的状态应力状态、温度、加载速率和材料的状态应力状态、温度、加载速率和材料的状态应力状态、温度、加载速率和材料的状态1 应力状态的影响应力状态的影响 S SOTOT正断抗力正断抗力 TT 剪切屈服极限剪切屈服极限 K K 剪断抗力剪断抗力n n剪断剪断1 1n n正断正断n n延性断延性断n n脆断脆断2 2应力状态的影响应力状态的影响n n物体受外载时，在不同载面上产生不同的正应力物体受外载时，在不同载面上产生不同的正应力 和和切应力切应力。在主平面上作用有最大正应力在主平面上作用有最大正应力 maxmax，另一与之垂直的主平面上作用着最小主应力另一与之垂直的主平面上作用着最小主应力 minmin，与主平面成对与主平面成对4545角的平面上作用着最大的角的平面上作用着最大的 maxmax。n n当当 maxmax达到屈服强度后产生滑移，表现为塑性变形。达到屈服强度后产生滑移，表现为塑性变形。若若 maxmax先达到材料的切断抗力，则发生延性断裂。先达到材料的切断抗力，则发生延性断裂。n n若最大拉正应力若最大拉正应力 maxmax首先达到材料的正断抗力，则发首先达到材料的正断抗力，则发生脆性断裂。生脆性断裂。n n因此，发生断裂的性质，既与材料的正断抗因此，发生断裂的性质，既与材料的正断抗力和切断抗力有关，又与力和切断抗力有关，又与 maxmax/maxmax的比值有的比值有关。后者描述了材料的应力状态。显然比值关。后者描述了材料的应力状态。显然比值增大，塑断可能性大。反之，脆断可能性大。增大，塑断可能性大。反之，脆断可能性大。n n maxmax/maxmax的比值与加载方式和材料的形状尺的比值与加载方式和材料的形状尺寸有关，杆件单轴拉伸时，寸有关，杆件单轴拉伸时，maxmax/maxmax=1/2=1/2；n n圆棒纯扭转时，圆棒纯扭转时，maxmax/maxmax=1=1；前者发生脆断；前者发生脆断可能性大于后者。可能性大于后者。缺口效应缺口效应n n厚板结构易出现三向拉应力厚板结构易出现三向拉应力状态，若状态，若 1 1=2 2=3 3，则，则 maxmax/maxmax=0=0。这时塑性变形。这时塑性变形受到拘束，必然发生脆断。受到拘束，必然发生脆断。n n裂纹尖端或结构上其他应力裂纹尖端或结构上其他应力集中点和焊接残余应力容易集中点和焊接残余应力容易引发三向应力状态。引发三向应力状态。5.2.2 影响金属脆断的主要因素影响金属脆断的主要因素 2 温度的影响温度的影响n n温度温度，剪切屈服，剪切屈服，正断抗力不变，正断抗力不变，故，断裂由塑性断故，断裂由塑性断裂裂脆性断裂脆性断裂5.2.2 影响金属脆断的主要因素影响金属脆断的主要因素 3 加载速度的影响加载速度的影响n n实验证明，钢的实验证明，钢的 s s随着加载速度提高而提高。随着加载速度提高而提高。n n提高加载速度的作用相当于降低温度。提高加载速度的作用相当于降低温度。5.2.2 影响金属脆断的主要因素影响金属脆断的主要因素 4 材料状态的影响材料状态的影响厚度厚度n n易成三轴应力状态易成三轴应力状态n n轧制的压延量轧制的压延量-终轧温度终轧温度-组织粗细程度组织粗细程度晶粒度晶粒度n n对低碳钢和低合金钢，对低碳钢和低合金钢，ddT Tkk 成分成分:n n C C、N N、O O、H H、S S 增加钢的脆性增加钢的脆性n nMnMn、NiNi、CrCr、V V 适量可减少钢的脆性适量可减少钢的脆性5.3 材料断裂的评定方法材料断裂的评定方法n n某种材料在什么条某种材料在什么条件下断裂，断裂方件下断裂，断裂方式如何？式如何？n n评定材料的抗断裂评定材料的抗断裂能力能力 5.3.1 转变温度方法转变温度方法n n这种方法是用转变温度作为标准来评定钢材的脆性这种方法是用转变温度作为标准来评定钢材的脆性韧性行为的：用途韧性行为的：用途n n即把由某种方法测出的某种转变温度与结构的使用温即把由某种方法测出的某种转变温度与结构的使用温度联系起来。这种方法的基础是建立在实验和使用经度联系起来。这种方法的基础是建立在实验和使用经验上。验上。