1、動載焊接構造的強度及其設計動載焊接構造的強度及其設計 哈爾濱工業大學楊建國( IWE-T/3.3)2021.03斷斷 裂裂 力力 學學 ( IWE-3.6) 1 概述 自從焊接構造得到廣泛運用以來，發現以接自從焊接構造得到廣泛運用以來，發現以接受動載為主的焊接構造，在遠沒有到達其設受動載為主的焊接構造，在遠沒有到達其設計壽命時就出現破壞景象，通常發生脆性斷計壽命時就出現破壞景象，通常發生脆性斷裂和疲勞斷裂兩大類破壞事故。裂和疲勞斷裂兩大類破壞事故。 脆性斷裂事故的焊接構造數量與平安任務脆性斷裂事故的焊接構造數量與平安任務的焊接構造數量相比雖然是很少。但是，由的焊接構造數量相比雖然是很少。但是，

2、由于這種事故具有突發性，不易預防的特點，于這種事故具有突發性，不易預防的特點，其后果往往是非常嚴重的，甚至是災難性的，其后果往往是非常嚴重的，甚至是災難性的，所以引起人們高度注重。所以引起人們高度注重。IWE-T/3.3-1/291 概述例子：例子：第二次世界大戰前夕，在比利時的阿爾貝特第二次世界大戰前夕，在比利時的阿爾貝特(Albert)運運河上建造了約河上建造了約50 座全焊接拱形空腹式桁架鋼橋。資座全焊接拱形空腹式桁架鋼橋。資料為比利時料為比利時9t42 轉爐鋼。轉爐鋼。(1)其中跨度為其中跨度為48.78m 的長里華大橋在的長里華大橋在-14時脆斷。時脆斷。(2)1938 年年3月，比

3、利時哈瑟爾特全焊拱形空腹式鋼橋月，比利時哈瑟爾特全焊拱形空腹式鋼橋在交付運用在交付運用1 年后，當一輛電車和幾個行人經過時，年后，當一輛電車和幾個行人經過時，忽然斷裂為三段，墜人阿爾貝特運河。該橋跨度忽然斷裂為三段，墜人阿爾貝特運河。該橋跨度74.5m，該橋第一條裂痕由下弦開場并發生巨響，該橋第一條裂痕由下弦開場并發生巨響，6min 后垮塌后垮塌,當時橋上荷載很小當時橋上荷載很小,氣溫較低氣溫較低,為為-20。IWE-T/3.3-1/29 1 概述(3)跨度60.98m 的亥倫脫爾一奧蘭(Herenthals-Olen)大橋在1940 年1 月19 日破壞，當時的氣溫為-14，其中有一條裂痕長

4、達2.1m，寬為25mm，但此橋未坍落，且在開裂后5h，當一列火車經過時此橋竟平安無事。 據統計，自1938 年至1950 年在比利時共有14 座大橋斷裂，其中有6 座橋梁屬負溫下冷脆斷裂，大部分在下弦與橋墩支座的銜接處斷裂且應力處于極限形狀。歸結大橋斷裂的緣由主要有四點：應力集中、剩余應力、低溫暖沖擊韌性值k 太小。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述國內典型例子國內典型例子 1995年年1月月8日發生在黑龍江省某地的糖廠，日發生在黑龍江省某地的糖廠，該糖廠一臺運用了該糖廠一臺運用了20年的直徑為年的直徑為24m、高、高16m的圓筒形糖蜜貯罐在凌晨五點左右忽然開裂，的圓筒形糖蜜貯罐在凌晨

5、五點左右忽然開裂，導致導致4000噸糖蜜傾瀉而出，呵斥人員和宏大噸糖蜜傾瀉而出，呵斥人員和宏大經濟損失。事故緣由為低應力脆斷。經濟損失。事故緣由為低應力脆斷。IWE-T/3.3-1/29 1 概述 IWE-T/3.3-1/29規劃 焊縫 1 概述 IWE-T/3.3-1/29 焊接結構斷裂的典型事例 損壞日期 結構種類、特點地點 損壞的情況及主要原因 1919 糖蜜罐（鉚接）高 14m，直徑 30 m 美國波士波 安全系數不足、超應力引起，在人孔附近起裂 1934 油罐 美國 氣候驟冷時，罐底與罐壁的溫差引起脆性裂紋 1938-1940 威廉德式橋 比利時 由于嚴重應力集中，殘余應力高，鋼材性

