焊接结构发生脆断的原因及预防
焊接结构的脆性断裂分析
焊接结构的脆性断裂分析目录摘要一、焊接结构的失效二、脆性断裂的特征三、金属材料脆性断裂的能量理论四、材料断裂的评定方法五、焊接结构脆性断裂事故六、脆性断裂产生的原因和影响因素七、防止焊接结构脆性断裂的工程技术措施八、结论摘要：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。
一、焊接结构的失效通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素在一定条件下断裂，接头一旦失效，就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展造成焊接结构损坏，致使设备停机影响正常生产，焊接结构的失效不仅将停止生产，还往往造成许多严重的灾难性事故。
工程中焊接结构有三种断裂形式，脆性断裂（又叫低应力断裂）、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，其中，脆性断裂一般都在应力不高于结构的设计应力和没有明显的塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，不易事先发现和预防，破坏性非常严重。
二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏,其特点是裂纹扩展迅速,能量的消耗远小于韧性断裂,以低应力破坏为重要特征，它是靠结构内部蓄积的弹性能量的释放而自动传播导致破坏的,因而很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的预兆,而是突然发生的,所以说这种断裂往往带来巨大的损失，一般来说,金属脆性断裂时,无论是具有解理形断口,还是皇光泽的结晶状外观断口,都与板面大体垂直,而且板厚方向上的变形很小,在表壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形,材料越脆断裂的剪切壁越薄,断口上花样的尖端是指向启裂点的方向,形成山形花样,追综这个花样可以找到启裂点。
三、金属材料脆性断裂的能量理论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σ（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开长度为a 2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U ，新表面吸收的能量为W ，系统总能量变化为E ，则W U E +-=裂纹释放的弹性应变能U 为E a U 22σπ=设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ，则形成裂纹所需要的总表面能W 为a W γ4=因此，裂纹体的能量改变总量E 为a E a E γσπ422+-=能量E 随裂纹长度a 的变化如图2γσπγσπ424222+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂=∂∂E a a E a a a E 裂纹扩展的临界条件0=∂∂aE ，即 0422=+-γσπE a 因此a E c πγσ2=，c σ－对应于裂纹半长为a 时导致断裂的应力，22πσγE a =－在应力σ作用下，如果裂纹半长c a a <时，裂纹不扩展，结构可以安全工作。
焊接结构脆性断裂的防止方法
焊接结构脆性断裂的防止方法摘要：本文主要分析影响焊接结构脆性断裂的主要因素，并就预防焊接结构脆性断裂从正确选用材料、采用合理的焊接结构设计、减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响等三个方面提出了针对性的措施。
关键词：焊接结构，脆性断裂，防止方法一、前言焊接结构脆性断裂事故虽然数量较少，但其后果是严重的，甚至是灾难性的。
脆性断裂一般都是在应力不高于焊接结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生的，并迅速扩展到整个焊接结构，事先不易发现和预防，因而往往造成重大安全事故。
二、影响焊接结构脆性断裂的主要因素同一种材料，在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。
金属脆断主要受到材料状态内部因素以及应力状态、温度和加载速度等外界条件的影响。
1.材料状态的影响焊接结构的材料选择，首先要了解材料本身状态对断裂形式的重要影响。
（1）材料厚度对脆性破坏有影响。
厚板在缺口处容易形成三向应力使材料变脆，因而沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制。
而当板较薄时，材料在厚度方向能比较自由的收缩，减小厚度方向的应力，使之接近于平面应力状态。
（2）脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方晶格的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方晶格金属中发生。
因而面心立方晶格金属（如奥氏体不锈钢）可以在很低的温度下工作而不发生脆性断裂。
（3）对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的塑性—脆性转变温度也有很大影响，晶粒度越细，其转变温度越低。
（4）钢中的C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性，另一些元素Mn、Ni、Cr、V则有助于减小钢的脆性。
2.应力状态的影响物体受外载荷作用时，在主平面上作用有最大正应力δmax 与主平面成45°的平面上作用有最大切应力τmax。
如果在τmax达到屈服强度前δmax先达到抗拉强度，则发生脆断；反之，如τmax先达到屈服强度，则发生塑性变形或形成延伸断裂。
实际结构中，若处于单向或双向拉伸应力作用，一般呈塑性状态。
焊接构件失效的原因及预防措施
焊接构件失效的原因及预防措施焊接构件在各种⼤型设备中常见，往往作为底座的外壳、⽀撑底座、⼯作平台等结构出现。
焊接构件的使⽤寿命影响着整个设备的使⽤寿命，但往往在焊接位置出现裂纹等失效问题，现在就来分析⼀下焊接失效的原因以及预防措施。
