脆性断裂导致的影响因素

1.影响脆性断裂的主要因素

同一种材料在不同条件下会出现不同的破坏形式。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、材料中三向应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向越严重。

（1）应力状态的影响 物体在受外载时，在主平面上作用有最大正应力σ_max，与主平面成45^o的平面上作用有最大的切应力τ_max。σ_max和τ_max及其比值与加载方式有关，当切应力达到屈服强度时，产生塑性变形；达到剪切抗力时，产生剪断。当正应力达到正断抗力时，产生正断，断口与σ_max垂直，如果在σ_max未达到断抗力剪，τ_max选达到屈服强度，则产生塑性变形，形成延性断裂。如果在τ_max达到屈服强度前，σ_max首先达到正断抗力则发生脆性断裂，因此断裂的形式与加载形式即应力状态有关。

试验证明，当材料处于单轴或双轴拉应力下，呈现塑性；当材料处于三向拉应力下，则不易发生塑性变形，呈现脆性。在实际结构中，三向拉应力可能由三向载荷产生，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，但其局部地区由于设计不佳，工艺不当，往往会形成局部三轴应力状态的缺口效应，如图10-6所示。在受力过程中，缺口根部材料的伸长，必然会引起此材料沿宽度和厚度方向的收缩。由于缺口根部出现较高的应力和应变集中，而缺口尖端以外的材料受到的应力较小，它们只能引起较小的横向收缩。由于横向收缩不均，缺口根部横向收缩受阻，结果产生横向和厚度方向的拉应力σ_x和σ_z，即在缺口根部产生三向拉应力。在三轴拉伸时，最大应力就超出单轴拉伸时的屈服应力，形成很高的局部应力而材料尚不发生屈服，结果降低了材料的塑性，使该处材料变脆。

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，而在试验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为。

（2）温度的影响 试验表明，随着温度的降低，材料的塑性降低，脆性增大，断裂方式逐步从延性破坏变为脆性破坏。从延性断裂向脆性断裂转变的温度称为韧脆转变温度。韧脆转变温度（又叫脆性转变温度）高，则脆性倾向严重，带缺口的试样韧脆转变温度比光滑试样高，这和上面应力状态影响的结论是一致的。温度与破坏方式的关系如图10-7所示。

（3）加载速度的影响 随着加载速度的增加，材料的屈服强度提高，促使材料向脆性转变，其作用相当于降低温度。

应当指出，在同样的加载速度下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加偌的不利影响。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。这就说明了为什么结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象。当缺口根部小范围金属材料发生断裂时，则在新裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷，也就是一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动载的还是静载的，此时随着裂纹的加速扩展，应变速率更急剧增加，致使结构最后破坏。

韧-脆转变温度与应变速率的关系如图10-8所示，随着厚度和应变速率的增加，转变温度向高温转移。

图10-6 缺口根部应力分布示意图

图10-7 温度与破坏方式关系示意图

图10-8 韧-脆转变温度与应变速率的关系

（4）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向拉应力，因而容易发生脆性断裂。另外，厚板轧制次数少、压延量小、终轧温度高、组织疏松、内外层均匀性较差等也容易导致材料的脆性断裂。

2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的韧脆转变温度有很大影响，即晶粒越细，其韧脆转变温度越低。

3）化学成分的影响。钢中的C、N、O、H、S、P等增加钢的脆性。另一些元素，如Mn、Ni、Cr、V等，如果加入适量，则有助于减小钢的脆性。

4）显微组织的影响。一般情况下，在给定的强度水平下，钢的韧脆转变温度由它的显微组织来决定。例如，钢中存在的主要显微组织的组成物铁素体具有最高的韧脆转变温度，随后是珠光体、上贝氏体、下贝氏体和回火马氏体。其中每种组成物的转变温度又随组成物形成时的温度以及在需经回火时的回火温度发生变化。

2.影响结构脆断的设计因素

焊接结构是根据焊接工艺特点和使用要求而设计的。设计上的有些不利因素是这类结构固有特点造成的，因而比其他结构更易于引起脆断。有些则是设计不合理而引起脆断。这些因素如下。

1）焊接连接是刚性连接。焊接接头是通过焊缝把两母材熔合成连续的、不可拆卸的整体，两母材之间已没有任何相对松动的可能。结构一旦开裂，裂纹很容易从一个构件穿越焊缝传播到另一个构件，继而扩展到结构整体，造成整体断裂，铆钉连接和螺栓连接不是刚性连接，接头处两母材是搭接，金属之间不连续。靠搭接面的摩擦传递载荷。遇到偶然冲击时，搭接面有相对位移的可能，收到吸收能量和缓冲作用。万一有一构件开裂，裂纹扩展到接头处因不能跨越而自动停止，不会导致整体结构的断裂。

