第2章

焊接結構的脆性斷裂

1本章重點:

2.1結構的脆性斷裂事故及其特征

2.2金屬材料脆性斷裂的能量理論★

2.3金屬材料脆性斷裂及其影響因素

2.3.1金屬材料斷裂的基本概念

2.3.2典型的斷裂機制

2.3.3影響金屬材料脆性斷裂的主要因素★

2.4焊接結構的特點和工藝因素對脆性斷裂的影響★2.4.1焊接結構的特點對脆性斷裂的影響

2.4.2焊接結構制造工藝的特點對脆性斷裂的影響

2.5焊接結構防脆性斷裂設計原則及相關的評定方法

2.6防止焊接結構發生脆性斷裂的途徑★

22.1結構的脆性斷裂事故及其特征

自從焊接結構廣泛應用以來，許多國家都發生過一些焊接結構的脆性斷裂事故。雖然發生脆性斷裂事故的焊接結構數量較少,但其后果是嚴重的，甚至是災難性的。所以脆性斷裂引起世界范圍有關人員的高度重視。目前脆性斷裂事故已趨于減少，但并未杜絕。例如：1972年1月美國建造的大型輪船，船長189m，建成9個月后在紐約的杰佛遜港斷成兩截并沉沒；1979年12月18日我國吉林液化石油氣廠的球罐連鎖性爆炸(死傷86人，損失約627萬元)；1992年1月26日我國黑龍江省某糖廠的4000m3糖蜜罐的罐體突然破裂。下面再介紹幾起典型焊接結構脆性斷裂事故，以便了解脆性斷裂的概貌，并可得到相關經驗。

3典型脆性斷裂事故

橋梁：最典型的是1938年3月比利時阿爾拜特運河上Hesselt橋的斷塌事故。這座橋是用st-42轉爐鋼焊制成，跨度為74.52m,僅使用14個月，就在橋上僅有一輛電車和一些行人的載荷作用下發生斷塌。事故發生時氣溫為-20℃，6min橋身就突然斷為三截。時過不久，1940年1月該運河上另外兩座橋梁又發生局部脆性斷裂。總計從1938～1940年在所建造的50座橋梁中共有10余座出現脆性斷裂事故。加拿大、法國也發生過類似的事故。

輪船：在第二次世界大戰期間，美國制造的4694艘船中，在970艘船上發現有1442處裂紋，這些裂紋多出現在萬噸級的“自由型”貨輪上，其中24艘甲板橫斷，1艘船舶的船底發生完全斷裂。另有8艘從中腰斷為兩截，其中4艘沉沒。另外，Schenectady號T-2型油輪1942年10月建成，在1943年1月16日在裝備碼頭停泊時發生突然斷裂事故。當時海面平靜，天氣溫和，其甲板的計算應力只有70MPa。

4儲罐：在1944年前后，發生幾起球形和圓筒形容器的脆性斷裂事故。如1944年10月美國的液化天然氣儲藏基地的球罐和圓筒形儲罐，這些罐的內層用質量分數為3.5％的Ni鋼制成。事故是由圓筒儲罐引起的。首先在圓筒形罐1／3～l／2高處開裂并噴出氣體和液體，接著起火，然后儲罐爆炸，20min后1臺球罐因底腳過熱而倒塌爆炸，造成128人死亡，損失680萬美元。

上述我國在吉林液化石油氣廠的球罐爆炸事故，是一臺400m3球罐在上溫帶與赤道帶的環縫熔合區破裂并迅速擴展為13.5m的大裂口，液化石油氣沖出形成巨大的氣團，遇到明火引燃，其附近的球罐被加熱，4h后發生爆炸，導致連鎖性爆炸，整個罐區成為一片火海。一些著名的典型脆性斷裂事故的事例及成因見表2-1。5損壞日期結構類別、地點破壞簡況和主要原因1919年1月制糖容器(鉚接)美國馬薩諸塞州波士頓高14m直徑30m入孔處開始，安全系數不足，強度不足，可看到典型指向裂紋源的人字紋。1944年10月圓筒形壓力容器(直徑24m，高13m)美國俄亥俄州雙層容器，內層用質量分數為3.5％的Ni鋼制成。選材不當，低溫脆性斷裂。1962年原子能電站壓力容器法國chlon由厚100mm的錳鉬鋼焊制，環焊縫熱影響區出現嚴重裂紋沿母材擴展。1965年儲氨罐英國用厚度為150mm的Mn-Cr-Mo-V鋼板和鍛鋼制造，從一側的10mm三角形裂紋處引起破壞，應力退火溫度控制不好，造成脆化及鍛鋼件偏析帶。1968年4月球形容器(容積2226m3)日本德山厚29mm、800MPa級的高強度鋼，修補時，焊接熱輸入過大，造成熔合區脆化。1974年12月圓筒形大型石油儲罐日本用厚12mm的600MPa級強度鋼焊制。在環形板與罐壁拐角處的底角部有13m長的裂紋，使大量油溢出。1975年5月容積為1000m3的球罐我國岳陽石油化工廠用厚34mm的15MnVR鋼焊制。制造時存有較大角變形、錯邊、咬邊。一半焊縫采用酸性焊條焊接，造成焊縫和熱影響區塑性很差，在超載情況下爆炸。1962年1月直徑22m、高21m的水洗塔我國吉林化學工業公司用厚44mm的前蘇聯CT3鋼制成，介質為H2-CO2混合氣體，在正常操作條件下爆炸，裂成43個碎片，死傷多人，直接塊經濟損失272萬元。焊縫、熱影響區的沖擊韌度很低，造成低應力脆性斷裂。1979年12月400m3石油液化氣儲罐(球罐)我國吉林煤氣公司用厚28mm的15MnVR鋼焊制，北溫帶與赤道帶的環縫熔合線開裂，迅速擴展至13.5m，液化石油氣沖出至明火處引起爆炸。1992年1月4000m3糖蜜罐我國罐底與罐壁的連接焊縫有較長的未焊透。罐體位置正處在風口，北面向風，破裂時有偏北風，氣溫為-17℃，南側和西南側罐體根部又被焦炭覆蓋，造成溫差，導致附加應力。在不利因素綜合作用下，使罐體突發脆性斷裂。表2-1焊接結構脆性破壞的典型事例及成因6脆性斷裂特征

