钢焊接脆性断裂.pptx

IIW Authorised Training Body,验证一个结构的安全性是强度计算的任务，而,其中要提出的问题是构件是以什么形式“失效”的。,1.,引 言,构件失效的主要原因：,a),一般性变形,b),失稳,（受力构件丧失保持稳定平衡的能力）,c),开裂及断裂,传统强度计算：,(S235),构件受到外界载荷的作用就会在内部引起内应力。,内应力：,正应力、剪应力,2.,断裂形式,a),疲劳断裂,变动载荷、大约,80%,b),韧性断裂,(,剪切断裂,),断裂前发生塑性变形，,裂纹扩展较慢,。,c),正应力断裂,(,脆性断裂,),正应力断裂强度。,断裂前没有明显的塑性变形。,据断裂形式的不同分为：,图,1,韧性断裂,图,2,脆性断裂,断裂分类及其特征,韧性断裂,脆性断裂,9Cr2Mo,工作辊脆断,金属的脆性断裂,通常指沿一定结晶面劈裂的,解理断裂,或,晶界断裂,。,脆断的基本特征,1,）脆断由正应力引起，,几乎没有塑性变形,；,2,）脆断时所需能量小，属于,低应力破坏,；,3,）裂纹扩展速度快,（可达,1800km/s,），,具有,突发性,，,措不及防；,4,）脆断,对温度条件敏感，,即所谓的,金属冷脆现象；,解理断裂（穿晶断裂）,晶界断裂（沿晶断裂）,河流花样,冰糖状花样,桥梁,工况：冬季寒风、超载重载车辆、,伴随较强振动（冲击性）；,舰船,工况：冰雪季节、动荡加载或,与冰块频繁撞击；,压力容器,工况：承受高压载荷、内部装,载低温介质或裸露在低温环境。,工况特点,：,低温、高应力（集中）、动载荷,！,制造这类产品时，应,高度重视,！,易发生脆断的几种典型结构,3.1,影响脆性断裂倾向的因素,1),内部影响因素,a.,晶体结构、化学成分,体心立方存在低温脆性,（普通中、低强钢）,面心立方一般不存在低温,脆性（,Ni,、奥氏体不锈钢）,b.,冷变形、时效、焊接等,图,3,变形储量的图示,a),温度的影响,当温度降低时，,屈服应力与断裂应力汇交,处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性转化为脆性转变的温度，称,临界温度,(T,脆,),。,2),脆断外部三因素,Tspc,断裂应力,屈服极限,剪切应力,T,1,：经塑性变形后的剪切断裂,T,2,：经塑性变形后的断裂,T,脆,：,T,y,无塑性变形，脆断,T,，脆断,图,4,温度对脆断倾向的影响,断裂应力,屈服极限,b),加载速度,d/dt,d/dt,，,T,脆,，脆断,2),脆断外部三因素,图,5,变形速度对脆断倾向的影响,载荷的,冲击性越大,，,即,加载速度,d/dt,越大,，,对工件的危害也就越大！,这使我们不难理解,为什么采用,落锤试验,研究材料的,抗脆断性能,！,c),载荷形式和大小（应力状态）,2),外部三因素,单轴拉伸应力,双轴拉伸应力,多轴拉伸应力,呈现塑性,呈现脆性,图,6,应力状态对脆断倾向的影响断裂应力,单轴拉伸,多轴拉伸,软性系数=,max,/,max,的大小表示材料在受力状态下发生塑性变形,的难易程度。,（按最大切应力理论）,max,=,1,(,2,+,3,),（按第二强度理论）,s,max,s,max,t,max,物体在受外载时，不同的截面上产生不同,的,正应力,和,剪应力,。,最大正应力,max,所在平面称主平面，与主,平面成45角的平面上作用有最大切应力,max,。