6、能差，氣候驟冷，焊接裂紋引起脆斷 1942 油罐 德國漢茨 補焊處產生裂紋 1942-1946 EC2（自由輪）貨船 美國建造 設計不當，材料性能差 1943.2 球形氧罐，直徑 13m 美國紐約 應力集中、殘余應力、鋼材脆性（半鎮靜鋼） 1944.10 液化天然氣圓筒形容器，直徑 24 m，高13 米，美國 俄亥俄 為雙層容器，內筒采用含 3.5%鎳合金鋼制成，由于材料選用不當， 有大量裂紋， 在-162低溫下爆炸 1949-1963 美國以外建造的商船 鋼材選擇不當，韌性低 1950 直徑 4.57 m，水壩內全焊管道，美國 由環焊縫不規則焊波向四周擴展的小裂紋引發 1949-1951 板

7、梁式鋼橋 加拿大 魁北克 材料為不合格的沸騰鋼，因出現裂紋曾局部修補過 1954 大型油船“世界協和號”美國制造 鋼材缺口韌性差。斷裂發生在船中部，即縱梁與隔艙板中段的兩端處引發裂紋然后裂紋從船底沿船兩側向上發展，并穿過甲板。斷裂時有大風浪。 1 概述 IWE-T/3.3-1/291962 Kings 橋，焊制鋼梁 澳大利亞墨爾本 支承鋼筋混凝土橋面的四根板腹主梁發生脆裂，裂紋從角焊縫熱影響區擴展到母材中 1962 原子能電站壓力容器 法國 Chinon 厚 100 m m 錳鉬鋼的制成，環焊縫熱處理不當導致開裂 1965.12 合成氨用大型壓力容器，內徑 1.7 m 厚 149-150 m

8、m 美國 在筒體與鍛件埋弧焊時，鍛體偏析（Mn-Cr-Mo-V 鋼制） ，在鍛件一側熱影響區有裂紋，焊后未進行恰當的消除應力熱處理 1965 “海寶”號鉆井船椿腿 英國北海油田 由升降連接桿氣割火口裂紋引發脆斷，平臺整個坍塌 1968 球形容器 日本 使用=29mm，80 公斤級高強鋼，補焊熱輸入量過大，導致開裂 1974.12 圓筒形石油貯罐 日本 用厚 12mm，60 公斤級鋼焊制，在環狀邊板與罐壁拐角處產生裂紋擴展 13m，大量石油外流。 1 概述q在工程上，按照斷裂前塑性變形大小，將斷裂在工程上，按照斷裂前塑性變形大小，將斷裂分為延性斷裂亦稱為塑性斷裂和韌性斷裂分為延性斷裂亦稱為塑性斷

9、裂和韌性斷裂和脆性斷裂兩種。延性斷裂在斷裂前有較大的和脆性斷裂兩種。延性斷裂在斷裂前有較大的塑性變形；脆性斷裂前沒有或只需少量塑性變塑性變形；脆性斷裂前沒有或只需少量塑性變形，斷裂忽然發生并快速開展裂紋擴展速率形，斷裂忽然發生并快速開展裂紋擴展速率高達高達15002000m/s。同一資料在不同條件下。同一資料在不同條件下也會出現不同斷裂方式，例如低碳鋼通常以為也會出現不同斷裂方式，例如低碳鋼通常以為是塑性很高，被廣泛運用于各種焊接構造中。是塑性很高，被廣泛運用于各種焊接構造中。但是在一定條件下，低碳鋼構件也會發生脆性但是在一定條件下，低碳鋼構件也會發生脆性斷裂。斷裂。IWE-T/3.3-1/2

10、9 1 概述 脆性斷裂根本之緣由是資料部分處塑性變形能脆性斷裂根本之緣由是資料部分處塑性變形能缺乏所致。大量脆斷事故研討闡明，呵斥焊接缺乏所致。大量脆斷事故研討闡明，呵斥焊接脆斷的緣由是多方面的：主要是資料選用不當，脆斷的緣由是多方面的：主要是資料選用不當，設計不合理和制造工藝及檢驗技術不完善等。設計不合理和制造工藝及檢驗技術不完善等。IWE-T/3.3-1/29 1 概述 脆性斷裂的特點為：脆性斷裂的特點為： (1) 脆斷普通都在應力不高于構造的設計應力和沒有顯脆斷普通都在應力不高于構造的設計應力和沒有顯著的塑性變形的情況下發生。著的塑性變形的情況下發生。 (2) 脆斷往往從應力集中處開場，