根據對脆性斷裂事故調查研究結果發現，具有如下特征：

1)斷裂一般都在沒有顯著塑性變形的情況下發生，具有突然破壞的性質。2)破壞一經發生，瞬時就能擴展到結構大部或全體。因此，脆性斷裂不易發現和預防。3)結構在破壞時的應力遠遠小于結構設計的許用應力。4)通常在較低溫度下發生。

焊接結構的特點決定它的脆性斷裂可能性比鉚接結構大。焊接結構的應用范圍很廣，雖然發生的脆性斷裂事故不太多，但損失很大，有時甚至是災難性的。研究脆性斷裂問題對于保證焊接結構的可靠工作、推廣其應用范圍有重大意義。特別是隨著焊接結構向大型化、高強化、深冷方向的發展，對于進一步研究焊接結構的脆性斷裂問題就顯得更為迫切、更為重要。脆性斷裂的根本原因：材料選用不當、設計不合理、制造時有缺陷等，因此，了解金屬材料的性質和焊接結構的特點是非常必要的。7研究和試驗表明，固體材料的實際斷裂強度只有它的理論斷裂強度1／10～l／1000。為什么會有這樣巨大的差異?葛里菲斯(Griffith)認為，在任何固體材料里本來就存在著一定數量大小的裂紋和缺陷，從而導致固體材料在低應力下發生脆性斷裂。如果能使裂紋減少或者使其尺寸降低，則物體的強度便會增加。他從理論上并用實驗證實了這一點。2.2金屬材料脆性斷裂的能量理論8葛里菲斯裂紋體模型

葛里菲斯取一塊厚度為1單位的“無限”大平板為研究模型，首先使平板受到單向均勻拉應力σ，(圖2-1)，然后將其兩端固定，以杜絕外部能源。設想在這塊平板上出現一個垂直于拉應力σ方向長度為2α穿透板厚的裂紋。切開裂紋后，平板內儲存的彈性應變能將有一部分被釋放出來，其釋放量設為U。又由于裂紋出現后有新的表面形成，要吸收能量，設其值為W，此兩種能量可以分別計算出來。

(2-1)

另一方面，設裂紋的單位表面積吸收的表面能為γ，則形成裂紋所需總表面能為：

W=4γα(2-2)

因此，裂紋體的能量改變總量為：

(2-3)9

這個能量改變總量隨裂紋長度α的變化曲線見圖2-2，其變化率為：(2-4)

變化率隨著裂紋長度而變化，見圖2-2b。裂紋擴展的臨界條件是：

此時系統能量隨α的變化出現極大值。此前，裂紋擴展，其系統能量增加。即裂紋每擴展一微量所能釋放的能量＜裂紋每擴展一微量所需要的能量，因此裂紋不能擴展；此后，裂紋擴展其系統能量減少，即釋放的能量＞裂紋擴展所需要的能量，因此裂紋將繼續自動擴展，導致發生脆性破壞。即：10

因此，可把看成是使裂紋擴展的推動力，而2γ是裂紋擴展的阻力。當推動力＞阻力時，裂紋自動擴展；當推動力＜阻力時，裂紋不能自動擴展。葛里菲斯是根據玻璃、陶瓷等脆性材料推導的能量公式。在金屬材料中，當裂紋擴展時，裂紋前端局部地區要發生一定的塑性變形。X射線分析證實金屬斷裂表面有塑性變形的薄層。奧羅萬(Orowan)提出，裂紋擴展所釋放的變形能不僅用于表面能，對于金屬材料，更重要的是用于裂紋擴展前的塑性變形能p

。則在葛里菲斯能量方程里應以(p+γ)來代替γ。裂紋擴展的臨界條件應為：(2-5)根據試驗結果，塑性變形能p比γ大得多，因此γ可忽略不計，裂紋擴展的臨界條件：(2-6)即塑性變形是阻止裂紋擴展的主要因素。由能量原理看出，結構的斷裂條件不僅決定于工作應力σ的大小，還取決于原始裂紋長度α。這個結論和歐文(1rwin)分析裂紋前端應力應變場，考慮裂紋尖端應力集中，建立新的裂紋擴展臨界條件是完全一致的。在此基礎上發展了斷裂力學。112.3金屬材料脆性斷裂及其影響因素

2.3.1金屬材料斷裂的基本概念

斷裂：是指金屬材料受力后局部變形量超過一定限度時，原子間的結合力受到破壞，從而萌生微裂紋，繼而發生擴展使金屬斷開。斷口：斷裂表面的外觀形貌，它記錄著有關斷裂過程的許多信息。多晶體金屬材料的斷裂途徑，可以是穿晶、沿晶斷裂、混晶斷裂。不同斷裂機制可應用斷裂方式、斷裂性態、斷裂形貌等術語來描述。(1)“方式”是指在多晶體材料中斷裂路徑的走向，它可以是穿晶或沿晶界的。穿晶方式可以是循解理面、滑移面或晶體學面的分離等。從宏觀上看，穿晶斷裂可以是延性斷裂，也可以是脆性斷裂(低溫下的穿晶斷裂)；沿晶斷裂則多數是脆性斷裂。它是晶界上一薄層連續或不連續的脆性第二相、夾雜物破壞晶界的連續性造成的。如應力腐蝕、氫脆、淬火裂紋等均是沿晶斷裂。(2)“性態”是表達斷裂前材料的變形能力。延性是指在斷裂前材料產生一定的塑性變形；脆性則指斷裂前不發生或很少發生塑性變形。脆性和延性的概念是相對的，它依賴于所采用的標準和所采用的判斷方法，還依賴于材料。

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(3)“形貌”是指用肉眼或在顯微鏡下在斷口上所見到的現象。描述形貌的典型用詞如“纖維狀”、“人字紋”、“海灘波紋狀”等。

對應不同的斷裂機制：解理斷裂或剪切斷裂等，它們的斷裂方式、性態和斷裂形貌是不一樣的。通常解理斷裂總是呈現脆性的，但有時在解理斷裂前也顯示一定的塑性變形。所以，解理斷裂和脆性斷裂不是同義詞。前者是指斷裂機制，后者則指斷裂的宏觀形態。13典型的斷裂機制(一)解理斷裂

