焊接结构的疲劳.ppt
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1、焊接结构脆性断裂Brittle Fracture,材料成型及控制工程2012.9,矽砷软厌戌贰疤紊孩湿殷诞会满图汰未骗松郧候棉止货藩拔放萧衔鸣爵盅2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,焊接结构脆性断裂、疲劳断裂事故时有发生,典型案例:实例之一:二战期间,美国250艘全焊接战时标准船的断裂事故,其中10艘在平静港湾突然一断为二。实例之二一:泰坦尼克号的失事是低温引起材料焊接处脆断实例之三:2001年11月7日,四川省宜宾市南门中承拱桥因吊杆脆断造成大桥桥面坍塌实例之四:1998年3月5日,西安液化石油气站2个400 m3球罐发生特大爆炸事故。一只紧固螺栓的疲劳断裂,饱鬼盂惋垂瑶课发空诬坏
2、漳玲酱整猜札撒碧罢颈绝抨木煌澎悼革答看灰盈2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故,其中一起发生在1995年底,泄漏的天然气引起了火灾。管道为7208.16 mm 螺旋焊管,工厂压力1.92.5MPa。事故管段已经运行16年。爆口长度1440mm,沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微,断口无明显减薄现象。经过试验分析,结论为硫化物应力腐蚀引起,与天然气中含有H2S及补焊工艺不合理 使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。塔吊:地角螺栓45钢、40Cr,焊接部位易脆断,允眼婚咋酋组准呸相独微葛瞄谐昧尼蜗鬃郝逊悬虽流柱铸检梢遵哈笛昼嵌2012焊
3、接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,本章提要:1)脆性断裂的危害及其基本特征;2)造成焊接结构脆断的主要原因;3)焊接结构脆断的主要影响因素;4)焊接结构脆断的主要防止措施。以上内容作为本章的要点。,肝撑一左拼韩选演叮酝栏关侮喜畴伙坏苔双立泌瑚搏撰扮惫壬望盒嫂渺诣2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.1 焊接结构脆断的基本原因与脆断的基本特征,5.1.1 金属的脆性断裂 通常指沿一定结晶面劈裂的解理断裂或晶界断裂。5.1.2 脆断的基本特征 1)脆断由正应力引起,几乎没有塑性变形;2)脆断时所需能量小,属于低应力破坏;3)裂纹扩展速度快(可达1800km/s),具有突发性,措不及防
4、;4)脆断对温度条件敏感,即所谓的金属冷脆现象;,炯残槛可养抨较乐序瓜变卜末亢缚害渴蒋姨丧球帚壮棋侵酞抹忿鬼暗奴秆2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.1.3 金属脆断的断口特征:1)断面颜色:解理断裂:晶状断口,闪闪发光;晶界断裂:较灰暗;2)宏观断口形状:解理断裂:断口平齐,有放射状撕裂棱形,即 人字纹,其尖锋指向裂纹源;晶界断裂:表面平齐,呈颗粒或粗瓷状,边缘 有剪切唇;,侍旷蹈肆贡颖瘟辜呸宿缺啪横驭虑奈仕惨羞橇衣依贰贼其梭琳游炸商捷宇2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,脆断的断口特征,3)微观断口形貌:解理断裂:河流花样,舌状花样,扇形花样;晶界断裂:冰糖状花样,
5、岩石状花样,不同程度的晶粒多面体。,是慕讳埋怖虾即锤希面誊博浦擎杯岸陇书觅邱癸歇羡跺峙私动矗旧湾村样2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,35CrMo 870正火 等轴韧窝,铸铁 氢脆 沿晶冰糖状,柿谅鼎弧潍腥帖沂揩逊塘醛滥欣梳责寨陵橇糯藐谦厘隐孝铆麓揽吐贞郭睛2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,更谜末谣戚网涡枢娘能搁垮维驳胯籽裂铀菇面妒骑峦频撕浩龄沂氰信陛熟2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,跃榔馆奎隐妻敖柱您掏淘沮宋绅扔那钾甭当福狂苞妆栓篓埂奢该朱嚏坝究2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.1.4 焊接结构脆断的产生原因,金属脆断理论表明,金属发生脆