11、即構件內存在缺陷，脆斷往往從應力集中處開場，即構件內存在缺陷，尤其焊接裂痕等。尤其焊接裂痕等。 (3) 脆斷往往發生在低溫下，厚截面構件和高應變速度脆斷往往發生在低溫下，厚截面構件和高應變速度即動載作用下的情況下。即動載作用下的情況下。(4) 塑性資料也發生脆性斷裂。塑性資料也發生脆性斷裂。脆性斷裂根本之緣由是資料部分處塑性變形能缺乏所脆性斷裂根本之緣由是資料部分處塑性變形能缺乏所致。大量脆斷事故研討闡明，呵斥焊接脆斷的緣由致。大量脆斷事故研討闡明，呵斥焊接脆斷的緣由是多方面的：主要是資料選用不當，設計不合理和是多方面的：主要是資料選用不當，設計不合理和制造工藝及檢驗技術不完善等。制造工藝及檢

12、驗技術不完善等。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述q影響金屬脆性斷裂的要素：影響金屬脆性斷裂的要素：q 同一種資料在不同受力條件下，可以顯同一種資料在不同受力條件下，可以顯示出不同破壞方式。研討闡明，其最重要的示出不同破壞方式。研討闡明，其最重要的影響要素是溫度，其次為應力形狀、加載速影響要素是溫度，其次為應力形狀、加載速度。度。q 這就是說在一定的溫度、應力形狀和加這就是說在一定的溫度、應力形狀和加載速度下，資料假設是塑性破壞，而在另外載速度下，資料假設是塑性破壞，而在另外條件下，資料可呈脆性破壞。條件下，資料可呈脆性破壞。q q 此外晶粒度及其顯微組織對資料破壞傾此外晶粒度及其顯微組

13、織對資料破壞傾向也有很大影響。向也有很大影響。q q IWE-T/3.3-1/29 1 概述1溫度的影響溫度的影響 溫度對資料的破壞方式影響最大，降低溫溫度對資料的破壞方式影響最大，降低溫度就可以使破壞方式由塑性破壞轉變為脆性度就可以使破壞方式由塑性破壞轉變為脆性破壞。這是由于隨溫度的降低，發生解理斷破壞。這是由于隨溫度的降低，發生解理斷裂的危險性增大，資料將出現塑性到脆性斷裂的危險性增大，資料將出現塑性到脆性斷裂的轉變。裂的轉變。 塑性到脆性斷裂的轉變溫度稱為資料轉變塑性到脆性斷裂的轉變溫度稱為資料轉變溫度，此溫度越高，資料的脆斷能夠性添加。溫度，此溫度越高，資料的脆斷能夠性添加。 IWE-

14、T/3.3-1/29 1 概述由于解理斷裂通常發生在體心立方和密集六方由于解理斷裂通常發生在體心立方和密集六方點陣的金屬和合金中，只在特殊情況下，如點陣的金屬和合金中，只在特殊情況下，如應力腐蝕條件下，才在面心立方點陣的金屬應力腐蝕條件下，才在面心立方點陣的金屬中發生，因此面心立方點陣的金屬如奧氏中發生，因此面心立方點陣的金屬如奧氏不銹鋼，可以在很低溫度下任務而不發生不銹鋼，可以在很低溫度下任務而不發生脆性斷裂。脆性斷裂。 第四章 脆斷-4/45 1 概述 2應力形狀的影響應力形狀的影響 物體在受外載時，在不同的截面上產生不同的正物體在受外載時，在不同的截面上產生不同的正應力應力和剪切應力和剪

