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1、会计学1焊接结构焊接结构(jigu)的疲劳的疲劳第一页，共54页。n n四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故，其中一起(yq)发生在1995年底，泄漏的天然气引起了火灾。管道为7208.16 mm 螺旋焊管，工厂压力1.92.5MPa。事故管段已经运行16年。爆口长度1440mm，沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中含有H2S及补焊工艺不合理 使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。n n塔吊：地角螺栓45钢、40Cr，焊接部位易脆断 第1页/共53页第二页，共54页。本章提要：本章提要：1）脆性断裂的危害及其
2、基本特征；）脆性断裂的危害及其基本特征；2）造成焊接结构脆断的主要原因；）造成焊接结构脆断的主要原因；3）焊接结构脆断的主要影响因素；）焊接结构脆断的主要影响因素；4）焊接结构脆断的主要防止措施）焊接结构脆断的主要防止措施(cush)。以上内容作为本章的要点。以上内容作为本章的要点。第2页/共53页第三页，共54页。5.1 5.1 焊接结构焊接结构焊接结构焊接结构(jigu)(jigu)脆断的基本原因与脆断的基本特征脆断的基本原因与脆断的基本特征脆断的基本原因与脆断的基本特征脆断的基本原因与脆断的基本特征 金属的脆性断裂金属的脆性断裂 通常指沿一定结晶面劈裂的解理断裂或晶界断裂。通常指沿一定结
3、晶面劈裂的解理断裂或晶界断裂。脆断的基本特征脆断的基本特征 1 1）脆断由正应力引起，几乎）脆断由正应力引起，几乎(jh)(jh)没有塑性变形；没有塑性变形；2 2）脆断时所需能量小，属于低应力破坏；）脆断时所需能量小，属于低应力破坏；3 3）裂纹扩展速度快（可达）裂纹扩展速度快（可达1800km/s1800km/s），具有突发性，），具有突发性，措不及防；措不及防；4 4）脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；）脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；第3页/共53页第四页，共54页。5.1.3 金属脆断的断口特征：1）断面颜色：解理断裂：晶状断口，闪闪发光；晶界断裂：较灰暗；2）宏观
4、断口形状：解理断裂：断口平齐，有放射状撕裂棱形，即 人字纹，其尖锋指向裂纹源；晶界断裂：表面(biomin)平齐，呈颗粒或粗瓷状，边缘 有剪切唇；第4页/共53页第五页，共54页。脆断的断口脆断的断口(dunk(dunk u)u)特征特征3 3）微观断口形貌：）微观断口形貌：解理解理(ji l(ji l)断裂：河流花样，舌状花样，断裂：河流花样，舌状花样，扇形花样；扇形花样；晶界断裂：冰糖状花样，晶界断裂：冰糖状花样，岩石状花样，岩石状花样，不同程度的晶粒多面体。不同程度的晶粒多面体。第5页/共53页第六页，共54页。35CrMo 870正火正火 等轴韧窝等轴韧窝 铸铁铸铁(zhti)氢脆氢脆
5、 沿晶冰糖状沿晶冰糖状 第6页/共53页第七页，共54页。第7页/共53页第八页，共54页。第8页/共53页第九页，共54页。焊接结构脆断的产生(chnshng)原因 金属脆断理论表明，金属发生脆断的影响因素很多。情况较为复杂；焊接结构发生脆断的原因更加复杂。专业人员尤其需要深入研究。从宏观上可定性地概括为以下几点：1)结构在使用工况下的韧性(rn xn)不足；尤其是缺口韧性(rn xn)不足；这与材料本身的性能、构件的加工质量、载荷作用方式、环境与介质条件等均有一定关系。第9页/共53页第十页，共54页。焊接(hnji)结构脆断的产生原因 2）结构在设计、制造环节上存在工艺缺陷；这些未能得以
