焊接结构的脆性断裂分析目录摘要一、焊接结构的失效二、脆性断裂的特征三、金属材料脆性断裂的能量理论四、材料断裂的评定方法五、焊接结构脆性断裂事故六、脆性断裂产生的原因和影响因素七、防止焊接结构脆性断裂的工程技术措施八、结论摘要：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效，通常脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失，因此分析焊接结构脆性断裂的主要因素并从防脆断设计、制造质量的全面控制、设备使用管理等方面提出防止焊接结构发生脆断的工程技术措施显得尤为重要。

一、焊接结构的失效通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素在一定条件下断裂，接头一旦失效，就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展造成焊接结构损坏，致使设备停机影响正常生产，焊接结构的失效不仅将停止生产，还往往造成许多严重的灾难性事故。

工程中焊接结构有三种断裂形式，脆性断裂（又叫低应力断裂）、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，其中，脆性断裂一般都在应力不高于结构的设计应力和没有明显的塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，不易事先发现和预防，破坏性非常严重。

二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏,其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征，它是靠结构内部蓄积的弹性能量的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往带来巨大的损失，一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是皇光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端是指向启裂点的方向,形成山形花样,追综这个花样可以找到启裂点。

三、金属材料脆性断裂的能量理论1920年Griffith 取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，先使平板受到单向均匀拉伸应力σ（图1），然后将其两端固定，以杜绝外部能源，垂直于拉应力的方向开长度为a 2的穿透裂纹，平板中的弹性应变能将有一部分释放，其释放量为U ，新表面吸收的能量为W ，系统总能量变化为E ，则W U E +-=裂纹释放的弹性应变能U 为E a U 22σπ=设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ，则形成裂纹所需要的总表面能W 为a W γ4=因此，裂纹体的能量改变总量E 为a E a E γσπ422+-=能量E 随裂纹长度a 的变化如图2γσπγσπ424222+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂=∂∂E a a E a a a E 裂纹扩展的临界条件0=∂∂aE ，即 0422=+-γσπE a 因此a E c πγσ2=，c σ－对应于裂纹半长为a 时导致断裂的应力，22πσγE a =－在应力σ作用下，如果裂纹半长c a a <时，裂纹不扩展，结构可以安全工作。

工程上处理时，应注意两点：① 设计时?=σ估计的可靠性；② 检测中对于缺陷图像显示或描述的准确性如何？真实再现。

G E a a U =-=∂∂2σπ（)(2E a σπ-） －裂纹扩展力 e G aW ==∂∂γ2 裂纹扩展阻力 const aW ==∂∂γ2 给定材料为常数。

γσπ22≥-E a ，裂纹自动扩展 γσπ22≤-Ea ，裂纹不能自动扩展。

此时才知道材料有这么一种性能，我们通常称之为材料的断裂韧性（Fracture toughness ），理论⇒实际，E a U 22σπ=b δ、s σ⇒δ、ψ⇒k A 、k α⇒断裂韧性IC K 、COD 、c δ、IC J ，对于脆性材料，抵抗裂纹扩展主要是表面张力γ，对于具有一定塑性的材料，此时的阻力由两部分组成：① 表面张力γ；② 裂纹尖端附近区域在形成新表面前要产生一定的塑性变形而吸收能量，用P 表示：()0422=++-γπP Ea 对于金属材料γ>>P ，于是 0422=+-P E a π，a EP c πσ2=，22πσEP a = 由 Orowan 提出，在上述基础上，Irwin(美国)发展并确立了弹性断裂力学（1957年）（1950年，U.S.A Navy 北极星导弹）∆xyo a2图1 无限大平板中存在长度为a 2的Ⅰ型裂纹模型（Griffith ） 裂纹长度a 表面能γa W 4=整体能量WU E +-=弹性能释放能量E a U 22πσ-=-势能释放率aU G ∂∂=表面能/单位扩展aW∂∂=γ4+－裂纹长度*a 释放率γG a)b)图2 系统能量与裂纹扩展的关系四、脆性断裂的评定方法金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度σs 和断裂强度σf 。

温度降低，σs 上升速率大于σf 上升速率，两线交点对应温度Tk 称为韧脆转变温度，当T<Tk 时，σf<σs ，材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度，即材料无塑性变形而产生脆断。

σs 和σf 随温度变化图于是脆性断裂的评定主要就变为了转变温度的评定，有以下几种方法：1. 冲击试验分为夏比V 形缺口冲击试验和梅氏U 形缺口冲击试验夏比V 形缺口冲击试验评定：能量准则：以冲击断裂功αk 值降低到某一特定数值时的温度作为临界温度Tk 。

断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定临界温度Tk。

延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。

2.威尔斯宽板试验在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环方面模拟实际结构。

该试验脆性断裂有三种情况：①低应力产生裂纹并立即断裂;②低应力产生裂纹扩展一定长度后自行停止;③在较高温度下，要有高达屈服强度的应力才会产生裂纹，最后产生断裂。

威尔斯宽板拉伸试样K ⅠC 试验测得P-V 图 3.落锤实验测定厚度大于16mm 钢板的NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应，表面堆焊脆性焊道，对热敏感的合金材料难以使用。