,c),载荷形式和大小（应力状态）,max,和,max,与加载方式有关，,泊松比，,而,1,2,3,1,2,t,k,t,T,S,OT,力学应力状态图,max,max,S,OT,正断抗力；,t,T,剪切屈服极限；t,K,剪断抗力,值，塑性变形；值，脆断,单轴拉伸=0.5,三轴不等轴拉伸 0.5,三轴等轴拉伸=0,很难变形，发生断裂必然为脆断,引起三轴拉伸原因：,三向载荷；,几何不连续性：缺口、裂纹、厚板易出现三向应力状态,直线1与t,k,相交韧性断裂,直线2与S,OT,相交脆性断裂,软性系数=,max,/,max,缺口根部应力分布示意图,3.1,影响脆性断裂倾向的因素,深入理解：,温度条件,是引发金属脆断的,前提,促成,脆性转变,！,应力状态,是,决定断裂性质,的,天平,基于,载荷形式,！,加载速度,则是促成脆断的,导火索,胜似,雪上加霜,！,2),外部三因素,温度条件、应力状态、加载速度,4.,脆断倾向的检验方法,4.1,检验方法的构成,检验时考虑：温度、应力的状态、载荷速度,有两种评定脆性断裂安全性的理论：,对静载和冲击载荷通过消除裂纹进行保证；,对作用速度较高载荷通过防止裂纹扩展来保证；,出于上述要求可分为三种试验方法：,静载消除裂纹,动载消除裂纹,止裂,防止已存在的裂纹突然扩展,材料止裂能力,整体试验,（在构件上试验）,大型试验,（与构件尺寸相近的试样）,中型试验,（宽度明显大于厚度的试样）,小型试验,（其结果只能偶然与构件行为相一致）,4.,脆断倾向的检验方法,图,8,典型试验的试样形式,(,试样厚度,板厚,),焊缝上开,尖锐缺口,常用大型试验方法：,Robertson,试验,双重拉伸试验,ESSO,试验,宽板拉伸试验,深缺口试验,中型试验方法：,冲击韧性试验,缺口静弯试验,撕裂试验,落锤试验等,4.2,常用的检验方法,对理想的检验方法的要求是：,较小的检验费用,适用于较多的材料,定量的结果,检验结果对典型构件载荷的适用性,检验方法可分如下两组：,a),转变温度方法,确定材料的韧,-,脆转变温度（比较性方法）,缺口拉伸试验,缺口冲击试验,堆焊弯曲试验,罗伯森（,Robertson,）试验,b),断裂力学方法,指与试样几何形状无关的材料特性值，,临界应力集中系数,K,IC,，,作为安全设计的依据。,4.2.1,拉伸试验,通过拉伸试验的特性值可以说明材料的脆断倾向。,特性值包括：,R,eH,、,R,m,、,A,、,Z,。,4.2.2,堆焊弯曲试验,轧制产品应在这一试验中表现为韧性断裂。,脆断表现：,焊缝中出现的裂缝不能在试样中中止。,在弯曲角度达到,90,时，裂纹由焊缝向母材中的扩展小于,20mm,被认为是允许的。,图,10,根据,DIN17100,的堆焊弯曲试验,4.2.3,缺口冲击试验,检验脆断倾向的最常用的方法。,优点：,加工简便，经济和快捷,。,多轴应力状态、变形速度、温度对脆断倾向的影响,通过缺口冲击试验参数的变化,：,如试样的几何形状、,冲击速度、试验温度的变化来检验,图,11,弹性弯曲试样缺口正应力的分布,确定某一温度下的冲击功：,A,=,Fds,(,J,),V,通过缺口冲击试验表示出,某种材料在某一温度下相对,脆断的安全性,4.2.3,缺口冲击试验,图,12,转变温度,过渡温度,(,转变温度,),：,韧性脆性,T,，脆性,4.2.3,缺口冲击试验,裂纹引入：,+,区,：弹性区（脆断或塑性变形）,：弹,塑性区,裂纹扩展：,区,a,：剪应力断裂,b,：正应力断裂,c,：剪应力断裂,图,13,低强度钢在混合断裂区的力,弯曲图,4.2.4,罗伯森（,robertson,）止裂试验,与构件相似的试样上采用静动结合方式,(1),梯度试验,在试样长度上保持一个温度梯度，在试样上较热,部分出现的塑性变形在某一温度上就会停止，表现为脆断。