15、切應力，其中必有一個最大正應力，其中必有一個最大正應力max和最大切應力和最大切應力max。 max和和max及其比值及其比值 與加載方式有關。與加載方式有關。 稱為應力形狀系數，與加載方式和構件外形有稱為應力形狀系數，與加載方式和構件外形有關。關。的應力形狀有利塑性變形切應力的韌性斷裂，的應力形狀有利塑性變形切應力的韌性斷裂，而而那么有利正應力的脆性斷裂。那么有利正應力的脆性斷裂。IWE-T/3.3-1/29maxmax1 概述力學形狀圖力學形狀圖 第四章 脆斷-5/45正斷抗力剪切屈服剪切抗力1 概述單軸拉伸時， =1/2第四章 脆斷-5/451 概述在實踐構造中三軸應力能夠由三軸載荷產生

16、，但更多的情況下是由于構造幾何不延續性引起的。在三軸拉伸時，最大應力就超出單軸拉伸時的屈服應力，構成很高的部分應力而資料尚未發生屈服，結果降低了資料塑性，使該處資料變脆。這闡明了為什么脆斷事故普通都來源于具有嚴重應力集中效應的缺口處，而在實驗中也只需引入這樣的缺口才干產生脆性行為。第四章 脆斷-5/45 1 概述3加載速度的影響加載速度的影響 研討闡明提高加載速度研討闡明提高加載速度能促使資料脆性破壞，其能促使資料脆性破壞，其作用相當于降低溫度。作用相當于降低溫度。 還應指出，在同樣加載還應指出，在同樣加載速度下，構造中有缺口時，速度下，構造中有缺口時，應變速率可呈現加倍的不應變速率可呈現加倍

17、的不利的影響，由于此時應力利的影響，由于此時應力集中大大降低了資料的部集中大大降低了資料的部分塑性。分塑性。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述4資料形狀影響：資料形狀影響： 1板厚度的影響板厚度的影響: 首先厚板在缺口處容易首先厚板在缺口處容易構成三向應力的平面應變形狀，另外板厚軋構成三向應力的平面應變形狀，另外板厚軋制次數少，組織疏松，內外性能不均：制次數少，組織疏松，內外性能不均： 2晶粒影響晶粒影響: 晶粒度對脆性轉變溫度有很晶粒度對脆性轉變溫度有很大影響，晶粒越細，其轉變溫度降低；大影響，晶粒越細，其轉變溫度降低； 3化學成分影響化學成分影響: 鋼中鋼中C、N、O、H、S、P添加

18、鋼中的脆性。添加鋼中的脆性。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述q 疲勞斷裂疲勞斷裂q 疲勞斷裂是金屬構造在動載作用下失效疲勞斷裂是金屬構造在動載作用下失效的一種主要方式，統計資料闡明，由于疲勞的一種主要方式，統計資料闡明，由于疲勞而失效的金屬構造，約占失效構造的而失效的金屬構造，約占失效構造的90%，這種構造的斷裂方式與脆性斷裂方式不一樣。這種構造的斷裂方式與脆性斷裂方式不一樣。q 疲勞斷裂與脆性斷裂相比較：疲勞斷裂與脆性斷裂相比較：q 一樣點：一樣點：q 二者斷裂時形變都很小，并都在動載作二者斷裂時形變都很小，并都在動載作用下斷裂，用下斷裂， q IWE-T/3.3-1/29 1 概述

19、 第四章 脆斷-8/45 1 概述 不同點：不同點：1載荷：疲勞斷裂需求多次加載，而脆斷普載荷：疲勞斷裂需求多次加載，而脆斷普通不需求多次加載；通不需求多次加載；2時間：脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂痕的時間：脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂痕的擴展那么是緩慢的，有時需求長達數年的時間。擴展那么是緩慢的，有時需求長達數年的時間。3溫度：對脆斷來說，溫度的影響是極其重溫度：對脆斷來說，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆斷的危險性迅速添要的，隨著溫度的降低，脆斷的危險性迅速添加。但疲勞強度卻不是這樣。加。但疲勞強度卻不是這樣。4斷口：疲勞斷裂和脆性斷裂相比較還有不斷口：疲勞斷裂和脆性斷裂相比較還有不

20、同的斷口特征等。同的斷口特征等。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述 眾多焊接構造的疲勞斷裂事故中，可以清眾多焊接構造的疲勞斷裂事故中，可以清楚的看到焊接接頭的重要影響，疲勞破壞普楚的看到焊接接頭的重要影響，疲勞破壞普通都是從應力集中處開場，而焊接構造的疲通都是從應力集中處開場，而焊接構造的疲勞裂痕又往往從焊接接頭的應力集中處產生。勞裂痕又往往從焊接接頭的應力集中處產生。 高周疲勞：應力低遠小于屈服強度、高周疲勞：應力低遠小于屈服強度、頻率高；頻率高； 低周疲勞：應力高接近屈服強度、頻低周疲勞：應力高接近屈服強度、頻率低。率低。 IWE-T/3.3-1/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂

