1、焊接結構力學焊接結構力學第四章第四章 焊接結構的脆性斷裂焊接結構的脆性斷裂主講：史菲金屬的斷裂4-1焊接結構的脆性斷裂事故、原因、影響因素4-2材料斷裂的評定方法4-3焊件脆性斷裂分析研究4-5影響焊接結構脆性斷裂的因素4-4預防焊接結構脆性斷裂的措施4-6目目 錄錄2本章重點： 1.焊接結構斷裂失效的分類及機理 2.焊接脆性斷裂的防治方法 本章難點： 1.焊接結構斷裂失效的分析 2.焊接脆性斷裂的能量理論 3圖4-1 橋梁脆斷事故4圖4-2 拉伸件斷裂5一、金屬材料斷裂機理和形態(tài)特征斷裂是工程上最危險的失效形式。特點： 工程上，常采用加大安全系數(shù)；浪費材料。 但過于加大材料的體積，不一定能防

2、止斷裂。焊接結構斷裂失效中，最為嚴重的是脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效和應力腐蝕斷裂失效三種類型。（a）突然性或不可預見性；（b）低于屈服力，發(fā)生斷裂；（c）由宏觀裂紋擴展引起。6分 類 方 法名 稱特 征根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類脆性斷裂斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口形貌是光亮的結晶狀韌性斷裂斷裂前產生明顯的塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀根據(jù)斷裂面的取向分類正斷斷裂的宏觀表面垂直于max方向切斷斷裂的宏觀表面平行于max方向根據(jù)裂紋擴展的途徑分類金相組織的形狀分類穿晶斷裂裂紋穿過晶粒內部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴展根據(jù)斷裂機理分類解理斷裂無明顯塑性變形沿解理面分離，穿晶斷裂微孔聚集型斷裂沿晶界微孔聚

3、合，沿晶斷裂在晶內微孔聚合，穿晶斷裂純剪切斷裂沿滑移面分離剪切斷裂（單晶體）通過縮頸導致最終斷裂（多晶體、高純金屬）表表4-1 斷裂分類斷裂分類7晶間斷裂晶間斷裂晶內斷裂晶內斷裂圖4-3 各種斷裂微觀形貌解理型斷口解理型斷口穿晶韌窩斷裂穿晶韌窩斷裂8圖4-4 按斷裂路徑分類示意圖a-穿晶斷裂；b-沿晶脆斷；c-沿晶韌斷9脆性斷裂-通常稱為低應力脆斷。一般都在應力低于結構的設計應力和沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生的。脆性斷裂的宏觀特征，理論上講，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴展速度往往很快，接近音速。脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴重的后果。因此，防止脆斷。脆性

4、斷裂的微觀機制有解理斷裂和晶間斷裂。脆性斷裂脆性斷裂10解理斷裂是材料在拉應力的作用下，由于原子間結合鍵遭到破壞，嚴格地沿一定的結晶學平面(即所謂“解理面”)劈開而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。圖4-5 解離斷裂a-宏觀斷口-人字行花樣；b，c-微觀斷口-河流花樣；A-臺階；B-河流花樣11解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結晶狀斷面。解理斷口的微觀形貌似應為一個平坦完整的晶面。但實際晶體總是有缺陷存在，如位錯、第二相粒子等等。解理斷裂實際上不是沿單一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均為解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之間形成了所謂的解理臺階。

5、在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣。河流狀花樣是由解理臺階的側面匯合而形成的。解理斷裂斷口發(fā)光顆粒、延晶、人字花樣、河流花樣、扇形花樣122.準解理斷裂準解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)?；鼗甬a物中細小的碳化物質點影響裂紋的產生和擴展。準解理斷裂時，其解理面除(001)面外，還有(110)、(112)等晶面。解理小平面間有明顯的撕裂棱。河流花樣已不十分明顯。撕裂棱是由一些單獨形核的裂紋相互連接而形成的。圖4-6 準解離斷面形貌13介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂形式；過程： 1. 1.在不同部位同時產生許多解理裂紋； 2. 2.按解理方式擴展成解理小刻面； 3. 3.以塑性方式撕