6、及时消除的工艺缺陷，进一步造成了构件承载能力尤指抗开裂能力的恶化。如：焊接残余应力、附加残余变形、热应变时效以及各种(zhn)焊接缺陷等引起的应力集中和脆化现象。3）产品检验技术不够完善，并未对重要结构采取有效的质量跟踪措施和及时准确的无损评价。涉及：产品检验技术规范、手段等。第10页/共53页第十一页，共54页。焊接(hnji)结构发生脆断的危害性 1)金属结构发生脆断的几率 从总体上并不大，低于0.4 ；2）脆断的突发性！尽管脆断发生的几率并不大，但由于脆断发生具有突发性，往往难以防范，因而(yn r)，造成的损失往往是难以想象的，有时甚至是灾难性的！这已被历史所见证。可见，焊接结构的安全
7、性仍然是每个焊接工作者必须关注的问题。第11页/共53页第十二页，共54页。5.2 影响影响(yngxing)金金属脆性断裂的因素属脆性断裂的因素 具体分析金属脆断的影响因素时，又可从总体上将它们分为内因和外因。任务：1)通过对脆断影响因素的深入分析，全面认识 脆断的本质(bnzh)与产生机理；2)深刻理解联合强度理论,学会使用力学状态图 综合判定金属的断裂性质及相关问题。第12页/共53页第十三页，共54页。影响金属脆断的外部影响金属脆断的外部影响金属脆断的外部影响金属脆断的外部(wib)(wib)(wib)(wib)因素因素因素因素 1)引起脆断的外部三要素：应力状态、温度条件、加载速度。
8、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(zi h)形式！加载速度则是促成脆断的导火索 胜似雪上加霜！第13页/共53页第十四页，共54页。具体分析外部具体分析外部(wib)(wib)三要素三要素n n温度的影响n n 温度条件影响断裂性质的根本原因是：n n 材料是否有冷脆现象！n n 实验证明：有些金属的冲击韧性指标n n 对温度具有(jyu)敏感性。n n 即当温度由高到低变化到某一临界范围时，其冲击韧性会发生骤然下降，材料学称之为冷脆现象，而导致金属发生冷脆现象的临界温度称为该金属的延脆性转变温度。n n 显然，材料的延脆性转变温度越
9、低，在一定温度下发生冷脆的倾向越小！第14页/共53页第十五页，共54页。具有冷脆现象具有冷脆现象(xinxing)金属金属的晶格特征的晶格特征 研究表明：具有冷脆现象的金属多为：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。体心立方晶格或密排六方晶格结构。大多大多(ddu)(ddu)面心立方晶格的金属，如：面心立方晶格的金属，如：铝、铜等金属则没有冷脆现象。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。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！这类金属材料具有较高的低温韧
10、性！第15页/共53页第十六页，共54页。不同不同不同不同(b tn(b tn)材料冲击韧性与温度关系曲线材料冲击韧性与温度关系曲线材料冲击韧性与温度关系曲线材料冲击韧性与温度关系曲线第16页/共53页第十七页，共54页。n n应力状态的影响应力状态的影响n n 1 1）联合强度理论）联合强度理论n n 基本概念：基本概念：n n 材料某一单元体受力状态可能是多种多样材料某一单元体受力状态可能是多种多样(du zh(du zh n n du yn du yn)，但是，材料内部产生的最，但是，材料内部产生的最大正应力和最大切应力是有极限的。大正应力和最大切应力是有极限的。n n 当最大切应力未达
