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1、 合肥通用职业技术学院题目：综述焊接断裂形式及断口特征系别：数控材料与工程系专业：焊接技术与自动化学制：三年姓名：XXX学号：30指导老师：XXX 目 录摘要-3一前沿-3二题目：综述焊接断裂形式及断口特征。 1.焊接接头的基本知识-3 2.焊接的断裂形式-4 3.焊接结构的疲劳断裂-4 （1）.疲劳断裂的特征-4 （2）.疲劳断口的宏观和微观形貌特征 - 6（3）.影响焊接结构疲劳强度的因素-9（4）.预防疲劳断裂的措施-124.焊接结构的脆性断裂-14 （1）.脆性断裂的特征-14 （2）.脆性断口的宏观和微观形貌特征-14 （3）.影响焊接结构脆性断裂的因素-19 （4）.预防脆性断裂的
2、措施-21三致谢 -24附录-26摘要焊接是钢结构的主要形式，焊接接头与其他方法相比具有承载荷均匀，但是操作不当和不良工艺的影响，往往使接头处产生断裂，所以我们要充分的认识的焊接的断裂形式及断口特征，并提出在焊接过程中的影响因素及预防措施 。 关键词:焊接接头 断裂形式 断口特征 影响因素 预防措施一、前言：在我国焊接的断裂是相当普遍的，在能源交通等部门都很严重，而且随着新材料、新工艺的不断出现，将会提出许多焊接断裂的新问题需要研究解读。因此了解掌握焊接的基本规律及设计方法，对于减少和防止焊接断裂的发生具有实际意义。二、题目：综述焊接的断裂形式及断口特征1. 焊接接头的基本知识 现代焊接技术发
3、展迅速。新的焊接方法不断出现。接头类型更是繁多。焊接接头是由焊缝金属、融合区、热影响区组成的。他的基本形式有四种：对接接头、搭接接头、T形接头、角接接头。焊接接头时组成焊接结构的关键元件，它的性能与焊接结构的性能和安全有着直接的关系。因此，不断提高焊接接头的质量，是保证焊接结构安全可靠的重要方面。 2.焊接的断裂形式主要有两种：疲劳断裂、脆性断裂。3.焊接结构的疲劳断裂（1）.疲劳断裂的特征疲劳断裂的各种特征是与静载断裂和其他方式断裂相比的特征可归纳如下。 疲劳是一种潜在的突发性断裂，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳断裂前均不发生明显的塑性变形，疲劳断裂是一种脆性断裂。 引起疲劳断裂的
4、循环载荷的峰值较低，往往远小于根据静载断裂分析估算出来的“安全”载荷，由于疲劳断裂是从局部薄弱区域开始的，该区域可能是由于缺口、沟槽或零件的几何形状而陷所造成的应力集中区。疲劳裂纹优先在该区域形成后，经过造成的很高的应力集中，或者由于材料的内部缺很多周次的循环，逐渐扩展到剩余下的截面不再能承受该负荷时突然断裂。 钢结构在交变应力或应变的作用下，也会由于焊缝中的缺陷引发、扩展，发生疲劳破坏。疲劳对缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。如焊接中出现的夹杂、气孔、咬边、裂纹、未焊透、焊缝余高过高造成的应力集中等缺陷，都会加快疲劳破坏。 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程。由于所承受的应力水平低，故具有
5、明显的裂纹萌生与亚临界扩展阶段，其断口具有一般脆性断口的放射线、人字纹或结晶状形貌。钢结构中的焊接接头不仅存在应力集中和残余应力，而且焊缝内部容易出现各种缺陷，所以产生疲劳裂纹一般要比其他连接形式的循环次数少。（2）.疲劳断口的宏观和微观形貌特征1）.疲劳断口的宏观形貌 从宏观断面观察一般疲劳断口由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，形状具有“贝壳”状或“海滩”状条纹 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于钢结构的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。 疲劳裂纹扩展区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或
6、海滩花样，它是以疲劳源区位中心，于裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。贝壳花样是由载荷变动引起的，贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中。贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感；相反，若围绕裂纹源成凹向弧线，说明裂纹沿表面扩展较内部快些，表示材料对缺口敏感。此外，疲劳断口有时还产生疲劳台阶。这是由于裂纹扩展过程中，裂纹前沿的阻力不同，而产生扩展方向上的偏离，此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不