,(2),等温试验,将整个试样冷却到某一温度并在不同温度下进行,多次试验来确定材料尚能止裂的温度。,图,14,罗伯森试样,(50-80%),s,4.2.5 Pellini,落锤试验,在研究钢的脆断倾向，,评定比较止裂行为,时使用的。,图,15 Pellini,试样的布置及试样尺寸,韧性转变温度：,在某一温度下试样尚发,生断裂，当温度提高,5K,时，相同材料和相同处,理状态的试样不再发生,断裂对应的温度。,衡量材料止裂行,为的一个特性值。,落锤试验优点：,比较符合焊接结构实际情况，试样,制备简单、操作方便，重复性好，故被广泛应用,在,Pellini,试验中或者是证明材料的,NDT,温度低于或最高等于某一确定的温度，或者是确定精确的,NDT,（无韧性转变温度）,温度（试验和评定按标准或规程如,ASSTM-E208,，钢铁检验规程,1325,，,AVSE76A/15B AVSD16C1000,）,根据大量的已确定的,NDT,温度和比较试验由,Pellini,建立了断裂曲线（,Fracture-Analysis-Diagram FAD,）,断裂分析曲线可评估在一定载荷下裂纹的扩展。,4.2.5 Pellini,落锤试验,NDT,FTE,FTP,a)T,NDT,不能保证止裂,b)T=NDT+16.5,只要公称应力,0.5Re,，裂纹中止,c)T=NDT+33=FTE,只要公称应力,Re,无裂纹扩展,TNDT+66=FTP,材料无裂纹存在,止裂温度曲线,应力低于该曲线，裂纹不扩展,NDT,无韧性转变温度,FTE,弹性断裂转变,FTP,塑性断裂转变,抗拉强度,R,m,温度,Pellini,断裂分析曲线（适用于,Re,600N/mm,2,的碳钢）,明确提供了钢板开裂、裂纹传播、止裂条件,100/200,200/300,300/600,材料基础部分总复习,一、关于铁碳状态图,包晶反应,:,1493(1495)L+,共晶反应,:,1147(1148)L=+Fe,3,C,（莱氏体）,共析反应,:,723 (727)=+Fe,3,C (,珠光体,),纯铁三种同素异构转变,(1)GS,线,奥氏体中开始析出铁素体（降温时）或铁素体全部溶,入奥氏体（升温时）的转变线，常称此温度为,A3,温度,。,(2)ES,线,碳在奥氏体中的溶解度曲线。常称此温度为,Acm,温度,。,(3)PQ,线,碳在铁素体中的溶解度曲线。在,727,时，碳在铁素体,中的最大的,w(C),为,0.0218,。,-Fe -Fe -Fe,体心立方 面心立方 体心立方,-273 912 13941538,铁碳合金七种类型,工业纯铁,C,0.0218%,亚共析钢,C=0.0218%-0.77%,共析钢,C=0.77%,过共析钢,C=0.77%-2.11%,共晶白口铸铁,C=4.3%,亚共晶白口铸铁,C=2.11%-4.3%,过共晶白口铸铁,C=4.3%-6.69%,一、关于铁碳状态图,二、关于合金元素在铁中作用,1.,伴生元素,有益：,Mn Si Al,有害,:S P O N H,2.,与铁形成固溶体类型,置换固溶体,:Mn Cr Ni Si Mo,间隙固溶体,:C O B N,3.,合金元素对钢的性能,C,提高硬度、强度、耐磨性、淬透性；,降低韧性、延伸率、机加工性、焊接性、深冲性。