焊接结构脆性断裂

第六章焊接结构脆性断裂

自从焊接应用于船舶、球罐、压力容器、桥梁、机械设备等工程结构以来，发生了一系列的脆性断裂事故。1943年1月16日在奥勒冈州波特兰码头某油船发生断裂，当时海面平静，其计算的甲板压力只有7.0Kg，见图6-1。二次世界大战期间美国建造的5000艘商船中约有1000艘船在1946年4月前经历了1300次左右的大小不同的结构破坏事故，其中250艘完全断裂，见图6-2。1974年12月日本某圆筒形石油槽发生开裂，该结构用12mm、60Kg 级钢材焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹源并扩展13m，大量石油外流。1962年7月，奥大利亚的“金斯桥”(跨度30.5m)在45.8t卡车通过时发生脆性断裂，原因是材料含碳量高，可焊性差，断面急剧变化处产生应力集中。

这些断裂事故都具有共同的性质：

(1)没有明显的塑性变形，破坏具有突发性；

(2)焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构；

(3)发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏。

脆性断裂一般在以下条件下发生：

(1)结构在低温下工作；

(2)结构中存在焊接缺陷；

图6-1 船舶断裂实例1 图6-2 船舶断裂实例2

(3)焊接残余应力对脆断产生了严重影响；

(4)材料性能劣质；

(5)结构设计不合理。

§ 6-1 材料断裂及影响因素

一、断裂分类及特征

按塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂(解理断裂、晶界断裂)。它们反映材料或结构断裂前的行为，即延性断裂表明在断裂之前金属或结构要发生显著的塑性变形；相反，脆性断裂表明金属材料或结构在断裂前发生很少的塑性变形。当然这只是定性概念，在定量上，发生多大程度的塑性变形属于延性断裂，小于何种程度的塑性变形量属于脆断，仍需具体情况而定。它往往与采用的评定标准有关，及测量变形的工具类型和精度有关，也和所评定的金属或结构的特性有关。如，铁轨用钢，当试样断裂时伴有百分之几的塑性变形时就属于延性断裂，但对于低碳钢来说，其无疑属于脆性断裂。

从“合于使用”原则出发，按图6-3对金属结构断裂性质进行分类。在拉伸中心开有缺口的试样时，试样上有三种应变。即无缺口部位的应变ε；缺口尖端处的应变ε′；缺口所在平面内边缘处的应变ε″，一般情况下它们之间具有下述关系：

ε′>ε″>ε

构件断裂时，此三值与屈服点εs相比，有下述4种情况：

εs>ε′>ε″>ε线弹性断裂情况

ε′>εs>ε″>ε弹塑性断裂情况

ε′>ε″>εs>ε韧带屈服断裂情况

ε′>ε″>ε>εs 全面屈服断裂情况

从断裂的机制来说，解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。解理是某些特定结晶学平面发生的断裂。剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚

图6-3 金属结构的断裂性质

集断裂。纯剪切断裂指金属在外力作用下，沿最大切应力的滑移面滑移，最后因滑移面滑动分离而断裂。微孔聚集断裂指在外力作用下，因晶粒强烈滑移，位错堆积，造成在某些局部产生许多显微空洞（或因夹杂物破碎形成微空洞），这些空洞在切应力作用下不断长大、聚集。

塑性断裂断口特征：宏观形态呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，有塑性变形和滑移线；微观形态呈韧窝，韧窝是塑性变形形成微孔洞聚集长大留下的凹坑，坑底含有第二相粒子或夹杂物。如图6-4所示。

图4-4 塑性断裂断口图4-5 解理断裂河流花样解理脆性断裂断口特征：宏观形态表现为断口平整，塑性变形几乎为零，有金属光泽，呈现放射状撕裂棱形(人字纹花样)；微观特征出现河流花样、舌状花样、扇形花样，如图6-5所示。塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离来顺应外加应力。解理断裂包含两个过程，即裂纹形核和扩展，在外力作用下最有利面上位错发生滑移，滑移位错在晶界的第二相颗粒处受到阻碍而产生积塞，并在位错积塞端部引起应力集中，当应力超过材料的断裂强度时就会产生开裂而形成胚核。胚核形成后进一步聚集长大，当达到某一临界尺寸时将产生解理断裂。解理脆性断裂通常发生在低温、大变形速率、严重应力集中、大晶粒度情况下。