6、裂；與相鄰的小刻面相連，形成撕裂棱。圖4-7 準解理形成示意圖14準解理裂紋常起源于晶內硬質點，向四周放射狀地擴展，而解理裂紋則自晶界一側向另一側延伸；準解理斷口有許多撕裂棱；準解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。準解理斷裂的主要機制仍是解理，其宏觀表現(xiàn)是脆性的。所以，常將準解理斷裂歸入脆性斷裂。準解理的細節(jié)尚待研究，但已知它和解理斷裂有如下的不同：圖4-7 準解離斷面形貌15沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展的一種脆性斷裂。裂紋擴展總是沿著消耗能量最小，即原子結合力最弱的區(qū)域進行的。一般情況下，晶界不會開裂。發(fā)生沿晶斷裂，勢必由于某種原因降低了晶界結合強度。圖4-8 沿晶斷裂的斷

7、口形貌16晶界斷裂斷口較灰暗、穿晶、巖石花樣、 冰糖花樣。沿晶斷裂的原因大致有：晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相 微量有害雜質元素在晶界上偏聚 由于環(huán)境介質的作用損害了晶界，如氫脆、應力腐蝕、應力和高溫的復合作用在晶界造成損傷。17鋼的高溫回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子間的結合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴展的抗力，導致沿晶斷裂。圖4-9基體區(qū)域的沿晶斷裂據(jù)氫含量測定結果表明，鋼帶中的氫含量遠高于要求值。判斷為氫脆導致的沿晶斷裂。18（二）塑性斷裂 大多數(shù)金屬材料在正常工作情況下一般不會出現(xiàn)脆性斷裂，往往只發(fā)生塑性斷裂。 塑性斷裂過程可分為兩個階段： 外力作

8、用使得材料發(fā)生變形，夾雜物和第二相粒子的存在使周圍形成位錯塞積。隨外力繼續(xù)增加，形成微空穴。隨外力繼續(xù)增加，材料繼續(xù)變形和滑移，形成的微空穴會聚集長大，使裂紋擴展，最終出現(xiàn)斷裂。1920韌性斷口典型微觀形貌特征：韌窩。（有時表現(xiàn)為蛇形滑動）韌性斷口典型微觀形貌特征：韌窩。（有時表現(xiàn)為蛇形滑動） （二）塑韌斷裂韌窩的形成機理為空洞聚集：韌窩的形成機理為空洞聚集： 圖4-10 空洞聚集的過程21塑性變形后明顯產生了韌窩塑性變形后明顯產生了韌窩圖4-12 W-7Ni-3Fe拉伸斷口形貌圖4-11 棒材拉伸斷口示意圖（二）塑韌斷裂22（二）塑韌斷裂思考：塑性斷裂和解理斷裂的相同點和不同點？ 材料強度

9、第二相顆粒的尺寸 形態(tài) 分布材料特性 類型大小應力狀態(tài)韌窩的尺寸和形狀與韌窩的尺寸和形狀與 二、影響斷裂的因素構件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決材料本身的組織結構，還取決于應力狀態(tài)，溫度和加載速率等因素，并不是固定不變的，而是可以互相轉化的。（一）化學成分 合金元素，雜質，氣體，夾雜物等鋼中的氧、氮、磷、硫、砷、銻和錫等雜質對韌性也是不利的。磷降低裂紋表面能，硅可限制交滑移，促進出現(xiàn)孿生，都起著提高韌-脆轉變溫度的不利作用。C、N、O、H、S、P增加鋼脆性；Mn、Ni、Cr、V降低鋼的脆性。2324（一）化學成分合金元素的影響比較復雜，鎳、錳以固溶狀態(tài)存在，降低韌脆轉變溫度；氮、碳等原子被吸收到

10、Ni、Mn所造成的局部畸變區(qū)中去，減少了它們對位錯運動的釘扎作用；在鋼中形成化合物的合金元素，如鉻、鉬、鈦等，是通過細化晶粒和形成第二相質點來影響韌脆轉變溫度的，它和熱處理后的組織密切相關。（二）金屬晶粒度和各向異性晶粒細小，滑移距離短，在障礙物前塞積的位錯數(shù)目較少，相應的應力集中較小，而且由于相鄰晶粒取向不同，裂紋越過晶界有轉折，需要消耗更多的能量；晶界對裂紋擴展有阻礙作用，裂紋能否越過晶界，往往是產不產生失穩(wěn)擴展的關鍵。晶粒越細，則晶界越多，阻礙作用越大。晶粒細化既提高了材料的強度，又提高了它的塑性和韌性。形變強化、固溶強化、彌散強化(沉淀強化)等方法，在提高材料強度的同時，總要降低一些塑