7、同的断裂面相交而形成台阶。 瞬时断裂区的断口与其他两种相比断面粗糙不平坦，裂纹源区及裂纹扩展区为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区。若应力较高或材料韧性较差，则瞬时断裂区面积较大；反之，则瞬时断裂区就较小。对塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬时断裂，当材料塑性很大时，断口呈纤维状，暗灰色；脆性材料断口呈结晶状。因此，瞬时断裂是一种静载断裂，它具有静载断裂的断口形貌，是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。2）. 疲劳断口的微观形貌 疲劳裂纹源区一般都很小，有时根本不存在。分析疲劳断裂形式，目前主要是依据裂纹扩展区的微观断口形貌来进行判断。疲劳裂纹扩展区微观形貌的基
8、本特征是具有一定间距的、垂直于主裂纹扩展方向的、相互平行的条状花样，即疲劳条带。疲劳条带具有如下特点。 在铝合金、钛合金、奥氏体钢断口上的疲劳条带为连续分布，在结构钢和高强钢断口上呈断续分布； 疲劳裂纹往往在不同振幅的交变载荷下发生，每一次应力循环将在断裂面上产生一条疲劳条带。疲劳条带的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大； 疲劳条带的形状多为向前凸出的弧形条纹； 面心立方晶格的金属比体心立方晶格的金属更易形成连续而清晰的疲劳条带； 平面应变状态易形成疲劳条带； 晶粒边界对疲劳裂纹的扩展起抑制作用，疲劳裂纹扩展方向从一个晶粒到另一个晶粒发生变化，产生疲劳条带的方向也不一样； 疲劳条带在常温下往
9、往是穿晶的，而在高温下可以出现沿晶的疲劳条带 高强钢或超高强度钢往往是沿晶、理解或韧窝形貌； 断口两侧条纹形态对称，即峰对峰，谷对谷；疲劳条带有韧性和脆性两种类型。 韧性疲劳条带是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形，疲劳条带通常是连续的，并向一个方向弯曲成波浪形。通常在疲劳条带间存在有滑稽带，在电镜下可以观察到微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳条带通常是韧性的。 （3）.影响焊接结构疲劳强度的因素 焊接结构的疲劳强度，在很大程度上取决于构件中的应力集中的情况，不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷是产生应力集中的主要原因。除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不
10、均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。1）.应力集中和表面状态的影响 结构上几何不连接的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺陷和内部缺陷也可能造成应力集中。焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其实具有角焊缝的接头应力集中较为严重。 构件上缺口越尖锐，应力集中越严重，疲劳强度降低也越多。不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方
11、向的载荷对缺口最敏感。 2）.焊接残余应力的影响 焊接结构的残余应力对疲劳强度是有影响的。焊接残余应力的存在，改变了平均应力的大小、而应力幅却没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超过疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。对于塑性材料，当循环特征应力比r1时，材料是先屈服后才疲劳破坏，这时残余应力已不发生影响。 由于焊接残余应力在结构上是拉应力与压应力同时存在。如果能调整到残余压应力位于材料表面或应力集中区则是十分有利的，如果材料表面或应力集中区存在的是残余拉应力，则极为不利，应设法消除。3）.焊接缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度
12、的影响与缺陷的大小、种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷比带圆角的缺陷影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内的影响比在均匀应力场内中的影响大。(4).预防疲劳断裂的措施由上面讨论可知，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。提高焊接结构的疲劳强度，一般应采取下列措施：1).降低应力集中 减少疲劳裂纹源在焊接接头和结构上的应力集中点，消除或降低应力集中的一切
13、手段，都可以提高结构的疲劳强度。采用合理的结构形式正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量2).调整残余应力 残余压应力可提高焊接结构的疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此，若能调整焊接构件表面或应力集中处存在的残余压应力，就能提高焊接结构的疲劳强度。 此外，还可以采用表面形变强化，如滚压、锤击或喷丸等工艺使金属表面塑性变形而硬化，并在表层产生残余压应力，以达到提高疲劳强度的目的。 对有缺口的构件，采取一次性预超载拉伸，可以使缺口顶端得到残余压应力。因为在弹性卸载有，缺口残余应力的符号总是与加载时缺口应力的符号相反。此方法不宜用弯曲超载或多次拉伸加载。它常与结构验收试验结合，如压力容器做水压试验时，