晶界脆性断裂断口特征：呈颗粒状，色泽较灰暗，无明显塑性变形，微观形貌为多面体，如岩石状或冰糖状。晶界各种析出相、夹杂物、及元素偏析是其产生的原因。

二、影响脆断的因素

1．温度

温度是造成材料产生脆性断裂的重要因素。温度降低，屈服极限升高，逐渐达到材料的强度极限；晶粒滑移困难，形成裂纹的表面能降低。造成塑性断裂向脆性断裂转变。当材料或结构带有缺口时其转变温度明显升高。最终造成在某一温度区间的冲击能急剧下降，该温度称为脆性转变温度。

2． 应力状态

如图6-6所示，横坐标为σmax ，纵坐标为τmax ，s OT 为正断抗力，t T 为剪切屈服极限，t K 为剪断抗力。当剪应力达到屈服极限t T ，产生塑性变形，达到剪断抗力t K 时，产生剪断。当正应力达到正断抗力s OT 时，产生正断。

在单轴拉伸状态，设主平面最大拉伸应力为σmax ，

与主平面成45o 角平面上有最大剪应力τmax ，且

τmax =1/2σmax 。此时τmax /σmax =1/2，即当s OT 足够小时，

产生塑性断裂。

在三向拉伸时，设σ1>σ2>σ3，如果σmax =σ1、

τmax =(σ1-σ3)/2，那么τmax /σmax =1/2(1-σ3/σ1)<1/2，即其脆

断的倾向要比单轴拉伸状态大，比值越小脆断的倾向

越大。

当σ1=σ2=σ3时，τmax /σmax =0，与横坐标重叠，这

种受力状态必定是脆断。

3． 加载速度（应变速率）

加载速度增加，材料屈服极限增加，抗拉强度提高，其影响相当于降低温度，造成脆断倾向增加。高的加载速度，材料来不及进行塑性变形和滑移，位错摆脱束缚进行滑移所需的激活时间减小，导致脆性转变温度升高。当材料或结构存在缺口时，由于缺口处存在应力集中，应变速度比无缺口高的多。

4． 残余应力

脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展，因此需要足够的裂纹扩展动力去克服裂纹扩展阻力，才能形成裂纹产生和扩展的能量条件。焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力，同时该区也是材料性能发生变化的区域，非常容易成为脆性断裂的起源。

5． 板厚

板厚增加，塑性变形抗力增加，由平面应力状态向平面应变状态转变；轧制次数少，材料组织结构比较疏松。

图6-6 力学状态图

平面应力：如图6-7所示，薄板在y 轴方向施加均匀拉伸应力，该平面内的应力分量σZ 、τZX 、τZY 全部为零。这样结构三个应力分量，σx 、σy 、τxY 。由于板很薄这三个应力分量在厚度方向相等，这种应力状态称为平面应力状态。

平面应变：研究一个拦河水坝，坝身受水压

产生变形。设坝身方向(Z 轴)产生的位移为w ，

垂直于坝身方向(x 轴、y 轴)产生的位移分别用

u 、v 表示。因坝身很长，认为沿长度方向不产

生位移，即w=0，所以εz =?w/?z/=0，?w/?y=0。

另外因坝身很长某个截面受力情况相同，即应力

和应变与z 坐标无关，?u/?z=?v/?z=0，综上可知，坝体应变分量只有三个：εx 、εy 、r xy 。根据虎克定律：

εz =1/E[σZ -ν(σx +σY )]=0 ν为材料泊松比

即σZ =ν(σx +σY )

因此，平面应力：σZ =0 平面应变：σZ =ν(σx +σY )