11、到极限值时，最大正应当最大切应力未达到极限值时，最大正应力首先达到极限值则发生脆性断裂；力首先达到极限值则发生脆性断裂；n n 当最大正应力未达到极限值时，最大切应当最大正应力未达到极限值时，最大切应力首先达到极限值则发生延性断裂。力首先达到极限值则发生延性断裂。第17页/共53页第十八页，共54页。2）力学状态图：力学状态图联合强度(qingd)理论的转化形式！mamax12tktTSOT 力学力学(l xu)状状态图态图SoT 正断抗力；tT 剪切屈服(qf)极限；tK 剪断抗力。第18页/共53页第十九页，共54页。3）应力状态指标:力学状态图中，过坐标原点的直线与横坐标轴的夹角的正切值
12、，即定义为应力状态指标。显然，max/max 其数值对应于一定的应力状态是不变的。在力学状态图中，SoT 正断抗力；tT 剪切屈服极限(jxin)；tK 剪断抗力。第19页/共53页第二十页，共54页。应力应力(yngl)状态举例状态举例4）常见加载形式对应的应力状态单轴拉伸 tg=1/2圆棒扭转(nizhun)tg=1双向拉伸 tg=1/2单向压缩 tg=1/（2），为泊松比，如对于钢=0.3，tg=1.66三向拉伸 tg=（1-3/1）/2三相等轴拉伸应力状态，因1=2=3，则tg=0第20页/共53页第二十一页，共54页。5）断裂性质的判定：（力学状态图的应用）在力学状态图中，应力状态可
13、用斜率为tg的直线表示，该斜率即为应力状态指标。随着加载过程的进行，尽管应力状态指标保持不变，但实际(shj)载荷不断提高。脆断条件:max SoT，maxtT ；屈服条件:maxSoT，maxtT；延性破坏条件:max SoT，maxtK。结论:应力状态指标tg的值越低，发生脆断可能性越大!第21页/共53页第二十二页，共54页。6 6）缺口效应）缺口效应(xioyng)(xioyng)对应力状态指标的影响对应力状态指标的影响n n具有尖锐缺口的厚板结构，缺口即使在单向应力作用下，缺口尖端(jindun)也会出现三向拉应力状态，使应力状态指标tg严重降低，增大了脆断的可能性！n n三相等轴拉
14、伸应力状态，其应力状态指标tg=0，故其破坏形式一定是脆性断裂！n n通过上述分析，不难理解塑性好的材料也会发生低应力破坏的道理！第22页/共53页第二十三页，共54页。7）用力学状态图解释温度降低对脆断的影响 原理：随着温度的降低，剪切屈服极限tT升高(shn o)，而正断抗力SOT不变，故脆断危险性增加！联想：材料的屈服极限s 随温度的提高而降低！反过来，必然提高！第23页/共53页第二十四页，共54页。1温度(wnd)的影响 温度对拉伸温度对拉伸(l shn)性能的影响性能的影响 第24页/共53页第二十五页，共54页。温度温度(wnd)对冲击韧性的影响对冲击韧性的影响 温度温度(wnd
15、)对对Ni-Cr-Mo-V钢断裂韧性的影响钢断裂韧性的影响 温度降低断裂韧性、冲击韧性都降低，抗冲击能力温度降低断裂韧性、冲击韧性都降低，抗冲击能力(nngl)、抗裂纹扩张能力、抗裂纹扩张能力(nngl)降低降低 第25页/共53页第二十六页，共54页。n n加载速度的影响n n 研究表明：n n 加载速度d/dt提高，其作用相当于温度(wnd)降低，n n 同样会使剪切屈服极限tT升高，而正断抗力SOTn n 不变，则脆断危险性增加！tT，SOT tT d/dt加载速度对脆断的影响(yngxing)规律第26页/共53页第二十七页，共54页。应力应力应力应力(yngl)(yngl)集中对集中
16、对集中对集中对d/dtd/dt的影响的影响的影响的影响 应该指出，在结构缺口处由于应力集中作用，使加载速应该指出，在结构缺口处由于应力集中作用，使加载速度度d/dtd/dt明显提高，故脆断危险性增大。明显提高，故脆断危险性增大。载荷载荷(zi h)(zi h)的冲击性越大，即加载速度的冲击性越大，即加载速度d/dtd/dt越大，对工件越大，对工件的危害也就越大！的危害也就越大！这使我们不难理解这使我们不难理解为什麽采用落锤试验研究材料的为什麽采用落锤试验研究材料的抗脆断的性能！抗脆断的性能！第27页/共53页第二十八页，共54页。材料状态（内部(nib)因素）的影响 1)板厚的影响 应力状态方