在正應力作用下所產生的穿晶斷裂，通常沿特定晶面即解理面分離。解理斷裂多見于體心立方、密排六方金屬和合金中(在鋼中，100面為解理面)，面心立方晶體很少發生。

解理斷裂機制：當材料的塑性變形過程嚴重受阻(例如低溫、高應變速率及高應力集中情況下)，材料不易發生變形被迫從特定的結晶學平面(解理面)發生分離的斷裂。金屬中的夾雜物、脆性析出物、其他缺陷對解理裂紋的產生有重要影響。

解理斷裂通常呈現脆性，不產生或產生很小的宏觀塑性變形。

圖2-3人字條紋示意圖D－擴展方向O－裂源S－剪切唇R－放射條紋宏觀形貌：解理斷口平齊，斷口上的結晶面在宏觀上呈無規則取向，當斷口在強光下轉動時，可見到閃閃發光的小平面為“小刻面”。另外，解理斷口具有人字條紋或放射狀條紋，人字紋尖峰指向裂紋源，如圖2-3。14解理斷口的微觀形貌常出現的有河流狀、舌狀、扇形花樣等。在河流花樣中，河流匯合方向就是裂紋擴展方向，如圖2-4。

解理裂紋擴展所消耗的能量較小，其擴展速度υ與在該介質中的縱向聲波速度c0相當。

例如：鋼的c0=5020m／s，觀測到的υ／c0值為0.13～0.32范圍，往往造成脆性斷裂構件的瞬時整體破壞。圖2-4解理斷口的微觀特征---河流狀花樣。圖2-4解理斷口的微觀特征---河流狀花樣(一)解理斷裂15（二）剪切斷裂

剪切斷裂是在切應力作用下，沿滑移面的滑移方向而造成的斷裂。

剪切斷裂分為兩種情況：（1）滑移或純剪斷：常發生于純單晶體。金屬在外力作用下沿最大切應力的滑移面滑移，至一定程度而斷裂。（2）微孔聚集型斷裂：多發生于鋼鐵等工程結構材料。在外力的作用下，因強烈滑移、位錯堆積，在局部地方常產生顯微空洞，這種空洞在切應力作用下不斷長大、聚集連接，并同時產生新的微小空洞，最后導致整個材料斷裂。16

剪切斷裂的斷口宏觀形貌：纖維狀，顏色發暗，有滑移變形的痕跡。純剪切斷口：其斷口平面與拉伸軸線成45o角，表面平滑，圖2-5b。微孔聚集型斷裂斷口：又稱杯錐狀斷口。杯底部分與主應力方向垂直的平斷口，斷口平面并非平直，而是由許多細小的凹凸小斜面組成，這些小斜面又和拉伸軸線成45o，圖2-5a。圖2-5剪切斷裂宏觀形貌(從左至右表示斷裂過程)a)微孔聚集型斷裂示意圖b)純剪斷的示意圖圖2-6三種不同形狀的韌窩示意圖a)正交韌窩b)剪切韌窩c)撕裂韌窩微觀特征：韌窩狀。

韌窩花樣的形貌在顯微空洞中生核、長大和聚集過程中，與其周圍的應力狀態和變形均勻性有關，一般出現三種不同形狀的韌窩花樣，圖2-6。17三種不同形狀的韌窩---微觀形貌

正交韌窩形態：等軸或圓形窩，兩個相匹配的斷口表面上，韌窩的形狀是相同的。形成原因是在拉應力作用下，最大主應力方向垂直斷口的表面，并且應力在整個斷口表面上的分布是均勻的，因此在垂直于主應力的杯底中心部分生核的顯微空洞向各方向均勻長大，最后形成等軸韌窩。圖a。

剪切韌窩形態：拋物線花樣，兩個相匹配的斷口表面上韌窩拉長方向是相反的。圖b。撕裂韌窩形態：拋物線花樣，但兩個相匹配的斷口表面上韌窩拉長方向是一致的，圖c。其拉長韌窩的形成是由于顯微空洞在生核和長大過程中，四周所承受的應力和變形不均勻所致。

實際金屬材料的斷裂，由于內部及外部原因（缺陷、性能等）均較復雜，斷裂常常不是單一的機制，其斷口為混合形貌構成。

圖2-6三種不同形狀的韌窩示意圖a)正交韌窩b)剪切韌窩c)撕裂韌窩

另外，除面心立方材料外，所有其他點陣類型的金屬材料均同時存有解理面和滑移面，當外界條件變化時，便可能由解理斷裂向剪切型斷裂轉化，或者相反。這一點對于研究金屬斷裂問題是十分重要的。

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綜上所述，金屬材料的脆性斷裂特征，除了2.1節介紹的4點外，還具有脆性斷裂的斷口形貌特征。即：斷裂平面一般近似地垂直于板材表面，塑性變形很小，因此其厚度減少不多，一般不超過3％。脆性斷裂斷口一般是發亮的晶粒斷口，斷口上常有人字紋或放射狀花樣。另外，脆性裂紋一般為擴展速度極快的解理裂紋，因此很難預防。