,Al,脱氧,脱氮,细化晶粒,Mn,脱氧、脱硫、固溶强化,Si,脱氧、固溶强化、阻碍有些元素偏析,P,偏析较强（热裂纹）、提高强度、降低可焊性、耐腐蚀,S,偏析较强（热裂纹）、降低可焊性、易切削,形成碳化物的元素,V Ti Nb Cr Mo W,三、关于钢中脱氧,沸腾钢:,MnSi脱氧 特点:表面纯偏析气孔（FU）,镇静钢:,Mn-0.15%Si加少量的Al 脱氧 （FN）,特别镇静钢:,Mn-0.2%Si-0.02%Al 脱氧 （FF）,四、关于材料热处理,(1)正火：,A,c3,或A,cm,+（3050），空泠,作用：细化晶粒、消除组织缺陷、消除应力,(2)退火：,缓慢冷却,接近平衡组织,作用：同正火，但正火更细、强度和硬度高于退火,(3)淬火：,A,c1,或A,c3,+（3050）水淬或油淬,作用：提高钢的强度、硬度。,(4)回火：,淬火组织平衡组织,作用：稳定组织、消除淬火内应力、提高综合机械性能,(5)调质：,淬火高温回火,五、关于连续转变,CCT,图,表现：,奥氏体化温度、冷却速度、组织、硬度,用途：,预测组织和性能、制定焊接工艺,六、力学性能实验,拉伸试验：,获得抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率,硬度试验,洛氏硬度：,HRC,、,HRB,表示,50HRC,维氏硬度：,HV 180HV5,试验压力,5g,布氏硬度：,HB,表示：,120 HB 5/250,120-,硬度值 钢球直径,-5mm,试验压力值,-250g,焊缝的硬度：,ISO9015 (EN1043),弯曲试验：,EN910,可变形能力，,三点弯曲试验：,弯曲角、弯曲变形程度,缺口冲击试验,：,ISO9016-2001,焊缝的冲击试验,(EN875),特征值：,缺口冲击功,Av J,缺口冲击韧性,a,K,J/cm,2,缺口冲击功：,试验温度、缺口形状、材料种类、取样部位,七、钢的分类和标记,1.,钢的分类（,EN10020,）,碳钢,(,非合金钢,)Mn,1.65%,低合金钢,合金元素,5%,高合金钢,合金元素,5%,按合金元素,含量分类,按使用,要求分类,普通钢,优质钢,特殊优质钢,碳素钢和碳锰钢,(Mn,1%),C25,非、低合金钢,13CrMo4-5,高合金钢,X5CrNi18-10,P265,、,E275,S355J0,、,S355NL,S235W,、,S355WP,2.,钢的标记,(EN10027,、,ECISS-IC10),(1),数字标记,1,01,16,注意第一位数字材料分类号,0,纯铁,1,钢,2,重金属,3,轻金属,(2),符号标记,主要符号,（化学成分）,主要符号,+,附加符号,八、碳钢和碳锰钢,EN10025-2,热轧普通碳钢及优质钢（非合金一般结构钢）,1.,焊接性,(1)S235,焊接性好,薄板不预热；厚板需预热,(2)S355,焊接性一般,Wc,0.22%,，可能产生淬硬,M,，导致冷裂纹。