n n因此不论在实验室里，还是在实际工程中都积累了丰因此不论在实验室里，还是在实际工程中都积累了丰富的数据而且试验方法比较简单。富的数据而且试验方法比较简单。n n尽管近年来断裂力学已取得很大进展，但目前还不能尽管近年来断裂力学已取得很大进展，但目前还不能完全取代它。完全取代它。冲击试验（冲击试验（impact test）装置和试样装置和试样n nCharpy VCharpy V（夏贝（夏贝V V）和）和Charpy U Charpy U（夏贝（夏贝U U）n n根据工程中采用较广泛的是冲击试验方法。根据工程中采用较广泛的是冲击试验方法。这种试验由于试件小，容易制备，费用低，这种试验由于试件小，容易制备，费用低，因此不论作为材料质量控制，还是对事故因此不论作为材料质量控制，还是对事故进行分析研究，在各国都得到普通采用。进行分析研究，在各国都得到普通采用。n n却贝却贝V V形缺口冲击试验在研究焊接船舶脆形缺口冲击试验在研究焊接船舶脆断事故时曾被大量采用，积累了许多有参断事故时曾被大量采用，积累了许多有参考价考价n n值的数据。梅氏试件在有些国家中用得较值的数据。梅氏试件在有些国家中用得较多。试验结果表明，多。试验结果表明，V V形却贝标准试件比形却贝标准试件比梅氏试件梅氏试件n n更能反映脆断问题的实质。更能反映脆断问题的实质。冲击试样冲击试样n n世界各国常用的弯曲冲世界各国常用的弯曲冲世界各国常用的弯曲冲世界各国常用的弯曲冲击试样如图击试样如图击试样如图击试样如图2 2所示。中所示。中所示。中所示。中国有关标准规定采用横国有关标准规定采用横国有关标准规定采用横国有关标准规定采用横梁式试验法，所用标准梁式试验法，所用标准梁式试验法，所用标准梁式试验法，所用标准试样以试样以试样以试样以U U形缺口试样和形缺口试样和形缺口试样和形缺口试样和V V形缺口试样为主。形缺口试样为主。形缺口试样为主。形缺口试样为主。n n图图5-85-8，p187p187国外的试样国外的试样n n基本尺寸：10*10*5510*10*55缺口形状和尺寸缺口形状和尺寸Charpy V 试件断口与温度实例试件断口与温度实例n n材料：A36（一种高速钢）韧韧性性断断口口韧韧性性断断口口冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准能量标准能量标准n n实验证明，随着温度上升，打断试件所需的冲击能量也显著上升，可实验证明，随着温度上升，打断试件所需的冲击能量也显著上升，可以用它来衡量材料的脆性以用它来衡量材料的脆性韧性转变特性，如图所示。一般认为，韧性转变特性，如图所示。一般认为，这种能量转变主要取决于裂纹产生前和裂纹开始扩展时缺口根部的塑这种能量转变主要取决于裂纹产生前和裂纹开始扩展时缺口根部的塑性变形量，当塑性变形较小时，需要较小的冲击功，而变形较大时，性变形量，当塑性变形较小时，需要较小的冲击功，而变形较大时，则需要较大的冲击功。这意味着在这个转变温度区间以上，只有当缺则需要较大的冲击功。这意味着在这个转变温度区间以上，只有当缺口根部发生了一定塑性变形值后，才会开裂，而在这个温度区间以下口根部发生了一定塑性变形值后，才会开裂，而在这个温度区间以下时，在缺口根部塑性变形很小，甚至几乎没有塑性变形时就会开裂。时，在缺口根部塑性变形很小，甚至几乎没有塑性变形时就会开裂。-80-4004080120160温度，F冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准断口标准断口标准n n断口标准：即以试件的断口形貌来衡量转变温度特性的。一般称作断口形貌转断口标准：即以试件的断口形貌来衡量转变温度特性的。一般称作断口形貌转变温度。它标志着金属特性这样一个变化，即当在温度较低时，试件具有扩展变温度。它标志着金属特性这样一个变化，即当在温度较低时，试件具有扩展快，吸收能量低的解理断口；而在温度较高时，将由扩展慢，吸收能量高的剪快，吸收能量低的解理断口；而在温度较高时，将由扩展慢，吸收能量高的剪切破坏所代替。