6． 材料因素

晶粒度小，晶界面积增大，晶界上夹杂物浓度下降，使脆性转变温度降低。

在材料的轧制及加工过程中，晶粒出现拉长或出现线状及带状的夹杂物，造成材料产生各向异性，对材料的脆断温度产生影响。 三、脆性和延性断裂裂纹产生和扩展

均有两个步骤组成，即首先在缺陷尖端或应力集中处产生裂纹，然后以一定形式扩展，最后造成结构失效。

图6-8反映了裂纹产生和扩展之间的关系。

区域Ⅰ：温度低，裂纹以解理机制产生。区域Ⅱ：温度升高，裂纹产生所需能力提高，裂纹以解理和剪切混合机制产生。区域Ⅲ：纯剪切机制。

图6-7 平面应力状态图

§ 6-2 断裂评定方法

断裂评定方法可分为

抗开裂性能试验：分为转变温度评定方法和断裂力学方法。转变温度评定方法包括①冲击试验；②宽板拉伸试验（静载）；③尼伯林克试验（动载）。

止裂性能试验：①罗伯逊试验（ESSO ）；②落锤试验；③动态撕裂试验；④双重拉伸试验。

一、转变温度的概念

金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度σs 和断裂强度σf 。温度降低，σs 上升速率大于σf 上升速率，如图6-9所示，两线交点对应温度T k 称为韧脆转变温度，当T

转变温度分为：塑性断裂转变温度FTP

（低于此温度，材料将发生纯解理断裂。高于此

图6-8 裂纹产生和扩展之间关系图

温度，完全塑性断裂）；弹性断裂转变温度FTE （温度低于该温度，裂纹扩展于低应力范围。高于此温度，裂纹为塑性扩展）；无延性转变温度NDT（低于此温度，发生低于σs的断裂，即脆性断裂）；断口形貌转变温度T f；止裂转变温度Ta。

一般FTP为高阶能温度FTE与低阶能温度NDT的平均值：FTP>FTE>NDT

对于船用钢，此三种温度的关系为：FTP ＝FTE＋33℃＝NDT＋66℃

二、转变温度评定方法

1．冲击试验

冲击韧度是抗脆断能力的工程度量。冲击试验还用来评定材料及焊接接头的韧脆转变行为。一般是在不同温度下对一系列试样进行冲击试验，找出韧脆特性与温度之间的关系。分为夏比V形缺口冲击试验和梅氏U形缺口冲击试验。

试验设备简单，试样制备和试验程序简单。试验结果具有一定的局限性，不能用于高强度结构钢：因试样未考虑材料厚度，同时加载速率与实际结构受力情况出入较大。

夏比V形缺口冲击试验试样如图6-10所示。评定方法为：

能量准则：以冲击断裂功αk

值降低到某图6-10 夏比V形缺口冲击试样

图6-11威尔斯宽板拉伸试样

图6-9 σs和σf随温度变化图

一特定数值时的温度作为临界温度T k。

断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定临界温度T k。

延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度T k。

2．威尔斯宽板拉伸试验

在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接工艺、焊接残余应力、整体尺寸、裂纹部位、焊接热循环方面模拟实际结构。用于确定临界转变温度。这种方法不仅用来研究脆性断裂理论，而且也用来作为选材的基础方法。

