焊接结构的脆性断裂培训课件.ppt

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1、焊接结构的脆性断裂2016年6月主讲：刘伟第一节金属材料的断裂及影响因素一、断裂概述1、断裂的概念及分类断裂——材料在应力的作用下分解成两部分或两部分以上的现象。从结晶学的微观角度，断裂分为解理断裂和剪切断裂；从断面与应力的关系角度，断裂分为正断（与σmax垂直）与切断（与τmax平行）；从断裂时的应变与能量吸收角度，断裂分为脆性断裂与韧性断裂。解理断裂时，材料几乎没有发生塑性变形就出现破断，其断口为闪闪发光的结晶状断口，亦称脆性断裂。剪切断裂时，材料在发生足够大的塑性变形后出现断裂，其断口灰暗无光，通常为纤维

2、状，亦称韧性断裂、切变断裂。2、断裂的一般过程中碳钢的断裂过程如下：首先，构件在拉伸时，随着应力的增大，将从均匀变形过渡到局部的塑性变形，并发生颈缩。颈缩处的心部由于受三向拉应力，不易变形，故滑移受阻，此时将出现位错增殖、堆积，并形成空孔和微裂纹。第二，随着应力的增大，上述空孔和微裂纹将合并长大并缓慢扩张，逐步达到临界裂纹尺寸。第三，达到临界裂纹尺寸的裂纹将会急速扩张，最后发生脆性断裂。3、解理断裂解理断裂——在拉应力的作用下，晶体材料沿某些特定的结晶学截面即解理面发生的断裂。解理断裂是一种脆性断裂。在低温、高

3、应变速率或高应力集中的体心立方、密排六方金属中，当材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变的形式而只能以分离来顺应外加应力，此时变形速度远远跟不上断裂速度，就会发生解理断裂。在解理断裂中，体心立方金属常沿{100}面解理；而密排六方金属沿{0001}面解理。其解理断口常表现为河流花样、解理台阶、舌状花样、鱼骨状花样等。解理断裂通常并不是沿一个晶面解理，而是沿一族相互平行的晶面同时发生解理，不同高度的解理面将形成解理台阶。在裂纹扩张过程中，台阶的高度由小的差异逐渐导致大的差异，尤如小河川汇成大河川，故称为“川流结构

4、”或“河流花样”。图1河流花样的裂纹扩展示意图图2河流花样当解理发展遇到障碍（如孪晶面）时，如果绕不过去，则会在障碍物前的晶粒上停留，当形成多个新的裂纹源后再向前发展，并绕过障碍物，而留下小部分孤岛。故在“河流花样”中常存在着“舌状结构”。图3舌状结构形成示意图图4舌状结构4、剪切断裂剪切断裂——在切应力的作用下，沿滑移面滑移并产生大量塑性变形后出现的断裂。图5圆柱试样拉伸时不同韧性的断裂形式a-颈缩型；b-双杯型；c-杯锥型；d-剪切型不论哪种形式的剪切断裂，均是滑移变形的结果。其滑移的基本形式有两种：一是滑

5、移变形集中在狭小区域里的滑移切断；二是左右同时滑移产生的颈缩断裂。图6滑移切断图7颈缩型断裂5、裂纹的形成与扩张一是由于同号位错在障碍物——夹杂、第二相、气孔或晶界等处堆积，或由于两个交叉的滑移面上的位错皆向交叉处滑移、堆积，从而形成微裂纹，即△型裂纹。图8△型微裂纹的形成示意图二是由于异号位错在相邻很近的滑移面上相对滑移，在交错处形成微裂纹，即□型裂纹。图9□型微裂纹的形成示意图随着滑移的进行，在△型和□型裂纹中，不断移入多余的位错，由于滑移和附加应力的作用，使微裂纹扩张成稍大的裂纹或空孔。截面上的应力状态不

6、同，最后断裂的微观断口形式也不同。图10空孔的合并与断口的走向示意图在上述空孔合并最后形成蜂窝状断口的韧性断裂中，空孔或微裂纹主要是由于第二相或夹杂物前面大量堆积的位错产生的。故第二相颗粒的大小和分布状态对韧性断裂有重要影响。图11韧性断口的“韧窝”二、影响金属材料断裂的主要因素1、应力的影响物体在外力的作用下，在其截面上将产生正应力和切应力。当物体受到单向拉应力时，其最大正应力σmax作用在与外力垂直的平面上，最大切应力τmax作用在与外力成45°的截面上。当正应力达到材料的正断抗力时，将产生正断，断口与外力

7、方向垂直。当切应力达到材料的屈服点时，将发生塑性变形；当切应力达到材料的剪断抗力时，将发生剪断。构件在外力的作用下，在正应力σmax未达到材料的正断抗力前，如果切应力τmax首先达到屈服点，则构件将产生塑性变形，随后出现塑性断裂；如果在切应力τmax达到屈服点之前，正应力σmax首先达到正断抗力，则构件将发生脆性断裂。当有缺口的构件受到拉应力σy时，由于缺口根部横向收缩受阻，将在横向和厚度方向产生拉伸应力σx和σz，从而在缺口根部产生三轴拉应力，并使该处材料变脆。缺口越深、越尖，局部应力和应变就越大。图12缺口

8、根部应力分布2、温度的影响随着温度的降低，构件的破坏方式将由塑性破坏变为脆性破坏。由韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度。在较高温度时，材料处于临界温度以上，位错借助于热激活能可以比较容易地进行移动，并可能会出现新的滑移面，因而脆性裂纹难于形成。而当温度较低时，位错的运动将受到极大阻碍，位错的堆积将导致裂纹形成。3、加载速度的影响随着变形速度的增加，材料来不及进行塑性变形和滑移