这是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，也就是说，它代表了由切破坏所代替。这是衡量开裂后裂纹扩展行为的标志，也就是说，它代表了由品粒状破坏向纤维状剪切破坏的转变品粒状破坏向纤维状剪切破坏的转变(图图)。n n在试验中，由于裂纹在扩展时，其前沿金属所承受的加载速率较高，故断口形在试验中，由于裂纹在扩展时，其前沿金属所承受的加载速率较高，故断口形貌转变温度是不会低于断裂能转变温度的。在实际工作中，常以断口晶粒状断貌转变温度是不会低于断裂能转变温度的。在实际工作中，常以断口晶粒状断面百分率达到某一百分数面百分率达到某一百分数(例如例如5050)的温度作转变温度的。的温度作转变温度的。-80-4004080120160温度，F半镇静低碳钢半镇静低碳钢0.18C0.54Mn0.07Si冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准冲击试验的评定标准延性标准延性标准n n延性标准：即测量出冲击试件缺口根部厚度随温度的延性标准：即测量出冲击试件缺口根部厚度随温度的变化，具体地说是测量随着温度增加缺口根部的横向变化，具体地说是测量随着温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口面的横向膨胀星收缩量或无缺口面的横向膨胀星(图图c)c)。对应于。对应于3 38 8的侧面膨胀率的温度是较常采用的转变温度。的侧面膨胀率的温度是较常采用的转变温度。半镇静低碳钢半镇静低碳钢0.18C0.54Mn0.07Si碳含量对碳含量对Charpy V-notch钢的钢的能量能量-温度行为的影响温度行为的影响n n碳含量越高，冲击功越低，Tc越高5.3.2 5.3.2 爆炸膨胀试验爆炸膨胀试验n n是用全厚度的是用全厚度的是用全厚度的是用全厚度的355mm355mm355mm355mm正方形钢正方形钢正方形钢正方形钢板作试件，在试件中央堆板作试件，在试件中央堆板作试件，在试件中央堆板作试件，在试件中央堆焊一小段脆性焊道，并锯焊一小段脆性焊道，并锯焊一小段脆性焊道，并锯焊一小段脆性焊道，并锯一缺口作为起裂点，然后一缺口作为起裂点，然后一缺口作为起裂点，然后一缺口作为起裂点，然后将其安置在环形支座上，将其安置在环形支座上，将其安置在环形支座上，将其安置在环形支座上，从上方用炸药包施加爆炸从上方用炸药包施加爆炸从上方用炸药包施加爆炸从上方用炸药包施加爆炸压力压力压力压力(图图图图)。n n同一种材料在不同温度下，可以出现四种不同的断裂情况：同一种材料在不同温度下，可以出现四种不同的断裂情况：同一种材料在不同温度下，可以出现四种不同的断裂情况：同一种材料在不同温度下，可以出现四种不同的断裂情况：爆炸膨胀试验的爆炸膨胀试验的爆炸膨胀试验的爆炸膨胀试验的四种断裂情况四种断裂情况1 1、平裂情况、平裂情况、平裂情况、平裂情况 钢板没有产生凹陷变形而断裂，这说明断裂是完全钢板没有产生凹陷变形而断裂，这说明断裂是完全钢板没有产生凹陷变形而断裂，这说明断裂是完全钢板没有产生凹陷变形而断裂，这说明断裂是完全脆性的。脆性的。脆性的。脆性的。2 2、凹裂情况、凹裂情况、凹裂情况、凹裂情况 即钢板产生一定的凹陷而裂开，裂纹直贯板的边缘，即钢板产生一定的凹陷而裂开，裂纹直贯板的边缘，即钢板产生一定的凹陷而裂开，裂纹直贯板的边缘，即钢板产生一定的凹陷而裂开，裂纹直贯板的边缘，这种破坏情况已带有一定的塑性，但基本上还是脆性的。这种破坏情况已带有一定的塑性，但基本上还是脆性的。这种破坏情况已带有一定的塑性，但基本上还是脆性的。这种破坏情况已带有一定的塑性，但基本上还是脆性的。