17、面：厚板结构在受力时沿厚度(hud)方向的变形受到很大限制，形成平面应变状态，在缺口处易出现三向拉应力，使脆断倾向增大。冶金方面：厚板轧制量小，终轧温度高，组织疏松，不均匀，韧性相对较差。第28页/共53页第二十九页，共54页。2)2)晶粒度的影响晶粒度的影响 对软钢而言，晶粒愈细对软钢而言，晶粒愈细,韧性愈高韧性愈高,延延脆性转变温度脆性转变温度(wnd)(wnd)愈低。愈低。3)3)化学成分的影响化学成分的影响 有害元素有害元素 C C、NN、OO、H H、S S、P P等合金元素使材料等合金元素使材料脆性增加；脆性增加；有益元素有益元素 Mn Mn、NiNi、CrCr、V V等合金元素使
18、材料脆性等合金元素使材料脆性降低！降低！第29页/共53页第三十页，共54页。5.3 5.3 影响影响影响影响(y(y ngxingxi ng)ng)焊接结构脆断的主要因素焊接结构脆断的主要因素焊接结构脆断的主要因素焊接结构脆断的主要因素 侧重焊接(hnji)工艺引起的新矛盾、新问题。应变时效引起的局部脆性 1)时效的概念在一定温度下，材料性能随时间发生变化的现象称为时效。其英文为aging，即age的现在分词。2)应变时效的分类 静应变时效（也称冷变形时效）；动应变时效（也称为热应变脆化）。第30页/共53页第三十一页，共54页。应变(yngbin)时效的概念n n应变时效应变时效n n 是
19、指金属经过一定量的塑性变形后，再经历是指金属经过一定量的塑性变形后，再经历150150400400温度范围的加热作用温度范围的加热作用而造成的材料塑性下降而造成的材料塑性下降(xijing)(xijing)的现象。的现象。n n静应变时效静应变时效n n 是指金属经过是指金属经过“冷加工冷加工”而产生而产生n n 一定量的塑性变形导致的应变时效。一定量的塑性变形导致的应变时效。n n动应变时效动应变时效n n 是指金属经过是指金属经过“热循环热循环”而产生而产生n n 一定量的热塑性变形导致的应变时效。一定量的热塑性变形导致的应变时效。第31页/共53页第三十二页，共54页。3)应变(yngb
20、in)时效产生的危害 有害的时效往往使材料性能变坏：硬度提高，塑性下降，韧性变差。热应变(yngbin)时效使材料塑性极度下降，即所谓“塑性耗竭”！4）应变(yngbin)时效的消除 静应变(yngbin)时效：切削时变形小，可铇去冷变形部分；或采用550560热处理。动应变(yngbin)时效：多产生于应力集中处，危害较大。采用550560热处理，同时还可消除残余应力，改善局部脆性。第32页/共53页第三十三页，共54页。不同应变量不同应变量(binling)(binling)对动应变时效的影响对动应变时效的影响静应变时效与动应变时效影响静应变时效与动应变时效影响(yngxing)(yngx
21、ing)的比较的比较焊后焊后550550560560回火可消除残余应力及应变时效回火可消除残余应力及应变时效(shxio)(shxio)脆化倾向脆化倾向应变时效对脆断的影响应变时效对脆断的影响第33页/共53页第三十四页，共54页。焊接缺陷的影响 区别对待 焊接缺陷的影响与其所在的位置和种类有关(yugun)!影响的本质:损失承载截面;形成缺口效应,导致应力集中!防止措施:改进工艺,加强管理,强化检测手段!运用 质量管理体系的功能，尽最大可能消除焊接缺陷！第34页/共53页第三十五页，共54页。角变形和错边的影响角变形和错边的影响 试验结果试验结果:角变形增加角变形增加,转变温度升高转变温度升
22、高!原因分析原因分析:角变形过大使工件承载时产生附加弯矩角变形过大使工件承载时产生附加弯矩,造成熔合线处的应力集中程度造成熔合线处的应力集中程度(chngd)(chngd)加大！加大！因而，脆断的危险性增大！因而，脆断的危险性增大！严重错边与角变形过大作用等同！严重错边与角变形过大作用等同！防止措施防止措施尽量减小角变形或错边；尽量减小角变形或错边；亦可在熔合线亦可在熔合线(焊趾焊趾)堆焊防裂焊缝。堆焊防裂焊缝。第35页/共53页第三十六页，共54页。接头金相组织改变对脆性的影响 主要目标:充分注意焊接热影响区的几个脆化区!如：靠近熔合线附近的粗大的魏氏组织区；处于蓝脆温度范围(fnwi)的脆
