焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和脆性斷裂

一、焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞

大量統(tǒng)計(jì)資料表明，工程結(jié)構(gòu)失效80%以上是由疲勞引起的。美國(guó)商業(yè)部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局向美國(guó)國(guó)會(huì)提出的研究報(bào)告，美國(guó)每年因斷裂及防止斷裂要付1190 億美元的代價(jià)，相當(dāng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值4 % ，而統(tǒng)計(jì)資料表明，絕大多數(shù)的斷裂是由疲勞所引起的。

美國(guó)有幾座橋梁的疲勞斷裂紋發(fā)生在靠近焊縫端部的焊趾部位，如圖2 一53 所示，在圖示的裂紋部位有較高的應(yīng)力集中。在載荷作用下，腹板平面位移集中在一個(gè)比較狹窄而沒(méi)有支撐的腹板高度上，也就是翼板至加強(qiáng)肋底部的腹板高度上（劃陰影線區(qū)域），從而使該處腹板開(kāi)裂。

疲勞定義為重復(fù)應(yīng)力所引起的裂紋起始和緩慢擴(kuò)展，從而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷。疲勞斷裂過(guò)程通常經(jīng)歷裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段。

（一）疲勞斷口的特征

在進(jìn)行疲勞斷口的宏觀分析時(shí)，一般把斷口分成三個(gè)區(qū)，這三個(gè)區(qū)與疲勞裂紋的形成、擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段相對(duì)應(yīng)，分別稱為疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)擴(kuò)展區(qū)，如圖2 一54 所示。

疲勞源區(qū)是疲勞裂紋的形成過(guò)程在斷口上留下的真實(shí)記錄。由于疲勞源區(qū)一般很小，所以宏觀仁難以分辨疲勞源區(qū)的斷面特征。疲勞源一般總是發(fā)生在表面，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，如脆性?shī)A雜物等，也可在構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生。疲勞源數(shù)目有時(shí)不止一個(gè)，而有兩個(gè)甚至兩個(gè)以上，對(duì)于低周疲勞，則于其應(yīng)變幅值較大，斷口上常有幾個(gè)位于不同位置的疲勞源。

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞斷口上最重要的特征區(qū)域。其宏觀形貌特征常呈現(xiàn)為貝殼狀或海灘波紋狀條紋，而且條紋推進(jìn)線一般是從裂紋源開(kāi)始向四周推進(jìn)，呈弧形線條，而且垂直于疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。其微觀特征是疲勞裂紋，又稱疲勞輝紋，每一貝殼花紋內(nèi)有干萬(wàn)條。它通常是明暗交替的有規(guī)則相互平行的條紋，一般每一條紋代表一次載荷循環(huán)。疲勞條紋的間距在 0.1- 0.4 Уm 之間一般來(lái)說(shuō)，面心立方金屬（如鋁及鋁合金、不銹鋼）的疲勞條紋比較清晰、明顯。體心立方金屬及密排六方結(jié)構(gòu)金屬的疲勞條紋遠(yuǎn)不如前者明顯，如鋼的疲勞條紋短而不連續(xù)，輪廓不明顯。

另外，從宏觀上看一些構(gòu)件，尤其是薄板件，其斷口上并無(wú)明顯的貝殼狀花紋，卻有明顯的疲勞臺(tái)階。在一個(gè)獨(dú)立的疲勞區(qū)內(nèi)，兩個(gè)疲勞源向前擴(kuò)展相遇就形成一疲勞臺(tái)階，因此疲勞臺(tái)階也是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的一個(gè)特征。

瞬時(shí)破斷區(qū)（或稱最終破斷區(qū)）是疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸之后發(fā)生的快速破斷。它的特征與靜載拉伸斷口中快速破壞的放射區(qū)及剪切唇相同，但有時(shí)僅僅出現(xiàn)剪切唇而無(wú)放射區(qū)。對(duì)于非常脆的材料，此區(qū)為結(jié)晶狀的脆性斷口。

（二）影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素

影響母材疲勞強(qiáng)度的因素（如應(yīng)力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況等），同樣對(duì)焊接結(jié)構(gòu)也有影響。除此之外，焊接結(jié)構(gòu)本身的一些特點(diǎn)，如接頭部位近縫區(qū)性能的變化，焊接殘余應(yīng)力等也可能對(duì)焊接疲勞產(chǎn)生影響。

( l ）應(yīng)力集中的影響 焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，它們對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的不利影響。

( 2 ）近縫區(qū)金屬性能變化的影響 試驗(yàn)研究表明，在常用線能量下低碳鋼的焊接。熱影響區(qū) 和基本體金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)接近，其近縫區(qū)金屬機(jī)械性能變化對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度影響較小。

（3）殘余應(yīng)力的影響 殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響，取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)力較高的區(qū)域，如應(yīng)力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則它降低疲勞強(qiáng)度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強(qiáng)度。另外殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，還與應(yīng)力集中程度、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)，特別是應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力影響越顯著。