11、性和韌性。25maxmaxksk側壓側壓22單向壓單向壓2 2扭轉扭轉0.80.8單向拉單向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.50.5（三）板厚 厚板缺口 軋制條件薄板處于平面應力狀態(tài)， 較大；厚板處于平面應變狀態(tài)， 較小，易產生脆斷。加載方式相同，材料本質不同，斷裂方式不同加載方式相同，材料本質不同，斷裂方式不同26注意：注意：薄鋼板的強度比厚鋼板的強度高。薄鋼板的強度比厚鋼板的強度高。軋制軋棍圖4-7 鋼的軋制使晶粒細化2728（四）應力狀態(tài)的影響應力集中改變了應力狀態(tài)，max，max，。 單向拉伸0.5，而缺口拉伸試樣0.5，易引起脆斷。因此，應力集中會引起材料脆化。因此，應力集中會

12、引起材料脆化。圖4-8 力學狀態(tài)圖圖4-9 缺口根部應力分布示意圖29（五）加載速度的影響：0k TsTkTk圖4-10 轉變溫度與應力關系加載速度的增加，材料的屈服點升高，促使材料向脆性轉變。加載速度的增加，材料的屈服點升高，促使材料向脆性轉變。一項新的科學研究回答了一項新的科學研究回答了80年未解之謎：含年未解之謎：含S高的鋼板，韌性差所致。高的鋼板，韌性差所致。圖圖4-11 Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果30（六）溫度的影響3132隨著溫度降低，材料的屈服點升高，隨著溫度降低，材料的屈服點升高，而抗拉強度基本上與溫度變化無關。而抗拉強度基本上與溫度變化

13、無關。隨溫度降低，從延性破壞變?yōu)榇嘈云茐碾S溫度降低，從延性破壞變?yōu)榇嘈云茐膱D4-12 延性-脆性轉變溫度應變率的關系圖4-13 溫度與破壞方式關系示意圖焊接脆性斷裂特征： 脆斷一般在沒有顯著塑性變形情況下發(fā)生。脆斷時，材料中的平均應力比屈服極限和設計許用應力小得多。故脆斷是一種低應力破壞。脆斷事故難以事先發(fā)現(xiàn)。一般情況，脆斷事故與原因與以下幾個方面因素有關： 結構在低溫下工作，低溫使得材料的性質變脆；結構在低溫下工作，低溫使得材料的性質變脆； 焊接殘余應力起到不良作用；焊接殘余應力起到不良作用； 焊接過程引起的熱應變脆化，使材質韌性下降；焊接過程引起的熱應變脆化，使材質韌性下降； 用不合格材料

14、；用不合格材料； 結構設計不合理；結構設計不合理； 焊接過程中形成錯邊和產生角變形。焊接過程中形成錯邊和產生角變形。3334圖4-13 鋼瓶斷裂實驗焊接結構斷裂實驗焊接結構斷裂實驗351968年年4月，高強度鋼制造球形容器，月，高強度鋼制造球形容器，在最后耐壓試驗升壓階段發(fā)生破裂事故。在最后耐壓試驗升壓階段發(fā)生破裂事故。（三）設計和制造工藝不合理（三）設計和制造工藝不合理 不正確的設計和不良的制造工藝會產生較大的焊接殘不正確的設計和不良的制造工藝會產生較大的焊接殘余應力，該應力過大時，則導致結構的脆性斷裂。余應力，該應力過大時，則導致結構的脆性斷裂。36（一）材料的韌性不足一）材料的韌性不足

15、材料缺口尖端處的微觀塑性變形能力差，特別是焊接結材料缺口尖端處的微觀塑性變形能力差，特別是焊接結構的缺口、尖端處，脆性斷裂在大多數(shù)情況下從焊接區(qū)開始，構的缺口、尖端處，脆性斷裂在大多數(shù)情況下從焊接區(qū)開始，所以焊縫及熱影響區(qū)的韌性不足往往是造成低應力脆性破壞所以焊縫及熱影響區(qū)的韌性不足往往是造成低應力脆性破壞的主要原因。的主要原因。 （二）存在裂紋等缺陷（二）存在裂紋等缺陷 斷裂總是從材料缺陷處開始，缺陷中則以裂紋為最危險，斷裂總是從材料缺陷處開始，缺陷中則以裂紋為最危險，而焊接則是產生裂紋的主要原因。而焊接則是產生裂紋的主要原因。 同一種材料在不同條件下可以顯示出不同的破壞形式。 最重要的影響

