第四章-脆性断裂

第4章焊接结构断裂分析及控制金属材料脆性断裂与延性断裂断裂力学基础焊接接头的断裂力学分析焊接结构脆断的影响因素焊接结构的断裂控制抗断裂性能的试验评定方法4.1金属材料脆性断裂与延性断裂断裂过程：裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂根据断裂前塑性变形的大小，将断裂分为：（1）脆性断裂没有明显的塑性变形、瞬时扩展到结构整体、突然破坏、应力不高于结构的设计应力（2）延性断裂（塑性断裂或韧性断裂）断裂前有明显塑性变形4.1.1脆性断裂放射状条纹人字形花样脆性断裂的主要特征：（1）低应力脆性断裂工作应力屈服极限或许用应力（2）低温脆性断裂（3）裂纹超过某个临界尺寸，将迅速扩展，直至断裂，具有突然性。（4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属中出现脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂4.1.2延性断裂（韧性断裂）塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形→载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形→继续变形，作用力增加（加工硬化）→加大载荷，产生微裂口或微空隙→微空隙扩展汇合成宏观裂纹→宏观裂纹发展到一定尺寸→最终快速失稳断裂韧性断口：微孔洞（韧窝）韧性断裂的过程：微孔成核、微孔长大和微孔聚合三个阶段。4.1.3韧性―脆性转变一、影响金属材料断裂的主要因素（1）应力状态（2）温度（3）加载速度（4）材料的内在因素化学成分、组织状态三轴应力状态的缺口效应二、韧性―脆性转变温度降低，塑性断裂→脆性断裂韧性―脆性转变温度4.2断裂力学基础4.2.1含裂纹件的断裂行为剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时刻所具有的承载能力含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题：（1）结构的剩余强度与裂纹尺寸之间的函数关系；（2）在工作载荷作用下，结构中容许的裂纹尺寸，即临界裂纹尺寸或裂纹容限；（3）结构中一定尺寸的初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸需要的时间；（4）结构在制造过程中容许的缺陷类型和尺寸；（5）结构在维修周期内，裂纹检查的时间间隔。4.2.2线弹性断裂力学一、裂纹类型根据裂纹体的受载和变形情况分为三种类型：（1）张开型（或称拉伸型）裂纹（Ⅰ型裂纹）外加正压力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正压力方向垂直（2）滑开型（或称剪切型）裂纹（Ⅱ型裂纹）剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展（3）撕开型裂纹（Ⅲ型裂纹）在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开。裂纹前缘平行于滑动方向大多数裂纹形式属于Ⅰ型裂纹，最危险二、裂纹尖端的应力场设一无限大平板中心含有一长度为2a的穿透裂纹Irwin离裂纹尖端（r，θ）的点3cos1sincos22223cos1sincos22223sincoscos2222IxIyIxyKrKrKr薄板平面应力状态厚板平面应变状态22222cos1sincos22222sin1sincos2222IIKruEKrvE2221cos22cos2222sin22cos222IIKruEKrvE应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标Ⅰ代表Ⅰ型裂纹受单向均匀拉伸应力作用的无限大平板有长度为的中心裂纹的应力强度因子为KI取决于裂纹的形状和尺寸，以及应力的大小xyoa2IKa三、裂纹尖端的塑性区当θ=0，切应力为零，正压力最大当r→0时，应力趋于∞，表明裂纹尖端处应力场有r-1/2阶奇异性（理论上）塑性区Irwin考虑塑性区的影响，裂纹长度a→a+ryry为塑性区长度，Ⅰ型裂纹的ry为（平面应力）（平面应变）12IyyKr122IyyKr将修正后的裂纹尺寸a+ry代入（平面应力）（平面应变）()IyKar2112IsaK21142IsaK四、断裂分析的能量原理Griffith取一块单位厚度的“无限”大平板弹性应变能释放量U新表面吸收能量W，总能量变化为设裂纹的单位表面吸收的表面能为γEUW22aUExyoa24Wa224aEaE系统能量与裂纹扩展的关系裂纹扩展的临界条件能量释放率（裂纹扩展的驱动力）裂纹扩展的阻力222244EaaaaaEE22040EaaE2UaGaE2eWGa裂纹长度a表面能aW4整体能量WUE弹性能释放能量EaU22势能释放率aUG表面能/单位扩展aW4能量+－裂纹长度*a释放率G*aa)b)裂纹自动扩展裂纹不能自动扩展若给定裂纹半长a，则裂纹扩展的临界应力为若给定应力σ，则裂纹扩展的临界长度为玻璃、陶瓷等脆性材料22aE22aE2cEa22cEa裂纹长度a表面能aW4整体能量WUE弹性能释放能量EaU22势能释放率aUG表面能/单位扩展aW4能量+－裂纹长度*a释放率G*aa)b)金属材料裂纹尖端局部区域塑性变形Orowan设P为裂纹扩展单位面积所需的塑性变形能，以（P+γ）来代替γ，裂纹的临界扩展条件为金属材料塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素薄板（平面应力）2cEPa22cEPa2240aPEP五、断裂韧度和断裂判据无限大平板长为2a的穿透裂纹应力强度因子KI与应变能释放率G（平面应力）（平面应变）断裂韧度GC与KIC，断裂准则或KIC是材料常数KIC通过有关标准试验来获得KIC的选取应保证平面应力的延性断裂IICKKIICGG2IKGE21IKGE4.2.3弹塑性断裂力学一、裂纹张开位移（COD）1961年WellsCOD理论COD表征裂纹尖端附近的塑性变形程度COD判据：裂纹体承受载荷时，裂纹尖端张开位移δ达到极限值δC（mm）时，裂纹会起裂扩展，断裂准则为δC为材料的裂纹扩展阻力，可通过标准试验方法测定。