21、力學及在焊接中的運用一、斷裂力學一、斷裂力學經典力學：常規的強度計算方法是以資料為根底，經典力學：常規的強度計算方法是以資料為根底，把資料籠統為均勻、延續和各向同性的，未思把資料籠統為均勻、延續和各向同性的，未思索資料的內部缺陷，用索資料的內部缺陷，用s、b和平安系數和平安系數n反映反映構造平安可靠性，它與破壞過程均無直接聯絡。構造平安可靠性，它與破壞過程均無直接聯絡。斷裂力學：為了探求缺陷對資料強度的影響，研斷裂力學：為了探求缺陷對資料強度的影響，研討資料抗斷裂性能目的，建立破壞條件，提出討資料抗斷裂性能目的，建立破壞條件，提出具有缺陷構件的強度計算方法，研討含有缺陷具有缺陷構件的強度計算方

22、法，研討含有缺陷宏觀裂紋構件的平安性，而建立起斷裂力學。宏觀裂紋構件的平安性，而建立起斷裂力學。IWE-T/3.3-1/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用一斷裂力學研討義務一斷裂力學研討義務 經過研討裂紋尖端部分區域的應力和變形經過研討裂紋尖端部分區域的應力和變形情況，掌握裂紋在外載荷作用下擴展規律，情況，掌握裂紋在外載荷作用下擴展規律，了解帶裂紋構件的承載才干，從而提出抗斷了解帶裂紋構件的承載才干，從而提出抗斷設計的方法，保證構件的平安任務。設計的方法，保證構件的平安任務。 研討闡明，實踐構造的破壞，不取決于平研討闡明，實踐構造的破壞，不取決于平均應力，而取決于缺陷臨近

23、的部分應力和應均應力，而取決于缺陷臨近的部分應力和應力集中程度，使構造在低應力下，由宏觀裂力集中程度，使構造在低應力下，由宏觀裂紋源的擴展而引起破壞。紋源的擴展而引起破壞。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用 裂紋的擴展可分為穩定擴展又稱亞臨界裂紋的擴展可分為穩定擴展又稱亞臨界擴展和失穩擴展不穩定擴展：擴展和失穩擴展不穩定擴展： 裂紋的穩定擴展：是裂紋在不斷接受外界裂紋的穩定擴展：是裂紋在不斷接受外界能量情況才會擴展。疲勞裂紋擴展屬于此類能量情況才會擴展。疲勞裂紋擴展屬于此類擴展。擴展。 裂紋不穩定擴展：是指裂紋在不需求外界裂紋不穩定擴展：是指裂紋在

24、不需求外界繼續提供能量情況下裂紋就擴展，低應力脆繼續提供能量情況下裂紋就擴展，低應力脆斷時裂紋擴展屬于此種。斷時裂紋擴展屬于此種。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用不穩定擴展的主要緣由：不穩定擴展的主要緣由：1) 裂紋很鋒利，呵斥高度的應力集中；裂紋很鋒利，呵斥高度的應力集中；2) 裂紋很深，裂紋尖端區域呵斥充分的三向裂紋很深，裂紋尖端區域呵斥充分的三向應力形狀；應力形狀；3裂紋的擴展會釋放出大量的彈性應變能，裂紋的擴展會釋放出大量的彈性應變能，這是失穩擴展的根天性源；這是失穩擴展的根天性源；4在一定應力程度下，裂紋尺寸在一定大小在一定應力程度下，

25、裂紋尺寸在一定大小以上，由于放出能量呵斥裂紋擴展，這尺寸以上，由于放出能量呵斥裂紋擴展，這尺寸稱為裂紋擴展的臨界尺寸。小于臨界尺寸裂稱為裂紋擴展的臨界尺寸。小于臨界尺寸裂紋稱亞臨界裂紋，不會自行擴展。紋稱亞臨界裂紋，不會自行擴展。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用二二 斷裂力學研討對象斷裂力學研討對象1、 線彈性斷裂力學線彈性斷裂力學 將資料當作理想線彈性體來研討斷裂機理，將資料當作理想線彈性體來研討斷裂機理，即含有裂紋資料的應力應變形狀和裂紋擴展規即含有裂紋資料的應力應變形狀和裂紋擴展規律。用于裂紋尖端產生小范圍屈服的研討，在律。用于裂紋尖端產生