16、因素是溫度、應力狀態(tài)和加載速度。 溫度越低，加載速度越大、材料應力狀態(tài)越嚴重，則產生脆性斷裂的傾向就越大。 （一）應力狀態(tài)的影響 當材料處于三向拉應力下，呈現(xiàn)脆性。在實際結構中，三向拉應力應該由三向載荷產生，但更多的情況下是由于幾何不連續(xù)性引起的。雖然整個結構處于單軸雙向拉應力狀態(tài)下，但其局部區(qū)域由于設計不佳，工藝不當，往往出現(xiàn)形成局部三軸應力狀態(tài)的缺口效應。因此，脆斷事故一般都起源于具有嚴重應力集中效應的缺口處。 37（二）溫度的影響 隨著溫度的降低，焊接結構的破壞方式會發(fā)生變化，即從延性破壞變?yōu)榇嘈云茐?。當溫度降至某一臨界值時，將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉變，此為脆性轉變溫度。脆性轉變溫度高，

17、則脆性傾向嚴重。38圖4-14 溫度與沖擊功關系39（三）加載速度的影響 試驗證明，加載速度越快，焊接結構越容易發(fā)生脆性斷裂。在同樣加載速率下，當結構中有缺口時，應變速率可呈現(xiàn)出加倍的不利影響。因為此時有應力集中的影響，應變速率比無缺口高得多，從而大大降低了材料的局部塑性。 （四）材料狀態(tài)的影響 材料狀態(tài)包括材料厚度、晶粒度和化學成分等方面。 1厚度的影響。厚板在缺口處容易形成三軸拉應力，因此容易使材料變脆。 2晶粒度的影響。對于低碳鋼和低合金結構鋼，晶粒度越細，其脆性轉變溫度越低。 3化學成分的影響。鋼中的C、N、O、H、S、P會增加鋼的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量適當

18、，則有助于減少鋼的脆性。 40 缺口效應 在缺口處產生應力集中，其數(shù)值為平均應力的幾倍。圖4-15 試件的缺口尺寸 缺口的存在導致缺口缺口的存在導致缺口效應的存在效應的存在 鍵槽、油孔、螺紋、鍵槽、油孔、螺紋、焊縫、毛刺等焊縫、毛刺等 對于焊接接頭的缺口狀態(tài)，人們常用應力線分布，來對于焊接接頭的缺口狀態(tài)，人們常用應力線分布，來清楚地進行表示。清楚地進行表示。 圖4-16 有無缺口應力曲線分布對比缺口越尖銳、曲率越小應力集中越嚴重。缺口越尖銳、曲率越小應力集中越嚴重。K=K=maxmax/m圖4-17 對接和角焊縫的應力集中44轉變溫度方法斷裂力學方法45一、轉變溫度方法強度指標：屈服強度s 斷

19、裂強度f 溫度對材料的韌性影響很大，材料由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為韌脆轉變溫韌脆轉變溫度，度，Tk。圖4-18 屈服強度和臨界斷裂強度與溫度的關系T 溫度TK0Sf46 晶體結構： f.c.c不存在低溫脆性。 b.c.c和某些h.c.p的低溫脆性嚴重。（Sn） 1.晶體學特性晶體學特性位錯： 位錯寬度大，不顯示低溫脆性。 層錯能，韌性。 形成柯氏氣團，韌性。47（1）溶質元素 間隙原子，使韌性。 置換式溶質，對韌性影響不明顯 雜質元素S、P、As、Sn、Sb 使韌性2.冶金因素冶金因素48（2）顯微組織 a）晶粒大小 b）金相組織 回火索氏體貝氏體珠光體，韌性。 第二相（大小、形態(tài)、數(shù)