⼀、铸-焊结构焊接失效的原因及危害通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素，在⼀定条件下断裂（如：应⼒、温度、材质、焊接质量和实际使⽤⼯况条件等）。
接头⼀旦失效，就会使相互紧密联系成⼀体的构件局部分离、撕裂并扩展，造成焊接结构损坏，致使设备停机，影响正常⽣产。
焊接失效的基本条件：⼀是焊接结构设计不合理，如在局部或整体焊缝的布置与设计上存在问题；⼆是材料本⾝的缺陷，如板材化学成分偏析，铸钢件的组织存在缩松、⽓孔、裂纹等；三是焊接⼯艺的应⽤不合理，如焊接材料的选择、焊接⽅法的制定；四是构件所处的⼯作环境、⼯况条件差（如受到交变及冲击载荷），引起结构材料疲劳破坏。
针对接头失效进⾏分析，应从两个⽅⾯⼊⼿：⼀是产⽣的根源；⼆是其危害性。
1. 结构件焊接失效产⽣的根源通常情况下，材料本⾝的缺陷（如化学成分的不均匀性、局部微观裂纹），焊缝由于各种原因产⽣的冷热裂纹、未焊透、夹渣、⽓孔及咬边等，焊接过程中近缝区较⾼的残余应⼒（包括焊缝及热影响区相变的组织应⼒），以及焊接过程⾼温下的组织软化和冷却后产⽣的脆化等，都是造成接头失效的根源，也为接头的脆断或扩展提供了条件。
2. 结构件焊接失效的危害性井下⼯作⾯刮板输送机、转载机和破碎机，是采煤⼯作⾯的关键设备，⼯作⾯使⽤条件复杂。
由于刮板输送机除要完成运煤、清理浮煤外，还要作为采煤机运⾏的轨道和牵引⽀承、液压⽀架前沿的基点，担负着采煤⼯艺过程中的落、装、运、⽀、控等全部⼯序，井下设备的可靠性决定了⾼效采煤的经济性，所以设备质量的好坏、寿命长短、性能的优劣，直接影响着煤炭⽣产。
由于刮板输送机和转载机的使⽤特点，中部槽之间的联结强度和可靠性显得尤为重要，⽽其结构⼤多由铸钢件与普通低合⾦板Q345（16Mn）以及⾼强板和耐磨板（NM360）焊接⽽成，铸钢件以碳锰硅（C-Mn-Si）系列为主。
焊接结构发生脆断的原因及预防
焊接结构发生脆断的原因及预防随着焊接结构在工业生产中应用范围和数量的增大，焊接结构因脆性断裂而失效的事故也越来越多。
脆性断裂是焊接结构最可怕的失效形式，它都是在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，因此其后果往往是灾难性的，造成的经济损失也往往是巨大的。
一、焊接结构产生脆性断裂的原因分析焊接结构产生脆性断裂的原因基本上可归纳为三个方面：（一）材料的韧性不足材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。
（二）存在裂纹等缺陷断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。
（三）设计和制造工艺不合理不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。
二、影响脆性断裂的主要因素同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。
最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。
温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。
（一）应力状态的影响当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。
在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。
虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。
因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。
（二）温度的影响随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。
当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。
脆性转变温度高，则脆性倾向严重。
（三）加载速度的影响试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。
在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。
防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施
二、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施一、焊接钢结构的脆性断裂1、影响焊接钢结构脆断的因素：(1)、化学成分1．碳(C)碳是形成钢材强度的主要成分。
钢的强度来自渗碳体与珠光体。
碳含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性，冷弯性能，可焊性及抗锈蚀能力下降。
因此不能用含碳量高的钢材，以便保持其他的优良性能。
2．锰(Mn)锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。
锰还能消除硫对钢的热脆影响。
锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。
3．硅(Si)硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。
4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。
我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性，韧性。
5．铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0．015％，以保证必要的低温韧性。
6．硫(S)当热加工及焊接使温度达800~1000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。
硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。
7．磷(P)磷在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。