192.3.3影響金屬材料脆性斷裂的主要因素201.應力狀煮態的影吵響物體摟在受膨外載搶時，城不同抓的截繩面上蔬產生桂不同怖的正應谷力σ和切應力。在主損平面作米用最大進正應力仍σma圖x，與港主平許面成雀45茅o角史的平初面上徑作用弄有最按大切繁應力max。σmax和ma勻x與加赤載方漆式有壩關，軟性系他數α=max／σmax表示幫應力間狀態軟硬爬程度。式中，為泊松科比，而哭σ1>σ２>σ３。當max≥σma龍x時，“軟抵性”應力貪狀態咐；當ma面x≤σma矩x時，“硬性熱”應力狀譯態。在不同璃加載方漫式下，蟻當σmax未達到愧抗拉強抗度前，ma森x先達到猶屈服點，羊（即ma活x≥σmax）？，則賣發生糊塑性倍變形忘而形橋成延性魄斷裂。反之丘，在max達到沖屈服鞏點前字，σma抽x先達片到抗洪拉強齊度，（即ma暈x≤σma肅x）？，則雄發生脆性魄斷裂。因此，斷裂形櫻式與加載堪方式亦即應力芝狀態有關。（按最比大切應賀力理論高）σma歡x=σ1－(σ2+σ3)（按吸第二皺強度房誠理論配）單軸蠶應力三軸元應力袖狀態21圖2-曬7為構不件受均丟勻拉應狐力時，根其中一基個缺口根俯部出現掙高值怎的應力粒和應扔變集順中情況；釣缺口越深越您尖，其局部乏應力圍和應冊變也越大。三向累應力攔產生倡機理聽：在陪受力影過程岔中，缺口根轉部材料予的伸長，必童然引丑起沿寬度和庫厚度方劇向的收痰縮，但由階于缺口尖本端以外的材幣料受族到的應力棒較小，引收起收縮也較腫小；罪由于收縮總不均兔勻，缺口根后部收縮俯受阻，結稱果產給生寬度搶和厚激度方冤向的拉應群力σx和σz牢，導致勒缺口根伴部形成三向哪應力溜狀態。在三向應往力情況管下，呆材料哈的屈服吵點較單向吃應力時提高，即辯缺口眠根部斤材料渾的屈服湊點提屆高，從而匹使該處材料變復脆。因此，脆性斷捆裂事故多起瓦源于鬧具有嚴重皮應力尸集中霸效應的缺口處。實驗證勾明，許慮多材料脂處于單向或糊雙向拉驢應力時，呈鞋現延性；當處木于三向路拉應導力時，不旦發生塑券性斷裂屯而呈現脆性。在實際競結構中寄，三向應始力可能由三向援載荷產生，宣但更多跨情況是溪由于結構堂的幾撕何不妄連續洪性引起掌的。鴨雖然整個勁結構處于單向共或雙慶向拉壁應力狀態下法，但其局部鎮地區由于設射計或工固藝不當陶，往往愚出現局部三胸向應力狀態砍的缺口殊效應。222．溫度的影份響當T＞Tk時，塑σb>σs，無缺灑口試件硬單軸拉茄伸時，菜先屈服似再斷裂蠻，為延規性斷裂舒，即處島于塑性狀跟態；當T＜Tk，若盜對材張料加南載，胸在破論斷前島只發餐生彈萬性變掉形，不產生蠢塑性變戶形，材料囑呈現脆性斷旗裂，即處格于脆性干狀態。韌脆轉眨變溫度Tk：從一陸個狀繩態向攜另一堪個狀勞態轉眾變的褲溫度界。Tk越低，則俱材料飯處于延性狀態的豈溫度范圍漁越廣；反孫之，隙一切異促成Tk升高的摟因素，均溉將縮小材料嫩塑性惕狀態畝的范圍，增大巧材料產最生脆性卻斷裂的趨拳勢。弄因此Tk是衡量講材料抄抗脆鈴性破糟壞的重要參您數。金屬在高溫時，犬具有良好的鋪變形能華力，當溫度降站低時，懼其變術形能爸力就減小，金費屬這喜種低溫榮脆化的性豈質稱市為“低溫脆故性”。它親是金屬查材料屈服苦點隨溫藥度降低仙急劇喊增加的結概果。任何金洞屬材料無都有兩訊個強度礙指標—σs和σb。σb隨溫度株變化很好小，而σs卻對端溫度冶變化十分燈敏感。溫度降統低，屈服點急劇升高，故局兩曲擦線相慕交于棚一點圖，交探點對盯應的偵溫度外為Tk--劫--韌脆漠轉變罵溫度(見腦圖2呀-8綢)。塑性狀斗態脆性狀扣態σ233．加載茶速度的影響提高加臂載速度能促到進材例料脆性破象壞，其作宴用相當響于降低溫稈度。原因：億鋼的屈服點不僅面取決亮于溫弱度，置而且事還取神決于加載輸速度或應變速肝率。即脆隨著應變扁速率的提高底，材料味的屈服點提高盆。在同叼樣加剛載速烏率下慕，當而結構睬中有缺口時，應變規速率可呈現伸出加倍不爐利影響抵。由桿于應力永集中的影己響，應變速年率比無缺撲口結構高得李多，從而世大大降柳低材料鵝的局部埋塑性。這也釣說明為討什么結斤構鋼一刻旦產生臉脆性斷步裂，就評很容易欲產生擴練展現象棒。原因須：當缺口根毀部小范圍杠金屬材料發廊生斷裂時，則尼在新裂肉紋尖崖端處立即受兵到高應力兵和高應創變的載荷。即：備一旦缺口根奇部開裂秀，就有漏高的應奶變速率，而不蝕管其原槍始加載之條件是袖動載還匠是靜載梁，此后談隨著裂紋加速虛擴展雄，應變笑速率更急劇增野加，致澆使結構最后躺破壞。延性忽-脆畫性轉朽變溫惑度與花應變變速率銅的關居系，圖2基-9盜。244．材料校狀態的影從響1)厚板在缺口攤處容易形妥成三向拉級應力，因穗為沿厚度方畏向的收上縮應惱力和紫變形胳受到較大限愚制，形成平面易應變氧狀態；而薄板材料求，在厚度方徹向能比聰較自由揉地收師縮，故菊厚度梢方向呢的應舅力較也小，努接近靈于平面蜘應力傘狀態。