综述焊接接头断裂形式及断口特征

综述焊接接头断裂形式及断口特征 综述焊接接头断裂形式及 断口特征 姓 名: XXXXXXXXX 号: 03080222 学 系 别: 数控与材料工程系 专 业: 焊接技术及自动化 学 制: 三年制 指导教师: XXXXXXXXXXXX - 1 - 合肥通用职业技术学院毕业论文 综述焊接接头断裂形式及断口特征 摘 要 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。熔池金属在经历一系列化学冶金反应后，随着热源远离温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝，并在继续冷却中发生固态相变熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将发生不同的组织变化。很多焊接缺陷如气孔、夹杂裂纹等都是在上述过程中产生，因此了解接头组织与性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 焊接结构在较低的温度下工作可能导致焊接结构的低温脆断。焊接接头中又不可避免的存在应力集中和残余应力，在反复的交变应力作用下会发生疲劳断裂。本文通过对焊接接头的分析分别从宏观和微观的角度阐述了焊接接头的断裂形式和断口特征。 关键词 残余应力、应力集中、断口特征、疲劳断裂、脆性断裂 - 1 - 2011/3/16 - 2 - 合肥通用职业技术学院毕业论文 目 录 引 言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 第一章 焊接接头的基本理论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 第一节 焊接接头的基础知识„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 1.1焊接接头的组成 ....................................................... 5 1.2焊接接头的基本形式 ................................................... 5 第二节 电弧焊接头的工作应力„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 2.1应力集中的概念 ....................................................... 6 2.2产生应力集中的原因 ................................................... 6 第二章 焊接结构的断裂控制与失效分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 第一节 焊接接头的断裂形式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 1.1断裂形式的分类 ....................................................... 7 1.2焊接接头的疲劳断裂 ................................................... 7 1.3焊接接头的脆性断裂 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 第二节 焊接结构断裂控制与失效分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8 2.1焊接结构的完整性与不完整性 ........................................... 8 2.2焊接结构断裂的控制 ................................................... 8 2.3焊接结构断裂控制设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 2.4焊接结构断裂失效分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 第三章 焊接接头的组织与性能 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 第一节 焊接熔合区的特征 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 1.1熔合区形成的原因 .................................................... 14 第二节 焊接热影响区 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 2.1焊接热影响区热循环的特点 ............................................ 14 2.2焊接热影响区的组织分布特征及性能 .................................... 15 第四章 焊接接头断口特征 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16 第一节 焊接接头疲劳断裂的断口分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16 - 2 - 2011/3/16 - 3 - 合肥通用职业技术学院毕业论文 1.1疲劳断口的宏现形状特征 .............................................. 