2）构造的整体性导致其刚度大。焊接结构这一特点，导致对应力集中因素特别敏感。

3）构造设计上存在不同程度的应力集中因素。焊接接头中的搭接、T形（或十宇）接头和角接头，本身就是结构上的不连续部位。连接这些接头的角焊缝，在焊趾和焊根处存在应力集中点。对接接头是最理想的接头形式，但也随着余高的增加，使焊趾的应力集中趋于严重。

4）结构细部设计不合理。焊接结构设计时必须重视选材和总体结构的强度和刚度计算，但构造设计不合理，尤其是细部设计考虑不周，也会导致脆断的发生，因为焊接结构的脆断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。下面列举几种不妥的构造设计，它可能成为脆断的诱因。

①断面突变处不作过渡处理。

②造成三向拉应力状态的构造设计，如用过厚的板、焊缝密集、三向焊缝汇交、拘束状态下施焊、复杂的残余应力分布等。

③在高工作应力区布置焊缝。

④在重要受力构件上随便焊接小附件，而不注意焊接质量。

⑤不便于施焊的构造设计。这样的设计最容易引起焊缝内外缺陷。

3.影响结构脆断的工艺因素

焊接结构在生产过程中一般要经历下料、冷（或热）成形、装配、焊接、矫形和焊后热处理工序。金属材料经过这些工序其材质可能发生变化，焊接可能产生缺陷，焊后产生残余应力和变形等，都对结构脆断有影响。

（1）应变时效对结构脆断的影响 钢经冷变形后在常温条件下长时间（几个月甚至几年）停留或在100～300℃的温度下经较短时间（0.5～2h）保持时，将使其强度上升、塑性下降，尤其是冲击韧度下降最为显著，这种现象称为应变时效。制造焊接结构的钢材焊前一般都要经过一系列的冷加工产生一定的塑性变形。例如生产过程中的剪切、冷作矫形、弯曲，如果随后又经100～300℃温度范围加热，就会引起应变时效，产生脆化。例如，锅炉的锅筒是重要的受内压部件，常用冷卷方法成形，并在应变时效温度下工作，因此具有一定的脆化倾向。

焊接时金属受到热循环的作用，特别是在热影响区的某些沟槽尖端附近或多层焊道中已焊完焊道的缺陷附近，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，通常称为热应变脆化。

钢对应变时效的敏感性，常用时效前后冲击吸收能量之差与原始状态冲击值的百分比来表示。将钢预拉10%、加热到250℃并保温1h后空冷，再制成标准冲击试样进行冲击试验，其结果为应变时效冲击吸收能量，则应变时效敏感性C可表示为(www.xing528.com)

式中 a_K——钢原始状态冲击吸收能量；

a′_K——钢应变时效后的冲击吸收能量。

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。

（2）焊接接头非均质性的影响 焊接接头中焊缝金属与母材料之间有强度匹配问题，以及焊接的快速加热与冷却，使焊缝和热影响区发生金相组织变化问题。这种非均质性对结构脆断有影响。

1）焊缝金属与母材性能不匹配。目前结构钢焊接在选择焊接填充金属时，总是以母材强度为依据。由于焊材供应或焊接工艺需要等原因，可能有三种不同强度匹配（又称组配）的情况，即焊缝金属强度略高于母材金属强度的高匹配、等于母材强度的等匹配和略低于母材的低匹配。这三者只考虑了强度问题，忽略了对脆断影响最大的延性和韧性匹配问题，因而不够全面。通常强度级别高的钢材其延性和韧性相对较差。相反，强度级别较低的钢材其延性和韧性都较好。很难做到既等强度又等韧性的理想匹配。

通过对不同强度级别钢材以不同强度匹配的焊接接头抗断裂试验研究发现，焊缝强度高于母材的焊接接头（高匹配）对抗脆断较为有利。这种高匹配接头的极限裂纹尺寸a_cr比等匹配和低匹配的接头来得大，而巨焊缝金属的止裂性能也较高。这种现象被认为是高匹配的焊缝金属受到周围软质母材的保护，变形大部分发生在母材金属上。

采用高匹配并不意味着可降低焊缝金属塑性和韧性的要求。因为焊接工艺方面和焊缝金属抗开裂方面对塑性、韧性的基本要求应满足。因此认为，要求焊缝和母材具有相同的塑性，而强度稍高于母材是最佳的匹配方案。

2）接头金相组织发生变化。焊接局部快速加热和冷却的特点，使焊缝和热影响区发生一系列金相组织的变化，因而相应地改变了接头部位的缺口韧性。图10-9所示为碳-锰钢焊条电弧焊后焊缝金属、热影响区和母材COD试验的结果。在这种情况下焊缝金属具有最高转变温度，这可能与焊缝的铸造组织有关。热影响区主要由粗晶区和细晶区组成，粗晶区是焊接接头的薄弱环节之一。有些钢的试验表明，它的临界转变温度可比母材提高50～100℃。