平面應誘變狀態的三向牛應力使材料霉變脆。圖2-技10箱脆性渠斷裂開牢始溫度獻與板厚真的關系(1)濾厚度摩的影響厚度對脆性掉破壞的材不利影凍響可由晨以下兩種因爆素來決置定：2)嗓冶金因嘆素：一孕般說來判，生產薄板時壓延福量大，軋制出終了溫度較崇低，組織細晃密；相反，厚板軋制次起數較少爽，終軋溫度較社高，組織疏術松，內堆外層鹿均勻宜性較禾差。圖2育-1蝦0信可見捉，鋼板越畏厚，其象低溫脆挽性傾向蓬越顯著氧。25(2)疤晶粒詠度的影弟響晶粒直徑越呼小其韌脆瘋轉變溫度越殘低，如圖余2-1喘1。圖2賓-1印1韌脆轉芹變溫度皆和鐵素者體晶粒流直徑的稅關系26(3覽)鴉化學怎成分筆的影伴響有害和元素磨：鋼中巾的C、N、O、S、P均增華加鋼征的脆性。圖2-1爹2，隨著含C量的增暑加，鋼的痛韌脆轉閃變溫度香提高。有益辭元素灰：合金雄元素Mn、Ni可以未改善堡鋼的舉脆性犯，降低韌脆轉欺變溫度辣。（亡圖2-乓13）V、Ti元素在加逝入量午適當揀時，筒也有招助于側減少扶鋼的次脆性幕。272.員4即焊嶄接結構特針點和工藝因境素對脆性蓬斷裂的氏影響焊接結犬構脆性老斷裂事哪故的發棗生，除最了由于材料選醬用不當之獲外，結構的允設計和制造不合鞠理也凱是發虜生脆隱性斷瘋裂的猴重要草原因仁。在60幫個脆性破漫壞事故駁的實例仍中，有1l例是由勢于設計憲不佳所致烏，9例是由夠于焊接呀缺陷所致百。可信見，魚焊接艇結構顧的設計職和制耐造在脆性頭斷裂事扎故中的鉤重要性次。在設計中盡主量避普免和腸降低應力攀集中，并在制造過程中榆加強管嬸理和檢站查，防挖止工藝邊缺陷，是堵減少肯和消浴除脆性破筒壞事故的重要年措施。為了合柄理設計抱和制造方焊接結湯構，必碑須對焊龜接結構的護特點有充分的肝了解。282.廟4.絞1伍焊接結構的膛特點對脆性津斷裂的巖影響1．賀焊接話結構移比鉚獄接結礙構剛度郵大焊接為剛性連恢接，連接曉構件不能產生相對位域移。而鉚接則由展于接樣頭有錫一定喉相對慕位移把的可拍能性丈，而乘使其剛度相黑對降低，在讓工作壺條件役下，械足以墻減少輕因偶然挖載荷而產生附加鋪應力的危完險。在焊踐接結缸構中逝，由獎于在筆設計金時沒有考茄慮到這喉一因紹素，柳往往旗能引鑰起較殊大的附加罩應力。特別章是在溫度降子低而材料忠的塑性變憑壞時，這盟些附加粱應力常常會攻造成結廈構的脆壺性破壞購。附加魂應力的例子釣：19糕47樓年1搞2月愈，原備蘇聯之曾發弦生幾會個4渡50化0m3儲油器魄的局部忍脆性斷輩裂事故故。溫度怪不均所造成晴的附加應紀力是這奶些儲傍油器脊破壞泡的重牙要原在因。供當大炒氣溫滴度下錦降到-4靠2℃后，產一方劫面由際于材肅料本禿身的塑性曲降低，另塊一方撐面由受于容細器的內外長溫度齒不同，底或部和草筒身叔的溫性度不販一樣染，筒身的侮向風面與背風面癢的溫度也有差別，在牛筒身爆就形震成復雜的璃附加應銹力場，因閑而造最成結淘構的討破壞添。29另外慶，焊將接結蚊構比刑鉚接瞎結構剛度大，所以溝對應力煉集中特別環敏感淚，如蝴果設咐計中必采用菜應力鬼集中應系數晝很高嚷的搭接獎接頭，或采犁用驟然變仍化的截夜面，當溫度降慈低時,糕結構倡就有卵發生脆性斷本裂的危險唉。美國嶺“自勸由輪揉”，當憐采用鉚接結阿構時，雖點然應力蕩集中很多大，但艙并未發勉生過日脆性戲破壞事故截。而獲在采兵用焊接結添構后，卻畫發生了杰一系列脆性野破壞事故圈。研究完發現顛：除材料獵選用芳不當外，船粥體設計把不合俘理也是造磨成其破糾壞的重涌要原因番之一。叉圖a最洞初設計被由于拐角流處為適一尖趁角，惹應力買集中很大斷；圖b改進后撤的設計銳由于采鏈用圓滑枯過渡忽的拐純角，斧應力住集中趙得到俯緩和。改進捆后的設籌計承載君能力增加昌到1.4殖倍，而所爬需破壞在能量增加25穴倍。圖2墊-1撒4摧“腹自由騾輪”殿甲板報艙口現設計觸對比a)毀最初設辟計絨b)沃改進潤后設計302．瀉焊接與結構歡具有整體性這一特梯點為設拜計制造屑合理的徐結構提姑供了廣姿泛的可撤能性，傲因此整體性布強是焊接結哪構的優點之程一，但潛是如果勾設計凈不當，或制六造不丸良，這堂一優托點反像而可灶能增峰加焊柱接結殺構脆鮮性斷拾裂的已危險查。因為由披于焊接吹結構的整體性，它將績給裂紋的殖擴展創造谷十分泰有利屠的條籍件。保當焊泰接結籍構工構作時菌，一拳旦有不穩羅定的袖脆性渾裂紋角出現，就有邁可能穿越誦接頭話擴展議至結岸構整等體，而慈使結研構整巧體破彈壞。而鉚接結沖構，當出廉現不穩產定的脆秒性裂紋斤后，只大要擴展到涼接頭處，就吊可自鋪然止先住，避免更亡大災難的出蒼現。湊因此簡在某遺些大型焊破接結構中，有熄時仍保留少閘量的鉚末接接頭。例如：國在一些腰船體中謎，甲板與辨舷側頂歇列板的連接粱就是采煩用鉚接連接。312.4象.2吼焊接前結構制造工幕藝的特也點對蛙脆性千斷裂芒的影塘響焊接么過程可給沉焊接病結構晃的接燭頭帶押來如仔下一積些不利共的影非響：1．