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第十节焊接结构的脆性破坏焊接结构的破坏情况影响脆性断裂的主要因素预防船体脆性断裂的措施自从焊接结构广泛应用以来，许多国家都发生过一些焊接结构的脆性断裂事故。虽然发生脆性断裂事故的焊接结构数量较少，但其后果是严重的，甚至是灾难性的。所以脆性断裂引起世界范围有关人员的高度重视。目前脆性断裂事故已趋于减少，但并未杜绝。例如：1972年1月美国建造的大型轮船，船长189m，建成9个月后在纽约的杰佛逊港断成两截并沉没；1979年12月18日我国吉林液化石油气厂的球罐连锁性爆炸(死伤86人，损失约627万元)；1992年1月26日我国黑龙江省某糖厂的4000m3糖蜜罐的罐体突然破裂。焊接结构的破坏情况桥梁——最典型的是1938年3月比利时阿尔拜特运河上Hesselt桥的断塌事故。这座桥是用st-42转炉钢焊制成，跨度为74.52m，仅使用14个月，就在桥上仅有一辆电车和一些行人的载荷作用下发生断塌。事故发生时气温为-20℃，6min桥身就突然断为三截。——1940年1月该运河上另外两座桥梁又发生局部脆性断裂。总计从1938～1940年在所建造的50座桥梁中共有10余座出现脆性断裂事故。加拿大、法国也发生过类似的事故。轮船——在第二次世界大战期间，美国制造的4694艘船中，在970艘船上发现有1442处裂纹，这些裂纹多出现在万吨级的“自由型”货轮上，其中24艘甲板横断，1艘船舶的船底发生完全断裂。另有8艘从中腰断为两截，其中4艘沉没。——Schenectady号T-2型油轮1942年10月建成，在1943年1月16日在装备码头停泊时发生突然断裂事故。当时海面平静，天气温和，其甲板的计算应力只有70MPa。焊接结构的破坏情况储罐——在1944年前后，发生几起球形和圆筒形容器的脆性断裂事故。如1944年10月美国的液化天然气储藏基地的球罐和圆筒形储罐，这些罐的内层用质量分数为3.5％的Ni钢制成。事故是由圆筒储罐引起的。首先在圆筒形罐1／3～l／2高处开裂并喷出气体和液体，接着起火，然后储罐爆炸，20min后1台球罐因底脚过热而倒塌爆炸，造成128人死亡，损失680万美元。前述我国在吉林液化石油气厂的球罐爆炸事故，是一台400m3球罐在北温带与赤道带的环缝熔合区破裂并迅速扩展为13.56m的大裂口，液化石油气冲出形成巨大的气团，遇到明火引燃，其附近的球罐被加热，4h后发生爆炸，导致连锁性爆炸，整个罐区成为一片火海。焊接结构的破坏情况损坏日期结构类别、地点破坏简况和主要原因1919年1月制糖容器(铆接)美国马萨诸塞州波士顿高14m直径30m入孔处开始，安全系数不足，强度不足，可看到典型指向裂纹源的人字纹。1944年10月圆筒形压力容器(直径24m，高13m)美国俄亥俄州双层容器，内层用质量分数为3.5％的Ni钢制成。选材不当，低温脆性断裂。1962年原子能电站压力容器法国chlon由厚100mm的锰钼钢焊制，环焊缝热影响区出现严重裂纹沿母材扩展。1965年储氨罐英国用厚度为150mm的Mn-Cr-Mo-V钢板和锻钢制造，从一侧的10mm三角形裂纹处引起破坏，应力退火温度控制不好，造成脆化及锻钢件偏析带。1968年4月球形容器(容积2226m3)日本德山厚29mm、800MPa级的高强度钢，修补时，焊接热输入过大，造成熔合区脆化。1974年12月圆筒形大型石油储罐日本用厚12mm的600MPa级强度钢焊制。在环形板与罐壁拐角处的底角部有13m长的裂纹，使大量油溢出。1975年5月容积为1000m3的球罐我国岳阳石油化工厂用厚34mm的15MnVR钢焊制。制造时存有较大角变形、错边、咬边。一半焊缝采用酸性焊条焊接，造成焊缝和热影响区塑性很差，在超载情况下爆炸。1962年1月直径22m、高21m的水洗塔我国吉林化学工业公司用厚44mm的前苏联CT3钢制成，介质为H2-CO2混合气体，在正常操作条件下爆炸，裂成43个碎片，死伤多人，直接块经济损失272万元。焊缝、热影响区的冲击韧度很低，造成低应力脆性断裂。