3 3、凹陷和局部断裂情况、凹陷和局部断裂情况、凹陷和局部断裂情况、凹陷和局部断裂情况 钢板有明显的凹陷但仅在起裂点周围钢板有明显的凹陷但仅在起裂点周围钢板有明显的凹陷但仅在起裂点周围钢板有明显的凹陷但仅在起裂点周围有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区这种情况说明材料有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区这种情况说明材料有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区这种情况说明材料有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区这种情况说明材料具有较大的韧性。具有较大的韧性。具有较大的韧性。具有较大的韧性。4 4、膨胀撕裂情况、膨胀撕裂情况、膨胀撕裂情况、膨胀撕裂情况 钢板发生较大的膨胀，裂口是被撕开的。这表钢板发生较大的膨胀，裂口是被撕开的。这表钢板发生较大的膨胀，裂口是被撕开的。这表钢板发生较大的膨胀，裂口是被撕开的。这表明完全是塑性破坏的情况。明完全是塑性破坏的情况。明完全是塑性破坏的情况。明完全是塑性破坏的情况。n n四种情况引出三个不同的转变温度：四种情况引出三个不同的转变温度：四种情况引出三个不同的转变温度：四种情况引出三个不同的转变温度：NDTNDT、FTEFTE、FTPFTPn n在在在在1 1和和和和2 2之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于之间存在着一个临界温度，低于它材料发生平裂，高于它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称它发生凹裂，此温度称之为无延性转变温度，简称 NDT(Nil NDT(Nil Ductility Transition)Ductility Transition)。它表明当温度低于。它表明当温度低于。它表明当温度低于。它表明当温度低于NDTNDT时，材料断裂没时，材料断裂没时，材料断裂没时，材料断裂没有延性，断裂是脆性的。有延性，断裂是脆性的。有延性，断裂是脆性的。有延性，断裂是脆性的。n n同时在同时在同时在同时在2 2和和和和3 3之间存在着一个弹性断裂转变温度，简称之间存在着一个弹性断裂转变温度，简称之间存在着一个弹性断裂转变温度，简称之间存在着一个弹性断裂转变温度，简称 FTE(FTE(Fracture Transition Elastic)Fracture Transition Elastic)。在这个温度以下，裂纹能够向低。在这个温度以下，裂纹能够向低。在这个温度以下，裂纹能够向低。在这个温度以下，裂纹能够向低应力区扩展；高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围应力区扩展；高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围应力区扩展；高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围应力区扩展；高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围内扩展，而不向低应力区域扩展。内扩展，而不向低应力区域扩展。内扩展，而不向低应力区域扩展。内扩展，而不向低应力区域扩展。n n另外在另外在另外在另外在3 3和和和和4 4之间存在着一个延性断裂转变温度，简称之间存在着一个延性断裂转变温度，简称之间存在着一个延性断裂转变温度，简称之间存在着一个延性断裂转变温度，简称 FTP(FTP(Fracture Transition Plastic)Fracture Transition Plastic)。在此温度之上，断裂完全是塑性。在此温度之上，断裂完全是塑性。在此温度之上，断裂完全是塑性。在此温度之上，断裂完全是塑性撕裂的。撕裂的。撕裂的。撕裂的。低强度钢（低强度钢（低强度钢（低强度钢（25.4mm25.4mm厚）的经验公式：厚）的经验公式：厚）的经验公式：厚）的经验公式：FTE=NDT+33FTE=NDT+33（60F60F）FTP=FTE+33FTP=FTE+33（60F60F）NDTNDT还可用简单的落锤试验求出。还可用简单的落锤试验求出。还可用简单的落锤试验求出。还可