试验费用贵，周期长。

如图6-11所示，试样尺寸：910×910×板厚；材料；半镇静钢；焊接处开破口并在破口上预制缺口；手工电弧焊正反面各焊三道；拉伸机拉断，记录断裂应力。

该试验脆性断裂有三种情况：

（1）低应力产生裂纹并立即断裂；

（2）低应力产生裂纹扩展一定长度后自行停止；

（3）在较高温度下，要有高达屈服强度的应力才会产生裂纹，最后产生断裂。

焊接结构脆性断裂产生温度主要取

决于缺陷尖端材质情况（在宽板试验中

主要取决于动应变时效区），而不是母材

韧性情况。在此温度以下焊接残余应力

有不利的影响。

3．日本宽板试验

日本木原等人进行了类似试验，并

归纳出图6-12宽板拉伸试验断裂行为

图。

（1）无刻槽无残余应力，达到材料

抗拉强度才产生断裂，PQR曲线；

图6-12 尖锐缺口和残余应力对断裂强度的影响

（2）有刻槽无残余应力，应力水平达到PQST曲线产生断裂。温度高于转变温度T f时，在高应力作用下产生剪切断裂。温度低于T f呈解理形

（3）试样有尖锐刻槽，且位于高残余应力区，产生以下几种断裂方式

1)温度高于T f，断裂应力即为强度极限(PQ线)，不受残余应力影响；

2)温度低于T f，高于止裂温度Ta，一般不产生脆性断裂，低应力会引发裂纹但能被

止住；

3)温度低于止裂温度Ta时，应力低于裂纹临界应力VW，裂纹扩展短距离后会停止。

达到屈服极限(ST线)将完全断裂；应力高于临界应力VW，将发生完全断裂。

4．尼伯林克试验

宽板拉伸试验采用的加载速率一般都很缓慢，这对于受静载的压力容器是适用的，但对于受动载的结构，如船舶、桥梁等不能反映实际加载情况。

该试验特点：采用逐步增加高度的多次冲击，这样比一次加载更接近于实际结构破坏情况。即每一次冲击都在缺口尖端产生一定的塑性变形，当此变形超过一定数值时发生破坏。同时由于每一次冲击都有一部分能力将进一步使缺口尖端产生塑性变形，这就反映了缺口尖端加工硬化的作用。

试样尺寸和加载方式见图6-13所示。试验程序如下

锤头重量：选择锤头重量千克值等于试样厚度毫米值，其差别允许±20％。落锤高度：第一锤高度厘米数等于材料屈服值上升到整数。后冲击时的高度，对于1000mm以下的高度值，每次升高100mm；超过1000mm高度时，每次提高200mm。每次冲击后，测量其剩余COD值。当三个试样的COD1×COD2×COD3≧0.063mm3，则此焊接接头测试部位的韧性满足要求。

三、止裂性能试验方法

1. 罗伯逊试验（ESSO）

是测定材料止裂温度的典型方法试验目的是确定脆性裂纹在钢板中扩展的应力和温度的临界条件.试验试样如图6-14所示。该试验可分为等温型试验和温度梯度形试验。

图6-15为罗伯逊试验的典型温度－应力关系曲线图。凡是位于曲线右下方的应力－温度组合数据，裂纹均不扩展。反之位于曲线左上方，裂纹将要扩展。

2. 落锤试验

测定厚度大于16 mm 钢板的NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应，表面堆焊脆性焊道，对热敏感的合金材料难以使用。

图6-13尼伯林克试验试样 图6-14 罗伯逊试验试样

图6-15 罗伯逊试验的典型 图6-16落锤试验试样

温度－应力关系曲线图

试验方法如图6-16所示。试样尺寸25×90×360 mm 、19×51×127 mm 、16×51×127 mm 。受拉表面堆焊64×13min 脆性焊道，垂直焊缝开人工缺口，按标准选择锤头重量、支座垮距、终止桡度，试件断裂的最高温度为无延性转变温度NDT 。

这种试验方法的最大优点是试验条件比较符合焊接结构的实际情况，且方法简单，设备简单。用于指导设计的断裂分析图就是通过这种方法并参照其它大型试验结果建立起来的。如图6-17断裂分析图所示。该图反映了温度、缺陷尺寸和断裂强度的关系。当温度低于NDT 时，随着缺陷尺寸的增大，断裂强度明显降低。当温度高于NDT 时，其断裂强度都明显上升。当温度达到FTE 后，其断裂强度不管缺陷尺寸如何都达到或超过材料的屈服极限。当温度达到FTP 后，材料只有受到相对于拉伸强度σb 应力时才会断裂。图上同时示出了脆断止裂温度曲线，这意味当应力低于该曲线时，裂纹将停止扩展。

3. 动态撕裂试验

确定材料断裂韧性的全范围的试验方法，属于大型冲击试验。除了确定NDT 温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。

适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。这类钢与低强度钢相比，各向异性受钢中杂质的影响，难以保证稳定的抗脆断性能；晶粒大小及碳化物金相组织的大小、分布等对显微裂纹的形成有较大的影响。试样尺寸见图6-18所示。