14、能起到超载拉伸作用。3).改善材料的组织和性能提高母材金属和焊缝金属的疲劳还应该从材料的内在质量考虑。应提高材料的冶金质量、减少钢中的夹杂物。强度、塑性和韧性应合理配合。4).特殊保护措施 大气及介质侵蚀往往对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有力的。例如在应力集中处涂上含填料的塑料层是一种实用的改进方式。4.焊接结构的脆性断裂(1).脆性断裂的特征根据对脆性断裂事故调查研究的结果，发现它们都具有如下特征：断裂一般都在没有显著塑性变形的情况下发生，具有突然破坏的性质。破坏一经发生，瞬时就能扩展到结构大部或全体，因此脆性断裂不易发生和预防。结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力
15、。通常在较低温度下发生(2). 脆性断口的宏观和微观形貌特征1). 脆性断口的宏观形貌特征零件发生脆性断裂后可断裂成两块或多块；断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好地吻合，在断口附近没有宏观的塑性变形迹象；脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”；脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；温度越低，脆断倾向越大；脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口宏观上比较平齐光亮，常呈放射状、人字纹或结晶状；脆性断口主要是指解理断口、准解理断口和冰糖状结晶断口；脆性断裂主要发生在体心和密排六方金属材料中。 解理断口 脆性断裂宏观形貌具有两个明显特
16、征：其一 解理断口上的结晶面，在宏观上呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的小晶面，像存在许多分镜面似的，一般称这些发光的小平面为“小刻面”，即解理断口是由许多“小刻面”所组成的，断口呈结晶状，但看不到放射花样。根据这个宏观形貌特征，很容易判别解理断口。如冷脆金属的低温脆断即为解理断裂。其二人字状条纹、山形条纹或松枝状花样，脆性解理断口有时还具有另一种特殊的宏观形貌特征，呈现出裂纹急速扩展形成的放射状撕裂菱形，即所谓人字形花样、山形条纹或松枝状花样等。准解理断口 在某些脆性断口上，通过电镜可看到解理断裂的特征形貌，同时又伴随着有一定的塑性变形痕迹，这种断口称为准解理断口。断口中塑
17、性变形痕迹所占比例就是划分解理与准解理的大致依据。准解理断口呈结晶状或细瓷状，断口齐平、呈亮灰色，有强烈的金属光泽和明显颗粒或类似瓷碎片的断口。晶界脆性断口 晶界脆性断口包括回火脆性断口、氢脆断口、应力腐蚀断口、淬裂断口，由脆性析出相在晶界上的析出而形成的晶界断口等。晶界脆性断口宏观形貌的基本特征为小刻面状或粗瓷状；断裂前没有明显塑性变形，断口附近没有颈缩现象；断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，边缘没有剪切唇。断口的颜色较灰暗，且呈规划的粗糙表面，有时也呈现出晶粒的外形。 对一些具有极粗大晶粒的材料，其沿晶断裂的宏观断口呈“冰糖”状特征，如极粗大晶粒的钛合金冲击断口；当晶粒很细小时；则肉眼无
18、法辨别出冰糖状形貌，此时，断口一般呈结晶状，断口也较粗糙。 钢结构在低温、高应变速率、应力集中及粗大晶粒的条件下，都可能产生解理断裂。因为解理的存在取决于晶体结构，并且它沿着十分确定的原子面扩展，所以，宏观观察解理断口是十分平滑的，相邻的区域没有塑性变形，而在电镜下观察每一个解理小刻度，发现这些小刻度并不是一个单一的解理面。2). 脆性断口的微观形貌特征 解理断口 解理断口的微观特征常呈河流状花样、扇形花样和舌形花样等，准解理断口 这种断口常出现在淬火回火的高强度钢中，有时也出现在贝氏体组织的钢中。钢结构焊接氢致裂纹而诱发的脆断裂纹，其断口的形貌常以准解理断裂为特征。在断口上常见到许多不连续的
19、解理面，并在局部形成孤立的裂纹进行扩张。 准解理与解理断口的区别在于准解理裂纹多萌生于晶粒内部的空洞、夹杂物、硬质点处，而解理裂纹则萌生在晶粒的边界或相界面上；裂纹传播的路径不同，准解理是裂纹向四周扩展，裂纹的扩展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱，相对于解理裂纹要不连接得多，而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内定向扩展，表现出河流走向；准解理小刻度不是晶体学解理面。调质钢的准解理小刻面的尺寸比回火马氏体的尺寸要大得多，与原奥氏体晶粒尺寸相近。沿晶断口 沿晶断口是指金属材料沿晶粒边界所形成的断口。在晶界上一般存在夹杂、偏析和析出脆性相关聚集。钢结构焊接氢致裂纹常出现沿晶裂纹。断口的微观特征是晶界上