4.动态撕裂试验确定材料断裂韧性的全范围的试验方法，属于大型冲击试验。

除了确定NDT 温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。

适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。

这类钢与低强度钢相比，各向异性受钢中杂质的影响，难以保证稳定的抗脆断性能；晶粒大小及碳化物金相组织的大小、分布等对显微裂纹的形成有较大的影响。

5. 断裂力学评定方法断裂力学是防止焊接结构脆断的得力研究手段，使结构的脆断研究由大量试验的经验总结上升到防止脆断的定量设计计算。

具体表现为①某些材料的脆性转变温度不明显；②转变温度方法的试验结果往往受板厚、材料的强度等级、冶金因素、载荷及加载速度的影响转变温度方法未能建立许用应力和缺陷尺寸之间可靠的定量关系。

应力强度因子K Ⅰ是描述裂纹前端应力强弱的力学参量，与裂纹及物体的大小、现状和外加应力等参数有关，如应力增大应力强度因子也会增大，临界应力强度因子K ⅠC 也称为断裂韧性，是评定材料阻止宏观裂纹扩展能力的一种机械性能指标，与裂纹的大小、现状和外加应力的大小无关，是材料本身的特性，是应力强度因子的临界值。

对于中、低强度钢，由于σs 低，而K ⅠC 又较高，此时塑性区域较大，甚至出现大范围屈服现象在这种情况下K ⅠC 已不适用。

线弹性条件下的COD ： 临界状态：五、焊接结构脆性断裂事故1.比利时的Hasselt 大桥断裂1938年3月14日，比利时 Albert 运河上,跨度74.52m 的Hasselt 大桥，使用14个月，载荷不大，20-=T ℃，断裂、倒塌。

不久，1940.1.19和1940.1.25另外两座大桥倒塌。

据统计1938年至1940年共计10余座桥梁倒塌。

至1943年40余座断裂。

材料为比利时当时生产的st-42钢（转炉钢）2.二次世界大战，美国EC2自由轮开裂1946年美国海军部资料，二战期间共生产EC2自由轮4697艘，二战结束后统计970艘1442处裂纹，24艘甲板全部横断，一艘船底完全断裂，8艘从中腰断为两半，4艘沉没，条件是风平浪静。

3.1944年10月20日，美国Ohio 煤气公司液化天然气贮存基地，3台内径4.17=R m 的球形容器，一台直径21.3m ，高12.8m 的圆筒形贮罐，在高度1/3～1/2处喷宽板试验残余应力的影响S G σπδ14=S C C G σπδ14=出气体和液体，20分钟后，1台球罐倒塌，灾情进一步扩大，造成128人死亡，损失680万美元。

4.1950年美国北极星导弹发动机壳在实验室发射时爆炸，材料为D6AC钢σkg/mm2=140s5.1971年西班牙马德里，1台5000m3的球形煤气贮罐进行水压试验，3处开裂破坏，死亡15人。

6.横贯美国大陆的瓦斯管，英国的大型贮罐，英国的“慧星”号喷气式飞机均发生过重大的脆性断裂事故。

六、脆性断裂产生的原因和影响因素1.材料中存在的缺陷和裂纹低应力脆性断裂破坏的根本原因是结构中存在着一定尺寸的各种缺陷和裂纹,这不仅显著地减小了材料的实际强度,还大大地降低了结构的抗断裂能力。

这些缺陷和裂纹一部分是在焊接结构的加工制造过程中产生的,如在钢材冶炼、轧制、锻压、热处理、机加工焊接中产生的偏析、气孔、划痕、咬边、未焊透、夹渣、裂纹等另一部分则往往是在使用过程中产生的,如在交变载荷下产生的疲劳裂纹和环境介质下出现的应力腐蚀裂纹等。

调查研究表明的脆断来自焊接缺陷,其中最严重的缺陷是焊接裂纹。

虽然随着焊接技术的发展,裂纹可以得到控制,但要完全避免各种焊接缺陷和裂纹还是比较困难的。

2.材料呈脆性当结构承载时,缺陷、裂纹尖端附近将产生应力集中,然而是否会导致断裂还将决定于材料的性质,即材料对缺陷的敏感程度。

如果是韧性材料,裂纹扩展前在裂纹尖端会产生较大的塑性变形,使应力充分松驰,从而避免脆性断裂相反,如果是对缺陷十分敏感的脆性材料,在裂纹扩展前,裂纹尖端不产生塑性区,就必然造成突然开裂的脆性断裂当然由于某些原因还会使材料局部强化,性能变脆。

如复杂的结构和厚度尺寸的加大都会较大地限制材料塑性变形区的发展在高速加载下会使材料的应变速率明显提高,大大降低材料的局部塑性。

绝大多数材料特别指钢铁对缺陷的敏感性随着温度的下降会有所增加,所以一些在常温下有一定韧性的材料,在低温下会变脆,结构会从塑性破坏转为脆性破坏,这个转变温度称之谓“脆性转变温度”,工程上常用此作为金属脆性敏感性的判据。

另外,长期经受中子辐照和腐蚀介质浸泡也会使材料脆化,裂纹尺寸过大也将促使脆断发生。