焊接结构脆性断裂
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
加热时
焊
缝
O
O
冷却后
图1-4 低碳钢长板条中心堆焊时的应力变形情况 8
3．板边堆焊时焊接应力和变形的产生（非对称加热）
每一纤维的内部变形（率）：
E E( sh T )
Ⅰ) 完全弹性变形区。此区域变形率小 于εs，冷却后没有残留的塑性变形。 Ⅱ) T≤500℃区域是弹性区和部分塑性 变形区。冷却后塑性变形部分，abc区 域将保留下来。 Ⅲ) 500℃≤T<600℃的区域是部分塑性 变形到完全塑性变形区。冷却后塑性变 形则全部保留下来，即bced区。
（1）纵向收缩造成的板平面内弯曲的趋势也引起了横向残余应力。 ---
y
（2）在焊接过程中，焊缝及近缝区金属横向收缩的先后次序不同(不同时性)， 使对接的两块板有产生平面内弯曲的趋势，使得焊缝区出现横向残余应力。 --- y
当把对接板由焊缝处裁开，每 块板发生类似板边堆焊的弯曲变 形。若使板保持平直，必须在中 部施加拉力，两端部施以压力。 实际上焊缝的存在就是对两板施 加作用使其平直，即：焊缝上存 在着中部为拉，两端为压的残余 y 应力 。
钢的应变时效定义：塑性变形时或变形后，固溶状态的间隙溶质（C、N） 与位错交互作用，“钉扎”位错阻止变形的物理本质，从而导致强度提高， 韧性下降的力学冶金现象。
5
应变时效:
许多碳-锰低强度结构钢对应变时效脆化比较敏感，它将大大 降低钢材的塑性，提高材料的韧-脆转变温度，促进焊接结构 的脆性破坏。 应变时效导致焊接结构脆性破坏的实例很常见的。例如： 某储油罐的脆性破坏事故，破坏始于罐体和底板的连接处，扩 展后达到顶部。 检查后表明：这种钢材对应变时效非常敏感，离钢材剪切 边缘不同距离处缺口韧性有急剧的变化。钢板本身的转变温度 为-8℃，但距剪切边缘6mm处，转变温度为+53℃，距剪切边 缘20mm处为+36℃。 主要原因：剪切引起冷作应变，随后进行的焊接工序引起 应变时效所致。因此，该对焊接接头的应变时效区应充分注意 。
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。
第四章 焊接结构的脆性断裂
第一小节焊接结构脆断的特征自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。
其所涉及的焊接结构形式有：焊接船体、球形贮罐、低温压力容器、桥梁、发电设备、海洋工程和石油开发设备及飞机零部件等等。
这些破坏事故多是无征兆而突然发生的，同时会造成灾难性的损失，因此，曾一度使人对焊接结构制造在重要结构中应用的可靠性产生怀疑，影响了焊接结构的推广和发展。
近年来，各国学者通过广泛的调查和研究，总结出了焊接结构脆性断裂的特征为：1）脆性断裂都是在没有显著塑性变形的情况下发生的，并具有突然破坏的性质。
2）由于焊接结构具有整体性强和刚度大的特点，破坏一旦发生，瞬时就能扩展到结构的整体，使得脆性断裂事故难以事先发现加以预防。
3）焊接结构发生脆断时，其断裂的名义应力较低，通常低于材料的下屈服强度值，且往往还低于结构的设计许应力，是一种低应力下的破坏。
因此，脆性断裂又称为低应力脆性破坏。
4）断裂时，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）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。
6）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。
除了这些公认的典型特征外，研究人员还通过模拟断裂试验，研究了温度对断口附近材料塑韧性的影响，试验结果表明，焊接结构断裂时断口附件金属的塑韧性很差，而对离断口较远材料进行力学性能复验发现，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。
第二小节防止焊接结构脆性断裂的设计准则焊接结构脆性断裂往往是在瞬间内完成的，但是大量研究表明，它仍然由两个阶段所组成的。
即在焊接结构某个部位，例如焊接缺陷处，如焊接冷裂纹、咬边、夹杂物及未焊透等缺陷处首先产生脆性裂纹，然后该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部的贯穿结构件，造成脆性断裂破坏。
前一阶段为断裂的萌生阶段或引发阶段，后一阶段为裂纹的扩展阶段。
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。
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。
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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<T k 时，σf <σs ，材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度，即材料无塑性变形而产生脆断。
由此可知，凡提高屈服强度的因素都可使临界温度T k 提高，脆断倾向增加。
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。