16 1.2疲劳断口的微观形状特征 .............................................. 17 焊接接头脆性断裂的断口分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19 第二节 2.1沿晶脆性断裂 ........................................................ 19 2.2解理断裂 ............................................................ 19 2.3准解理断裂 .......................................................... 20 参考文献 ................................................................... 21 - 3 - 2011/3/16 4 合肥通用职业技术学院毕业论文 引 言 焊接技术是一门重要的金属加工技术，尽管焊接技术发展很快，自动化程度也越来越高，但在焊接结构中任然存在着一些缺陷，这些缺陷将导致焊接结构的断裂，影响焊接结构的使用，降低了焊接结构的安全性，通过焊接接头断口特征的分析可以判断出断裂的过程和原因，从而找出解决方法，提高焊接结构的安全性。 4 2011/3/16 5 合肥通用职业技术学院毕业论文 第一章 焊接接头的基本理论 第一节 焊接接头基本知识 1.1焊接接头的组成 现代焊接技术发展迅速，新的焊接方法不断出现，接头类型更是繁多，但应用最广泛的焊接方法是熔焊。本文将以熔焊接头为重点进行分析。焊接接头是由焊缝金属、熔合区、热影响区组成，如图1.1.1所示 图1.1.1. 焊缝金属是由焊接填充金属及部分母材金属熔化结晶后形成的，其组织和化学成分不同于母材金属。热影响区受焊接热循环的影响，组织和性能都发生变化，特别是熔合区的组织和性能变化更为明显。因此，焊接接头是一个成分、组织和性能都不均匀的连接体。此外，焊接接头因焊缝的形状和布置的不同，将会产生不同程度的应力集中。所以不均匀性和应力集中是焊接接头的两个基本属性。 1.2焊接接头的基本形式 焊接接头的基本形式有四种;对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头(如图1.2.1所示)。选用接头形式时应该熟悉各种接头的优缺点。 图1.2.1 焊接接头的基本形式 a)对接接头 b)搭接接头 c)T形接头 d)角接接头 5 2011/3/16 6 合肥通用职业技术学院毕业论文 第二节 电弧焊接头的工作应力 2.1应力集中的概念 为了表示焊接接头工作应力分布的不均匀程度，这里引入应力集中的概念。 所谓应力集中，是接头局部区域的最大应力值较平均应力值高的现象。而应力集中的大小常以应力集中系数K表示。 T 2.2产生应力集中的原因 在焊接接头中产生应力集中的原因是: 1) 焊缝中有工艺缺陷。焊缝中经常产生的缺陷有气孔、夹杂、裂纹和未焊透等， 都会在其周围产生应力集中，其中尤以裂纹和未焊透引起的应力集中最严重。 2) 焊缝外形不合理。如对接接头的余高过大，角焊缝为凸出形等，在焊趾处都 会形成较大的应力集中。 3) 焊缝接头设计部不合理。如接头截面的突变、加盖板的对接接头等，均会造 成严重的应力集中。焊缝布置不合理，如只有单侧焊缝的T形及接头，也会引起 应力集中。 6 2011/3/16 7 合肥通用职业技术学院毕业论文 第二章 焊接结构的断裂控制与失效分析 第一节 焊接接头的断裂形式 1.1断裂形式的分类 1.疲劳断裂 是高能量吸收的断裂过程，特征是材料在断裂前发牛大量的。明显的宏观塑性变形。韧性材料在室温下受载，一般是先产生弹性变形。随载荷加大到屈服点后开始滑移，产生大量塑性变形。在塑性变形达到一定程度后，在某些部位发生位错的塞积，导致微裂纹形核。继续增加载荷时，微裂纹扩展并相互连接，直到最终断裂。疲劳断裂是应力水平高于整体屈服应力下的由塑性变形控制的断裂过程。裂纹扩展呈较缓慢的稳定扩展特征;减少载荷或卸载，则会随时止裂。延性断裂过程由于伴随大量的塑性变形及能量吸收，工件的外形呈现明显的缩颈、弯曲及断面收缩等宏观整体变形，其宏观断口形貌呈凹凸不平的暗灰色纤维状。 2.脆性断裂 属低能量吸收的断裂过程，特点是断裂前无显著的变形。 脆性断裂过程巾裂纹扩展速度很快，断裂往往是突然爆发，事先无征兆，因而是一种危险的断裂形式，往往会造成严重事故。典型的脆断事故如美同俄亥俄州的“银桥”在冬季突然断为两截的事故，1949,1953年期间在美国海军中服役的一批“自由轮”脆断沉没事故等。速此脆性断裂事故往往发生在低应力下。当内部存在裂纹源，外部环境又恶劣(如低温下)时易发生。 脆性断裂的断口往往垂直于正应力方向，较平坦整齐，断口有金属光泽，强光下可看到断日中颗粒状的小面闪闪反光。用肉眼可看到断口中往往有放射条纹或人字纹。工程上规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5,的材料称为脆性材料。 1.2焊接接头的疲劳断裂 1.疲劳的概念 疲劳是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突变发生完全断裂的过程。疲劳极限是在指定循环基数下的中值7疲劳强度循环基数一般取10更高一些。在承受重复载荷结构的应力集中部位，当部件所受的公称应力低于弹性极限时，就可能产生疲劳裂纹，由于疲劳裂纹发展的最后阶段——失稳扩展(断裂)是突然发生的，没有预兆，没有明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大威胁。 