COD判据是一个起裂判据CCOD常用的定义方法图a有明显的物理意义，但试验中不容易测得图b便于测定，在大多数情况下有满意的精度图c直观易懂，应用较广图d应用于中心穿透裂纹，便于有限元分析COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈服前均适用小范围屈服时无限大平板中心裂纹受到单向拉伸（平面应力）（平面应变）在大范围屈服条件下工程应用的设计曲线20.520.250.5sssssa4IsKE214IsKE二、J积分1968年Rice设有一单位厚度的Ⅰ型裂纹体，J积分的定义为小范围屈服条件下（平面应力）（平面应变）断裂准则为JIC—弹塑性断裂韧度2IIKJGE221IIKJGEuJwdydsxTICJJ4.2.4剩余强度以宽为W的中心裂纹板为例当时，结构发生断裂，剩余强度为ICCKa212nsnsWaWWaIICKaK212gnssgnWaWWa4.2.5动态裂纹扩展与止裂动态裂纹扩展通常有两种情况：1）含静止裂纹的结构承受迅速变化的动载荷作用引起的裂纹扩展；2）净载荷或缓慢变化的载荷作用下的裂纹快速扩展在线弹性材料特性范围内，第一类问题的裂纹起裂准则为式中，KI是动载荷下的应力强度因子KId是动态应力强度因子IIdKK一、动态裂纹扩展（G-R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展速度为00.38(1)caVCa当裂纹快速扩展时，K(V)为动态应力强度因子，K(0)是同一载荷及当前裂纹长度下的静态应力强度因子，k(V)是裂纹扩展速度的函数瞬时能量释放率与应力强度因子的关系A(V)是裂纹扩展速度的函数动态裂纹能量释放率与静态裂纹能量释放率之间的关系G(V)为动态应力强度因子，g(V)是裂纹扩展速度的函数，G(0)是静态应力强度因子0KVkVK2KGAVE0GVgVG二、裂纹止裂的基本原理利用能量平衡原理进行研究如果G稍微降到R以下，裂纹止裂4.3焊接接头的断裂力学分析4.3.1含裂纹焊接接头的断裂模式影响因素：接头强度失配比、裂纹尺寸、应变硬化性能等相互影响低匹配高匹配临界裂纹尺寸焊接接头发生全面屈服的最大裂纹尺寸ag焊接接头母材发生屈服并断裂的最大裂纹尺寸abg在高匹配条件下，焊缝发生小范围屈服而母材发生屈服断裂的最大裂纹尺寸an121122BWWBssgnsgWWnn1WCWBnKa121122BBWBnnbgsnbgWBssσnB—母材的极限强度KCW—焊缝的断裂韧度4.3.2失配性对焊缝裂纹驱动力的影响高匹配焊缝中心裂纹宽板（CCT试件）横向拉伸2H/B和W一定，当a≤ac1（临界裂纹尺寸）时，“冻结”现象匹配因子M的增大，COD―ε曲线将会降低裂纹驱动力：低匹配低估高匹配高估充分考虑非匹配因素的影响4.4焊接结构的断裂控制4.4.1影响焊接结构脆断的主要因素一、焊接结构特点的影响焊接结构刚性大、整体性强、对应力集中敏感“自由”轮甲板舱口设计对比a)原始设计b)改进后设计二、焊接残余应力的影响韧脆转变温度对脆断影响不大韧脆转变温度使断裂应力显著减小拉伸残余应力将和工作应力迭加共同作用，在外载很低时，发生脆性破坏－低应力破坏宽板试验研究残余应力的影响1）无残余应力的试件（PQDG曲线）破坏强度c≥材料的屈服极限s2）有残余应力的试件（PQDER曲线）转变温度无不利影响，c≥s=转变温度c急剧下降转变温度c很小，cs拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区迅速减小，峰值残余应力有助于断裂的产生平行焊接接头试样开裂路径和试件中纵向残余应力三、焊接缺陷的影响焊接缺陷对脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关（1）平面缺陷－如裂纹、分层和未焊透等，其影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度（2）非平面缺陷－如气孔、夹渣等，其影响程度一般低于平面缺陷40%的脆断事故是从焊接缺陷处开始的，各种缺陷中以裂纹对脆断的影响最大四、金相组织改变对脆性的影响热影响区是焊接接头的薄弱环节之一热影响区的金相组织主要取决于钢材的原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量焊接接头不同部位的韧性五、应变时效对脆断的影响两种应变时效：（1）应变时效钢材被剪切、冷作和弯曲成形之后，若在150～450℃范围内加热，材料的性能就会发生脆化现象塑性变形（剪切、冷作矫形）→加热（150~400℃）→脆化（2）动应变时效（热应变时效）在焊接过程中，材料经受应力和应变循环，同时也受到焊接热循环的热作用而发生的应变时效加热和塑变同时→脆化图a预弯曲量越大，转变温度越高图b不同温度下预弯曲的试件，其转变温度不同焊后热处理消除时效影响缺口弯曲试件预应变对脆断的影响a)预应变量的影响b)预应变温度的影响六、角变形和错边的影响角变形和错边降低结构的抗脆断能力角变形和错边比较大的接头→承受拉应力，力线不通过中心，产生附加弯矩→低应力破坏焊缝加厚高在熔合线处的应力集中将其更加严重可加焊防裂焊缝，消除咬肉，整形焊缝，改变熔合线方向，改善焊缝的受力条件4.4.2焊接结构的断裂控制一、正确选材基本原则：安全性经济效益应使所选用的钢材和焊接充填金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性选材方法：