20、量、分布）3.3.外部因素外部因素49溫度C、N原子擴散速率增加，形成柯氏氣團。加載速率加載速率，脆性，韌脆轉變溫度Tk;試樣尺寸和形狀試樣增厚，Tk（表面上的拉壓應力最大）; 帶缺口，不帶缺口； 材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉變的臨界溫度Tk常常有以下幾種方法確定：50臨界溫度Tk 的確定方法沖擊試驗佩里尼斷裂分析理論尼伯林克試驗靜載試驗（一）沖擊試驗51()kAmg hh圖4-19 缺口沖擊實驗衡量指標：沖擊吸收功 A Ak k 沖擊韌度 a ak k ( (a ak k A Ak k/F/Fk k ) )材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。Ak越高，Tk

21、越低，則材料的韌性越好。Ak是對材料的成分和組織敏感的力學性能指標。鋼韌性最高，無明顯的Tk ，低溫韌性好；低強度鐵素體鋼韌性次之，有明顯的Tk ，低溫韌性差；高強度M鋼韌性最差，即使室溫韌性好很低。5253能量準則法* 實驗證明，隨著溫度的上升，打斷試件所需的沖擊吸收功也顯著上升，可以用它來衡量材料的韌-脆轉變溫度。* 一般認為，這種能量轉變主要取決于裂紋產生前和裂紋開始擴展時缺口根部的塑性變形值:當塑性變形較小時，需要較小的沖擊吸收功；當塑性變形較小時，需要較小的沖擊吸收功；當塑性變形較大時，需要較大的沖擊吸收功；當塑性變形較大時，需要較大的沖擊吸收功；（一）沖擊試驗圖4-20 沖擊試驗及

22、其評定標準-沖擊吸收功溫度（溫度（）54（一）沖擊試驗斷口形貌準則法斷口形貌準則法以試件斷口形貌來衡量轉變溫度特性，稱為斷口形貌轉變以試件斷口形貌來衡量轉變溫度特性，稱為斷口形貌轉變溫度；溫度；是衡量開裂后裂紋擴展行為的標志，表示金屬由晶粒狀破是衡量開裂后裂紋擴展行為的標志，表示金屬由晶粒狀破壞向纖維狀剪切破壞的轉變：壞向纖維狀剪切破壞的轉變：在溫度較低時，試件具有擴展快、吸收功低的解理斷口；在溫度較低時，試件具有擴展快、吸收功低的解理斷口；在溫度較高時，試件具有擴展慢、吸收功高的剪切破壞斷口；在溫度較高時，試件具有擴展慢、吸收功高的剪切破壞斷口；圖4-21 沖擊試驗及其評定標準-斷口形貌法溫

23、度（溫度（）55（一）沖擊試驗 延性準則法測量沖擊試件缺口根部厚度隨溫度的變化；隨溫度增加缺口根部的橫向收縮量或無缺口表面的橫向膨脹量；通常采用的轉變溫度微對應于3.8%的側向膨脹率。圖4-22 沖擊試驗及其評定標準-延性法溫度（溫度（）56圖4-23 系列沖擊試驗57斷裂的表現(xiàn)有三種：裂紋源，裂紋擴展，裂紋的止裂。50年代初，美國海軍研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落錘試驗方法，用于測定全厚鋼板的零塑性轉變溫度NDT，以作為評定材料的性能標準。58圖4-24 爆炸膨脹試驗a.平裂情況b.凹裂情況c.凹陷和局部斷裂情況d.膨脹撕裂情況59圖4-25 裂口方位韌性斷裂脆性斷裂60

24、斷口形貌斷口特征三要素斷口特征三要素圖4-26 圓棒試樣韌性斷口宏觀形貌61圖4-27 爆破斷口宏觀形貌62落錘試驗圖4-28 落錘試驗示意圖Penillni落錘試驗是在研究鋼的脆斷傾向，評定比較止裂行為時使用。63圖4-29 斷裂分析圖(1)不能定量評定脆性斷裂(2)未考慮板厚的影響缺點：缺點： 落錘實驗獲得的數(shù)據(jù)可落錘實驗獲得的數(shù)據(jù)可建立斷裂分析圖；建立斷裂分析圖； 表示許用應力、缺陷和表示許用應力、缺陷和溫度之間的關系曲線。溫度之間的關系曲線。64（3）靜載試驗靜拉伸，靜彎曲試驗圖4-30 在小缺口試樣上靜彎試驗所得載荷（P）-撓度（f）曲線簡稱DT試驗；由美國海軍研究所（NRL）于19