26、小范圍屈服的研討，在工程實際中運用于超高強度鋼、厚截面中強度工程實際中運用于超高強度鋼、厚截面中強度鋼構造，塑性變形小和對中低強度鋼的構造。鋼構造，塑性變形小和對中低強度鋼的構造。2、非線性斷裂力學、非線性斷裂力學 用有關彈塑性線性實際，來分析裂紋尖端存用有關彈塑性線性實際，來分析裂紋尖端存在塑性變形區及其斷裂破壞機理，用于中、低在塑性變形區及其斷裂破壞機理，用于中、低強度具有較大韌性的資料。強度具有較大韌性的資料。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用 斷裂力學的義務：斷裂力學的義務： 宏觀裂紋源在什么條件下會導致失穩擴展宏觀裂紋源在什么條件下會導致

27、失穩擴展以致斷裂；以致斷裂； 建立裂紋尺寸和破壞應力之間的關系。建立裂紋尺寸和破壞應力之間的關系。 它對焊接構造平安設計、合理選材、改良它對焊接構造平安設計、合理選材、改良材質和施工工藝以及制定科學的概念規范等材質和施工工藝以及制定科學的概念規范等都有重要意義。都有重要意義。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-2/29)0,(rfyxynyxyx)23sin2sin1 (2cos2rax)23sin2sin1 (2cos2ray)23cos2cos2sin2raxy二 裂紋尖端應力強度因子 1、應力強度因子: 線彈性斷裂力學以為，

28、資料脆性斷裂前根本上是彈性變形，其中應力應變關系是線性關系，在這樣條件下，就可用資料力學來分析裂紋擴展的規律。用彈性力學實際分析圖1所示，在裂紋尖端附近任一點P各應力分量為：r2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-2/29 從上面式中看出，各應力分量均有一個共同從上面式中看出，各應力分量均有一個共同的因子，它表示裂紋在名義應力作用下處于的因子，它表示裂紋在名義應力作用下處于彈性平衡形狀，裂紋尖端附近應力場的強弱。彈性平衡形狀，裂紋尖端附近應力場的強弱。它的大小就確定裂紋尖端附近各點應力大小。它的大小就確定裂紋尖端附近各點應力大小。其應力不僅與名義應力其應力不僅

29、與名義應力有關，而且與裂紋大有關，而且與裂紋大小有關。因此，小有關。因此，K1表示尖端附近應力場強弱表示尖端附近應力場強弱的因子，簡稱應力強度因子：的因子，簡稱應力強度因子： Y裂紋外形因子，是一個無量綱的系數，裂紋外形因子，是一個無量綱的系數，2a裂紋裂紋長度。長度。)(aKKaYaK2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-3/29 裂紋擴展方式：1張開型：在垂直裂紋面的拉應力作用下，使裂紋張開而擴展。最危險，著重研討2滑移型：在平行于裂紋外表且垂直于裂紋前緣剪應力作用下，使裂紋滑動而擴展。3撕裂型：在平行于裂紋外表且平行于裂紋前緣剪應力作用下，使裂紋扯開而擴

30、展。xxxyyyzzz2、裂紋擴展方式 裂紋類型：穿透裂紋、外表裂紋和內部裂紋三種。2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-3/29 張開型是最常見又最危險，裂紋容易擴展，因此通常研討這種類型低應力脆斷問題 2axyxxyy2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-3/293 平面應力和平面應變 1平面應力形狀: 任何彈性物體在受力產生的應力和應變都是三向空間問題，但在工程實踐中有時往往可以簡化為平面問題，如當z=0,那么就處于 x、y 平面應力形狀.應力： 應變：)(1Eyx2x)(1Exy2yxyxyGxyxyxyyxzxyyX

