第六章焊接结构脆性断裂自从焊接应用于船舶、球罐、压力容器、桥梁、机械设备等工程结构以来，发生了一系列的脆性断裂事故。

1943年1月16日在奥勒冈州波特兰码头某油船发生断裂，当时海面平静，其计算的甲板压力只有7.0Kg，见图6-1。

二次世界大战期间美国建造的5000艘商船中约有1000艘船在1946年4月前经历了1300次左右的大小不同的结构破坏事故，其中250艘完全断裂，见图6-2。

1974年12月日本某圆筒形石油槽发生开裂，该结构用12mm、60Kg 级钢材焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹源并扩展13m，大量石油外流。

1962年7月，奥大利亚的“金斯桥”(跨度30.5m)在45.8t卡车通过时发生脆性断裂，原因是材料含碳量高，可焊性差，断面急剧变化处产生应力集中。

这些断裂事故都具有共同的性质：(1)没有明显的塑性变形，破坏具有突发性；(2)焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构；(3)发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏。

脆性断裂一般在以下条件下发生：(1)结构在低温下工作；(2)结构中存在焊接缺陷；图6-1 船舶断裂实例1 图6-2 船舶断裂实例2(3)焊接残余应力对脆断产生了严重影响；(4)材料性能劣质；(5)结构设计不合理。

§ 6-1 材料断裂及影响因素一、断裂分类及特征按塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂(解理断裂、晶界断裂)。

它们反映材料或结构断裂前的行为，即延性断裂表明在断裂之前金属或结构要发生显著的塑性变形；相反，脆性断裂表明金属材料或结构在断裂前发生很少的塑性变形。

当然这只是定性概念，在定量上，发生多大程度的塑性变形属于延性断裂，小于何种程度的塑性变形量属于脆断，仍需具体情况而定。

它往往与采用的评定标准有关，及测量变形的工具类型和精度有关，也和所评定的金属或结构的特性有关。

如，铁轨用钢，当试样断裂时伴有百分之几的塑性变形时就属于延性断裂，但对于低碳钢来说，其无疑属于脆性断裂。

从“合于使用”原则出发，按图6-3对金属结构断裂性质进行分类。

在拉伸中心开有缺口的试样时，试样上有三种应变。

即无缺口部位的应变ε；缺口尖端处的应变ε′；缺口所在平面内边缘处的应变ε″，一般情况下它们之间具有下述关系：ε′>ε″>ε构件断裂时，此三值与屈服点εs相比，有下述4种情况：εs>ε′>ε″>ε线弹性断裂情况ε′>εs>ε″>ε弹塑性断裂情况ε′>ε″>εs>ε韧带屈服断裂情况ε′>ε″>ε>εs 全面屈服断裂情况从断裂的机制来说，解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。

解理是某些特定结晶学平面发生的断裂。

剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚图6-3 金属结构的断裂性质集断裂。

纯剪切断裂指金属在外力作用下，沿最大切应力的滑移面滑移，最后因滑移面滑动分离而断裂。

微孔聚集断裂指在外力作用下，因晶粒强烈滑移，位错堆积，造成在某些局部产生许多显微空洞（或因夹杂物破碎形成微空洞），这些空洞在切应力作用下不断长大、聚集。

塑性断裂断口特征：宏观形态呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，有塑性变形和滑移线；微观形态呈韧窝，韧窝是塑性变形形成微孔洞聚集长大留下的凹坑，坑底含有第二相粒子或夹杂物。

如图6-4所示。

图4-4 塑性断裂断口图4-5 解理断裂河流花样解理脆性断裂断口特征：宏观形态表现为断口平整，塑性变形几乎为零，有金属光泽，呈现放射状撕裂棱形(人字纹花样)；微观特征出现河流花样、舌状花样、扇形花样，如图6-5所示。

塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离来顺应外加应力。

解理断裂包含两个过程，即裂纹形核和扩展，在外力作用下最有利面上位错发生滑移，滑移位错在晶界的第二相颗粒处受到阻碍而产生积塞，并在位错积塞端部引起应力集中，当应力超过材料的断裂强度时就会产生开裂而形成胚核。

胚核形成后进一步聚集长大，当达到某一临界尺寸时将产生解理断裂。

解理脆性断裂通常发生在低温、大变形速率、严重应力集中、大晶粒度情况下。

晶界脆性断裂断口特征：呈颗粒状，色泽较灰暗，无明显塑性变形，微观形貌为多面体，如岩石状或冰糖状。

晶界各种析出相、夹杂物、及元素偏析是其产生的原因。

二、影响脆断的因素1．温度温度是造成材料产生脆性断裂的重要因素。

温度降低，屈服极限升高，逐渐达到材料的强度极限；晶粒滑移困难，形成裂纹的表面能降低。

造成塑性断裂向脆性断裂转变。

当材料或结构带有缺口时其转变温度明显升高。

最终造成在某一温度区间的冲击能急剧下降，该温度称为脆性转变温度。

2． 应力状态如图6-6所示，横坐标为σmax ，纵坐标为τmax ，s OT 为正断抗力，t T 为剪切屈服极限，t K 为剪断抗力。

当剪应力达到屈服极限t T ，产生塑性变形，达到剪断抗力t K 时，产生剪断。

当正应力达到正断抗力s OT 时，产生正断。

在单轴拉伸状态，设主平面最大拉伸应力为σmax ，与主平面成45o 角平面上有最大剪应力τmax ，且τmax =1/2σmax 。

此时τmax /σmax =1/2，即当s OT 足够小时，产生塑性断裂。

在三向拉伸时，设σ1>σ2>σ3，如果σmax =σ1、τmax =(σ1-σ3)/2，那么τmax /σmax =1/2(1-σ3/σ1)<1/2，即其脆断的倾向要比单轴拉伸状态大，比值越小脆断的倾向越大。