25、62年開創(chuàng)的一種新型工程試驗方法；適用于各種異性敏感的高強度鋼、超高強度鋼；鋼的晶粒度、碳化物金相組織的大小和分布、鋼中P,N,O等都對顯微裂紋的形成產生較大影響。65四點彎曲法是目前檢驗母材或焊接接頭抗脆性斷裂的重 要方法之一。在動載下的裂紋張開位移法66 在一定程度上模擬了板材焊接殘余應力、焊縫缺陷、板厚效應等； 在一定程度上反映了加工硬化的影響； 可以反映出實際結構焊接接頭中裂紋的擴展方向。67（四）靜載試驗（四）靜載試驗1.梯普爾試驗2.范德文試驗和V形缺口靜彎試驗3.堆焊靜彎試驗圖4-31 堆焊彎曲試驗68轉變溫度方法轉變溫度方法斷裂力學方法斷裂力學方法轉變溫度方法的缺點和局限性斷裂

26、力學試驗的本質就是缺口韌性試驗。實際材料中是存在微裂紋及各種冶金缺陷的，而其中裂紋是最危險的一類缺陷，因此有必要研究帶裂紋體的問題。斷裂力學研究表明：裂紋尖端的應力應變場可用物理量來表征。x x , , y , xyx x , , y , xy圖4-33 裂紋尖端應力應變69圖4-32 3種裂紋規(guī)則形式半橢圓形或半圓形橢圓形或圓形張開型裂紋張開型裂紋I型型滑移型裂紋滑移型裂紋II型型撕裂型裂紋撕裂型裂紋III型型圖4-34 裂紋張開形式70: 幾何形狀因子，Y12；: 工作應力； a : 裂紋半長度。IKYa2a圖4-35 裂紋擴展71研究表明：當KI較小時，裂紋不會擴展，零件是安全的；當KI

27、達到一個臨界值時，裂紋才會擴展；這個臨界值KIC是材料的性質。 斷裂韌度：在彈塑性條件下，當應力場強度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致材料斷裂，這個臨界或失穩(wěn)擴展的應力場強度因子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展即抵抗脆斷的能力，是材料的力學性能指標。 72斷裂韌度K KICIC: : 是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。單位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2KI KIC 構件發(fā)生脆性斷裂構件發(fā)生脆性斷裂KI KIC 構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件斷裂判據(jù)：斷裂判據(jù)：斷裂韌度斷裂韌度KIC73已知應力

28、，材料，確定結構安全的最大裂紋長度ICcKYa2ICcKaY已知裂紋長度，材料，確定結構安全的最大應力74已知應力，裂紋長度，確定結構安全的材料IICKYaK斷裂韌度是高強度鋼制造的飛機、導彈和火箭的零件，及用中低強度鋼制造氣輪機轉子、大型發(fā)電機轉子等大型零件的重要性能指標。75一、焊接結構的特點及其對脆斷的影響剛性大、整體性強o 焊接結構是由許多不可拆卸的焊接接頭連接而成；o 焊接結構的剛性大；o 焊接結構的整體性為設計制造合理的鋼結構提供了可能性。76圖4-36 “自由輪”甲板艙口設計對比a-原始設計； b-改進設計 7778二、焊接結構制造工藝特點對脆斷的影響低應力脆性斷裂有以下幾種情況

29、：A.在低應力下產生裂紋并立即斷裂。這是最危險的失隱斷裂。B.低應力下雖產生脆性裂紋，但裂紋擴展到一定長度后自行停止。以后繼續(xù)加載到屈服強度后才完全斷裂。C.在較高溫度下，則要有高達屈服強度的應力才會產生裂紋，最后發(fā)生斷裂。(一)焊接殘余應力對脆性斷裂的影響 當溫度在材料的脆性轉變溫度以下時，如果焊接殘余應力為拉應力，拉伸殘余應力將和工作應力迭加共同起作用，在外加載荷很低時，發(fā)生低應力脆性破壞。 拉伸殘余應力一般只限于焊縫附近部位，所以在焊縫附近的峰值殘余應力有助于斷裂的發(fā)生。 79圖4-37圖4-3880圖4-39（二）焊接應力循環(huán)和應變循環(huán)對脆斷的影響試驗結果表明，焊接應力、應變循環(huán)對于焊