4. 双重拉伸试样

前述各种方法试件中的脆性裂纹都是在冲击载荷作用下开裂的，但大多数焊接结构工作

图6-17 断裂分析图 图6-18动态撕裂试验试样

在转变温度试验的主要方法

静载下，所以开裂条件不够真实。通过试验确定止裂应力与温度的关系。利用一块耳板在低温和拉伸负载下将试样拉断，使裂纹向有均匀拉伸负载的试件主体扩展。

四、断裂力学评定方法

1. 评定方法特点

断裂力学是防止焊接结构脆断的得力研究手段，使结构的脆断研究由大量试验的经验总结上升到防止脆断的定量设计计算。具体表现为

(1) 某些材料的脆性转变温度不明显

(2) 转变温度方法的试验结果往往受板厚、材料的强度等级、冶金因素、载荷及加载速度的影响

(3) 转变温度方法未能建立许用应力和缺陷尺寸之间可靠的定量关系

2. 断裂力学评定的内容

焊接结构在制造过程中必然要产生应力和变形，同时也会出现裂纹和各种缺陷，传统的设计计算方法不能保证焊接结构在使用过程中不发生断裂，特别是脆性断裂。断裂力学较好地解决了这一问题。线弹性断裂力学成功地解决了高强钢和超高强钢的断裂问题，对于中、低强度钢的断裂行为研究广泛采用了弹塑性断裂力学。

应力强度因子K Ⅰ和临界应力强度因子K ⅠC IC I K K

裂纹扩展能量释放率I G 和临界裂纹扩展能量释放率IC G

IC I G G ≤

裂纹尖端张开位移I δ和临界裂纹尖端张开位移IC δ

IC I δδ≤

五、各评定方法之间关系

各种转变温度的试验和断裂力学的试验都有相当多的条件，因而所得结果也各不相同，各有其特点，相互间有一定的联系。大型试验具有许多优点，对于大型和复杂工作条件下焊接结构，如海上采油平台、大型船舶、大型桥梁等，开展大型和全厚度实物结构的试验，日益受到人们的重视。用断裂力学试验所测得的材料断裂韧性，是定量评定焊接结构裂纹容限的主要依据。这种试验方法与转变温度试验有许多相似之处，如试件有缺口、在一定温度下加载。

1． 转变温度类型试验间的关系

1) 大型试验与小型试验结果的关系

试验证明，大型焊接宽板试验的转变温度与V 形缺口冲击试验达到某一温度(σb <450N/mm 2的材料冲击能大于27J 的温度)有一定的对应关系，通过查对应图获得某种板厚V 形缺口冲击试验达到规定能量时的温度作为材料的参考温度。

日本“低温结构用钢材质评定标准”是以温度梯度型双重拉伸试验和ESSO 试验为基础，先确定材料的止裂温度来计算K C （平面应力断裂韧性）。该止裂温度与压入V 形缺口冲击试验的按脆性断面率规定的转变温度P T C 之间对应关系良好。

用V 形缺口冲击试验和落锤试验可以估计焊接宽板试验的转变温度区间，对正确选择结构材料和估计发生脆断的危险性有实用意义。

2) 小型试验结果的关系

落锤试验(DWT)和动态撕裂试验(DT)的NDT 温度基本一直，NDT 温度与威尔斯宽板拉伸试验之间，NDT 温度与止裂温度(CAT)之间也有一定的相互关系，所以可以利用落锤试验确定CAT 转变曲线。

2． 转变温度试验与断裂力学试验结果之间的关系：如果想求出某一温度T (℃)下的δC

值，就可以在T V 温度下进行V 形缺口标准冲击试验。

V 形缺口冲击试验与COD 试验结果的关系

T V =T+112-σS -5B 1/2

T V ―V 形缺口冲击试验温度(℃)；T ―使用温度(℃)；B ―板厚(mm)

则 δC(T)=0.01VE(TV) （近似） (适用于低碳及普通焊接结构钢)

V E(TV) ―T V 温度下V 形缺口冲击试验的吸收功(Kgf .m)

对于调质钢：δC =0.04+5.1×10-4C V

C V ―V 形缺口试验冲击值 HT-60、HT80溶合区表面裂纹宽板拉伸试验：S V IC E K σ3001002=??

