第四章__焊接结构的脆性断裂
焊接技术与工程基础知识单选题100道及答案解析
焊接技术与工程基础知识单选题100道及答案解析1. 以下哪种焊接方法属于熔焊？（）A. 电阻点焊B. 摩擦焊C. 电弧焊D. 超声波焊答案：C解析：电弧焊是通过电弧产生的高温使焊件局部熔化，实现连接，属于熔焊。
电阻点焊、摩擦焊和超声波焊都不属于熔焊。
2. 焊接电弧中温度最高的区域是（）A. 阳极区B. 阴极区C. 弧柱区D. 以上都不对答案：C解析：弧柱区的温度最高，可达5000 - 8000K。
3. 焊条药皮的作用不包括（）A. 稳弧B. 脱氧C. 传导电流D. 造渣答案：C解析：焊条药皮主要起到稳弧、脱氧、造渣等作用，传导电流不是其主要作用。
4. 焊接接头中性能最差的区域是（）A. 焊缝区B. 热影响区C. 熔合区D. 母材区答案：C解析：熔合区是焊缝与母材的交界区，化学成分和组织不均匀，性能最差。
5. 气保焊中常用的保护气体是（）A. 氧气B. 氮气C. 氩气D. 二氧化碳答案：C解析：氩气是气保焊中常用的保护气体之一，能有效防止焊缝氧化。
6. 以下哪种材料焊接性较好？（）A. 高碳钢B. 中碳钢C. 低碳钢D. 铸铁答案：C解析：低碳钢的碳含量低，焊接性较好；高碳钢、中碳钢焊接性相对较差，铸铁焊接性很差。
7. 焊接时，焊件在冷却过程中产生的应力是（）A. 残余应力B. 工作应力C. 初应力D. 热应力答案：A解析：焊件冷却后残留的应力称为残余应力。
8. 手工电弧焊时，电弧电压主要取决于（）A. 焊接电流B. 焊条直径C. 电弧长度D. 焊件厚度答案：C解析：电弧电压主要取决于电弧长度。
9. 焊接电流增大时，焊缝的（）会增大。
A. 宽度B. 余高C. 熔深D. 以上都是答案：D解析：焊接电流增大，焊缝的宽度、余高和熔深都会增大。
10. 埋弧焊不适合焊接（）A. 长直焊缝B. 环焊缝C. 薄板D. 厚板答案：C解析：埋弧焊不适合焊接薄板，因为其热输入较大。
11. 以下哪种缺陷属于焊缝表面缺陷？（）A. 气孔B. 夹渣C. 咬边D. 未焊透答案：C解析：咬边属于焊缝表面缺陷，气孔、夹渣、未焊透属于内部缺陷。
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。
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
第四章 脆性断裂PPT课件
ag
1
s n
W
2
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4.2.5动态裂纹扩展与止裂
动态裂纹扩展通常有两种情况：
1）含静止裂纹的结构承受迅速变化的动载荷作用引
起的裂纹扩展；
2）净载荷或缓慢变化的载荷作用下的裂纹快速扩展
在线弹性材料特性范围内，第一类问题的裂纹起
裂准则为
KI KId
式中， KI是动载荷下的应力强度因子
焊接接头母材发生屈服并断裂的最大裂纹尺寸abg
W 2 a b g s W W n B a b g 1 s W n B W 2 1 M 1n s B B W 2
在高匹配条件下，焊缝发生小范围屈服而母材发
生屈服断裂的最大裂纹尺寸an
aW
1
K
W C
B n
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c
2EP a
ac
2EP 2
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五、断裂韧度和断裂判据
无限大平板长为2a的穿透裂纹应力强度因子KI与应
变能释放率G
G
K
2 I
（平面应力）
E
G 1KI2（平面应变）
E
断裂韧度 GC与K IC，断裂准则
KI KIC 或
GI GIC
KIC是材料常数
KIC通过有关 标准试验来获得
K IC的选取应保证平面应力的延性断裂
σnB —母材的极限强度 KCW —焊缝的断裂韧3度6
4.3.2 失配性对焊缝裂纹驱动力的影响
高匹配焊缝中心裂纹宽板（CCT试件）横向拉伸 2H/B和W一定，当a ≤ ac1（临界裂纹尺寸）时， “冻结”现象