兩類宴應變濾時效引起的惜局部脆礎性2．焊陵接接頭金相組復織改變絮對脆頁性的塵影響3．焊接缺悔陷的影晌4．焊府接殘余應滑力的影響321．兩類應慈變時效引起遙的局鳳部脆頭性在焊迎接結秀構制造嗎過程跡中，一拆般包矛括切割、冷熱經成形(剪切達、彎推曲、鍬矯正稠等)、焊接等工序，其中津一些工敬序可能提高鋼材韌-戶脆轉皇變溫響度，使姿材料塘變脆總。（1垮）在匠焊接搜結構性生產雅過程殘中的剪切借、冷羽作矯晚形、體彎曲等，其經過冷加墊工產生守一定插的塑性變柳形，隨后辮又經160拔～45黎0℃溫度悔范圍建的加魂熱就惹會引棟起應變衛時效，導構致脆哪化。（2熊）在焊接時，近縫售區某厭些刻是槽，即缺口尖則端附近或多層昆焊道中置已焊完塑焊道中妙的缺陷附喘近，金辯屬受被到熱循環厭和熱塑誤變循環(1酸50買～4跨50臥℃惜)的戶作用饒，產蓄生焊接好應力撓-應艇變集便中，導致炎較大的塑性變賤形，引起應變匹時效，稱為動應承變時城效(熱應變愁脆化)。鋼的應變時朵效定義：塑性變摩形時或變形后，固值溶狀撐態的芳間隙償溶質惹（C梨、N曉）與便位錯盾交互妙作用轟，“釘看扎”音位錯阻止抱變形的物理香本質，賴從而導萬致強度燃提高均，韌投性下促降的力捎學冶末金現歷象。33許多碳-錳與低強度柄結構鋼對應變時勞效脆化泊比較取敏感烤，它廟將大逐大降低鋼材妥的塑性，提高材料偽的韌-詞脆轉待變溫燒度，促進起焊接結維構的脆性破油壞。應變造時效導致焊茶接結構版脆性破橫壞的實攏例很常見淋的。例隸如：煎某儲油罐的脆悶性破籌壞事您故，揭破壞封始于罐體和鏈底板的秘連接處，擴礎展后懇達到頂部。檢查冊后表伯明：這誕種鋼材對應擠變時羨效非常目敏感，離鋼么材剪切邊典緣不同距幟離處缺爽口韌性妥有急劇夕的變愈化。鋼板本敢身的轉乳變溫占度為-8漢℃，但距剪切會邊緣牌6m愉m處，迅轉變首溫度翁為+53遣℃，距剪僚切邊緣蘿20m誦m處為巴+36象℃。主要原避因：剪切引起冷作液應變，隨后旬進行的焊接工別序引起應變時撈效所致。姐因此，醫該對焊哈接接頭全的應變鎮時效潛區應充度分注矮意。應變時熱效:34試驗結微果：以冷彎掠變形(2命0℃揉預彎鼓)試言件的惱轉變票溫度呼為最低，而250雀℃預彎的轉臟變溫糊度為最高。焊后熱點處理(55沿0～6聯50℃類)可以迷消除兩類應提變時效對低碳摟鋼和一馳些合金繭結構鋼雞的影響庭，恢復其側韌性。因此炕，對應梳變時效敏感條的鋼竿材，焊各后熱飄處理嶺不但竭可以消除焊接殘余按應力，而倉且可王以消師除應變滔時效途的脆商化影軋響，對防泄止結構丙脆性斷反裂是有蔑利的。圖2-柜15碰不同溫牢度下預古應變對拒COD貴值的影雜響1－母椒材睜2聰－+20扒℃預彎匙，25吹0℃下商時效1那／2h3－1冷50℃萌預彎逃4－憶350膽℃預彎敗5位－25萍0℃緩預彎對比抄兩類蟻應變劫時效鋼：動應茅變時壤效對脆鄉豐性的俱影響賊往往更為不臨利。圖2-涌15是書某碳-罩錳鋼在不梳同溫損度下除預應母變對屢斷裂軟時CO州D值(裂紋醒張開位菌移)的汁影響。汗試驗分閉4組進界行，一瓜組是在侮20℃敗下預彎，再湊在2穩50銳℃下朱時效救1／車2h早(模遷擬冷變形引起請的應熔變時腸效)斑，其愉他三瀉組試托件分錘別在堪15掛0℃折、2追50景℃和思35柄0℃仿下熱彎(模釋擬動應眼變時倘效)。所片有試件派的預彎秒處理是南先使缺覺口張開符約0.音1mm澆，然后哥向里彎某曲到原召來尺寸嗚。動應變五時效352．僻焊接曠接頭金相很組織改變對脆煎性的腎影響焊接重過程落是一尸個不均勻饅的加熱過程遠，在殲快速氧加熱功和冷騰卻的析條件孫下，通使焊縫和樹近縫區發生丟了一伸系列金相姐組織的變管化，巡壽因而騾改變接頭梁部位搏的缺儀口韌骨性。圖2-磚16，礎該接頭貨的焊縫和阿熱影響腫區具有比母材高的轉變溫段度，所以瞎，它們姓成為焊測接接頭戲的薄弱為環節。圖2-旗16灶某逗碳-錳百鋼焊接禁接頭不貌同部位錦的CO增D試驗浙結果1－母材2－社母材誼熱應狂變時朵效區3－細肌晶粒熱匯影響區4－粗繼晶粒熱鐵影響區5－焊縫36案例壺：日本寄德山漢球形其容器的脆跪性斷朗裂事辨故是慶由于很采用過大盈的焊夕接熱儀輸入。該容器蛋采用H厚T80高強度社鋼焊接艇，板頸厚為先30責mm宇，焊倒后進地行水主壓試奔驗時上破裂協。按奮工藝距規定尾，應插采用泄的焊接熱勁輸入為48k騾J／c惱m，但由疏于冬季朱施工，焊猛接時蝦采用謀的預熱朝溫度儉偏高，焊接熱討輸入也偏大。分抱析表染明，首脆性烈斷裂起源樓點的焊接濱熱輸入旗為80全kJ航／c屋m，大櫻大超咬過規充定的竟熱輸廚入，將致使焊縫創和熱誤影響趕區的韌性弊顯著鄰降低。圖2旦-1棚7象不同星焊接聽熱輸遭入對墾某碳蠅-錳按鋼焊瓜接接的頭的曬熱影生響區沖擊吸坐收功的悲影響對于確程定的鋼種和焊接吼方法，熱接影響矮區的刷顯微什組織螞主要挽取決岸于焊接富熱輸灶入。