焊接结构在交应变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发疲劳破坏。疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从接头处产生。 1.3焊接接头的脆性断裂 1.焊接结构脆断的基本现象和特点 1)多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断 2)脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆性破坏。 3)破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力或应力集中处开始。 7 2011/3/16 8 合肥通用职业技术学院毕业论文 4)破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生。 5)脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达1200,1800m/s。当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。 2.焊接结构脆断的原因 对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料(包括母材和焊材)、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥;就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热循环的作用改变了材质(如产生热影响区的脆化)和产生焊接残余应力与变形等。 第二节 焊接结构断裂控制与失效分析 1.1焊接结构的完整性与不完整性 同其它连接结构如铆接结构相比，焊接结构的整体性强，刚性大。焊接结构是由不可拆卸的焊接接头连接而成的整体，连接件之间很难产生相对位移，因此容易引起较大的附加应力，使得结构的抗断裂能力降低。焊接结构的刚性大使其对应力集中非常敏感，特别是当工作温度降低时，应力集中会增大结构发生脆断的危险性 焊接结构的整体性为设计制造合理的结构提供了可能。但是如果焊接结构发生开裂，裂纹很容易由一个构件扩展到另一构件，继而扩展到结构的整体，造成结构整体破坏。然而铆接结构却不易发生整体破坏，因为铆接接头具有阻止裂纹跨越构件扩展的特点，即扩展中的裂纹可能会终止，从而就有可能避免灾难性的脆性破坏。因此，在许多大型焊接结构中，有时仍保留着少量的铆接接头，其道理就在于此 应用焊接技术制造整体结构的同时也会产生局部不完整性。焊接结构的不完整性主要有材料的不连续性或焊接缺陷。焊接缺陷对结构断裂的影响与缺陷造成的应力集中程度和缺陷附近的材料性能有关。根据缺陷对结构断裂的影响程度，可将焊接缺陷分为平面缺陷、体积缺陷和成型不良三种类型:平面缺陷，如裂纹、未熔合和未焊透等。这类缺陷对断裂的影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度。 缺陷面垂直于应力方向的缺陷、表面及近表面缺陷和前沿尖锐的裂纹，对断裂的影响最大。体积缺陷，如气孔、夹渣等，它们对断裂的影响程度一般低于平面缺陷。成型不良，如焊道的余高过大或不足、角变形、或焊缝处的错边等，它们会给结构带来应力集中或附加应力，对焊接结构的断裂强度产生不利影响 焊接结构中的缺陷是否允许存在，目前有两大类评定标准，其一是以控制质量为基础的标准;其目前，焊接技术在飞机、发动机结构的制造中得到广泛的应用。先进的焊接制造技术既可以获得优质的焊缝和高的尺寸精度，也满足了飞机结构整体性和轻量化的要求，但在结构完整性方面也提出了新的问题。焊接结构在制造及运行过程中不可避免地存在或出现各种各样的缺陷、材料组织性能劣化、以及外力损伤等对结构使用性能构成影响的因素。特别是随着结构服役时间的增加，各种损伤因素的累积导致破坏概率上升。断裂控制是焊接结构完整性的关键，是焊接结构合于使用的基础 2.2 焊接结构断裂的控制 通过研究各种因素对焊接结构强度、耐久性和损伤容限等性能的影响，从而对影响焊 接结构完整性的各种因素进行综合识别，科学评价焊接结构潜在失效的可能性，实现对焊 8 2011/3/16 9 合肥通用职业技术学院毕业论文 接结构的完整性管理，以保证焊接结构的合于使用。焊接结构合于使用评定技术近年来得到了较大的发展，在保证焊接结构安全方面发挥了重要作用，产生了显著的经济和社会效 益。根据我国航空焊接结构发展的需要，开展焊接结构断裂控制与完整性研究与应用，对 于保证航空焊接结构的安全性与经济性具有重要意义 质量控制标准与合于使用原则可以并用，在结构制造过程中，若符合质量控制标准要求，对于脆断危险性不高的结构则不必按合于使用原则进行评定;而对于具有高可靠性要求的结构，则应该对结构的缺陷容限及剩余寿命依据合于使用原则进行评定。若在结构使用过程中发现缺陷，则需要采用合于使用原则对缺陷进行评定。合于使用评定是焊接结构完整性分析的核心 2.3 焊接结构断裂的控制设计 控制焊接结构断裂的主要因素有三个方面:(1)材料在一定的工作温度、加载速率和板厚条件下的断裂韧度;(2)结构断裂薄弱部位的裂纹和缺陷尺寸;(3)包括工作应力、应力集中、残余应力和温度应力在内的拉应力水平。根据断裂力学原理，当上述三方面因素的特定组合达到临界状态时，结构就会发生断裂破坏。 焊接结构的断裂包括裂纹起裂、稳态扩展和失稳断裂过程，控制焊接结构的断裂的基本方法与此相对应，即:(1)选择具有足够韧性的母材金属和焊缝金属，以抵抗裂纹的起裂，即抗开裂能力;(2)一旦裂纹起裂，其周围材料应具有阻止裂纹进一步扩展的能力，即对裂纹扩展的止裂能力。