匹配因子M的 增大，COD―ε曲线 将会降低
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焊接接头的工作应力分布
完全可以使用。焊缝长度取实际有效长度，计算厚度取两板中较薄者， 如果为异种钢焊接，则选用低强度材料等强应力为计算依据。如果焊 缝金属的许用应力与母材金属基本相同，则不必进行强度计算。 • 全部焊透的对接接头承受的外载情况如图3 -9所示。 • 由焊缝强度计算的假设和对接接头静载强度计算的基本方法，根据图 3-9所示对接接头的承载情况可得应力计算公式如下: • 1)受拉力F时
直的角焊缝—正面角焊缝(图3-2中l3段);
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任务一焊接接头的工作应力分布
• 与受力方向平行的角焊缝—侧面角焊缝(图3 -2中l1 , l5段);与受力方向 成一定夹角的角焊缝—斜向角焊缝(图3-2中l2、 l4段)。
• 1)正面角焊缝 • 正面角焊缝的应力集中主要在角焊缝的焊根A点和焊趾B点。其大小
与许多因素有关，其中改变角焊缝的外形和尺寸，可以大大改变焊趾 处的应力集中程度;同时，也能使焊根处的应力集中情况发生变化。 焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边与直角边间的夹角而变化， 减小夹角θ和增大熔深焊透根部，可以降低焊趾处和焊根处的应力集 中系数，如图3 -3所示。 • 2)侧面角焊缝 •
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• 由余高引起的应力集中，对动载结构的疲劳强度影响最大。对于重要 的动载结构，可采用削平余高或增大过渡区半径的措施来降低应力集 中系数，以提高接头的疲劳强度。一般情况下，对接接头由于余高引 起的应力集中系数不大于2 (KT ≤ 2) 。
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⑵ 脆性断裂
脆性断裂---通常称为低应力脆断。一 般都在应力低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。金属结构 发生瞬时、突然破坏的断裂（裂纹扩展速 度可高达1500～200m/s）称为脆性断裂。
脆性断裂的裂口平整，与正应力垂直， 没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属 光泽。
焊接结构断裂失效的分类及危害
2.疲劳断裂失效 金属材料及其结构因受交变载荷而发生损坏或断 裂的现象，称为疲劳断裂。
3.应力腐蚀断裂失效 腐蚀是材料与周围介质作用产生的物理化学过程。
而应力腐蚀是指敏感金属或合金在一定的拉应力和 一定腐蚀介质环境共同作用下所产生的腐蚀断裂过 程。
应力腐蚀裂纹
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
(三)桥梁脆性断裂
在1935年前后,比利时在Albert运河上建造了
大约50座焊接桥梁,这些桥梁在以后几年内不断发
生脆性断裂事故.1938年3月比利时Albert运河上
Hasseld桥全长74.5米的焊接结构,在气温-20℃时
发生脆性断裂,整个桥梁断成三段坠入河中.1940
年又有两座桥梁在-14℃温度下发生局部断裂,其
扩展成脆性临界裂纹。而且认为这种裂纹产生原
因是由于在较低温度时急剧加热所产生的热应力
和焊接残余应力相迭加，以及氢的延迟破坏等因 素综合作用的结果。
（二） 船舶脆性断裂
在焊接结构断裂中，船舶的脆性断裂事 故颇受人们注意。在第二次世界大战期间， 美国的焊接“自由轮”在使用过程中发生 大量的破坏事故，其中238艘向完全报废、 19艘船沉没。船舶损坏有完全断裂或部分 断裂两种情况，据统计有24艘船舶脆断成 两半的情况。