23、化区；合金钢接头中的高硬度马氏体区。处理措施：必要时进行回火或正火处理。消除脆性组织，同时消除焊接应力！焊接工艺要合理控制焊接线能量。第36页/共53页第三十七页，共54页。焊接残余(cny)应力和塑性变形的影响 宽板拉伸试验结果：残余(cny)应力和塑性变形影响断裂应力！ESSO试验结果：残余(cny)应力影响裂纹扩展方向！预防措施：合理布置焊缝 不使焊缝过于密集；调整残余(cny)应力场局部加热、热处理、机械拉伸等。第37页/共53页第三十八页，共54页。C-Mn焊条焊条(hntio)电弧焊接头的电弧焊接头的COD 第38页/共53页第三十九页，共54页。n宽板实验的结果显示：在韧脆转变温
24、度以上残余应力无影响宽板实验的结果显示：在韧脆转变温度以上残余应力无影响(yngxing)，在韧脆转变温度以下有不利影响，在韧脆转变温度以下有不利影响(yngxing)。与工作应。与工作应力叠加促进脆断的发生。力叠加促进脆断的发生。n残余应力的存在还会改变裂纹的走向。残余应力的存在还会改变裂纹的走向。第39页/共53页第四十页，共54页。5.4 防止焊接结构(jigu)脆断的措施 n n总括：焊接结构发生脆断的危险依然存在！n n 防止焊接结构脆断的策略应该从多方面着眼：n n 1）选择与实际工况匹配的低温(dwn)韧性好的母材；满足缺口韧性指标的要求！n n 2）优化结构设计,完善制造工艺，
25、消除焊接缺陷、焊接应力与变形带来的危害！n n 3）强化质量意识和质量保证体系,实现产品的全程质量监控！第40页/共53页第四十一页，共54页。防止(fngzh)焊接结构脆断的设计措施 (1)尽量减少应力集中 焊缝(hn fn)位置应在平滑过渡处；搭接接头形状应圆滑过渡；避免焊缝(hn fn)过于密集；焊缝(hn fn)应布置在易焊易检的位置。(2)尽量减小结构刚度 不采用过厚截面；结构重要部位刚性过大应开缓和槽。第41页/共53页第四十二页，共54页。防止焊接结构脆断的设计防止焊接结构脆断的设计防止焊接结构脆断的设计防止焊接结构脆断的设计(shj)(shj)措施措施措施措施(3)充分注意受力
26、构件上的不重要焊缝 例如：船体、容器上的挂钩、支架等。原则：能不焊就不焊！俗话说得好：红伤药再好，不如不拉口！分析：不重要焊缝往往不被重视，产生缺 陷的可能性大！然而，这些缺陷又 处在受力构件上，因而，导致(dozh)受力 构件的低应力破坏。可谓：蝼蚁之穴溃千里之堤！第42页/共53页第四十三页，共54页。防止焊接防止焊接(hnji)(hnji)结构脆断的设计措施结构脆断的设计措施(4)充分考虑焊接残余应力和变形的影响 在第二章已经重点讨论了焊接残余应力和变形的危害。从防止脆断发生的角度，本章第三节也对焊接残余应力和变形的影响进行了讨论。重点从两个方面(fngmin)理解：构成复杂应力场，导致
27、缺口效应使材料变脆，而残余应力对脆性材料的静载破坏是有影响的！。角变形和错边都会产生附加弯矩!使焊趾处的应力集中程度加大！第43页/共53页第四十四页，共54页。防止焊接防止焊接(hnji)(hnji)结构脆断的工艺措施结构脆断的工艺措施n n主要是：n n控制应变时效；n n防止产生脆性组织；n n控制焊接缺陷；n n控制角变形及错边；n n注意消除(xioch)焊接残余应力。第44页/共53页第四十五页，共54页。防止焊接结构脆断的选材防止焊接结构脆断的选材(xu(xu n ci)n ci)原则原则 1）满足(mnz)结构使用工况的韧性要求：举例:应用时可详细查阅相关标准.钢 号壁厚 mm