控制裂纹的开裂(起裂)与扩展是焊接结构断裂控制的基本准则，分别称为防止裂纹产生准则(开裂控制)和止裂准则(扩展控制)。 2.4 焊接结构断裂失效分析 根据失效分析的目的和要求，一般还要进行实验研究。其内容包括以下几个方面。 1、宏观检验 用肉眼或放大镜检验金属表面，纵横断面、断口上的各种组织和缺陷的方法叫做宏观检验。通过宏观检验能揭示金属的全貌，显示其组织的不均匀性和各种缺陷的形态、分布，对颜色、腐蚀、断裂裂纹的萌生位置及裂纹的走向等都能迅速而准确地识别出来。 进行断口的宏观分析。能得到断裂表面整体的概貌特征，并在一定程度上了解破坏的原因。可确定失效件断裂的裂纹萌生位置，裂纹的扩展方向，判别断裂的类型，构件所承 受的应力类型，环境介质、温度对构件断裂的影响，变形程度及磨损情况。 常用的宏观检验方法有酸浸试验、塔形车削发纹试验以及硫印试验等。 (1)酸浸试验 酸浸试样制备时取样部位及数量按有关标准进行，并严防因温度升高而引起组织变化。切取试样用锯、剪、气割和砂轮切割等方式:当用气割试样时，必须将热影响区除去， 9 2011/3/16 10 合肥通用职业技术学院毕业论文 以免影响检验结果。试样检验面可用车、刨、磨和金相砂纸磨制(02号砂纸)，使表面粗糙度不低于3.2，并用汽油、酒精、苯等清洗去油。酸浸试验方法有三种。第一种是热酸浸蚀试验法。主要用于表面缺陷、夹杂物、偏析区等被浸蚀剂有选择性地浸蚀，表现出可看 得见的浸蚀特征。酸蚀试验效果决定于浸蚀剂成分;浸蚀的温度;浸蚀时间及浸蚀面的光洁 度。第二种是冷酸浸蚀试验法。冷酸浸蚀试验法是检查钢的宏观组织和缺陷的一种简易方 法。冷酸浸蚀是采用室温下的酸溶液浸蚀和擦蚀样面，以显示试样的缺陷。通常，对于不 使用热酸浸蚀的钢材或工件(例如工件已加工好，不便切开，又不得损坏工件的表面粗糙度)，以及有些组织缺陷用热酸不易显现，有些奥氏体不锈钢用热盐酸不易腐蚀时，均可用冷酸浸蚀法进行试验。第三种电解酸蚀法。电解酸蚀法，就是用15%~20%(容积比)工业盐酸水溶液电解试样表面的试验方法。这种方法的优点是，可以用较稀(15%~20%)的盐酸水溶液在室温下进行浸蚀，可以缩短腐蚀时间，大大地改善劳动条件和卫生环境。此外，因电解腐蚀后盐酸的性质改变不大，一般可循环使用，节约酸液，用电解法显示试样的宏观组织及缺陷比热酸浸蚀法更清晰 (2)塔形试验 塔形试验是用以检验发纹不同深度的分布的一种特殊试验:由于检验的试样制成“塔”的形状即三级阶梯形，故通常称为塔形试验。塔形试验一般均分为三个阶梯。 试样加工的要求、基本与热酸浸试样相同。试样检验前，也要进行热酸浸，其酸浸液、酸浸规范基本上与热酸浸试验相同，只是一般浸蚀程度略轻，否则会对其后的检验和鉴别造成不利影响。酸浸后，在各个阶梯上会出现一些具有一定长度和一定深度的细小裂纹，即发纹。最后用肉眼或不大于10倍的放大镜进行检查和鉴别。发纹是沿轧制方向分布的，具有一定长度和深度的细小裂纹。一般由于该裂纹很窄，光线射不到底，故只能看到有深度的黑色线条。顺光时，个别较宽的发纹，可以看到灰暗色的底部。 (3)硫印试验 硫在钢中以硫化物的形式存在(FeS、MnS)，硫化铁与铁共晶温度为989?，呈网状分布于晶界，在热压力加工时极易产生“热脆”现象，直接影响钢材质量。硫印的目的就是要显示硫在钢中的分布和偏析程度。硫印就是利用稀硫酸与钢中的硫发生反应，生成硫化氢气体。硫化氢再与印相纸乳剂层中的溴化银作用，在印相纸上生成棕色硫化银沉淀。根据硫化银棕色斑点的数量、大小、色泽深浅及分布的均匀性，来评定碳钢、低中合金钢的质量。 宏观检验的方法有多种，各自有它们的特点及适用范围。酸浸试验对疏松、偏析、流线、裂纹等最适用;塔形发纹检验一般用于有特殊用途的材料或高级优质材料上，用来检验它们在各个部位上的发纹多少和分布;硫印试验是用来测定钢锭或钢材上硫的分布，同时也可以间接地对其他元素的分布概况和趋势进行推测和估计。各种方法在使用上各有侧重，可单独使用也可同时并用，相互补充，以期达到准确测试的目的。 10 2011/3/16 11 合肥通用职业技术学院毕业论文 2、微观检验 宏观检验能够获得很多信息，但要了解更多的细节和情况还必须再进行微观观察。通过对断口的微观分析，除可以进一步澄清断裂的途径、断裂的性质，环境介质及温度对断裂的影响外，还能进一步确定断裂的原因及其断裂机理等详细情况。对断口进行显微分析时，可使用光学显微镜、透射电镜，扫描电镜.俄歇电子能谱仪，离子探针，X射线衍射仪 等仪器来研究。 3、金相检验 金相检验是一种常规的实验分析方法.它在失效分析中能提供被检材料的大概种类和组织状况。从检验出的显散组织来推断或证实被检材料制造过程中经历的工艺过程，以及执行这些工艺是否属正常，同时还可提供失效件在发生事故时是否发生塑性变形等情况，以及失效件在使用过程中无意造成的热处理效果等。反映出失效件在工作条件下发生的腐蚀(大致可以定性和对腐蚀程度的半定量)、磨损、氧化和严重的表面加工硬化等，并可初步确定其程度。从失效件上存在的裂纹，通过光学金相，大致可看出裂纹的发生及延伸分布的特征以及裂纹两侧的显微组织，来判断裂纹的性质，从而可提供失效件裂纹的产生原因;夹杂物的类型、级别及分布;相的类型、大小及分布。 4、无损检验 在进行断裂部件的性能测定时，需从断裂件上取样，这是有损检验。为了对原有构件的缺陷及裂纹分布情况做一次了解，应该首先进行无损探伤。 无损探伤有了解表面裂纹的着色探伤、磁粉探伤、探测内部缺陷及裂纹分布的超声探伤、X光探伤、涡流探伤等方法。 超声波探测深度可达几米，特别适用于检查零件内部的裂纹、气孔、夹渣、砂眼、疏松、未焊透等，能准确测出缺陷的位置、大小和形状。但是，它不能用于奥氏体钢的铸件和焊缝等粗晶材料和复杂形状或表面粗糙的工件检测。近年来，超声波广泛用来检验金属材料的质量，并逐步成为金属材料预检或正式检验的手段。 涡流探伤能对表面或表皮下的缺陷及全部导电材料进行检验，可实现自动记录和高速检验，适于连续监测，但难以确定缺陷的种类。 