焊接结构的脆性断裂
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2.6 预防焊接结构脆性断裂的措施
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三、加载速度的影响
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四、材料状态的影响
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α＋ ＋Ｆｅ３Ｃ
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2.4 焊接结构制造工艺特点与脆性断裂的关系
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(1)
第2章 焊接结构的脆性断裂
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5 §2.6
脆性断裂事故和研究脆性断裂的意义 金属材料的断裂及其影响因素 材料断裂的评定方法 焊接结构制造工艺特点与脆性断裂的关系 焊接结构抗裂性能和止裂性能的评定方法 预防焊接结构脆性断裂的措施
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(2)
2.1脆性断裂事故和研究脆性断裂的意义
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2.2 金属材料的断裂及其影响因素
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(10)
二、温度
温度增加，σs 和σb 均增加，而ψ 减小， 在-200度时为零。，由延性转为脆性。
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(11)
第四章焊接结构的脆性断裂
于压力窗口的大型化、厚截面或超厚截面压力窗口增多以及化
工、石油工业中低温压力容器的使用，使脆断事故迭有发生。
这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，
英、日本等国家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并
提出了工程结构脆断防止措施。
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（一）
压力容器脆性断裂
•
压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是脆性断裂更引人注意。
很多． • (3)焊接结构刚性大，破坏一旦发生，瞬时就能扩展到结构整
体，所以脆断事故难以事先发现且往往造成较严重的后果。
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脆性断裂的影响因素
• 综合研究分析认为，一般脆断事故原因与以下几方面因素有关。 • (1）结构在低温下工作，低温使材料的性质变脆。 • (2)结构中存有一些焊后漏检缺陷，或在使用中发生延迟裂纹。 • (3)在许多情况下，焊接残余应力起到不良的作用，焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降。
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应力腐蚀裂纹
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4.2 焊接结构脆断事故分析
•
•
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
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脆性断裂的宏观断口
• 从下图可看出，脆性断裂的宏观断口分为三个区：纤维区、放射区、剪切唇。
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宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确
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。
第二章 焊接结构的脆性断裂
造成脆性断裂的原因
材料选用不当 起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低
二、金属材料脆性断裂的能量理论
（格里菲斯）Griffith裂纹理论
基点：材料中已存在裂纹 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理 论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 大量研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只 有它理论断裂强度的1/10~1/1000.
防止结构发生脆性破坏的两个设计准则
①
开裂控制（防止裂纹产生准则）
设计要求在焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头 处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力。
②
扩展控制（止裂性能准则）
设计要求如果在这些部位产生了脆性小裂纹，其 周围材料应具有将其迅速止住的能力。
（二）断裂评定方法
金属材料的断裂除与材料本质特征有关外，还与 结构所处于的温度、加载速度、应力状态等外加因 素有关，其中温度是个主要因素。 对于一种材料有两个临界温度即开裂温度和 止裂温度。开裂、止裂温度的高低可以用来衡量材 料的抗裂性能和止裂性能。且开裂、止裂的温度越 低，材料的抗开裂性能和止裂性能就越好。
1、冷应变时效：材料经历切割、冷热成形（剪切、弯
曲、矫正）等工序使材料发生应变时效导致材料变脆。
2、热应变时效：在焊接时，近缝区某些加工时留下的刻
槽，即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附 近，金属受到热循环和热塑变循环的作用，产生焊接应力-应 变集中，导致较大的塑性变形，引起应变时效。 解决措施：焊后经过550～650℃热处理可以消除两类应变时 效对低碳钢和一些合金结构钢的影响，恢复其韧性。