28、试样方向 冲击功最低值/J20-20-40-60-12025CrMo440纵横6040503545304027x.8Ni940纵横70507050705070505035 表表4-1 根据根据DIN17280 低低温温(dwn)韧韧性性钢对钢对冲冲击韧击韧性的要求性的要求(ISO尖型缺尖型缺口口试样试样)第45页/共53页第四十六页，共54页。ISO尖型缺口(quku)试样n n试样尺寸:101055n n缺口型式:V型n n试验方法:参考GB2650n n应用(yngyng)意义:相对评价材料的性能;n n 安全评价的依据.第46页/共53页第四十七页，共54页。防止防止(fngzh(fng
29、zh)焊接结构脆断的选材原则焊接结构脆断的选材原则 2)按断裂力学(dun li l xu)确定选材标准 借鉴宽板拉伸试验结果指导选材;不要一味追求材料的高强度!断裂力学(dun li l xu)更强调:较高的 (KIC/s)2,认为该值与裂纹尖端的塑性区半径R有关!R ,抗开裂能力越强!3)不要选择过厚的结构形式,厚壁结构容易造成平面应变状态!必要时,可考虑采用多层结构.第47页/共53页第四十八页，共54页。wellswells宽板拉伸宽板拉伸(l shn)(l shn)试验试验n n试件尺寸(ch cun)：910910(板厚)缺口(quku)尺寸：50.15注意：焊前开缺口(quku)
30、！适用：静载结构的热应 变脆化研究；残余应力的影响；角变形的影响；退火、预拉伸等。第48页/共53页第四十九页，共54页。wellswells宽板拉伸试验宽板拉伸试验(shyn)(shyn)的评定标准的评定标准n n低碳钢、C-Mn钢n n 以510mm标距内，能产生0.5(2.55mm)的塑性变形，作为该试验条件下的抗开裂温度(wnd)Ti。n n （英国造船业应用的标准）n n高强钢n n 以能够达到 4s 的试验温度(wnd)作为该试验条件下的抗开裂温度(wnd)Ti。n n 特点：更符合实际工况！试验结果可直接用于指导结构设计。第49页/共53页第五十页，共54页。4合理评价(pngj
31、i)结构的安全性目前国内外已经建立了适用于焊接结构设计、制造、验收的、基于目前国内外已经建立了适用于焊接结构设计、制造、验收的、基于“合于使用合于使用(shyng)原则原则”的标准。的标准。IIW 1990年年 IIW/IIS-SST-1157-90中国中国 1984年年 CVDA-1984 压力容器缺陷评定规范压力容器缺陷评定规范 1991年年 JB/T5104-1991 焊接接头脆性破坏的评定焊接接头脆性破坏的评定英国英国 CEGB R6 Asessment of the integity of structures containing defects 美国美国 ASME B31G AP
32、I 579适用性评价适用性评价第50页/共53页第五十一页，共54页。对安全生产不造成危害的缺陷允许存在;对安全性虽不造成危害但会进一步扩展的缺陷，要进行寿命预测，并允许在监控下使用(shyng);若含缺陷结构降级使用(shyng)时可以保证安全可靠性，可降级使用(shyng);若含有对安全可靠性构成威胁的缺陷，应立即采取措施，返修或停用。适用性评价按四种适用性评价按四种(s zhn)情况分别情况分别处理：处理：第51页/共53页第五十二页，共54页。评价程序：评价程序：采集数据：无损检测缺陷的大小、位置采集数据：无损检测缺陷的大小、位置计算：等效裂纹尺寸计算：等效裂纹尺寸(ch(ch cun)cun)，计算应力强度因子，计算应力强度因子KIKI与断裂韧性与断裂韧性KICKIC比较，如果比较，如果KIKICKIKIC，允许，允许计算裂纹张开位移计算裂纹张开位移 与断裂韧性与断裂韧性CC比较，如果比较，如果CC，允许，允许或者计算临界裂纹尺寸或者计算临界裂纹尺寸(ch(ch cun)ac cun)ac，与比较，如果，与比较，如果aacaac，允许，允许 第52页/共53页第五十三页，共54页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第53页/共53页第五十四页，共54页。