残余应力对焊接脆断的影响

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1、残余应力对焊接脆断的影响焊接作为一种实现材料永久性连接的方法被广泛地应用于各个工业部门，由于焊接是一个不均匀加热和冷却的过程。焊接时加热速度快，高温停留时间短（几秒到几十秒），自然冷却，不同于一般的热处理过程，所以这种过程必然会造成不均匀的组织和性能，同时产生复杂的应力。而焊接接头内产生的瞬态热应力以及残余应力.它们的存在，往往是形成焊接裂纹的重要因素，又是造成热应变时效脆化的根源，在一定条件下会影响构件的强度、刚度及其使用寿命.更为严重的是在某些情况下，它们可能导致焊接结构的应力腐蚀开裂，早期疲劳失效和脆性断裂等突发、灾难性事故，从而给生产、人身安全及社会带来巨大损失。下面我们讨论残余应力对

2、焊接脆断的影响。焊接过程中的应力,按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中,某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力,它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接过程由于高度集中的瞬时热输入引起材料不均匀的弹塑性变形，在焊件上产生不均匀的温度场.因此，加热时高温区金属的膨胀，将受到周围低温区金属的约束，而产生压缩塑性变形.冷却时，其塑性压缩的压缩量不能自由地恢复.因此，在焊件内部产生相互平衡的拉伸和压缩应力.焊接残余应力有平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力.焊接残余应力的分布，是一条连续的不规则曲线。用这种复杂的曲线难以计算残余应力，可以采用矩形化简法

3、，阶梯型化简法，近似函数化简法，残余应力再分布法进行计算。焊接结构中的残余应力对焊接结构的脆性破坏影响很大。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。金属材料脆性断裂的能量理论[1]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（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

4、开长度为的穿透裂纹，平板中的弹性应变能将有一部分释放，其释放量为，新表面吸收的能量为，系统总能量变化为，则裂纹释放的弹性应变能为设裂纹的单位表面吸收的表面能为，则形成裂纹所需要的总表面能为因此，裂纹体的能量改变总量为能量随裂纹长度的变化如图2裂纹扩展的临界条件8第页共8页，即因此，－对应于裂纹半长为时导致断裂的应力，－在应力作用下，如果裂纹半长时，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。（）－裂纹扩展力裂纹扩展阻力给定材料为常数。，裂纹自动扩展，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

5、之为材料的断裂韧性（Fracturetoughness），理论实际，、、、断裂韧性、、、，对于脆性材料，抵抗裂纹扩展主要是表面张力，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；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，用表示：对于金属材料，于是，，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.ANavy北极星导弹）8第页共8页图1无限大平板中存在长度为的Ⅰ型裂纹模型（Griffith）宽板试验残余应力的影响图2系统能量与裂纹扩展的关系脆性断裂可以通过冲击试验，威尔斯宽板试验，落锤实验，断裂力

6、学评定方法来进行评定。脆性断裂产生的原因和影响因素焊接时的热不平衡,加上结构的拘束度,必然在焊接接头区产生焊接残余应力,这种残余应力常常可达到材料的屈服强度,使结构的应力水平提高而产生裂纹,导致事故。脆性断裂通常是以裂尖处材料的拉开断裂为主，对于脆性及准脆性材料或者在荷载作用下表现为脆性的材料，由于其线弹性力学特征，裂尖处应力升高得很快，从而使裂尖的塑性区不能及时形成一定的规模，或是由于裂尖的钝化来不及形成，因此裂尖处大多表现为脆性断裂，因而裂尖的材料大多受拉应力作用而开裂。焊接残余应力对脆性断裂有着不可小视的影响。脆性破坏是指构件在几乎不存在塑性变形情况下突然开裂,并快速在整个截面内传播直至

7、破坏。它在低温或者变形速率增加情况下最容易发生。焊接结构中残余应力的存在(残余应力较高时可达屈服极限)时,在外荷载的作用下,有效比例极限降低,部分截面提前进入屈服。这部分截面在塑性变形后,材料的塑性变形能力降低,呈脆性。因此,残余应力的存在,使部分截面出现脆性性能,加剧了构件脆性破坏的可能性。8第页共8页对于压力容器来说，大型压力容器主要采用焊接结构。焊接残余应力的存在，往往加速脆断发生。压力容器