X射线探伤能够探查材料内部的变化和体积型缺陷，如气孔、夹渣、缩孔、疏松等，能提供永久性的照片记录。但是，射线照相方法，不能用于检测锻件和型材中的缺陷。 磁粉探伤适用于探测铁磁性材料和工件的缺陷，如锻件、焊缝、型材、铸件等，并确定缺陷的位置，大小和形状，但难以确定缺陷的深度。该方法不适用于探测非铁磁性材料，如奥氏体钢、铜、铝等缺陷。 渗透探伤的应用范围更加广泛，可以用于探测所有金属材料和致密性非金属材料的缺陷，能确定缺陷的位置，大小和形状，但不能确定缺陷的深度。该方法不能用于探测疏松的多孔性材料的缺陷。 11 2011/3/16 12 合肥通用职业技术学院毕业论文 5、化学成分分析 在失效分析中，化学成分分析是必不可少的。它能为失效分析提供有用的信息。如由于选材错误所造成的失效，只需要用化学成分分析就能得到结果。利用X射线和荧光分析、能谱分析、俄歇分析、电子探针、离子探针、激光探针等方法，对金属的表面或内部的成分进行分析和研究。在进行化学我分分析时，宏观化学成分分析最常用，对于特殊情况，可采用微区化学成分分析。 X射线分析技术是失效分析的有效技术之一。粉末照相法能识别基体金属腐蚀产物 耐火材料和矿物中的各种相。用X射线衍射和荧光分析能对化学成分作定性和定量分析 能测定基体和析出的相以及它们间的取向、电化学萃取的第二相粒子、表面沉淀和腐蚀产 物的成分和结构。X射线衍射法还能对材料的晶格参数、晶体缺陷、残余内应力进行测量。 然而，由于它不是像显微镜那样直观可见的观察?也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来，其分析样品的最小区域仅在毫米数量级?不能进行微米及纳米级的微区选择分析。下表是常用实验分析方法的性能与用途比较。 常用实验分析方法的性能与用途方法 方法最小分析的线性 放大倍数范围 6、力学性能测定 对零部件进行失效分析常要测定材料的硬度和力学性能。由于硬度的测量简便易行，对失效分析常常是最有用的手段之一，可用于估计金属材料的拉伸强度，估计热处理是否合乎质量要求，检验由于过热、脱碳、渗碳、渗氮和加工硬化等所引起的软化和硬化等。 力学性能测定常要进行金属的拉伸试验及冲击试验，以便于比较。有时还需要做一些比使用温度稍高或稍低的力学性能测量，以便对零部件在服役中是否有超温情况作出判断。此外还需考虑特殊性能测定，如疲劳试验、应力腐蚀试验、韧脆转变温度测定、断裂韧性测定等。 在钢材的初步检验中，用简单的弯曲试验就能查明材料是韧性还是脆性的。硬度测量能指示钢材的抗拉强度。但对铸铁和大多数非铁金属材料还不能用弯曲和硬度测量来评估，而只能用拉伸来测量，这是因为他们还没有建立起硬度与拉伸强度的对应关系。一般非铁金属如铝、铜及其合金的塑性较大，用简单弯曲不能反映脆性或塑性的程度。与说明书的数据比较时，应注意到试样取向与材料加工方向之间的关系。通常，横向试样的拉伸强度比纵向的小些。 一般来说，由于拉伸强度不足而引起损坏的例子并不多见。因此，力学性能测试主要起到复检的作用和确定排除力学性能引起损坏的顾虑。 7、断裂力学分析 失效分析应用断裂力学测量的目的，在于通过断裂韧性的测试和分析，确定一个部件 12 2011/3/16 13 合肥通用职业技术学院毕业论文 安全使用所能容纳的裂纹尺寸，以及确定含有裂纹部件的寿命。前者判断部件成品材料的断裂韧度是否合理，如不合理必须设法提高该部件的断裂韧度，以免同样的失效重复发生;后者在于判断现有裂纹的部件还能使用多久，而不至于误判它过早的退役。 断裂力学是从有韧口的实际情况出发来考虑切口效应和裂纹扩展的速率。目前常用的评价断裂韧性的方法有。平面应变断裂韧度(K1c)测试，动态撕裂试验(DT)，J积分断裂判据(J1c)，裂纹张开位移(COD)测试和动态断裂韧度(K1d)测试。 13 2011/3/16 14 合肥通用职业技术学院毕业论文 第三章 焊接接头的组织与性能 第一节 焊接熔合区的特征 1.1 熔合区形成的原因 熔合区是由于母材坡口表面复杂的熔化情况形成的。首先，即使焊接参数保持稳定，而由于电弧吹力的变化和金属熔滴过渡，都使传播到母材表面的热量随时发生变化，造成母材熔化不均匀。其次，由于母材表面晶粒的取向各不相同而熔化程度不同，其中取向与导热方向一致的晶粒熔化较快。此外，母材各点的溶质分布实际上的不均匀，使各点的有效熔点与理论熔点存在不同的差值，因而在理论熔点的等温面上必然存在了已经熔化和尚未熔化的部位。总的结果就形成固-液两相交错并存的版熔化区，即熔合区。 第二节 焊接热影响区 2.1 焊接热影响区热循环的特点 在焊接或切割过程中，材料因受热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域叫做热影响区。 特点: (1)加热温度高 对大多数钢材，熔合区附近的母材最高加热温度可达到1400?左右，而热处理时，加热温度仅略高于Ac3。 (2)加热速度快 热处理时为了保证加热均匀减小热应力，对加热速度坐了较严格的限制。而熔焊时，为了迅速达到局部熔化，必须采用比热处理时大几十倍或上百倍的加热速度。 (3)高温停留时间段 焊接时，热影响区的温度因热源移动而随时间变化，不像热处理时根据产品与工艺要求可对保温时间加以控制。因此，热影响区在高温的时间很短 (4)各点的温度随时间与位置而变化 这是局部加热与热源运动所造成的。这种复杂的温度场，是热影响区组织不均匀及复杂的应力状态形成的根本原因。 (5)自然条件下连续冷却 在不采取缓冷或保温措施的条件下，焊接热影响区的冷却都属于自然条件下的连续冷却。同时由于温度分布不均匀，冷却必然很高，此外，冷却还受焊接参数、产品结构等诸多因素的影响。 14 2011/3/16 15 合肥通用职业技术学院毕业论文 2.2 焊接热影响区的组织分布特征及性能 部 位 加热温度范组 织 特 征 及 性 能 围 焊 缝 >1500? 