21、金属材料断裂控制技术解析

金属材料断裂控制技术解析

1. 引言

金属材料“韧性 - 脆性转变”问题的发现可追溯到二战时期。当时，焊接制造的船舶频繁遭遇灾难性故障，整艘船几乎瞬间断裂。尽管海军记录显示二战船舶用钢有 40% 的伸长率，但在特定环境下，这一性能对船板的结构完整性并无有益影响。这种情况并非仅出现在海军材料和结构中，其他领域也有类似代价高昂的故障，如数百万加仑储油罐突然爆裂、飞机主翼梁在飞行中意外断裂等。多年来，美国政府和私营企业开展了大量调查，以制定补救措施，海军研究实验室在断裂现象研究方面尤为活跃，为低强度和中强度材料的断裂安全设计提供了理论和实验基础。

通常，断裂控制设计采用屈服强度低于约 120,000 psi 的钢材，现代应用中的大多数淬火和回火钢都属于这一类别，涵盖机车车辆、船舶、桥梁、起重设备、储油罐和汽车零部件等。室温下抗断裂性高的高合金钢包括 HY - 80、HY - 100、HY - 130 和 A - 543 ASTM 等级，厚度约 3 英寸时适用；低合金钢中，A - 514 和 A - 517 ASTM 等级是典型例子。对于 6 - 12 英寸的较厚截面，需增加合金元素，但厚壁压力容器的经验表明，即使是优质的淬火和回火钢也可能变得非常脆。自 20 世纪 50 年代中期以来，海军指定的 HY - 80 钢是一种断裂韧性极佳的材料，在水面舰艇和潜艇的船体结构中，即使在焊接区域也表现出色。

当前的制造规范旨在确保 HY - 80 焊接系统是一种可靠的结构材料，但在制造过程中，任何可能显著影响材料质量的变化以及标准测试程序（如夏比 V 型缺口试验）的含义都需特别关注，这在质量控制和为设计目的关联断裂韧性参数时尤为重要。

2. 基本概念和定义