? ?? 低碳钢、HT-80钢熔合区和HT-50钢：V S IC

E K 900=σ

§ 6-3 焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素

一、焊接结构的整体性及大刚度

1． 引起较大的附加应力：焊接为刚性连接，连接构件之间不易产生相对位移。

2． 对应力集中因素特别敏感：产生应力集中的因素很多,主要是缺口效应造成不易变形的三向应力状态。焊接结构比铆接结构刚性大，所以对应力集中因素特别敏感。如图6-24所示。图a 为“自由轮”甲板舱口部位的原始设计方案，它便于制造，但尖锐的缺口形成高值的应力集中。图b 、c 是两种改进方案。图b 在舱口拐角处补加了一块托板，使舱口角呈圆形过渡。图c 在舱口板上预先开出缝隙，以便甲板穿过。同时将穿过的甲板制成圆弧形状，并焊上一块与甲板形状相同的叠板。图d 、e 作了进一步改进，应力集中系数进一步降低，同时，焊接

工作条件也得到了改善。

应该说明的是并不是所有情况下应力集中都

影响断裂强度，当材料具有足够塑性时，应力集

中对结构的延性断裂并无不利影响。如果母材和

焊缝都有较好的塑性，起初焊缝在弹性极限内工

作，其切应力的分布是不均匀的，继续加载，焊

缝端部由于应力集中首先达到屈服点，则该处应

力停止上升。如图6-25所示.

3． 一旦有不稳定脆性裂纹出现，很可能会

穿越接头扩展至整个结构，从而造成整个结构的

破坏。不应在高应力集中区布置焊缝

图6-24 船舶舱口设计

图6-25 侧面搭接接头工作应力均匀化

二、焊接结构制造工艺的影响

1．应变时效引起局部脆化

人工时效：钢材在剪切、冷作、弯曲成型之后，如果在150~450℃范围内加热，材料性能会产生脆化，即产生应变时效。该应变时效较动应变时效的影响弱的多。

动应变时效：材料在热循环和热塑性变形循环的作用下，在缺陷处和产生较严重的应变集中，具有较大的热应变量，降低了材料的延性，提高了材料的转变温度。

对许多中低强度钢，应变时效引起的局部脆化是非常严重的，它大大提高了材料的韧－脆转变温度，使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降，如图6-26所示.

图6-26 CF-60钢的应变时效冲击试验结果

研究焊接结构脆性断裂最具说服力的是带缺口宽板的大型试验。图6-27是日本佐滕等人利用有限元分析方法研究裂纹尖端热应力和热应变循环的试验结果。焊前焊后开缺口裂纹对应力循环没有明显影响，而对热应变循环产生了明显的影响。焊前开缺口，在热循环的作用

图6-27 中心缺口焊接宽板裂纹尖端附近焊接热应力及热应变循环的有限元分析

(a)应力循环(b)应变循环

下产生了严重的应变集中。

2．接头金相组织变化的影响

在焊接热循环的作用下，焊缝及近缝区的组织会发生一系列的变化，使接头各部位的缺口韧性不同。金相组织变化取决于材料原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量。过小的线能量，引起淬硬组织，易产生裂纹；过大的线能量，使晶粒粗大，造成韧性降低。

焊接热循环引起的材料断裂韧性降低和接头脆化,主要集中在以下区域：溶合线及过热粗晶区的1500～1200热循环最高温度区域；部分不完全重结晶区，时效脆化区和紧邻热影响区母材在内的200～900区域；某些高强钢的焊缝金属。以上区域宽度及性能取决于线能量、最高加热温度、冷却速度、焊接应力及应变循环。

3．焊接缺陷的影响

与缺陷形成的应力集中及缺陷附近的材料性能有关。焊接缺陷是造成结构产生脆断的重要因素。其影响程度与缺陷的性质、尺寸、形状及部位有关，其中裂纹、未焊透等影响最为严重。