铸造组织柱状树枝晶 熔 合 区 及 1400~1250? 晶粒粗大，可能出现魏氏组织，硬化之后易产生裂纹，塑性不好 过 热 区 1250~1100? 粗晶与细晶交替混合 相变重结晶去 1100~900? 晶粒细化，力学性能良好 不完全重结晶900~730? 粗大的铁素体和细小的珠光体，铁素体的机械性能不均匀，在急 去 冷条件下可能出现高碳马氏体 母 材 300?~室温 没有受到热影响的母材部分 15 2011/3/16 16 合肥通用职业技术学院毕业论文 第四章 焊接接头断口特征 第一节 焊接接头疲劳断裂的断口分析 4.1疲劳断口的宏现形状特征 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。 一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。 1、疲劳裂纹源区 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，多处于机件的表面，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。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。 当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。 当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 2、疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该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海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与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。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。 贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线(疲劳弧线)。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。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。 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，例如低碳钢;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，如高碳钢。 贝纹线间距也有不同。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢;远离疲劳源区则贝纹线较稀疏，表明裂纹扩展较快。疲劳裂纹扩展区在断口所占据的面积为最大，而贝 16 2011/3/16 17 合肥通用职业技术学院毕业论文 纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及应力幅等。随着应力幅的降低或材料 韧性较好时，则贝纹区较大，贝纹线细而明显;反之随着应力幅的提高或材料韧性较差， 则贝纹区较小，贝纹线粗而不明显。 当轴类机件拉压疲劳时，若表面无应力集中(无缺口)，则裂纹因截面上应力均等而沿截面等速扩展，贝纹线呈一簇平行的圆弧线。若机件表面存在应力集中(环形缺口)，则因截面表层的应力比中间的高，裂纹沿表层的扩展快于中间区;高应力时，瞬断区面积相对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边及中间扩展差别不大，贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向半椭圆弧变化。当机件弯曲疲劳时，其表面应力最大，中心最小，其贝纹线变化与缺口机件的拉压疲劳相似，如表面又存在缺口造成应力集中，则其变化程度会更大。若机件为扭转疲劳时，其最大正应力和轴向呈45?角分布，最大切应力垂直或平行轴向分布，故疲劳断口有二类，一类为正断型，另一类为切断型。脆性材料常是正断型扭转疲劳，常见的有锯齿状断口及星形断口，呈纤维状，如花键轴的断口。切应力引起的切断型疲劳断口，断面垂直或平行于轴线，此时不会出现贝纹线，有时扭转疲劳也会出现混合断裂。 综上所述，应力集中影响贝纹线的形状，应力集中增大，相应的贝纹线较平坦;名义应力影响最终瞬断区的大小，名义应力增大，最终破断区的面积增加;应力状态主要影响疲劳源的位置和数量，双向弯曲，最小有两个疲劳源以及相应的扩展区，旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。 此外，对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。这是由于裂纹扩展过程中，裂纹前沿的阻力不同，而发生扩展方面上的偏离，此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相交而形成台阶。一次疲劳台阶出现在疲劳源区，二次疲劳台阶出现在疲劳裂纹的扩展区，它指明了裂纹的扩展方向，并与贝纹线相垂直，呈放射状射线。 3、瞬时断裂区 由于疲劳裂纹不断扩展，使零件或试样的有效断面逐渐减小，因此，应力不断增加。