IWE動載焊接結構的強度及其設計(工程師-1)

1、動載焊接結構的強度及其設計動載焊接結構的強度及其設計 哈爾濱工業(yè)大學劉雪松( IWE-T/3.3)2007.03.10斷斷 裂裂 力力 學學 ( IWE-3.6) 1 概述概述 自從焊接結構得到廣泛應用以來，發(fā)現以承自從焊接結構得到廣泛應用以來，發(fā)現以承受動載為主的焊接結構，在遠沒有達到其設受動載為主的焊接結構，在遠沒有達到其設計壽命時就出現破壞現象，通常發(fā)生計壽命時就出現破壞現象，通常發(fā)生脆性斷脆性斷裂裂和和疲勞斷裂疲勞斷裂兩大類破壞事故。兩大類破壞事故。 脆性斷裂事故的焊接結構數量與安全工作脆性斷裂事故的焊接結構數量與安全工作的焊接結構數量相比雖然是很少。但是，由的焊接結構數量相比雖然是很

2、少。但是，由于這種事故具有突發(fā)性，不易預防的特點，于這種事故具有突發(fā)性，不易預防的特點，其后果往往是十分嚴重的，甚至是災難性的，其后果往往是十分嚴重的，甚至是災難性的，所以引起人們高度重視。所以引起人們高度重視。IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述 脆性斷裂的特點為：脆性斷裂的特點為： (1) 脆斷一般都在應力不高于結構的設計應力和脆斷一般都在應力不高于結構的設計應力和沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生。沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生。 (2) 脆斷往往從應力集中處開始，即構件內存在脆斷往往從應力集中處開始，即構件內存在缺陷，尤其焊接裂縫等。缺陷，尤其焊接裂縫等。 (3) 脆斷往往發(fā)生在低溫

3、下，厚截面構件和高應脆斷往往發(fā)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。變速度（即動載作用下）的情況下。 脆性斷裂根本之原因是材料局部處塑性變形脆性斷裂根本之原因是材料局部處塑性變形能不足所致。大量脆斷事故研究表明，造成能不足所致。大量脆斷事故研究表明，造成焊接脆斷的原因是多方面的：主要是材料選焊接脆斷的原因是多方面的：主要是材料選用不當，設計不合理和制造工藝及檢驗技術用不當，設計不合理和制造工藝及檢驗技術不完善等。不完善等。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述q影響金屬脆性斷裂的因素：影響金屬脆性斷裂的因素： 同一種材料在不同受力條件下，可以顯示同一種材料在不同受力

4、條件下，可以顯示出不同破壞形式。研究表明，其最重要的影出不同破壞形式。研究表明，其最重要的影響因素是溫度，其次為應力狀態(tài)、加載速度。響因素是溫度，其次為應力狀態(tài)、加載速度。 這就是說在一定的溫度、應力狀態(tài)和加載這就是說在一定的溫度、應力狀態(tài)和加載速度下，材料如果是塑性破壞，而在另外條速度下，材料如果是塑性破壞，而在另外條件下，材料可呈脆性破壞。件下，材料可呈脆性破壞。 此外晶粒度及其顯微組織對材料破壞傾向此外晶粒度及其顯微組織對材料破壞傾向也有很大影響。也有很大影響。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述（1）溫度的影響）溫度的影響 溫度對材料的破壞方式影響最大，降低溫溫度對材料的破壞方

5、式影響最大，降低溫度就可以使破壞方式由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈远染涂梢允蛊茐姆绞接伤苄云茐霓D變?yōu)榇嘈云茐?。這是因為隨溫度的降低，發(fā)生解理斷破壞。這是因為隨溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危險性增大，材料將出現塑性到脆性斷裂的危險性增大，材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塑性到脆性斷裂的轉變溫度稱為材料轉變材料轉變溫度溫度，此溫度越高，材料的脆斷可能性增加。，此溫度越高，材料的脆斷可能性增加。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述 （2）應力狀態(tài)的影響應力狀態(tài)的影響 物體在受外載時，在不同的截面上產生不物體在受外載時，在不同的截面上產生不同的正應力同的正應力和剪切

6、應力和剪切應力，其中必有一個最其中必有一個最大正應力大正應力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。 稱為稱為應力狀態(tài)系數應力狀態(tài)系數，與加載方式和構件，與加載方式和構件形狀有關。形狀有關。的應力狀態(tài)有利塑性變形切應的應力狀態(tài)有利塑性變形切應力的韌性斷裂，而力的韌性斷裂，而則有利正應力的脆性斷則有利正應力的脆性斷裂。裂。IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述（3）加載速度的影響）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研究表明提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當于降低溫度。壞，其作用相當于降低溫度。 還應指