焊接结构的脆性断裂及预防措施
焊接结构的脆性断裂及预防措施一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂，是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷，从而引起应力集中，形成断裂源。
另外，还由于焊接接头处的力学性质的不均匀，使附近热影响区材料性质变脆，以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。
所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。
特别是一些直接承受动载荷的焊接结构，或是处于低温工作环境时，焊接结构更易发生脆性断裂。
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会造成巨大的损失。
一般来说，金属脆性断裂时，无论是具有解理形断口，还是呈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，在表面上附有一层剪切壁，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，断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向，形成山形花样，追踪这个花样可以找到启裂点。
三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的，其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。
首先产生一小的裂纹，而后该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部贯穿于结构中，造成脆性失效。
因此．防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。
同时，如果这些部位产生了脆性小裂纹时，其周围母材有将其迅速止住的能力。
在上述设计方法中，一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上，以此作为设计的依据。
对于中低强度钢来说，由于残余应力的作用，焊缝接头处一旦产生脆性裂纹，通常向母材方向扩展，因此需要母材有一定的止裂性能。
这时，对于防止结构的脆性断裂是有意义的。
而对于高强度钢来说，裂纹的产生和扩展主要发生在焊缝中，这是因为由于母材强度的提高，接头中更易出现焊接缺陷，产生裂纹。
焊接结构的脆性断裂
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§4－6 焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法
一、脆断的产生（引发）、扩展和停止 临界转变温度 二、焊接结构设计的两种原则 防止引发原则及止裂性能 三、焊接接头抗开裂性能试验 ㈠韦尔斯宽板拉伸试验：适合高强钢
3
㈡断裂韧性试验 适合中低强度钢，全面屈服断裂力学
E
裂纹扩展的条件是：
E 0, 即 - 2 πaσ
2
4＝ 0
a
E
对于金属材料，奥罗万
提出：
- πaσ
2
（2 ＋ P ）＝
0，
E
由于 p ，所以：
- πaσ
2
2P＝ 0
E
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§4-4 材料断裂的评定方法 转变温度方法－试验方法断裂力学方法
一、转变温度方法
㈠冲击试验 却贝V形缺口试验 ⑴能量标准 ⑵断口标准 ⑶延性标准
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㈡爆炸膨胀试验和落锤试验 ⑴爆炸试验 a.平裂情况 b.凹裂情况 c.凹陷和局部
断裂情况 d.膨胀撕裂情况
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⑵落锤试验
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㈢静载试验
二、断裂力学的评定方法 转变温度方法的缺点和局限性
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§4－5 焊接结构的特点及其对脆断的影响
一、焊接结构刚性大整体性强
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㈢尼伯林科试验（动载荷抗开裂试验）
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四、止裂试验
㈠罗伯逊止裂试验（变温试验）
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均温止裂试验
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㈡双重拉伸试验
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。
影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应
影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应钢材的脆性断裂，是钢结构在静力或加载次数不多的动荷载作用下发生的脆性破坏。
在破坏前无明显变形，平均应力亦小（一般都小于屈服点y f ），没有任何预兆，破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。
具体说来，导致焊接结构脆性断裂破坏事故的主要原因主要有以下几点： ⑴焊缝经常或多或少存在一些缺陷，如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等，这些缺陷能够成为断裂的起源；⑵焊接后结构内部存在残余应力。
残余应力未必是破坏的主因，但和其他因素结合在一起，可能导致开裂；⑶焊接结构的连接往往有较大刚性，当出现3条相互垂直的焊缝时，材料的塑性变形就很难发展；⑷焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开裂，就有可能一断到底。