31、XXE)1 (2G1)(E)(E1)(E1由上式可見平面應力形狀時是三向應變問題。 2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-3/29 2平面應變形狀 假設在Z方向把受力物體加以固定，不能收縮，即x=0，這時就相當于在Z方向加一個應力z，此時彈性內應力應變稱為平面應變形狀。應力： 應變： xyxyyxzxyyyxxG)()1()21)(1 (E1)1()21)(1 (E)1 (XYxyxyyyxxE)1 (2)1 (E1)1 (E12 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-4/29 平面應力與平面應變一樣處: 只需求出x,y,xy就可

32、知z 平面應力與平面應變不同處: 平面應力形狀z=0, 相當構件厚度很小： 平面應變形狀z=(x+y),z=0，相當于構件厚度很大。 由此可得出板厚關系到斷裂方式，隨厚度的添加，其塑性變形減少，向平面應變形狀開展，容易引起三向應力的斷裂。2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-4/29 4、應力強度因子及其斷裂判據 K是與應力大小正比，是反映了裂紋尖端應力強度的力學參數。當有裂紋的構件在外力作用逐漸增大，裂紋逐漸擴展時，裂紋尖端的應力強度因子K也隨之逐漸添加，當K到達臨界值，構件中的裂紋將產生忽然的失穩擴張，這個應力強度因子K的臨界值，稱為臨界應力強度因子，它就

33、是資料的斷裂韌性。用Kc表示。它反映了資料抵抗裂紋失穩擴展，即抵抗脆性斷裂的才干，所以平面應變條件下的脆性斷裂判據為KKc2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-4/29 Kc稱為資料的斷裂韌性，由實驗得出，表示資料抗裂才干的力學性能目的。 Kc與試件的幾何外形板厚、受力情況、實驗環境溫度等要素有關。張開型裂紋在平面應力形狀下，最容易產生失穩擴展，通常Kc都是在厚板下用張開型裂紋下進展實驗，求得平面應變下平面應變斷裂韌性Kc2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-4/295、線彈性斷裂力學在小塑性區的運用 線彈性斷裂力學只適用于線

34、彈性體，而實踐上金屬資料在裂紋尖端區總有少量塑性變形，線彈性斷裂力學原那么上不再適用，但當裂紋尖端塑性區遠較裂紋尺寸小稱為小范圍屈服情況下，仍可按線彈性斷裂力學的近似地估計出真實性能，而被推行運用。 2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-4/29三、彈塑性形狀的斷裂力學 當裂紋尖端的塑性尺寸到達同一數量級時，發生所謂大范圍屈服的情況這在中、低強度資料中是常見的，裂紋尖端近處的應力場已不能用彈性斷裂力學強度因子描畫，要用彈塑性斷裂力學來處理。 目前裂紋張開位移所謂COD和形變功差率所謂J積分來描畫大范圍屈服裂紋尖端的力學形狀。2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學

35、及在焊接中的運用IWE-T/3.3-4/29 1、裂紋尖端張開位移COD COD就是資料受載后裂紋尖端的張開位移，普通用表示，它是描畫裂紋尖端應力場的一個參量。COD當裂紋開裂時的臨界值c作為資料斷裂韌性目的。 用c作為斷裂判據來估計資料屈服破壞時的任務應力和裂紋尺寸的關系。2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-5/292、J積分：J積分是采用圍繞裂紋尖端恣意回路的能量線積分，也就是用能量觀念來討結論裂判據，這樣它就適用于裂紋尖端前有較大塑性區的資料斷裂問題 3、斷裂韌性的測定：測定斷裂韌性的試樣不同于普通常規機械性能的試樣，它有兩個根本特點，其一，試樣需預制

36、疲勞裂紋，其二，試樣應具有足夠的厚度，以保證裂紋尖端附近處于平面應變形狀。 測定斷裂韌性試樣常用的有三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣形狀。2 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-5/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-5/292 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-1/29四、斷裂力學在脆性破壞問題中的運用 線彈性斷裂力學是采用K1K1C斷裂判據來處理斷裂問題，其程序是：1、計算裂紋尖端區域的應力強度因子K1： 根據給定的載荷和構造方式，查閱應力強度因子手冊，按一定的方法 進展計算。2、 測定資料