30、前有裂紋和焊后開裂的寬板試件抗脆斷能力有不同程度的影響，特別是應變循環(huán)的影響差別更大。二、焊接結構制造工藝特點對脆斷的影響81由應力循環(huán)、應變循環(huán)、熱塑性變形循環(huán)以及熱循環(huán)引起的應變時效對局部脆化影響嚴重。由熱循環(huán)引起的應變時效熱應變時效或動應變時效。82二、焊接結構制造工藝特點對脆斷的影響（三）焊接生產過程對結構脆斷的影響1.預應變對脆斷的影響圖4-41 鋼板彎曲成形圖4-40 矯正彎曲成形2.火焰彎板和矯形對脆斷的影響可能引入新的顯微缺陷，這些可能引入新的顯微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。缺陷可能成為斷裂源。 焊接過程的快速加熱和冷卻，使焊縫本身和熱影響區(qū)發(fā)生一系列組織變化，過小的焊接熱輸

31、入易造成淬硬組織并易產生裂紋；過大的焊接熱輸入易造成晶粒粗大和脆化，降低接頭的韌性。（四）焊接熱循環(huán)產生的金相組織變化對脆斷的影響q過小導致淬硬組織，易產生裂紋。q過大導致晶粒粗大，材質脆化，韌性減小。二、焊接結構制造工藝特點對脆斷的影響83（五）角變形和錯邊對脆斷的影響二、焊接結構制造工藝特點對脆斷的影響圖4-42 角變形產生的附加彎矩a-具有角變形的對接接頭的拉伸b-沒有角變形的對接接頭的拉伸圖4-43 角變形對破壞應力的影響8485圖4-44 堆焊“防裂焊縫”示意圖圖4-45 接頭錯邊造成附加彎矩圖4-44 堆焊“防裂焊縫”示意圖圖4-45 接頭錯邊造成附加彎矩86（六）焊接缺陷對脆斷的

32、影響 焊接接頭中，大約40的脆斷事故是從焊接缺陷處開始的。在外載作用下，裂紋前沿附近會產生少量塑性變形，同時尖端有一定量的張開位移，使裂紋緩慢發(fā)展，當外載增加到某一臨界值時，裂紋即以高速度擴展，此時裂紋如位于高值拉應力區(qū)，往往引起整個結構的脆性斷裂。 除去裂紋以外，其他焊接缺陷，如咬邊、未焊透、焊縫表面成形不良等，都會產生應力集中和可能引起脆性破壞。二、焊接結構制造工藝特點對脆斷的影響8788平面缺陷：裂紋、分層、未焊透這類缺陷對斷裂的影響取決于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖銳程度。橫向裂紋橫向裂紋中心線裂紋中心線裂紋根部裂紋根部裂紋根部未熔合根部未熔合89單個夾雜單個夾雜鏈狀氣孔鏈狀氣

33、孔氣孔氣孔內側未熔合內側未熔合內部未熔合內部未熔合線狀夾渣線狀夾渣非平面缺陷：氣孔、夾渣對斷裂的影響程度一般低于平面缺陷。90外部咬肉外部咬肉內部咬肉內部咬肉根部焊瘤根部焊瘤內凹內凹錯邊錯邊一、由亞臨界裂紋引起的結構脆斷 由斷裂力學得知，如果結構中的裂紋尺寸超過了由材料和工作應力所確定的臨界尺寸時，則裂紋將發(fā)生擴展，直至結構發(fā)生斷裂。但是，對于焊接結構并非一定如此。實際調查表明，在某些焊接結構中，一些斷裂現(xiàn)象發(fā)生在裂紋尺寸小于臨界尺寸的情況。造成亞臨界裂紋擴展到臨界尺寸的原因：l對結構提供了附加能量；l使結構產生局部脆化；l造成疲勞和應力腐蝕裂紋。亞臨界裂紋擴展速率方程：亞臨界裂紋擴展速率方程：v=AK1n 91ca0aca0aC失穩(wěn)擴展亞臨界亞臨界擴展圖4-46 亞臨界裂紋擴展92斷裂理論在材料中