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;对脆性材料，当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸αc时，便发生瞬时断裂，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。 与其他两个区相比，瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区。 瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素，若应力较高或材料韧性较差，则瞬断区面积较大;反之，则瞬断区就较小。 以上分别介绍了各种条件下出现的疲劳断口三个区域的一般宏观特征，它们是判断零件疲劳失效的重要证据之一。但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多因素，诸如材料种类、强度级别及环境介质等，这些因素可能使断口三个区域的形貌及其界限模糊不清，所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型、分明。此外，在某些情况下，由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面在断裂过程中受到严重磨损等原因，以至于无法借助于它的宏观形貌来判断其失效性质。在另一些情况下，虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性质，但尚需进一步查明引起疲劳失效的原因，这时就需要借助于微观断口分析。 4.2疲劳断口的微观形状特征 目前用断口微观分析判断失效形式，通常不是依靠裂纹源区的微观形貌，而主要是依 17 2011/3/16 18 合肥通用职业技术学院毕业论文 据裂纹扩展区的微观断口形貌来进行判断。因为零件断口上的疲劳裂纹源区一般都很小，有时根本不存在，另外在疲劳断裂的断口上，其裂纹源区的微观特征出现许多种形貌，如有些材料的裂纹源区出现韧窝状形貌，而低韧或脆性材料的源区甚至出现准解理，沿晶断 裂的形貌，有些材料的源区出现疲劳条带。为了分析引起疲劳失效的原因，需在源区上进 行认真检查，就能得出失效是属于何种原因引起的。在疲劳裂纹扩展区，其微观形貌的基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(或疲劳辉纹、疲劳条纹)，这是区别于其他性质断裂的最显著的特征花样。疲劳条带具有如下特点: 1、断口上的疲劳条带有时为连续分布，如在铝合金、钛合金、奥氏体钢中所见，有时也可能呈断续分布，如在结构钢和高强钢中所见; 2、在使用状态下，疲劳裂纹往往在不同振幅的交变载荷下发生，裂纹扩展时同一平面、同一方向上疲劳条带间距变化是疲劳载荷谱在断口形貌上的反映，每一条疲劳条带代表一次载荷循环，疲劳条带的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大; 3、疲劳条带的形状多为向前凸出的弧形条纹，金属中的第二相粒子可以阻止也可加速疲劳裂纹的扩展，使疲劳条带出现凹形弧线或S形弧线; 4、面心立方晶体结构的材料比体心立方晶体结构的材料更易形成连续而清晰的疲劳条带 5、平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳条带，一般应力太小时观察不到疲劳条带; 6、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，产生的疲劳条带的方向也不一样; 7、疲劳条带在常温下往往是穿晶的，而在高温下可以出现沿晶疲劳条带; 8、材料的抗拉强度越高，越不易形成疲劳条带，高强钢或超高强度钢的疲劳断口上甚至完全不出现疲劳条带，而往往是沿晶、解理或韧窝形貌; 9、高温和腐蚀环境会使断口发生氧化和腐浊，结果使疲劳条带形貌遭到破坏; 10、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，裂尖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移带，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。 脆性疲劳条带是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理条带。在电镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳条带，又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样及小晶面。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂或缓慢加载的疲劳断裂中，其疲劳条带通常是脆性的，面心立方金属一般不发生解理断裂，故不产生脆性的疲劳条带。 以上所述就是疲劳条带的主要特征，凡是裂纹扩展区断口确认有疲劳条带，一般情况下均可判断为疲劳失效。但是，显示不出疲劳条带的断口，却不能认为它不属于疲劳失效。往往存在这种情况，对一个在交变载荷下发生疲劳失效的零件断口分析时，宏观断口呈现出典型的疲劳特征(贝纹线)，而断口的微观形貌中却难以寻找到疲劳条带。所以，不是在任何条件下和任何材料的疲劳断口，都会一律出现疲劳条带，实际上有许多因素影响疲劳条带在断口上的出现，如应力状态、应变状态、材料性质及环境因素的影响。材料硬度越高，加工硬化严重的构件，在疲劳断口上难以看到疲劳条带，在真空中的疲劳断口也看不到疲劳条带。 