Shank等人对船舶的脆性断裂事故作了 详细调查，并获得了大量数据。认为造成 最主要的原因是钢的缺口敏感性。更值得 注意的是：大部分船舶脆断是在气温较低 的情况下发生的。当时美国船舶技术标准 中没有列出对船舶钢板的缺口敏感性和低 温韧性的性能要求。
第二次世界大战后船舶脆断最典型的例子是：
1956年英国最大油轮“世界协和”号，在爱尔兰
（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。压力容器一旦发生 脆性断裂，则将整个结构毁坏，其后果甚 为严重。早基Shank曾对压力容器的破坏作 了调查，在调查报告中收入压力容器脆性 断裂事故18例，其中最典型的例子为： 1919年美国马萨诸塞州糖浆贮罐脆性断裂 事故。
事故原因是由于整个贮罐强度不够，特
别是对局部应力集中缺乏考虑，以致在糖 浆的内压作用下产生脆性断裂。本世纪40 年代球形贮罐的破坏事故更为突出，1943 年美国纽约州有一个直径12米的大型贮气 罐，当温度降到－12℃时发生脆断。
（2） 锅炉汽包脆断
1966年英国Cockenize电厂锅炉汽包在 水压试验时发生脆性断裂。汽包是用MnCr-Mo-V钢板制造的，筒体全长23米、内径 1.7米、壁厚140毫米。该容器采用了以新 的贯通形管接头代替旧的管接头。在沿该 管接头的汽包筒身内侧靠近省煤器管接头 处潜伏着一个长度为330毫米、深为90毫米 的大裂纹，并且裂纹表面已发黑。破坏就 是从这里开始的。裂纹呈人字形方向扩展。
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。
自本世纪初以来，桥梁、船舶、压力窗口、 管道、球罐、热电站发电设备的汽轮机和发电机 转子以及其他设备曾发生脆性断裂事故。近20年 来，随着焊接结构的大型化、钢结构截面增厚以 及高强度钢的采用，容易引起焊接结构的脆断。 例如由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。
经检查表明：在原始钢板中没有发现任何缺 陷，而且在裂纹起始处材料的金相组织未发现异 常的特征;汽包的设计、所用材料、制造方法、热 处理以及检验均符合于英国标准1113-1958要求。 而且焊接完毕后，在消除应力退火前用磁粉探伤
并未发现任何裂纹。经研究确定：这条裂纹是在
消除应力退火处理的初期阶段就已形成，但尚未
海的一次大风暴中轮船破裂成两段，当时海上温
度为10.5℃。后经调查表明：裂纹发扩展，并穿
过甲板。裂纹是不连续的，而是由若干单独的裂
纹所组成。
总结船舶脆性断裂原因大致可归纳为：①钢 板低温脆性所引起;②脆性断裂是由应力集中处开 始;③钢板具有较大的缺口敏感性.
中一座桥梁在下弦曾发现长达150毫米裂纹,裂纹
是由焊接接头处开始的;另一座桥梁在桥架下弦曾
发现六条大裂纹.据统计,在1947-1950年期间比利
时还有十四座桥梁发生脆断事故,其中六次是在低
Chapter 4 焊接结构的脆性断裂
本章内容：1.焊接结构断裂失效的分类及危害 2.焊接脆性断裂的特征 3.焊接结构脆断的原因及影响因素 4.焊接结构脆断的防治措施
4.1.焊接结构断裂失效的分类及危害
4.1 焊接结构断裂失效的分类及危害 焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断 裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种 类型。 1.脆性断裂失效
根据金属材料断裂前塑性变形的大小，断裂 可分为延性断裂和脆性断裂两种形式。
⑴延性断裂 断裂过程是：金属材料在载荷作 用下，首先产生弹性变形。当载荷继续增加到某 一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续 加大载荷，金属将进一步变形，继而发生微裂口 或微空隙，这些微裂口或微空隙一经形成，便在 随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。 宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断 裂。