7、出，在同樣加載速度下，結構中有還應指出，在同樣加載速度下，結構中有缺口時，應變速率可呈現加倍的不利的影響，缺口時，應變速率可呈現加倍的不利的影響，因為此時應力集中大大降低了材料的局部塑因為此時應力集中大大降低了材料的局部塑性。性。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述（4）材料狀態(tài)影響：）材料狀態(tài)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形成三向應力的平面應變狀態(tài)，另外板厚軋形成三向應力的平面應變狀態(tài)，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

8、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增加鋼中的脆性。增加鋼中的脆性。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述q 疲勞斷裂疲勞斷裂 疲勞斷裂是金屬結構在動載作用下失效的疲勞斷裂是金屬結構在動載作用下失效的一種主要形式，統(tǒng)計資料表明，由于疲勞而一種主要形式，統(tǒng)計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構，約占失效結構的失效的金屬結構，約占失效結構的90%，這，這種結構的斷裂形式與脆性斷裂形式不一樣。種結構的斷裂形式與脆性斷裂形式不一樣。 疲勞斷裂與脆性斷裂相比較：疲勞斷裂與脆性斷裂相比較： 相同點：

9、相同點： 二者斷裂時形變都很小，并都在動載作用二者斷裂時形變都很小，并都在動載作用下斷裂，下斷裂， IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述 不同點：不同點：（1）載荷：疲勞斷裂需要多次加載，而脆斷一）載荷：疲勞斷裂需要多次加載，而脆斷一般不需要多次加載；般不需要多次加載；（2）時間：脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂縫的）時間：脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂縫的擴展則是緩慢的，有時需要長達數年的時間。擴展則是緩慢的，有時需要長達數年的時間。（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，脆斷的危險性迅速要的，隨著溫度的降低，脆斷的危險性迅速增加。但

10、疲勞強度卻不是這樣。增加。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同的斷口特征等。同的斷口特征等。 IWE-T/3.3-1/29 1 概述概述 眾多焊接結構的疲勞斷裂事故中，可以清眾多焊接結構的疲勞斷裂事故中，可以清楚的看到焊接接頭的重要影響，疲勞破壞一楚的看到焊接接頭的重要影響，疲勞破壞一般都是從應力集中處開始，而焊接結構的疲般都是從應力集中處開始，而焊接結構的疲勞裂縫又往往從焊接接頭的應力集中處產生。勞裂縫又往往從焊接接頭的應力集中處產生。 高周疲勞高周疲勞：應力低（遠小于屈服強度）、：應力低（遠小于屈服強度）、頻率高；頻率高；

11、 低周疲勞：低周疲勞：應力高（接近屈服強度）、頻應力高（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應用斷裂力學及在焊接中的應用一、斷裂力學一、斷裂力學 經典力學：經典力學：常規(guī)的強度計算方法是以材料為常規(guī)的強度計算方法是以材料為基礎，把材料抽象為均勻、連續(xù)和各向同性基礎，把材料抽象為均勻、連續(xù)和各向同性的，未考慮材料的內部缺陷，用的，未考慮材料的內部缺陷，用s、b和安全和安全系數系數n反映結構安全可靠性，它與破壞過程均反映結構安全可靠性，它與破壞過程均無直接聯系。無直接聯系。 斷裂力學：斷裂力學：為了探索缺陷對材料強度的影響，為了探索缺陷對材料強度的影

12、響，研究材料抗斷裂性能指標，建立破壞條件，研究材料抗斷裂性能指標，建立破壞條件，提出具有缺陷構件的強度計算方法，研究含提出具有缺陷構件的強度計算方法，研究含有缺陷宏觀裂紋構件的安全性，而建立起斷有缺陷宏觀裂紋構件的安全性，而建立起斷裂力學。裂力學。IWE-T/3.3-1/292 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用（一）斷裂力學研究任務一）斷裂力學研究任務 通過研究裂紋尖端局部區(qū)域的應力和變形通過研究裂紋尖端局部區(qū)域的應力和變形情況，掌握裂紋在外載荷作用下擴展規(guī)律，情況，掌握裂紋在外載荷作用下擴展規(guī)律，了解帶裂紋構件的承載能力，從而提出抗斷了解帶裂紋構件的承載能力，從而提出抗斷設計

13、的方法，保證構件的安全工作。設計的方法，保證構件的安全工作。 研究表明，實際結構的破壞，不取決于平研究表明，實際結構的破壞，不取決于平均應力，而取決于缺陷鄰近的局部應力和應均應力，而取決于缺陷鄰近的局部應力和應力集中程度，使結構在低應力下，由宏觀裂力集中程度，使結構在低應力下，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應用斷裂力學及在焊接中的應用 裂紋的擴展可分為穩(wěn)定擴展（又稱亞臨界裂紋的擴展可分為穩(wěn)定擴展（又稱亞臨界擴展）和失穩(wěn)擴展（不穩(wěn)定擴展）：擴展）和失穩(wěn)擴展（不穩(wěn)定擴展）： 裂紋的穩(wěn)定擴展：裂紋的穩(wěn)定擴展：是裂紋在不斷接受外