平面缺陷―裂纹、分层、未焊透

非平面缺陷―气孔、夹渣

4． 角变形和错边的影响

产生附加弯曲力矩和新的应力应变集中，在拉伸载荷和附加弯曲力矩的共同作用下，易造成接头破坏。

5． 焊接残余应力的影响

脆性断裂一般总是拉伸应力场中产生和扩

展。在焊接接头中，焊缝和近缝区通常存在高的

残余拉伸应力，同时也是材料性能发生变化的区

域，加上焊接缺陷的集中和热应变时效脆化的影

响，极易成为脆性裂纹的起源。

1) 试验温度在材料的转变温度以上时对脆

断无影响

2) 试验温度在材料的转变温度以下时，和拉

伸载荷叠加，造成脆断的产生。

热处理能消除焊接残余应力的不利影响，而

且能恢复动应变时效所造成的损伤,消除了加工硬化导致的应变时效不利影响，提高了材料的塑性，加强了变形能力。由图6-28可见，热处理试样的转变温度低于焊态试样，它们的断裂应力都达到了材料的屈服点。所对应的0.5%塑性变形的脆-韧转变温度低于-117℃，比焊态试样降低了30℃之多。 §6-4 预防焊接结构脆性断裂的措施

一、防止裂纹发生和阻止裂纹扩展的原则

防止结构产生脆性破坏有两种设计原则，防止开裂原则：适用于承受静载或压力变化缓慢的焊接压力容器及一般结构。该设计方法有时过于保守；由于影响材料脆断的因素很多，有时结构仍要发生脆断的可能性。止裂原则：设计的结构在可能出现的最低温度下工作，必须能阻止裂纹的自由扩展。

用阻止脆性裂纹扩展的相应临界转变温度来选择合适的结构材料。 图6-28 断裂应力、应变与温度的关系

按止裂原则对材料质量要求较高，会提高结构的成本，同时对于一些储存气态、气液态的高压容器，一旦出现穿透裂纹，裂纹处漏出的高压气体快速膨胀，使容器局部温度急剧降低，裂纹很难被止住。

根据断裂力学理论，能够止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，且处于较高应力场中，当裂纹扩展进入韧性区和低应力场时，该裂纹如果小于失稳断裂的临界长度，则该裂纹被阻止。

1969年以前，常采用止裂准则选材设计，这种方法便于应用，只要知道构件基本材料的性能和薄膜应力水平即可。但1969年国际断裂会议之后，日益趋于选择开裂控制方法，这是因为：止裂方法对材料的性能要求过高而不经济；很难用止裂方法定量地确定缺陷的作用；止裂时裂纹尺寸可能已经过大，从而影响结构的继续使用；最重要的是结构止裂温度不是一个常数，它与结构储存的能力有关。

二、预防焊接结构脆断措施

造成结构脆性断裂的基本因素是：材料在工作条件下的韧性不足；存在缺陷；过大的拉应力（包括工作应力、残余应力、附加应力、应力集中）。一般讲防止结构脆性断裂应注意选材、设计和制造。

1. 采用合理的结构设计：

(1) 掌握结构工作条件：最低温度、介质温度和工作载荷的性质。

(2) 减少结构和接头的应力集中：选择结构的传力截面及接头形式要尽量使力线均匀分布，避免截面尺寸突变，防止应力集中，如图6-29所示。如采用对接接头；尽量减小结构刚性，大型结构尽可能采用较薄的材料。增加厚度会提高材料的转变温度，降低其断裂韧度值；充分考虑到可焊到性；避免焊缝密集和焊缝相交。

2. 正确选用材料

影响选材的主要因素有：材料费用和结构总体费用的对比，采用韧性材料对防止脆性断裂很重要，但应兼顾经济性；断裂韧度值与材料其它性能相比的重要性（超音速飞机材料必须具有高的强度/重量比，不得不牺牲一定的材料断裂韧度）；断裂后果的严重性；材料的屈