1979年12月400m3石油液化气储罐(球罐)我国吉林煤气公司用厚28mm的15MnVR钢焊制，北温带与赤道带的环缝熔合线开裂，迅速扩展至13.5m，液化石油气冲出至明火处引起爆炸。1992年1月4000m3糖蜜罐我国罐底与罐壁的连接焊缝有较长的未焊透。罐体位置正处在风口，北面向风，破裂时有偏北风，气温为-17℃，南侧和西南侧罐体根部又被焦炭覆盖，造成温差，导致附加应力。在不利因素综合作用下，使罐体突发脆性断裂。焊接结构的破坏情况根据对脆性断裂事故调查研究结果发现，具有如下特征：断裂一般都在没有显著塑性变形的情况下发生，具有突然破坏的性质。破坏一经发生，瞬时就能扩展到结构大部或全体。因此，脆性断裂不易发现和预防。结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力。通常在较低温度下发生。焊接结构的特点决定它的脆性断裂可能性比铆接结构大。焊接结构的应用范围很广，虽然发生的脆性断裂事故不太多，但损失很大，有时甚至是灾难性的。研究脆性断裂问题对于保证焊接结构的可靠工作、推广其应用范围有重大意义。特别是随着焊接结构向大型化、高强化、深冷方向的发展，对于进一步研究焊接结构的脆性断裂问题就显得更为迫切、更为重要。脆性断裂的根本原因：材料选用不当、设计不合理、制造时有缺陷等，因此，了解金属材料的性质和焊接结构的特点是非常必要的。焊接结构的破坏情况影响脆性断裂的主要因素应力状态的影响温度的影响加载速度的影响材料状态的影响图示为构件受均匀拉应力时，其中一个缺口根部出现高值的应力和应变集中情况；缺口越深越尖，其局部应力和应变也越大。三向应力产生机理：在受力过程中，缺口根部材料的伸长，必然引起沿宽度和厚度方向的收缩，但由于缺口尖端以外的材料受到的应力较小，引起收缩也较小；由于收缩不均匀，缺口根部收缩受阻，结果产生宽度和厚度方向的拉应力σx和σz，导致缺口根部形成三向应力状态。在三向应力情况下，材料的屈服点较单向应力时提高，即缺口根部材料的屈服点提高，从而使该处材料变脆。因此，脆性断裂事故多起源于具有严重应力集中效应的缺口处。实验证明，许多材料处于单向或双向拉应力时，呈现延性；当处于三向拉应力时，不发生塑性断裂而呈现脆性。在实际结构中，三向应力可能由三向载荷产生，但更多情况是由于结构的几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单向或双向拉应力状态下，但其局部地区由于设计或工艺不当，往往出现局部三向应力状态的缺口效应。应力状态的影响影响脆性断裂的主要因素温度的影响当T＞Tk时，σbσs，无缺口试件单轴拉伸时，先屈服再断裂，为延性断裂，即处于塑性状态；当T＜Tk，若对材料加载，在破断前只发生弹性变形，不产生塑性变形，材料呈现脆性断裂，即处于脆性状态。脆性转变温度Tk：从一个状态向另一个状态转变的温度。Tk越低，则材料处于延性状态的温度范围越广；反之，一切促成Tk升高的因素，均将缩小材料塑性状态的范围，增大材料产生脆性断裂的趋势。因此Tk是衡量材料抗脆性破坏的重要参数。金属在高温时，具有良好的变形能力，当温度降低时，其变形能力就减小，金属这种低温脆化的性质称为“低温脆性”。它是金属材料屈服点随温度降低急剧增加的结果。任何金属材料都有两个强度指标—σs和σb。σb随温度变化很小，而σs却对温度变化十分敏感。温度降低，屈服点急剧升高，故两曲线相交于一点，交点对应的温度为Tk----脆性转变温度。塑性状态脆性状态σ影响脆性断裂的主要因素加载速度的影响提高加载速度能促进材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。原因：钢的屈服点不仅取决于温度，而且还取决于加载速度或应变速率。即随着应变速率的提高，材料的屈服点提高。在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍不利影响。由于应力集中的影响，应变速率比无缺口结构高得多，从而大大降低材料的局部塑性。这也说明为什么结构钢一旦产生脆性断裂，就很容易产生扩展现象。原因：当缺口根部小范围金属材料发生断裂时，则在新裂纹尖端处立即受到高应力和高应变的载荷。