,措施：,预热、缓冷,K(%)0.4%,焊接性良好 不预热或100,K(%)=0.40.6%,焊接性一般 100250,K(%)0.6%,焊接性较差 250 或更高,2.,预热温度,碳当量,八、碳钢和碳锰钢,EN10025-2,热轧普通碳钢及优质钢（非合金一般结构钢）,3.,填充材料,选择原则：,填充材料与母材等强匹配,等强匹配,屈服强度,+,熔敷金属最低冲击功,47J,抗拉强度,+,熔敷金属最低冲击功,27J,填充材料：,EN499,（,ISO2560-A,）焊条电弧焊用药皮焊条,EN440,（,ISO14341,）气保焊用实芯焊丝,EN756,（,ISO14171,）埋弧焊用焊丝,EN750,（,ISO14174,）埋弧焊用焊剂,填充材料完整标记,：（,S235J2,）,EN499 E 42 0 Mn1Ni RR 1 2,EN440 G 46 3 M G3Si1,EN756 S 46 3 AB S3,九、材料的可焊性,影响焊接质量因素,:,成分、钢材制造方法、物理性能、工作环境,2.HAZ:,不同区域组织不同性能不同,熔合区和粗晶区焊接接头簿弱地带,粗晶易产生脆化,3.,焊接冷却速度,:,超过临界冷却速度时,产生硬化,.,硬度高,;,变形能力小,;,韧性低,;,内应力大,.,产生位置,:,引弧收弧处,短焊道,厚结构,环境温度小于,5,4.,热影响区易产生问题,(1),脆化 粗晶脆化 析出相 时效脆化 氢脆,(2),软化,:,发生在调质钢和时效强化合金,(3),综合性能,过热,(,粗晶区,),硬度,强度提高,塑性,韧性,延伸率下降,正火区具有更好机械性能,十、焊缝缺陷,1.裂纹,热裂纹,焊接中高温产生,冷裂纹,预热以下或室温、具有延迟性,热裂纹：,材料的脆性,+,拉伸应力,(S,、,P,低熔点共晶薄膜,),冷裂纹：,产生三大要素,氢、淬硬组织、拘束应力,小铁研试样、插销试验,2.,气孔,:,氢气孔、氮气孔、,CO,气孔,3.,脆断：,内因：,晶体结构、化学成分,/,冷变形、时效、焊接,外因：,温度条件、加载速度、应力状态,检测方法：,落锤试验,NDT,s,y,s,z,s,x,不同材料冲击韧性与温度关系曲线,温度,韧脆转变温度,冲,击,断,裂,功,温度,韧脆转变温度,冲,击,断,裂,功,韧性,脆性,具有冷脆现象金属的,晶格特征,研究表明：,具有,冷脆现象,的金属多为：,体心立方晶格或密排六方晶格结构,。,大多,面心立方晶格,的金属，如：,铝、铜等金属则,没有冷脆现象,。,所以，低温环境的压力容器往往选择,含,镍,量较高的,面心立方晶格,的金属。,这类金属材料具有较高的低温韧性！,3.1,影响脆性断裂倾向的因素,1,）内部影响因素,内部影响因素包括材料的组织成分以及进一步的加工,.,如：冷变形，时效，中子辐射和焊接等。,焊接时仅能通过材料本身的性能及局部的塑性流动减小约,2%,的热收缩，冷却后构件中的内应力保持在屈服极限的水平上。运行时受到初次载荷的作用，由于在局部已经超过了屈服极限，因此会产生新的塑性变形，在初次载荷去除后，内应力变小并且应力集中被消除。,3.1,影响脆性断裂倾向的因素,深入理解：,温度条件,是引发金属脆断的,前提,促成,脆性转变,！,应力状态,是,决定断裂性质,的,天平,基于,载荷形式,！,加载速度,则是促成脆断的,导火索,胜似,雪上加霜,！,2),外部三因素,温度条件、应力状态、加载速度,应该指出，在结构,缺口处,由于应力集中作用，使变形速度,明显提高,，故脆断危险性增大。,载荷的冲击性越大，即变形速度越大，对工件的危害也就越大！,这使我们不难理解,为什麽采用,落锤试验,研究材料的,抗脆断的性能,！,b),变形速度,，,T,脆,，脆断,2),外部三因素,加载速度的影响,研究表明：,加载速度,d/dt,提高,，其作用,相当于温度降低,，,同样会使剪切屈服极限,t,T,升高,，而正断抗力,S,OT,不变,，则,脆断危险性增加！