当σ1=σ2=σ3时，τmax /σmax =0，与横坐标重叠，这种受力状态必定是脆断。

3． 加载速度（应变速率）加载速度增加，材料屈服极限增加，抗拉强度提高，其影响相当于降低温度，造成脆断倾向增加。

高的加载速度，材料来不及进行塑性变形和滑移，位错摆脱束缚进行滑移所需的激活时间减小，导致脆性转变温度升高。

当材料或结构存在缺口时，由于缺口处存在应力集中，应变速度比无缺口高的多。

4． 残余应力脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展，因此需要足够的裂纹扩展动力去克服裂纹扩展阻力，才能形成裂纹产生和扩展的能量条件。

焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力，同时该区也是材料性能发生变化的区域，非常容易成为脆性断裂的起源。

5． 板厚板厚增加，塑性变形抗力增加，由平面应力状态向平面应变状态转变；轧制次数少，材料组织结构比较疏松。

图6-6 力学状态图平面应力：如图6-7所示，薄板在y 轴方向施加均匀拉伸应力，该平面内的应力分量σZ 、τZX 、τZY 全部为零。

这样结构三个应力分量，σx 、σy 、τxY 。

由于板很薄这三个应力分量在厚度方向相等，这种应力状态称为平面应力状态。

平面应变：研究一个拦河水坝，坝身受水压产生变形。

设坝身方向(Z 轴)产生的位移为w ，垂直于坝身方向(x 轴、y 轴)产生的位移分别用u 、v 表示。

因坝身很长，认为沿长度方向不产生位移，即w=0，所以εz =∂w/∂z/=0，∂w/∂y=0。

另外因坝身很长某个截面受力情况相同，即应力和应变与z 坐标无关，∂u/∂z=∂v/∂z=0，综上可知，坝体应变分量只有三个：εx 、εy 、r xy 。

根据虎克定律：εz =1/E[σZ -ν(σx +σY )]=0 ν为材料泊松比即σZ =ν(σx +σY )因此，平面应力：σZ =0 平面应变：σZ =ν(σx +σY )6． 材料因素晶粒度小，晶界面积增大，晶界上夹杂物浓度下降，使脆性转变温度降低。

在材料的轧制及加工过程中，晶粒出现拉长或出现线状及带状的夹杂物，造成材料产生各向异性，对材料的脆断温度产生影响。

三、脆性和延性断裂裂纹产生和扩展均有两个步骤组成，即首先在缺陷尖端或应力集中处产生裂纹，然后以一定形式扩展，最后造成结构失效。

图6-8反映了裂纹产生和扩展之间的关系。

区域Ⅰ：温度低，裂纹以解理机制产生。

区域Ⅱ：温度升高，裂纹产生所需能力提高，裂纹以解理和剪切混合机制产生。

区域Ⅲ：纯剪切机制。

图6-7 平面应力状态图§ 6-2 断裂评定方法断裂评定方法可分为抗开裂性能试验：分为转变温度评定方法和断裂力学方法。

转变温度评定方法包括①冲击试验；②宽板拉伸试验（静载）；③尼伯林克试验（动载）。

止裂性能试验：①罗伯逊试验（ESSO ）；②落锤试验；③动态撕裂试验；④双重拉伸试验。

一、转变温度的概念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，如图6-9所示，两线交点对应温度T k 称为韧脆转变温度，当T<T k 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。

由此可知，凡提高屈服强度的因素都可使临界温度T k 提高，脆断倾向增加。

转变温度分为：塑性断裂转变温度FTP（低于此温度，材料将发生纯解理断裂。

高于此图6-8 裂纹产生和扩展之间关系图温度，完全塑性断裂）；弹性断裂转变温度FTE （温度低于该温度，裂纹扩展于低应力范围。

高于此温度，裂纹为塑性扩展）；无延性转变温度NDT（低于此温度，发生低于σs的断裂，即脆性断裂）；断口形貌转变温度T f；止裂转变温度Ta。

一般FTP为高阶能温度FTE与低阶能温度NDT的平均值：FTP>FTE>NDT对于船用钢，此三种温度的关系为：FTP ＝FTE＋33℃＝NDT＋66℃二、转变温度评定方法1．冲击试验冲击韧度是抗脆断能力的工程度量。

冲击试验还用来评定材料及焊接接头的韧脆转变行为。

一般是在不同温度下对一系列试样进行冲击试验，找出韧脆特性与温度之间的关系。

分为夏比V形缺口冲击试验和梅氏U形缺口冲击试验。

试验设备简单，试样制备和试验程序简单。

试验结果具有一定的局限性，不能用于高强度结构钢：因试样未考虑材料厚度，同时加载速率与实际结构受力情况出入较大。

夏比V形缺口冲击试验试样如图6-10所示。

评定方法为：能量准则：以冲击断裂功αk值降低到某图6-10 夏比V形缺口冲击试样图6-11威尔斯宽板拉伸试样图6-9 σs和σf随温度变化图一特定数值时的温度作为临界温度T k。

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T k。

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T k。

2．威尔斯宽板拉伸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、焊接工艺、焊接残余应力、整体尺寸、裂纹部位、焊接热循环方面模拟实际结构。

用于确定临界转变温度。

这种方法不仅用来研究脆性断裂理论，而且也用来作为选材的基础方法。