在高温寸磷也能使钢减少塑性。
但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。
8．氧(O)、氮(N)氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。
(2)、内部组织(3)、板材厚度及多向应力当板厚较大时将会引起比较明显的三向应力，此时就不能忽略Z方向的应力σz。
由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。
当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。
没有塑性变形的断裂是脆性断裂。
所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。
因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。
(4)、环境温度钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。
相比之下，低温性能更重要。
焊接热影响区产生脆化的原因
焊接热影响区产生脆化的原因
焊接热影响区产生脆化的原因可以归结为以下几个因素：
1. 焊接热循环：焊接过程中，被焊接材料会受到高温和急剧变冷的热循环作用，这会导致材料结构的相变和晶格缺陷的形成，从而引发脆化。
2. 残余应力：焊接过程中，焊接接头和母材之间会产生残余应力，这些应力会导致材料的结构变形，从而使材料更易于发生脆性断裂。
3. 高温下的晶格结构变化：焊接过程中，高温下材料的晶格结构会发生变化，例如固溶金属中的晶粒长大，弥散相的溶解和析出等。
这些结构变化会对材料的力学性能产生影响，使材料更容易发生脆性断裂。
4. 稀有金属元素的脱溶：在焊接过程中，一些稀有金属元素，如钛、铌等，可能会脱溶到母材中，导致母材的特性发生变化，从而引发脆化。
综上所述，焊接热影响区产生脆化的原因主要包括焊接热循环、残余应力、高温下的晶格结构变化和稀有金属元素的脱溶等因素。
焊接结构的脆性破坏
焊接结构的脆性破坏2010-08-21 23:22:33 作者：jql来源：浏览次数：597 网友评论0 条焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。
这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。
引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。
这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。
引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。
防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。
一、焊接结构脆断的基本现象和特点通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点：1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。
2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。
故又称为低应力脆性破坏。
3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。
4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。
断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。
微观上多为晶界断裂和解理断裂。
5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达1200~ 1800m/s。
当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。
6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。
二、焊接结构脆断的原因对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。
就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。
焊接件断裂的原因及预防措施
某船舶焊接件断裂事故分析
事故概述
某船舶在航行过程中，焊接部位出现裂纹，导致船舶沉没。
事故原因
焊接过程中，存在夹渣、气孔等缺陷；同时，船舶运营过程中受到交变载荷、腐蚀等因素 的影响，导致裂纹扩展。
预防措施
加强焊接前准备，确保坡口和母材表面清洁；采用合理的焊接工艺参数，避免热影响区硬 化；进行无损检测，及时发现并处理缺陷；合理设计结构，避免交变载荷和腐蚀等因素的 影响。
对焊接设备进行定期维护和保养，确保设备的正常运行和使用寿 命。
建立完善的焊接质量管理体系
制定严格的质量管理制度
01
建立完善的焊接质量管理体系，制定严格的质量管理制度和操
作规程。
强化质量意识
02
加强员工的质量意识教育，让员工充分认识到焊接质量的重要
性。
质量检测与评估
03
对焊接件进行严格的质量检测和评估，确保符合标准和客户要
求。
04
典型焊接件断裂案例 分析
某压力容器焊接件断裂事故分析
事故概述
某压力容器在生产过程中，焊接 部位出现裂纹，导致容器破裂。
事故ห้องสมุดไป่ตู้因
焊接过程中，未能有效清理坡口 和母材表面，存在夹渣、气孔等 缺陷；同时，焊接工艺参数不合
理，导致热影响区硬化。
预防措施
加强焊接前准备，确保坡口和母 材表面清洁；采用合理的焊接工 艺参数，避免热影响区硬化；进 行无损检测，及时发现并处理缺
未焊透
未焊透是指在焊接过程中，接头根部未完全熔透的现象， 未焊透会导致焊接件承载能力下降，容易引发断裂。
夹渣
夹渣是指焊接过程中熔池中的熔渣未完全排除，残留在焊 缝中形成的夹杂物，夹渣的存在会降低焊缝的韧性和塑性 ，影响焊接件的承载能力。
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焊接结构发生脆断的原因及预防