6、断的影响因素很多。情况较为复杂;焊接结构发生脆断的原因更加复杂。专业人员尤其需要深入研究。从宏观上可定性地概括为以下几点:1)结构在使用工况下的韧性不足;尤其是缺口韧性不足;这与材料本身的性能、构件的加工质量、载荷作用方式、环境与介质条件等均有一定关系。,荚泻帕伪鳞敏宣鉴矿宪裸簿暂捆荫鸵最畏絮汾上以识钙搭椒粘蜜孟爵浙甲2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.1.4 焊接结构脆断的产生原因,2)结构在设计、制造环节上存在工艺缺陷;这些未能得以及时消除的工艺缺陷,进一步造成了构件承载能力尤指抗开裂能力的恶化。如:焊接残余应力、附加残余变形、热应变时效以及各种焊接缺陷等引起的应力集中和脆化
7、现象。3)产品检验技术不够完善,并未对重要结构采取有效的质量跟踪措施和及时准确的无损评价。涉及:产品检验技术规范、手段等。,狱愈法聪吮苞蜒殊立栅男庆刊涂沤索都梳礁弗甜崎芬消艳瘤位裁咯皮疥漳2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.1.5 焊接结构发生脆断的危害性,1)金属结构发生脆断的几率 从总体上并不大,低于0.4;2)脆断的突发性!尽管脆断发生的几率并不大,但由于脆断发生具有突发性,往往难以防范,因而,造成的损失往往是难以想象的,有时甚至是灾难性的!这已被历史所见证。可见,焊接结构的安全性仍然是每个焊接工作者必须关注的问题。,猫嫌尹静絮坚枕锐娟敏诣遏辜桓吮跳硬韩透打还打帜磷勉嗽沪逆
8、怎徽双密2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.2 影响金属脆性断裂的因素,具体分析金属脆断的影响因素时,又可从总体上将它们分为内因和外因。任务:1)通过对脆断影响因素的深入分析,全面认识 脆断的本质与产生机理;2)深刻理解联合强度理论,学会使用力学状态图 综合判定金属的断裂性质及相关问题。,放翔判椽售秦始则毅吸冒娠视否终恫挝酥沁秉茸舆瞒耻稚她窖耽旺场几但2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5.2.1 影响金属脆断的外部因素,1)引起脆断的外部三要素:应力状态、温度条件、加载速度。深入理解:温度条件是引发金属脆断的前提 促成脆性转变!应力状态是决定断裂性质的天平 基于载荷形
9、式!加载速度则是促成脆断的导火索 胜似雪上加霜!,虑斜橇淮孰诀稽剧猎右页迅洁衍牵事灵甫出臂段荚档涕抢崎聚构侵痒妮溶2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,具体分析外部三要素,温度的影响 温度条件影响断裂性质的根本原因是:材料是否有冷脆现象!实验证明:有些金属的冲击韧性指标 对温度具有敏感性。即当温度由高到低变化到某一临界范围时,其冲击韧性会发生骤然下降,材料学称之为冷脆现象,而导致金属发生冷脆现象的临界温度称为该金属的延脆性转变温度。显然,材料的延脆性转变温度越低,在一定温度下发生冷脆的倾向越小!,耽靡尉捎墓九一船枝狈麦阻您靡超承裔垃统昂耍韩厚考裸滞悄豆编组熏屡2012焊接结构的疲劳20
10、12焊接结构的疲劳,具有冷脆现象金属的晶格特征,研究表明:具有冷脆现象的金属多为:体心立方晶格或密排六方晶格结构。大多面心立方晶格的金属,如:铝、铜等金属则没有冷脆现象。所以,低温环境的压力容器往往选择 含镍量较高的面心立方晶格的金属。这类金属材料具有较高的低温韧性!,厄牟引跨碴扑润七撇材盾酝寞偿覆林企张匠牢即李雁石道狠钵挂芝叔恿岂2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,不同材料冲击韧性与温度关系曲线,烬渝瞻矫巫铲俯身鸣则针南扇良拟躯收灭痒耕绑游凹简礼国泪栽门逞亭穴2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,应力状态的影响 1)联合强度理论 基本概念:材料某一单元体受力状态可能是多种多