因此交，合理怨地選擇葡焊接熱始輸入是勵十分重爸要的，參尤其是陵對高強賞度鋼。實踐膜證明太：高強崗度鋼，過小焊接獅熱輸呆入易造懸成淬硬組核織而引起稿裂紋；過大焊接熱鉤輸入又晨易造成晶粒粗捎大和脆覆化，降櫻低其境韌性盒。圖2-界17，邁隨著焊接熱個輸入的絕增加，該炎區的韌-脆已轉變溫惱度相應地提高，增加脆性詞斷裂危險性右。可采蠅用多層未焊，以適閱當的焊氧接參數左焊接，減小誦焊接幼熱輸艘入，獲仍得滿意膏的韌倉性。2．帆焊接監接頭金相匪組織截改變對脆性排的影響（續）373．焊接壘缺陷的影伯晌在焊駁接接親頭中分，焊縫和守熱影響誕區最容易讓產生各種缺挎陷。據調調查，4禿0％的色脆性斷樸裂事故僅是從焊縫缺期陷處開討始的雕。焊接管缺陷(裂紋、杯未焊透少、夾渣料、咬邊希、氣孔等)回都可陣成為純脆性朋斷裂絞的發源侵地。吉林煙某液策化石周油氣廁廠的球罐真破壞事壯故，斷襖裂的發穩源地就倍在焊縫超的焊趾灰部位。焊接腹缺陷都是應力集噸中部位，尤其氏是裂紋，裂紋進的影響志程度不咬但與其挺尺寸、突形狀有霸關，而年且與其所在部趙位有關佩。如果裂紋位于高值拉凳應力區就容裳易引艦起低應誘力破蠟壞。若在應力卸集中扶區(如壓玻力容器女接管處譽)產生焊接毅缺陷就更幫加危繁險.暢所以血，最蛛好將敵焊縫琴布置框在應力集惱中區以堵外。384．那焊接殘余意應力的影響焊接過油程存在莊的不均俱勻溫版度場，因氏而冷肆卻后贊結構流中必踐然產幻玉生焊級接殘余爭應力。根據笨日本逃的大慘板試征驗：當工作溫員度＞材料的韌-脆球轉變溫茫度時，拉伸殘厭余應力對結構賭的強度無不柄利影響等；當工作煮溫度＜材料尺的韌末-脆立轉變黨溫度公時，滔拉伸翼殘余揀應力晉對結緒構的險強度有不紙利影響。拉伸氏殘余慶應力將和工作斜應力疊加共同起狼作用，擱在外加爽載荷很園低時，吹發生脆僵性破壞巾，即低應郵力破脖壞。拉伸殘迅余應力具有局部服性質，它姜只限熔于在焊縫適及其額附近京部位,離開翠焊縫區別其值迅冤速減小趕。所以利，此峰值展拉伸證殘余憤應力有助糟于斷店裂的惕產生葛。隨李著裂紋的增長離開焊毒縫一定華距離后，君殘余妥應力急劇減宇小。當工作銀應力百較低時，裂為紋可能中止擴鼠展；當工作匹應力鹿較大時，擔裂紋農將一棒直擴展至所結構破慌壞。39裂紋穿過兩平器行焊接接頭的開裂路孔徑圖2碧-1暴8，名由于宜焊縫州距離艇近，預所以索兩平餃行焊縫間的殘余徐應力為拉應力，在增試件哪上有作一個腫較寬確的殘產余拉魯應力徐區。貪因此焦，在忽40京.2籃MP紐奉a的釣均勻究拉應侄力下城脆性膚開裂穿過鑄整個毅試件的寬度柄。圖2意-1溉9，蜻焊縫近間有塑較大懷的殘余動壓應傻力，因賞此，臺在2每9.雄4M蓬Pa盟平均脂應力啞下，繡裂紋糊在壓反應力乖區中拐彎弟并停各止。圖2-遍18近距離平行京焊接掌接頭在試件卷的開融裂路灑徑和針縱向盟殘余環應力湯分布a)浩殘余應望力分布輸圖秤b)偽試件布圖40殘余應天力對脆性室斷裂裂紋擴葡展方向的影響圖2-鳳20，膊若試件未經違退火，試驗偉時也不施驅加外拔力，沖擊引發港裂紋牽后，捏裂紋源在殘余喝應力作用下挽，將沿平行焊聰縫方向擴宜展(N幸30W鹿-3)房誠。隨著外加應拌力的增蒼加，開裂棄路徑越來越昨接近與外加鴿應力方向垂直的試露件中雞心線廉。如果試社件殘余旦應力經退火完先全消除，則掌開裂蓋路徑克與試件蛾中心綠線重屢合(N3削0WR架-1)臨。412.5商焊更接結構防脆性棒斷裂設計涉原則及相霜關的評定嶺方法2.筋5.開1皮焊輸接結葡構防脆性掠斷裂的設計該準則焊接盤結構脆性閑斷裂是瞬時完留成的，難但它肝仍是閑由兩個輪階段組成罵。即慘在結習構某功個部桌位，零例如焊接或障冶金缺于陷處（率焊接霉冷、胡熱裂阻紋、苦咬邊瀉、未拔焊透趙等）首先產生一脆性郊裂紋(即不穩宇定裂渾紋)--途--裂紋瀉的產充生；然后該裂紋濱以極快的速恒度擴展，部賢分或凳全部世地貫穿結誤構件，造錘成脆尿性失都效。圈--仔--裂紋謊的擴蜓展失穩汪擴展膏的裂干紋在一定祥條件下可能停劫止下來白，即止裂。例如鏟：當裂架紋進入拉應力棕較低的區域上，沒有于足夠的檔能量來織維持裂靠紋進一譽步擴展記；或者沙裂紋進趕入到韌性掙較好的材料(或揮同一歇材料瞞，但寨溫度埋較高患，韌納性增索加)奪受到元較大則的阻介力，錫無法潮繼續留擴展疫。材料都妖有脆性爺裂紋引慮發的臨界珍溫度即開裂溫脊度，止醋住裂徹紋擴濕展的止裂脫溫度。開裂和止裂例溫度嘆的高蠅低可用翠來衡昌量材塵料的抗開恨裂性艇能和止裂猶性能，即開裂和絹止裂的疫臨界溫透度越低燈，材料洽的抗開贈裂性能哥和止裂粱性能就誤越好。一般煎來說錢，對應變妥速率遮敏感的材料汁，如C碎-M塊n型中低強宮度鋼，其抗開裂性能批的轉變連溫度＜止裂性替能的轉變鏈溫度；煩對于高強束度鋼由于它乎對應變對速率不謀敏感，唐其開裂厚和止裂屢溫度相差不索多或相牢同。但是悟在任何呢情況下蒜，止裂轉變溫檔度不會低互于（≥鳳）它袖的開裂轉變溫恢度。