37、的斷裂韌性K1C： 采用三點彎曲試樣或緊湊拉伸試樣等實驗方法求得平面應變斷裂韌性K1C。aK12 斷裂力學及在焊接中的運用斷裂力學及在焊接中的運用IWE-T/3.3-1/293、運用斷裂判據K1K1C，求得構件上任務應力和裂紋參數之間關系，從而可以：1在知構件上任務應力下確定臨界裂紋尺寸c,思索一定平安系數nc,就可得出允許裂紋長度，作為質量檢驗規范。2知構件上裂紋長度，確定臨界任務應力c,得到允許應力 3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29焊接接頭和構造的疲勞強度3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 疲勞斷

38、裂是焊接金屬構造失效的一種主要方式，它發生在接受交變或動搖應變的構件中，普通說來，其最大應力低于資料抗拉強度，甚至低于資料的屈服點，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應力斷裂。 疲勞斷裂過程的研討闡明，疲勞壽命不是決議于裂紋產生，而是決議裂紋增大和擴展。 從疲勞的斷口，可以看出在疲勞中心周圍存在非常光滑，非常細潔，貝紋線不明顯的狹小區域，從本質上看就是疲勞裂紋擴展區。下面以疲勞斷裂過程予以闡明。 3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29一、疲勞斷裂的過程 在交變載荷的作用下，在構件上會產生微觀上和宏觀上都可見的塑性形變，這種塑性變形妨礙破斷的迅速開展，在交

39、變應力的作用下會在某些部分出產生微觀和宏觀裂紋，這些裂紋進一步擴展到最后斷裂區域。就會引起破裂，由此可見疲勞斷裂過程普通有仨個階段所組成： 1在應力集中處產生初始疲勞裂紋源：通常把裂紋長到1000埃之前定義為裂紋產生階段，在焊接接頭中疲勞裂紋產生階段之占整個疲勞過程中的一個短的時間。3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 2疲勞裂紋穩定擴展過程：在這過程中,在均勻循環應力作用下，只需應力值足夠大，普通每一次應力循環將在斷裂外表產生一道輝紋，即每經過一次加載循環，在裂紋尖端即閱歷一次銳化鈍化在銳化的過程，裂紋就擴展一間隔。 3疲勞斷裂：裂紋在循環載荷作用

40、下，不斷向前擴展，但擴展至一定程度，構造即進入最后斷裂階段。 3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 在焊接接頭中，產生疲勞裂紋普通要比其他聯接型式的循環次數少。這是由于焊接接頭中不僅有應力集中如角焊縫的焊趾處，而且這部位易產生焊接接頭缺陷，剩余焊接應力也比較高。 疲勞斷口從宏觀檢查來看，由疲勞裂紋產生及擴展區，和最后斷裂區，斷裂開場點向周圍輻射出類似貝殼紋的疲勞紋。疲勞裂紋源疲勞裂紋源疲勞裂紋擴疲勞裂紋擴展區前沿線展區前沿線最后斷裂區最后斷裂區3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29疲勞裂紋擴展輝紋構成機制由不

41、同解釋模型，其中塑性鈍化模型表示圖如下。未加載荷裂紋閉合形狀； 在加載段拉應力作用下，裂紋張開，裂紋尖端兩個小切口使之向45滑移； 拉應力大最大值時，裂紋因變形使應力集中的效應消逝，裂紋尖端的滑移帶變寬，裂紋前端鈍化，呈半圓狀，此時產生新的外表，裂紋向前擴展；去載拉應力下降，沿滑移帶向相反方向滑移；加載后半周處于壓應力，構成新外表被壓向裂紋平面，構成新的切口，結果呵斥新的疲勞紋，其間距為c，即為輝紋寬度，該實際以為每一次循環加載，就產生一道輝紋。C3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29二、在焊接構造中疲勞強度的常用表示法一根本概念1、疲勞強度和疲勞極限

42、1疲勞曲線 指某一資料試樣用不同載荷進展多次反復加載實驗，測得不同載荷下使試樣破壞所需加載循環次數所繪制成-N疲勞曲線190210250230165432百萬- -N N 曲曲線線 2864246 8- - N N 曲線曲線 3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/292 疲勞強度 為在某一N循環次數下破壞應力，稱為在該N循環下的疲勞強度。3 疲勞極限 是指在N次以后其強度不再下降到達飽和極限，如下圖程度線代表疲勞極限的數值。2864246 8- - N N 曲線曲線 3 焊接接頭和構造的疲勞強度焊接接頭和構造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/292、應力循環特性 疲勞強度的