焊接結構的脆性斷裂及預防措施

　　一、脆性斷裂的原因
　　焊接結構之所以發(fā)生脆性斷裂，是因為焊縫接頭處幾何的不連續(xù)性形成或多或少的焊接缺陷，從而引起應力集中，形成斷裂源。另外，還由于焊接接頭處的力學性質的不均勻，使附近熱影響區(qū)材料性質變脆，以及焊縫接頭處總是不可避免地要產生焊接變形及焊接殘余應力。所有這些都可能成為焊接結構破壞的直接原因或間接原因。特別是一些直接承受動載荷的焊接結構，或是處于低溫工作環(huán)境時，焊接結構更易發(fā)生脆性斷裂。
　　二、脆性斷裂的特征
　　脆性斷裂在工程結構上是一種非常危險的破壞。其特點是裂紋擴展迅速，能量的消耗遠小于韌性斷裂，以低應力破壞為重要特征。它是靠結構內部蓄積的彈性能的釋放而自動傳播導致破壞的，因而很少發(fā)現(xiàn)可見的塑性變形，斷裂之前沒有明顯的預兆，而是突然發(fā)生的，所以說這種斷裂往往會造成巨大的損失。
　　一般來說，金屬脆性斷裂時，無論是具有解理形斷口，還是呈光澤的結晶狀外觀斷口，都與板面大體垂直，而且板厚方向上的變形很小，在表面上附有一層剪切壁，呈無光澤灰色纖維狀的剪斷形，材料越脆，斷裂的剪切壁越薄，斷口上花樣的尖端總是指向啟裂點的方向，形成山形花樣，追蹤這個花樣可以找到啟裂點。
　　三、焊接結構防止脆性斷裂的設計原則
　　脆性斷裂往往是瞬間完成的，其原因是構件中存在著焊接或冶金缺陷。首先產生一小的裂紋，而后該裂紋以極快的速度擴展，部分或全部貫穿于結構中，造成脆性失效。因此．防止焊接結構脆性破壞事故有效的設計方法是要使焊接結構最薄弱的部位具有抵抗脆性裂紋產生的能力。同時，如果這些部位產生了脆性小裂紋時，其周圍母材有將其迅速止住的能力。在上述設計方法中，一般主要著眼點放在焊縫接頭的抗脆性裂紋產生的能力上，以此作為設計的依據(jù)。
　　對于中低強度鋼來說，由于殘余應力的作用，焊縫接頭處一旦產生脆性裂紋，通常向母材方向擴展，因此需要母材有一定的止裂性能。這時，對于防止結構的脆性斷裂是有意義的。而對于高強度鋼來說，裂紋的產生和擴展主要發(fā)生在焊縫中，這是因為由于母材強度的提高，接頭中更易出現(xiàn)焊接缺陷，產生裂紋。這種裂紋完全有可能沿著焊縫或接頭方向擴展，最后造成破壞。因此，在這種情況下，就要求接頭具有止裂性能，對于防止重要結構的脆斷失效是有意義的。
　　四、防止脆性斷裂的措施
　　造成結構脆性斷裂的基本因素是材料在工作條件下韌性不足、缺陷的存在和過大的拉應力(包括工作應力、殘余應力、附加應力和應力集中等)。如果能有效地控制其中某一因素，則結構發(fā)生脆性斷裂的可能性將會顯著降低或排除。一般來說，防止結構脆性斷裂應著眼于選材、設計和制造三個途徑。
　　1.選材
　　選材分為母材選擇及焊接材料的選擇。
　?。?）母材選擇。根據(jù)所采用的焊接方法和生產條件的不同，焊接結構選用的材料必須是能得到性能優(yōu)良的焊縫接頭的材料，即焊接性能好的材料。焊接結構使用最多的材料是鋼材，其常用的鋼材有：一般結構用軋制鋼材、焊接結構用軋制鋼材、鍋爐用軋制鋼材、機械產品用碳素鋼、低合金高強鋼、不銹鋼、耐熱鋼及低溫鋼。設計人員必須熟悉材料的各種性能，特別是要根據(jù)焊接結構的形式、尺寸、特點、工作環(huán)境、載荷條件、材料工藝性能、重量要求以及產品制造的經(jīng)濟因素全面考慮，進行綜合分析，做出正確的選擇。
　?。?）焊接材料的選擇。焊接材料主要根據(jù)母材的力學性能、化學成分來選擇。對于中低強度鋼，由于母材和焊縫都具有較好的韌性儲備，所以按等強度原則選擇高組配的焊縫接頭顯然是合理的。因為焊縫韌性即使比母材有所降低，但并不會影響整個結構的安全性，而且當橫向載荷使結構發(fā)生彈性變形時，由于焊縫區(qū)比母材區(qū)發(fā)生更小的應變，焊縫相當于受到保護，高組配的焊接接頭的抗脆斷安全性更高些。
　　而對于高強鋼來說．由于強度提高，韌性下降，所以它的儲備韌性也降低。如果仍采用等強度原則，選用高組配焊縫接頭，焊縫韌性進一步降低后就很可能處于安全限度以下。因此，將導致由于焊縫韌性不足引起的低應力脆性破壞。為避免這種情況發(fā)生，有時采用低組配接頭，能取得良好的效果，采用低強度焊縫并不總是意味著焊縫接頭的強度一定低于母材。只要焊縫金屬強度不低于基體的87％，仍然可以保證接頭與母材等強。但是結構如果是在高應變區(qū)使用低組配焊縫時，應使焊縫具有比母材足夠高的韌性，方能保證結構的抗脆斷能力的提高。
　　此外，焊接材料的選擇還要考慮焊件的工作條件和使用性能，在滿足使用性能、操作工藝的前提下，應盡量選用成本低、規(guī)范大、效率高的焊接材料。
　　2.合理的焊接結構設計
　　根據(jù)焊接結構的強度、剛度的要求，以最理想的受力狀態(tài)去確定結構的幾何形狀及尺寸，重視結構的整體設計，也要重視結構的細微處設計。許多焊接結構的破壞都出現(xiàn)在局部設計不合理的薄弱環(huán)節(jié)上，結構中要盡量減少焊接量，合理布置焊縫。
　　3.合理選擇焊接結構的制造工藝
　　充分考慮應變時效引起的局部脆性帶來的不利影響，合理選擇焊接材料、焊接方法和工藝，嚴格生產管理，采用必要的熱處理工藝是防止構件脆性斷裂的工藝保障。
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