图10-9 焊接接头不同部位的韧性

热影响区的显微组织主要取决于母材的原始显微组织、材料的化学成分、焊接方法和焊接热输入。对于一定的钢种和焊接方法来说，主要取决于焊接热输入。实践表明，对高强度钢的焊接，采用过小的热输入会导致接头散热快，造成淬火组织并易产生裂纹；采用过大的热输入会造成过热、晶粒粗大而脆化，降低材料的韧性。通常需要通过工艺试验，确定最佳的焊接热输入。采用多层焊可获得较满意的接头韧性，因为每道焊缝可以用较小的焊接参数，巨每道焊缝的焊接热循环对前一道焊缝和热影响区起到热处理作用，有利于改善接头的韧性。

（3）焊接残余应力的影响 焊接残余力对结构脆断的影响是有条件的。试验表明，当试验温度在材料的脆性转变温度以上时，焊接残余应力对脆断强度无不利影响；试验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，则有不利影响。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，发生低应力破坏，即脆性破坏。由于拉伸残余应力具有局部性质，一般它只限于焊缝附近部位，离开焊缝区其值会迅速减小，所以在焊缝附近的峰值残余应力有助于断裂的发生。随着裂纹增长离开焊缝一定距离后，残余应力影响急剧减小，当工作应力较低时，裂纹可能中止扩展至结构破坏。

如果结构上有两条以上的焊缝，则焊缝的间距将对脆断产生影响如图10-10所示。由于焊缝距离近（小于两条焊缝拉应力区宽度之和），故两焊缝间残余拉应力发生叠加，试件上有一个较宽的残余拉应力区。因此在40.2MPa的均匀拉应力下引发裂纹后，裂纹横贯整个试样宽度。当两焊缝间距离较大时（见图10-11）焊缝间有较大残余压应力值，在29.4MPa平均应力下，裂纹在压应力区中拐弯后停止。因此，在重要的焊接结构中，应适当保持焊缝间的距离，不应靠得太近。

用机械拉伸法消除焊接残余应力，可以提高材料的脆断强度。但是断裂时试件伸长率仍然很低，不能用机械拉伸法恢复。

（4）焊接工艺缺陷的影响 焊接接头中，焊缝和热影响区是最容易产生焊接缺陷的地方。美国对第二次世界大战中焊接船舶脆断事故调查表明，40%的脆断事故是从焊缝缺陷处引发的。缺陷和结构几何不连续性可以划分为以下三种类型。

①平面缺陷：包括未熔合、未焊透、裂纹以及其他类裂纹缺陷。

图10-10 平行焊缝试样开裂路径和试件中纵向残余应力（焊缝间距小）

图10-11 平行焊缝试样开裂路径和试件中纵向残余应力（焊缝间距大）

②体积缺陷：气孔、夹渣和类似缺陷，但有些夹渣和气孔（如线性气孔）常与未熔合有关，这些缺陷可按类裂纹缺陷处理。

③成形不佳：焊缝太厚、角变形、错边等。

这三类缺陷中以平面缺陷对结构断裂影响最为严重，而平面缺陷中又以裂纹缺陷影响为甚。裂纹尖端应力、应变集中严重，最易导致脆性断裂。裂纹的影响程度不但与其尺寸、形状有关，而巨与其所在位置有关。若裂纹位于高值拉应力区，就更容易引起低应力破坏。若在结构的应力集中区（如压力容器的接管处、钢结构的节点上）产生焊接缺陷，则很危险。因此，最好将焊缝布置在结构的应力集中区以外。

体积缺陷也同样会削减工作截面而造成结构不连续，也是产生应力集中的部位，它对脆断的影响程度取决于缺陷的形态和所处位置。

在角变形较大的接头中，如承受拉应力，由于作用力的轴线不通过重心，而产生附加弯矩，如图10-12所示。在拉力和弯矩共同作用下，可造成接头低应力破坏。如果再考虑焊接的余高在熔合线处的应力集中，则情况更为严重。因此在韧性较差的熔合线处，同时承受了角变形和余高所造成的应力集中。因此，角变形越大，破坏应力越低。为了改善熔合线应力集中系数和提高韧性，可在熔合线上再堆焊一层“防裂焊缝”，如图10-13所示。

图10-12 角变形产生的附加弯矩

a）具有角变形的对接接头的拉伸 b）没有角变形的对接接头的拉伸

对接接头错边的影响与搭接头相似，如图10-14所示。此时由于力的作用线与重心不同轴，而造成附加弯曲应力，因此要注意对错边量的限制，如单层钢制压力容器的对口错边量应小于板厚的10%，巨不大于3mm。

图10-13 堆焊“防裂焊缝”示意图

图10-14 接头错边造成的附加弯矩