,t,T,，,S,OT,t,T,d,/dt,加载速度对脆断的影响规律,按应力状态分为：,单向应力,又称,线应力,，存在于,窄板条,结构,；,双向应力,又称,平面应力,，存在于,薄板,结构,；,三向应力,又称,体积应力,，存在于,厚板,结构,。,三向应力的符号表示：,x,y,z,。,x,纵向应力,，即平行焊缝方向的内应力；,y,横向应力,，即垂直焊缝方向的内应力；,z,板厚方向的应力,，即垂直焊缝平面的内应力。,2.1.2,焊接应力的分类,2.5.2,断裂的评定方法,（,1,）,转变温度方法本书采用的方法）,即确定材料的韧,-,脆转变温度特性。,（,2,）断裂力学方法,用,K,IC,、,c,、,J,IC,等力学指标，作为安全设计的依据。,2.5.3,典型试验方法介绍,1.,抗开裂,性能试验,反映,裂纹产生前,韧度参量指标的试验。,2.,止裂,性能试验,测量,脆性裂纹产生后,韧性指标的实验。,落锤试验,温度,韧脆转变温度,冲,击,断,裂,功,温度,韧脆转变温度,冲,击,断,裂,功,韧性,脆性,在不同加载方式下，当,max,未达到抗拉强度前，,max,先达到屈服点,，（即,max max,）？，则发生塑性变形而形成,延性断裂,。,反之，在,max,达到屈服点前，,max,先达到抗拉强度,，（即,maxmax,）？，则发生,脆性断裂,。,因此，,断裂形式,与,加载方式,亦即,应力状态,有关,。,(2),落锤试验,属于止裂性能试验。用标准试样在,系列温度下进行动载简支弯曲,测定材料无塑性转变温度,DNT,。,标准规定，在落锤冲击下,试样产生的裂纹扩展到它的受拉面两个棱边或一个棱边才算断裂这时的最高试验温度为,NDT,。,(3),宽板试验,是在实验室中重现低应力脆性断裂的大型试验，由于它能够对结构的一些参数如材料板厚、焊接工艺影响、载荷和应变量、整体尺寸、裂纹部位,(,尖锐度和尺寸,),、加载速率等一系列因素进行实际模拟，所以宽板试验在研究焊接接头抗开裂和止裂性能以及研究各种影响因素等方面是行之有效的试验方法。,1,、应力状态的影响,许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性，当处于三轴拉伸应力下，因不易发生塑性变形，呈现脆性。,在主平面作用最大正应力 ，与主平面成,45,度的平面上作用有最大切应力 。,和 与加载方式有关,。,缺口效应,如果 先达到屈服点，则发生塑性变形而形成延性断裂，反之，先达到抗拉强度，则发生脆性断裂。断裂的形式与加载方式亦应力状态有关。,缺口越深越尖，其局部应力和应变也越大。,图,2-7,缺口根部应力分布示意图,在三向应力情况下，材料的,屈服点,较单向应力时,提高,，即缺口,根部材料的屈服点提高,，使该处材料变脆。,当剪切应力达到屈服极限时,产生塑性变形,达到剪切抗力时,产生切断,.,当正应力达到正断抗力时,产生正断。,4,焊接结构抗脆断性能的评定,焊接结构的抗断性能，拔裂纹的产个、扩展和终止过程可以分为抗开裂性能抗止裂性能。,1),转变温度法,2),双重拉伸试验,属于止裂试验,构件受到外界载荷的作用就会在内部引起内应力。,内应力：,正应力、剪应力,2.,断裂形式,a),疲劳断裂,变动载荷、大约,80%,b),韧性断裂,断裂前发生塑性变形，,裂纹扩展较慢,。,c),正应力断裂,(,脆性断裂,),正应力断裂强度。,断裂前没有明显的塑性变形。,据断裂形式的不同分为：,y,u,F,断裂应力,抗拉强度,屈服极限,y,u,F,断裂应力,抗拉强度,屈服极限,