除疲劳条带这一主要特征之外，在一些包括面心立方结构的奥氏体不锈钢、体心立方 18 2011/3/16 19 合肥通用职业技术学院毕业论文 结构的合金结构钢、马氏体不锈钢等材料的疲劳断口中，还可看到类似解理断裂状河流花样的疲劳台阶(又称疲劳沟线)和类似汽车轮胎走过泥地时留下的痕迹即轮胎花样。疲劳台阶的方向与疲劳条带的法线方向基本一致。若条带的间距与台阶的高度相当时，疲劳台阶与疲劳条带可同时显示出来;若条带间距远小于台阶的高度，在一定的放大倍率下则台阶之间的条带往往难以显示。轮胎花样是由于疲劳断口的两个匹配面之间重复冲击和相互 运动所形成的机械损伤，也可能是由于松动的自由粒子(硬质点)在匹配断裂面上作用的 结果。轮胎花样不是疲劳本身的形貌，但却是疲劳断裂的一个表征。 疲劳裂纹断口 第二节 焊接接头脆性断裂的断口分析 脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成。 5.1沿晶脆性断裂 沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不谈位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子结合力最薄弱的表面进行。晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化(例如杂质原子P、S等在晶界上偏析)则金属将会发生沿晶脆性断裂。沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面，每个亮面都是一个晶粒的界面。如果进行高倍观察，就会清晰的看到每个晶粒的多面体形貌，类似冰糖块的堆集，又由于多面体感特别强，故在三个晶界面相遇之处能清楚的看到三重结点。沿晶脆性断裂的发生在很大程度上取决于晶界面的状态和性质。 5.2解理断裂 解理断裂属于一种穿晶脆性断裂，根据金属原子结合力的强度分析，对于一定晶系的金属均有一组原子结合力最弱的，在正应力下容易开裂的晶面，这种晶面通常称为解理面。解理断裂的特点是:断裂具有明显的结晶学性质，即它的断裂面是结晶学的解理面，裂纹 19 2011/3/16 20 合肥通用职业技术学院毕业论文 扩展方向是沿着一定的结晶方向。为了表示这种结晶学性质，通常用解理系统来描述。对于体心立方金属，已观察到解理系统有{100}<001>，{100}<011>等。解理断口的特征是宏观断口十分平坦，而微观形貌则是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所构成每个解理面上可以看到一些十分接近于裂纹扩展方向的阶梯，通常称为解理阶。解理阶的形态是多种多样的，同金属的组织状态和应力状态的变化有关。其中所谓“河流花样”是理解断口的最基本的微观特征。河流花样解理的特点是:支流解理阶的汇合方向代表裂纹的扩展方向;汇合角的大小同材料的塑性有关，而解理阶的分布面积和解理阶的高度同材料中位错密度 和位错组态有关。因此，通过对河流花样解理阶进行分析，就可以帮我们寻找主断裂源的 位置，判断金属的脆性程度，和确定晶体 中位错密度和位错容量。 5.3准解理断裂 准解理断裂也是一种穿晶断裂。根据蚀坑技术分析表明，多晶体金属的准解理断裂也是沿着原子结合力最薄弱的晶面进行。准解理断裂首相在回火马氏体等复杂组织的钢中发现。对于大多数合金钢(Ni-Cr钢和Ni-Cr-Mo钢等)，如果发生断裂的温度刚好在延性-脆性转变温度的范围内，也通常出现准解理断裂。从断口的微观形貌特征来看，在准解理断裂中每个小断裂面的微观形态颇类似于晶体的解理断裂，也存在一些类似的河流花样，但在个小断裂面间的连接方式上又具有某些不同于解理断裂的特征，如存在一些所谓撕裂岭等。撕裂岭是准解理断裂的一种最基本的断口形貌特征。准解理断裂的微观形貌的特征，在某种程度上反映了解理裂纹与已发生塑性应变的晶粒间相互作用的关系。因此，对准解理断裂面上的塑性应变进行定量测量，有可能把它同断裂有关的一些力学参数如:屈服应力、解理应力和应变硬化等参数联系起来。 解理裂纹 20 2011/3/16 21 合肥通用职业技术学院毕业论文 参 考 文 献 [1] 邓洪军 . 焊接结构生产 [M] . 北京:机械工业出版社，2009. [2] 英若采 . 熔焊原理及金属材料焊接 [M] . 北京:机械工业出版社，2005. [3] 田燕 . 焊接区金相断口分析 [M] . 北京:机械工业出版社，1991. [4] 戴树新. 焊接生产管理与检测[M] . 北京:机械工业出版社，2004. [5] 上海交通大学. 金属断口分析[M] . 北京:化学工业出版社，2005. [6] 曾乐 . 现代焊接技术 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M] . 北京:机械工业出版社，2004 [7] 王国凡 .钢结构焊接制造[M] . 北京航空学院论文 [8] 陈欲川 . 现代焊接生产实用手册[M] . 北京:机械工业出版社，2005 [9] 陈祝年 . 焊接工程师手册[M] . 北京:机械工业出版社，2002 21 2011/3/16 22 合肥通用职业技术学院毕业论文 22 2011/3/16 23 合肥通用职业技术学院毕业论文 致谢 本课题在选题及研究过程中得到姚建华老师的大力帮助。并经过姚建华老师的多次指导，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。姚建华老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对姚建华老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢焊接班全体老师对我的培养，向他们表示诚挚的谢意和崇高的敬意。同时也感谢我的同学们三年来对我学习、生活的关心和帮助。 23 2011/3/16