即：一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动载还是静载，此后随着裂纹加速扩展，应变速率更急剧增加，致使结构最后破坏。脆性转变温度与应变速率的关系影响脆性断裂的主要因素材料状态的影响1)厚板在缺口处容易形成三向拉应力，因为沿厚度方向的收缩应力和变形受到较大限制，形成平面应变状态；而薄板材料，在厚度方向能比较自由地收缩，故厚度方向的应力较小，接近于平面应力状态。平面应变状态的三向应力使材料变脆。脆性断裂开始温度与板厚的关系(1)厚度的影响厚度对脆性破坏的不利影响可由以下两种因素来决定：2)冶金因素：一般说来，生产薄板时压延量大，轧制终了温度较低，组织细密；相反，厚板轧制次数较少，终轧温度较高，组织疏松，内外层均匀性较差。钢板越厚，其低温脆性倾向越显著。影响脆性断裂的主要因素试验条件：10mm、20mm、30mm、40mm板厚的试件预制40mm长的裂纹施加应力等于1/2屈服点试验结果：当厚度小于30mm时，发生脆断的脆性转变温度随板厚度增加而直线上升；当板厚超过30mm，脆性转变温度增加得较为缓慢。试验证明(2)晶粒度的影响晶粒直径越小其脆性转变温度越低。脆性转变温度和铁素体晶粒直径的关系影响脆性断裂的主要因素(3)化学成分的影响有害元素：钢中的C、N、O、S、P均增加钢的脆性。右图中，随着含C量的增加，钢的脆性转变温度提高。有益元素：合金元素Mn、Ni可以改善钢的脆性，降低脆性转变温度。V、Ti元素在加入量适当时，也有助于减少钢的脆性。影响脆性断裂的主要因素造成结构脆性断裂的基本因素：（1）材料在工作条件下韧性不足；（2）结构上存在严重的应力集中(设计上或工艺上)；（3）过大的拉应力(工作应力、残余应力和温度应力等)。有效地减少或控制其中某一因素，结构发生脆性断裂的可能性可显著降低或排除。防止结构脆性断裂的三个途径：1.正确、合理地选用材料2.采用合理的焊接结构设计3.合理安排结构制造工艺预防船体脆性断裂的措施正确、合理地选用材料基本原则：既要保证结构的安全使用，又要考虑经济效果。应使所选用的钢材和焊接用材料保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。即要保证结构在工作条件下，焊缝、热影响区、熔合区等薄弱部位具有足够的抗开裂性能，也要使母材具有一定的止裂性能。另外，在选材时还要考虑材料费用和结构总体费用的对比关系。当某些结构材料费用与结构整体费用相比所占比重很少时，选用优良韧性材料是值得的；而对一些结构，材料费用是结构的主要费用时，就要对材料费用和韧度要求之间的关系作详细的对比、分析研究。选材时还要考虑到一旦结构断裂其后果的严重性。实验方法：通常采用夏比冲击试验方法进行材料的选择和评定。冲击试验是在不同温度下对一系列试件进行试验找出其韧-脆性特性与温度的关系。常用的有夏比V形和夏比U形缺口冲击试验。目前多采用夏比V形缺口冲击试验。由于冲击试验方法简单，试件小，容易制备，费用低，不论作为材料质量控制，还是事故分析研究，各国普遍采用。预防船体脆性断裂的措施采用合理的焊接结构设计设计有脆性断裂倾向的焊接结构，注意以下几个原则：1．尽量减少结构或接头部位的应力集中；2．尽量减少结构的刚度；3．不采用过厚截面；4．重视附件或不受力焊缝的设计。预防船体脆性断裂的措施1尽量减少结构或接头部位的应力集中1)在一些构件截面改变的地方，必须设计成平缓过渡，不要形成尖角。尖角过渡和平滑过渡的接头a)不可采用b）可以采用封头设计时合理与不合理的接头a）不合理b）合理2)在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头，尽量避免应力集中大的搭接接头。设计不合理，而图b由于减少焊缝处应力集中，承载能力大大提高。试验表明，断裂从焊缝以外开始。预防船体脆性断裂的措施3)不同厚度构件的对接接头应当尽可能采用圆滑过渡。不同板厚的接头设计方案a)可以采用b)最好c)不可以采用预防船体脆性断裂的措施4)应将焊缝布置在便于焊接和检验的地方，以便消除造成工艺应力集中(缺陷)的因素。不易施焊的焊态部位举例预