随着焊接结构在工业生产中应用范围和数量的增大，焊接结构因脆性断裂而失效的事故也越来越多。
脆性断裂是焊接结构最可怕的失效形式，它都是在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，因此其后果往往是灾难性的，造成的经济损失也往往是巨大的。
一、焊接结构产生脆性断裂的原因分析
焊接结构产生脆性断裂的原因基本上可归纳为三个方面：
（一）材料的韧性不足
材料缺口尖端处的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端处，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。
（二）存在裂纹等缺陷
断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。
（三）设计和制造工艺不合理
不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。
二、影响脆性断裂的主要因素
同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。
最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。
温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。
（一）应力状态的影响
当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。
在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。
虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。
因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。
（二）温度的影响
随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。
当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。
脆性转变温度高，则脆性倾向严重。
（三）加载速度的影响
试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。
在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。
因为此时有应力集中的影响，应变速率比无缺口高得多，从而大大降低了材料的局部塑性。
（四）材料状态的影响
材料状态包括材料厚度、晶粒度和化学成分等方面。
1．厚度的影响。
厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，因此容易使材料变脆。
2．晶粒度的影响。
对于低碳钢和低合金结构钢，晶粒度越细，其脆性转变温度越低。
3．化学成分的影响。
钢中的C、N、O、H、S、P会增加钢的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当，则有助于减少钢的脆性。
三、焊接结构制造工艺对脆断的影响
在焊接结构脆性破坏事故中，大量事实证明破坏的起点往往是焊接接头，焊接接头是整个焊接结构中最容易发生脆端的薄弱环节。
（一）应变时效引起的局部脆性
焊接时金属受到热循环的作用，特别是在热影响区的某些刻槽尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附近，将产生较大的应力集中，从而引起较大的塑性变形，这种塑性变形在焊接热循环的作用下，也会引起应变时效，其结果使接头局部引起脆化。
应变时效主要产生于含碳量较低的钢中，含碳量增加将使应变时效趋势减弱，从这个方面考虑，20钢比10钢优越。
（二）焊接热输入对接头脆性的影响
焊接过程的快速加热和冷却，使焊缝本身和热影响区发生一系列组织变化，过小的焊接热输入易造成淬硬组织并易产生裂纹；过大的焊接热输入易造成晶粒粗大和脆化，降低接头的韧性。
（三）焊接缺陷的影响
焊接接头中，大约40％的脆断事故是从焊接缺陷处开始的。
在外载作用下，裂纹前沿附近会产生少量塑性变形，同时尖端有一定量的张开位移，使裂纹缓慢发展，当外载增加到某一临界值时，裂纹即以高速度扩展，此时裂纹如位于高值拉应力区，往往引起整个结构的脆性断裂。
除去裂纹以外，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝表面成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏。
（四）焊接残余应力的影响
当温度在材料的脆性转变温度以下时，如果焊接残余应力为拉应力，拉伸残余应力将和工作应力迭加共同起作用，在外加载荷很低时，发生低应力脆性破坏。
拉伸残余应力一般只限于焊缝附近部位，所以在焊缝附近的峰值残余应力有助于断裂的发生。
四、预防焊接结构脆性断裂的措施
（一）正确选用材料
选择材料的基本原则是既要保证结构的使用安全，又要考虑经济效果。
一般地说，应使所选用的钢材和焊接用填充金属材料保证在使用温度下具有合格的缺口韧度。
（二）采用合理的焊接结构设计
设计有脆断倾向的焊接结构，应当注意以下几个基本原则：
1．尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。
①在一些构件截面改变的地方必须设计成平滑过渡，不要形成尖角。
②在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头，搭接接头由于应力集中系数大，应尽量避免。
③不同厚度构件的对接接头应尽可能采用圆滑过渡。
④避免焊缝的密集，两条焊缝间应保证有最小距离。
2．减小结构刚度。
在满足使用条件下，应当尽量减小结构的刚度，以降低应力集中和附加应力的影响。
3．重视次要焊缝的设计。
对于次要或不受力焊缝的设计，应和主要焊缝一样给予足够重视。
4．减小焊接残余应力。
制订焊接工艺规程时，应考虑尽量减小焊接残余应力值，以减少其不利影响，必要时应进行最后消除应力的热处理。
参考文献：
[1]邵奇惠等，《高级电焊工技术》机械工业出版社2000.
[2]邰国全等，《焊接工业缺欠分析与对策》机械工业出版社1998.。