42脆性斷陳裂是由媽兩個階居段組成揪，因此漢防止結下構發生備脆性破割壞有兩個設仙計準則：一、防止緒裂紋束產生院準則(“開裂家控制”)布；二禿、止裂璃性能叮準則(“擴展控艙制”)跌。前者是要求邊焊接結脆構最薄共弱的部谷位即焊接接牲頭處，具鐮有抵決抗脆繳性裂朋紋產型生的防能力副，即抗開佛裂能翼力；后者要求如羨果在這按些部位跡產生了毯裂紋，筋其周圍有材料應具有撐將其迅巨速止住損的能類力。后者懂比前蠟者要今求苛融刻些。開裂控想制：國際焊妻接學會英于20青世紀帝70板年代提出，允防止焊島接結構姻脆性破貫壞事故膚，主要長著眼點抖應放在焊接接后頭的抗開途裂能車力上(即開裂罵控制)，并南以此殃作為以設計依據臨。擴展戚控制：對于中低強覽度鋼，由捷于殘余贏應力的作用姻，脆性裂循紋一旦決產生，一箭般向母造材方叢向擴展。士因此，要求母材具有一鋼定的止裂戀性能。近年殊來，焊接接改頭各部洽分（如焊縫）的止裂性腰能又受嘴到人訓們的甘重視壺。因悅為在高強度悲鋼種的應朗用日辜益增陣多，吵由于款焊接殘余侍應力耀作用載的減欺弱，或上工作歐應力灰的提步高以歲及焊杰接冶拴金因沃素等命原因治，接訓頭中凱的裂也紋完自全有夾可能沿焊服縫方成向擴紛展，最鍬后造踩成結建構破半壞，換因此逢，要求焊縫或曬接頭各惜部位具有止裂能接力。防脆性斷剝裂的兩個吊設計憂準則432.5附.2依斷裂的據評定方宗法（1捆）轉變德溫度清方法（本書猛采用的允方法）即確定葬材料的紐奉韌--忠脆轉變鄭溫度特再性。（2構）斷罷裂力寫學方義法用KIC、δc粱、JIC等力轉學指遲標，塊作為醉安全震設計躬的依蘆據。2.煌5.秒3沫典型穗試驗漲方法幼介紹1.抗開裂性能磚試驗反映裂紋產頂生前韌度孤參量穿指標俘的試依驗。2.止裂性能試蜘驗測量脆性汗裂紋媽產生樸后韌性指革標的實榆驗。442.6防止焊接琴結構泥發生迷脆性堅斷裂捷的途徑造成結已構脆性泥斷裂的基本林因素：（1擁）材料在榨工作條習件下韌性不井足；（2）穗結構上灰存在嚴飲重的應力斗集中(設幸計上瞎或工橋藝上饑)；（3）過大的觀拉應力(工富作應瓦力、起殘余僵應力催和溫喇度應胳力等怨)。有效地減少或豬控制其中某一臺因素，結構熟發生脆停性斷裂冬的可能管性可顯蓮著降低或仙排除。防止結望構脆性邀斷裂的三個途器徑：1.蛾正讓確、膀合理直地選用紀材料2.膛采專用合駱理的電焊接結構設艦計3.徒合歷理安杠排結覆構制造工南藝452.6介.1柏正確、任合理地選用材伸料基本原陶則：既腥要保證釣結構塔的安真全使別用，又慢要考怪慮經濟效雄果。應翠使所葬選用懷的鋼材和焊接杜用材顛料保證竄在使貴用溫殲度下溪具有合格悔的缺口韌臣性。即要金保證結膠構在工或作條件薯下，焊縫賢、熱蔽影響鴿區、劉熔合博區等薄弱陵部位具有足強夠的抗開優裂性走能，也喬要使母材具有一砍定的止裂性師能。另外，匙在選材羅時還要冶考慮材料費械用和結構總醫體費用的對比皆關系。當某些洲結構材料費釘用與結屬構整體有費用若相比所占比重巷很少時，選責用優良救韌性耍材料是值扭得的新；而腦對一紋些結淺構，材料謠費用是結湖構的主要潑費用時，萍就要香對材狼料費用厲和韌丘度要求雙之間敏的關想系作釘詳細晝的對比、患分析研般究。另時外，幼選材刮時還詠要考兼慮到六一旦結構斷論裂其后果介的嚴匯重性。實驗帳方法雀：通常采夢用夏比廣沖擊垂試驗烈方法進行騎材料獎的選擇和牽評定。沖擊們試驗是紹在不同躬溫度下對償一系激列試犯件進先行試徒驗找橋出其韌-脆魔性特性與溫度的關補系。赴常用蠅的有夏比漸V形和夏比U稿形缺口洞沖擊蜜試驗。目余前多襲采用夏比文V形缺口誘沖擊污試驗。由于愧沖擊試捆驗方法鞋簡單，御試件小臨，容易船制備，幼費用低直，不論逢作為材料質測量控制，還邊是事故品分析束研究，各召國普燦遍采倦用。462.6騰.2違采用合腫理的焊評接結構設愈計設計有脆性斷獅裂傾向的焊接羊結構，愿注意以酷下幾個結原則：1．盡漫量減少詠結構或窄接頭部科位的應力灰集中；2．盡撒量減少逃結構的剛度繪；3．不檔采用過厚截餃面；4．澇重視附件或馬不受力記焊縫的設計廟。471．罷盡量廳減少博結構搬或接尼頭部傲位的應力讓集中1)個在一形些構辨件截面恥改變的地方脖，必須情設計成平緩鄉豐過渡，不要形成尖角，圖義2-用38呈。圖2絲式-3崖8訂尖角種過渡弟和平疾滑過押渡的秧接頭a)裁不可壺采用脾b爆）可以奮采用圖2-將39補封頭駛設計時溉合理與余不合理界的接頭a）犬不合親理起b）缸合理2)在設計關中應盡盤量采用擱應力蓄集中系數筐小的對接辣接頭，盡量避免應力談集中拉大的搭接接晨頭。圖2真-39希a設計琴不合理亦，而圖閃b由于效減少焊日縫處應遲力集中編，承載辯能力大西大提高趨。試驗版表明，購斷裂從焊縫脫以外開始。483)不同厚凳度構件關的對接接聞頭應當盡距可能采趕用圓滑過嬸渡，圖曠2-失40舌。圖2禾-4固0驚不同辰板厚僅的接婦頭設端計方范案a)功可掩以采吧用斯b)極最