综上所述，影响结构脆性断裂的直接因素主要是裂纹尺寸、作用应力和以及材料的韧性，下面具体说明各个因素对焊接钢结构脆性断裂产生的影响：⑴裂纹根据断裂力学的观点，对脆性断裂必须从结构内部存在着微小裂纹的情况出发进行分析。
断裂是在荷载和侵蚀型环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。
尖锐的裂纹使构件受力时处于高度的应力集中。
裂纹随应力增加而扩展，起初是稳定的扩展，后来达到临界状态，出现失稳扩展而断裂。
根据线弹性断裂力学，当板处于平面应变条件下时，如果应力强度因子IC I K a K ≥⋅=σπα (1.1)则裂纹将迅速扩展而造成张开型（即I 型）断裂。
式中σ为板所受的拉应力，如果构件内部存在残余应力，则应包括在内；a 为裂纹尺寸，中心裂纹取宽度的一半，边缘裂纹取全宽度，如图1.1所示；α为和裂纹形状、板的宽度以及应力集中造成的应力梯度等因素有关的系数，当中心线上有贯穿裂纹，板宽很大并承受均匀拉应力时，1=α；IC K 代表材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性，是材料本身固有的特性。
图1.1 裂纹尺寸由式(1.1)可见，裂纹尺寸a越大，构件所能安全承受的应力σ就越小。
焊接缺陷对结构脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关。
焊接结构的脆性断裂及预防措施
焊接结构的脆性断裂及预防措施作者：王从明来源：《职业》2011年第13期一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂，是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷，从而引起应力集中，形成断裂源。
另外，还由于焊接接头处的力学性质的不均匀，使附近热影响区材料性质变脆，以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。
所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。
特别是一些直接承受动载荷的焊接结构，或是处于低温工作环境时，焊接结构更易发生脆性断裂。
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会造成巨大的损失。
一般来说，金属脆性断裂时，无论是具有解理形断口，还是呈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，在表面上附有一层剪切壁，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，断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向，形成山形花样，追踪这个花样可以找到启裂点。
三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的，其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。
首先产生一小的裂纹，而后该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部贯穿于结构中，造成脆性失效。
因此．防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。
同时，如果这些部位产生了脆性小裂纹时，其周围母材有将其迅速止住的能力。
在上述设计方法中，一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上，以此作为设计的依据。
对于中低强度钢来说，由于残余应力的作用，焊缝接头处一旦产生脆性裂纹，通常向母材方向扩展，因此需要母材有一定的止裂性能。
这时，对于防止结构的脆性断裂是有意义的。
预防焊接结构脆性断裂的措施
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预防焊接结构脆性断裂的措施
采用合理的焊接结构设计 脆性断裂往往是瞬间断裂的, 其原因是构件中存
在着焊接或合金缺陷产生小裂纹, 而后该裂纹以极快 的速度扩展, 部分或全部贯穿于结构中 , 造成脆性失 效。因此 , 防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方 法, 是使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产 生的能力。同时 , 如果这些部位产生了脆性小裂纹, 其周围母材有将其迅速止住的能力。因此, 要做到以 下几点。 ! 尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。 ∀ 减少结构的刚度, 以期减少应力集中和附加
件, 焊接结构选用的材料必须是能得到性能良好的焊 接接头的材料, 即焊接材料性能好的材料。焊接结构 使用最多的材料是钢 材。常用的 钢材有: 一 般结构 钢、 碳素钢、 低合金钢、 不锈钢、 耐热钢等。设计人员 必须熟悉材料的各种性能 , 特别是要根据焊接结构的 形式、 尺寸、 工作环境、 载荷条件、 材料工艺性能、 重量 要求以及产品制造的经济因素全面考虑 , 进行综合分 析, 做出正确的选择。 ∀ 焊接材料的选择。焊接材料主要是根据母材 的力学性能、 化学成分来选择。中低强度钢由于母材 和焊缝都具有较大韧性储备, 所以按等强度原则选择 高组配的焊接接头合理。因为焊缝韧性即使比母材 有所降低 , 但并不会影响整个机构的安全性, 而且当 横向载荷使结构发生弹性变形时, 由于焊缝区比母材 区发生较小的应变, 焊缝相当于受到保护。高组配的
结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力一般来说金属脆性断裂时无论是具有解理形断还是呈光泽的结晶状外观断口都与板面大体垂直而且板厚方向的变形很小在表面上附有一层剪切壁呈无光泽灰色纤维状的剪断形材料越脆断裂的剪切形成山形纹路分析断口的纹路可以找到启裂点结构材料塑韧性低材料的韧性不足特别在缺口尖端处材料的微观塑性变形能力差使材料的塑性变形过程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从而使材料出现脆断