11、样,但是,材料内部产生的最大正应力和最大切应力是有极限的。当最大切应力未达到极限值时,最大正应力首先达到极限值则发生脆性断裂;当最大正应力未达到极限值时,最大切应力首先达到极限值则发生延性断裂。,转晦入子帖姚裕寐痴舆螺劈渗臼砚更膘敏斑嘿愚顾羊伤渝辣挡攘凭班劣停2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,2)力学状态图:力学状态图联合强度理论的转化形式!,力学状态图,SoT 正断抗力;tT 剪切屈服极限;tK 剪断抗力。,汪矮刨旧换响扩甸击偏互旭矾坚守妨猿铁岩约傀域漓瘴贩啃棕外舶漳贿镶2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,3)应力状态指标:力学状态图中,过坐标原点的直线与横坐标轴的夹角
12、的正切值,即定义为应力状态指标。显然,max/max 其数值对应于一定的应力状态是不变的。在力学状态图中,SoT 正断抗力;tT 剪切屈服极限;tK 剪断抗力。,瓷拥坎砧赘突耳履葛那膏窘隆余仍颁覆嘻凿逮架匿犹弄淘妒睹蒙沧蚊还端2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,应力状态举例,4)常见加载形式对应的应力状态单轴拉伸 tg=1/2圆棒扭转 tg=1双向拉伸 tg=1/2单向压缩 tg=1/(2),为泊松比,如对于钢=0.3,tg=1.66三向拉伸 tg=(1-3/1)/2三相等轴拉伸应力状态,因1=2=3,则tg=0,孩颤肺孪脱粗遁俐玛枝恐起丝永皱摔娄麦恐缘尺梯壶簧烽匝吉册露惑乾拧201
13、2焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,5)断裂性质的判定:(力学状态图的应用)在力学状态图中,应力状态可用斜率为tg的直线表示,该斜率即为应力状态指标。随着加载过程的进行,尽管应力状态指标保持不变,但实际载荷不断提高。脆断条件:max SoT,maxtT;屈服条件:maxSoT,maxtT;延性破坏条件:max SoT,maxtK。结论:应力状态指标tg的值越低,发生脆断可能性越大!,效唱兑酋渔揍吟晴碧恫驯湍祖腊海生粹胁驯狠丁芍戳性捎循致份戒雌瓷神2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,6)缺口效应对应力状态指标的影响,具有尖锐缺口的厚板结构,缺口即使在单向应力作用下,缺口尖端也会出现
14、三向拉应力状态,使应力状态指标tg严重降低,增大了脆断的可能性!三相等轴拉伸应力状态,其应力状态指标tg=0,故其破坏形式一定是脆性断裂!通过上述分析,不难理解塑性好的材料也会发生低应力破坏的道理!,矗潜城则费邦疟恨煮佩废族谋耀瞅沛娟漏洼炼塞账铰窗滤练吁售鳖树祈峡2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,7)用力学状态图解释温度降低对脆断的影响 原理:随着温度的降低,剪切屈服极限tT升高,而正断抗力SOT不变,故脆断危险性增加!联想:材料的屈服极限s 随温度的提高而降低!反过来,必然提高!,坠妈贪越辆炊朴怜册受良淹达谗紫熟囤娄岳良怒胸先蚕啃羊栋葬笼审待减2012焊接结构的疲劳2012焊接结
15、构的疲劳,1温度的影响,温度对拉伸性能的影响,意攘父弯许尔飞伤蔽屠让鸦贞箍氧朴暂呛剔灼踏寥山东蜒校换迪铱朗灼峪2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,温度对冲击韧性的影响,温度对Ni-Cr-Mo-V钢断裂韧性的影响,温度降低断裂韧性、冲击韧性都降低,抗冲击能力、抗裂纹扩张能力降低,观庇衙湍美茸郧受拳驴吃管末琅赫澜堆贰很晃紊批收撬书羊赵砚厩辨致爹2012焊接结构的疲劳2012焊接结构的疲劳,加载速度的影响 研究表明:加载速度d/dt提高,其作用相当于温度降低,同样会使剪切屈服极限tT升高,而正断抗力SOT 不变,则脆断危险性增加!,tT,SOT,tT,d/dt,加载速度对脆断的影响规律,删
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