( 4 ）缺陷的影響 焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透），比帶圓角的缺陷（如氣孔）影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向大；位于殘余拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的缺陷比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的影響大。

（三）提高疲勞強(qiáng)度措施

1. 降低構(gòu)件中的應(yīng)力集中程度

結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的最主要因素，一般采取下列措施 。

（1）用合理的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式 減小應(yīng)力集中，以提高疲勞強(qiáng)度。

（2）合理地選擇接頭形式 盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭，焊縫形狀過(guò)渡平緩。振動(dòng)載荷采用連續(xù)焊縫比斷續(xù)焊有利，盡量少采用角焊縫。

（3）當(dāng)采用角焊縫時(shí)須采取綜合措施 如機(jī)械加工焊縫端部、合理選擇角接板形狀、保證燁縫根部焊透等。

（4）用表面機(jī)械加工的方法 消除焊縫及其附近的各種刻槽，來(lái)降低接頭應(yīng)力集中程度

2. 提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝措施

（1）在工藝上應(yīng)正確選擇焊接規(guī)范，保證焊縫良好成形和內(nèi)外部沒(méi)有缺陷。

（2）TIG焊電弧整形，可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

（3）調(diào)整殘余應(yīng)力。其方法有兩類：結(jié)構(gòu)和元件的整體處理，包括整體退火或超載預(yù)拉伸法；對(duì)接頭部位局部處理，即在接頭某部位采用加熱、輾壓、局部爆炸等方法，使接頭應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

（4）改善材料的機(jī)械性能 表面強(qiáng)化處理，用小輪擠壓或用錘輕打焊縫表面及過(guò)渡區(qū)，或用小鋼丸噴射焊縫區(qū)部可提高接頭的疲勞強(qiáng)度。

3 ．采用特殊保護(hù)措施

采用特殊的塑料涂層，改善焊接接頭疲勞性能是一項(xiàng)新技術(shù)，其效果較顯著。

二、焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂

自從焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來(lái)，許多國(guó)家都發(fā)生過(guò)焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故，其后果是嚴(yán)重的，甚至是災(zāi)難性的。英國(guó)原子能局和聯(lián)合國(guó)技術(shù)委員會(huì)聯(lián)合調(diào)查的結(jié)果表明：12700 臺(tái)制造中的壓力容器發(fā)生的災(zāi)難性事故，大部分為脆性斷裂，事故率為 2.3×10~4 ；在 100300 臺(tái)在役壓力容器中，災(zāi)難性事故率為 0.7× 10~4，損傷性事故率 12.5×10~4 合計(jì) 13.2×1O~4。在許多嚴(yán)重的事故中，最為典型的事例是 1938 年 3 月 14 日比利時(shí) Albert 運(yùn)河上Hesselt橋的斷塌事故。

（一）脆斷的特點(diǎn)

（1）脆斷一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒(méi)有顯著塑性變形的情況下發(fā)生，并擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，損失嚴(yán)重。

（2）脆斷往往從應(yīng)力集中處開(kāi)始，如構(gòu)件內(nèi)存在有缺陷和焊縫處等。

（3）在低溫下，厚截面和高應(yīng)變速度，即動(dòng)載作用下，極易引起脆斷。大量脆斷事故研究友明，造成焊接脆斷的原因是多方面的，但主要的是材料選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)不合理、制造工藝以及檢驗(yàn)技術(shù)不完善等。

（二）影響金屬脆性斷裂因素

1. 溫度對(duì)破壞方式的影響

降低溫度將使破壞方式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危險(xiǎn)性增大，材料將出現(xiàn)由延性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變，即材料脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。

2. 應(yīng)力狀態(tài)的影響

物體在受外載時(shí)，在不同截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力б和剪切應(yīng)力т，其中有一個(gè)最大的正應(yīng)力бmax和最大的切應(yīng)力тmax。бmax和тmax及其比бmax/тmax 與加載方法式有關(guān)。a=бmax/тmax 稱為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，與加載方式和零件形狀有關(guān)。б增大的應(yīng)力狀態(tài)，有利于塑性變形切應(yīng)力的韌性斷裂，而б減少則有利于正應(yīng)力的脆性斷裂。

3. 加載速度的影響

研究表明提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當(dāng)于降低溫度。還應(yīng)指出，在同樣加載速率下，結(jié)構(gòu)中有缺陷時(shí)，應(yīng)變速率可呈加倍的不利影響。因?yàn)榇藭r(shí)應(yīng)力集中，大大降低了材料的局部塑性。

4. 材料狀態(tài)的影響

（1）板厚度的影響 首先厚板在缺陷處容易形成三向應(yīng)力的平面應(yīng)變狀態(tài)，另外厚板軋制次數(shù)少，組織疏松，內(nèi)外性能不均。

（2）晶粒度的影響 晶粒度對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度有很大的影響，晶粒越細(xì)，其轉(zhuǎn)變溫度降低。

（3）化學(xué)成分的影響 鋼中 C 、 N 、 O 、 H 、 S 、 P 等元素會(huì)增加鋼材的脆性

審核編輯：黃飛