20、相当平滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面的“冰糖”状断口形貌，冰糖块状恰好反映出晶粒这种多面体特征。(3). 影响焊接结构脆性断裂的因素1).主要因素;温度的影响 温度对材料断裂性质影响很大，可以用作衡量材料抗脆性断裂的指标。脆性转变温度受试验条件影响，如带缺口试样的脆性转变温度高于光滑试样的脆性转变温度。 温度不仅对材料的拉伸性能有影响，也对材料的冲击韧性、断裂韧度发生内似的影响。随着温度降低，其冲击韧度和断裂韧度都下降，也都可以通过试验确定其脆性转变温度。加载速度的影响 试验证明，钢的屈服点s随着加载速度的提高而提高，应力状态的影响 塑性变形主要是由于金属晶体内沿滑
21、移面发生滑移，而引起滑移的力学因素是切应力。因此，金属内有切应力存在，滑移可能发生。材料状态的影响 材料本身的质量则是引起脆断的内因。a.厚度的影响。厚度增大，发生脆断的可能性增大。b晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。c化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增加。2).设计因素焊接连接是刚性连接结构的整体性构造设计上存在有不同程度的应力集中因素结构细部设计不合理3).工艺因素应变时效对结构脆断的影响 对应变失效敏感的钢材，焊后热处理是必要的，既可消除焊接残余应
22、力，也可改善这种局部催化，对防止结构脆断有利。 焊接接头非均质性的影响 焊接接头中焊缝金属与母材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，这些非均质性对结构崔盾有很大影响。焊接残余应力的影响 焊接残余应力对结构脆断的影响是有条件的，在材料的脆性转变温度以下时，焊接残余拉应力有不利影响，它与工作应力叠加，可以形成结构的低应力脆性破坏；而在脆性转变温度以上时，焊接残余应力对脆性破坏无不利影响。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。主要有三种类型：平面缺陷、体积缺陷、成形不佳。(4).预防脆性断裂的措施1).正确选用材料 所选
23、钢材和焊接填充金属材料应保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。为此选材时应注意一下两点：在结构工作条件下，焊缝、熔合区和热影响区的最脆部位应有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能。也就是，首先不让接头处开裂，万一开裂，母材能够制止裂纹的传播。钢材的强度和韧性要兼顾，不能片面追求强度指标。2).合理的结构设计减少结构或焊接接头部位的应力集中。a.应尽量采用应力集中系数小的对接接头，避免采用搭接接头。b.尽量避免断面有突变。c.避免焊缝密集，焊缝之间应保持一定的距离。d.焊缝应布置在便于施焊和检验的部位，以减少焊接缺陷。在满足使用要求的前提下，尽量减少结构的刚度。刚度过大会引起对应力集中的敏感
24、性和大的拘束应力。不采用过厚的截面，厚截面结构容易形成三向拉应力状态，约束塑性变形，而降低断裂韧度并提高脆性转变温度，从而增加脆断危险。此外，厚板的冶金质量也不如薄板。对附近或不受力的焊缝设计应给予足够重视，应和主要承受构件或焊缝一样对待，精心设计，因为脆性裂纹一旦从这些不受重视部位产生，就会扩展到主要受力的构件中，使结构破坏。3).正确的制造过程 有脆断倾向的焊接结构制造时应注意一下问题：对结构上的任何焊缝都应看成是“工作焊缝”，焊缝内外质量同样重要。在选择焊接材料和制定工艺参数方面应同等看待。在保护焊透的前提下减少焊接热输入，或选择热输入小的焊接方法。因为焊缝金属和热影响区过热会降低冲击韧
25、度，尤其是焊接高强度钢时更应注意。充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响。尤其是结构上受拉边缘，要注意加工硬化，一般不用剪切而采用气割或刨边机加工边缘。若焊后进行热处理则不受此限制。减少或消除焊接残余内应力。焊后热处理可消除焊接残余应力，同时也能消除冷作引起的应变时效和焊接引起的动应变时效的不利影响。严格生产管理，加强工艺纪律，不能随意在构件上引弧，因为任何弧坑都是微裂纹源；减少造成应力集中的几何不连续，如错边、角变形、焊接接头内外缺陷等。凡超标缺陷需返修，补焊工作须在热处理之前进行。三致谢本论文是在我们姚建华老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作
26、风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，姚老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三年来，姚老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向姚老师致以诚挚的谢意和崇高的。 在此，我还要感谢跟我在一起工作的同事们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本论文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友以及同事给了我无畏的帮助，在这里请接受我最诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 附录参考文献：钢结构焊接制造 主编：王国凡； 焊接结构与生产 主编：贾安东；焊接结构与生产 主编：邓洪军2011年3月27日