焊接结构生产 教学课件 作者 马世辉 主编 焊接结构的脆性断裂第十三讲焊接结构的脆性断裂.ppt

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1、焊接结构的脆性断裂一、脆性断裂的事故二、金属材料断裂分类及断裂的形态特征1、按断裂前塑性变形的大小分两大类（1）塑性断裂：断裂前有较大的塑性变形。（2）脆性变形：没有或只有少量塑性变形断裂突然发生并快速发展。2、形态特征简单概述（1）塑性断裂宏观断口特征是呈纤维状，色泽灰暗，也有断口剪切唇，断口附近有明显的塑性变形。微观特征形态是韧窝：塑性变形形成容洞和长大导致断裂留下的圆形或椭圆形凹坑。（2）脆性断裂分为解理断裂和晶界断裂解理断裂：沿晶内一定结晶体平面分离而形成的断裂。1）这个结晶体平面往往是原子排列密度最大的平面，这个平面也称为解理面。2）解理断

2、裂通常发生在体心立方和密排六方点阵的金属和合金中3）原因：认为材料塑性变形受阻，材料不能以形变方式而是以分离方式来顺应加外应力。4）宏观特征：人字纹花样晶界断裂：沿晶粒边界发生的分离。宏观特征是：呈颗粒状或粗瓷壮，色泽较灰暗（比延性光亮），边缘有剪切唇。三、影响金属材料脆断的主要因素研究表明最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。1、应力状态бmax、τmax、τmax/бmax大小与加载方式有关，如：单轴拉伸бmax在与载荷方向垂直的截面上τmax与中心轴垂直成450的截面上τmax=1/2бmaxбmax/τmax=1/2圆棒扭转τmax在与

3、中心轴垂直的截面上бmax在与中心轴成450的截面上τmax=бmax（1）当τmax达到屈服极限时，发生塑性变形，达到剪断拉力时产生剪断此时如果当бmax未达到正断拉力时，那么产生塑性断裂。（2）当τmax未达到屈服极限前，бmax已达到正断拉力此时产生脆性断裂实验证明：许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性，在三轴拉伸应力下，不易发生塑变，呈现脆性。在实际结构中，三轴应力是三轴载荷产生，但更多的是由于结构几何形状不连续引起的。就是这个结构虽处于单轴、双轴拉伸应力状态，但由于这个设计不佳，工艺不当，形成三轴应力状态。2、温度的影响随温度的降低材

4、料从塑性破坏变为脆性破坏。出现由塑性转变到脆性转变的温度称为转变温度。转变温度随τmax/σmax比值的降低而提高3、加载速度的影响实验证明，提高加载速度能促使材料发生脆性破坏。同样加载速率下，对有缺口的构件的影响比没有缺口构件的大。4、材料状态的影响（1）厚度的影响厚度的影响主要有以下两种因素决定的1）厚板在缺口处容易形成三轴拉应力2）冶金因素（2）晶粒度的影响对低碳钢和低合金钢而言，晶粒越细，转变温度越低。（3）化学成分的影响钢中的C、N、O、H、S、P增加钢的脆性。钢中的Ni、Cr、V等适当加入减小钢的脆性。（1）热脆硫的最大危害是引起钢在热加

5、工时开裂，称为热脆。原因：FeS的严重偏析，即使含硫不高，也会出现（Fe+FeS）共晶，钢在凝固时，共晶组织中的铁依附共晶相—铁晶体生大，最后把FeS留在晶界处，形成离异共晶。（Fe+FeS）共晶的熔化温度很低（989℃）而加热的温度一般在1150～1250℃这样位于晶界上的（Fe+FeS）共晶处于熔融状态，导致热加工时开裂。防止：加入适当的锰。一般工业用钢中，含Mn量为含S量的5～10倍。（2）冷脆钢中的有害杂质磷引起。原因：钢中的P一般都固溶于铁中，P具有很强的固溶强化作用，它使钢的强度，硬度显著提高，但剧烈降低韧度，尤其是低温韧性，称为冷脆。防

6、止：由矿石和生铁等炼铁原料带入的。（3）氢脆氢的危害很大一是引起氢脆：低于钢材强度极限的应力下，经一定时间后，无任何预兆的情况下突然断裂，造成灾难性后果。二是导致钢材内部产生大量细微小裂纹-白点。白点使钢材的延伸率和冲击韧性降低很大。（4）氮的影响一是淬火时效，二是应变时效淬火时效：氮在α-Fe中的溶解度在591℃最大约为0.1%,随温度的降低，溶解度急剧下降，在室温是小于0.001%，如果含氮量高的过饱和的钢淬火（急剧冷却）。就会得到氮在α-Fe中的过饱和固溶体，将此钢材在室温下长期放置或稍加热时，氮以氮化铁的形式从铁素体中析出，使钢的强度硬度升高

7、，塑性韧性下降，使钢材变脆.应变时效：含氮的低碳钢经冷塑性变形后，性能也随时间而变化，即强度硬度升高，塑性韧性明显下降。解决办法：钢中加入足够足量的铝，形成AlN减弱或消除两种时效现象。（5）氧的作用氧在钢中的溶解度非常小，几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中，如FeO、SiO、MnO等，这些非金属夹杂物破坏钢基体的连续性，在静载或动载时，成为裂纹的起点。另外，对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等也危害很大。谢谢