14、界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(wěn)定擴展：裂紋不穩(wěn)定擴展：是指裂紋在不需要外界是指裂紋在不需要外界繼續(xù)提供能量情況下裂紋就擴展，低應力脆繼續(xù)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應用斷裂力學及在焊接中的應用不穩(wěn)定擴展的主要原因：不穩(wěn)定擴展的主要原因：（1) 裂紋很尖銳，造成高度的應力集中；裂紋很尖銳，造成高度的應力集中；（2) 裂紋很深，裂紋尖端區(qū)域造成充分的三向裂紋很深，裂紋尖端區(qū)域造成充分的三向應力狀態(tài)；應力狀態(tài)；

15、（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(wěn)擴展的基本能源；這是失穩(wěn)擴展的基本能源；（4）在一定應力水平下，裂紋尺寸在一定大?。┰谝欢☉λ较?，裂紋尺寸在一定大小以上，由于放出能量造成裂紋擴展，這尺寸以上，由于放出能量造成裂紋擴展，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應用斷裂力學及在焊接中的應用（二）二） 斷裂力學研究對象斷裂力學研究對象1、 線彈性斷裂力學線彈性斷裂力學 將材料當作理想線彈性

16、體來研究斷裂機理，將材料當作理想線彈性體來研究斷裂機理，即含有裂紋材料的應力應變狀態(tài)和裂紋擴展即含有裂紋材料的應力應變狀態(tài)和裂紋擴展規(guī)律。用于裂紋尖端產生小范圍屈服的研究，規(guī)律。用于裂紋尖端產生小范圍屈服的研究，在工程實踐中應用于超高強度鋼、厚截面中在工程實踐中應用于超高強度鋼、厚截面中強度鋼結構，塑性變形小和對中低強度鋼的強度鋼結構，塑性變形小和對中低強度鋼的結構。結構。2、非線性斷裂力學、非線性斷裂力學 用有關彈塑性線性理論，來分析裂紋尖端存用有關彈塑性線性理論，來分析裂紋尖端存在塑性變形區(qū)及其斷裂破壞機理，用于中、在塑性變形區(qū)及其斷裂破壞機理，用于中、低強度具有較大韌性的材料。低強度具有

17、較大韌性的材料。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用 斷裂力學的任務：斷裂力學的任務： 宏觀裂紋源在什么條件下會導致失穩(wěn)擴展宏觀裂紋源在什么條件下會導致失穩(wěn)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。 它對焊接結構安全設計、合理選材、改進它對焊接結構安全設計、合理選材、改進材質和施工工藝以及制定科學的概念標準等材質和施工工藝以及制定科學的概念標準等都有重要意義。都有重要意義。IWE-T/3.3-2/292 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-2/29二二 裂紋尖端應力強

18、度因子裂紋尖端應力強度因子 1、應力強度因子應力強度因子: 線彈線彈性斷裂力學認為，材料脆性斷裂力學認為，材料脆性斷裂前基本上是彈性變性斷裂前基本上是彈性變形，其中應力應變關系是形，其中應力應變關系是線性關系，在這樣條件下，線性關系，在這樣條件下，就可用材料力學來分析裂就可用材料力學來分析裂紋擴展的規(guī)律。用彈性力紋擴展的規(guī)律。用彈性力學理論分析圖學理論分析圖1所示，在所示，在裂紋尖端附近任一點裂紋尖端附近任一點P各各應力分量為：應力分量為：2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用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

19、同的因子的因子，它表示裂紋在名義應力作用下處于它表示裂紋在名義應力作用下處于彈性平衡狀態(tài)，裂紋尖端附近應力場的強弱。彈性平衡狀態(tài)，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裂紋形狀因子，是一個無量綱的系數，裂紋形狀因子，是一個無量綱的系數，2a裂裂紋長度紋長度。)(aKKaYaK2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的

20、應用IWE-T/3.3-3/29 裂紋擴展方式：裂紋擴展方式：（1）張開型張開型：在垂直裂紋：在垂直裂紋面的拉應力作用下，使裂紋張開而擴展。（最面的拉應力作用下，使裂紋張開而擴展。（最危險，著重研究題）（危險，著重研究題）（2）滑移型滑移型：在平行于：在平行于裂紋表面而垂直于裂紋前緣剪應力作用下，使裂紋表面而垂直于裂紋前緣剪應力作用下，使裂紋滑動而擴展。（裂紋滑動而擴展。（3）撕裂型撕裂型：在平行于裂：在平行于裂紋表面且平行于裂紋前緣剪應力作用下，使裂紋表面且平行于裂紋前緣剪應力作用下，使裂紋撕開而擴展。紋撕開而擴展。xxxyyyzzz2、裂紋擴展形式裂紋擴展形式 裂紋類型裂紋類型：穿透裂紋、

21、穿透裂紋、表面裂紋和內部裂紋三表面裂紋和內部裂紋三種。種。2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-3/29 張開型是最常見又最危險，裂紋容易擴展，張開型是最常見又最危險，裂紋容易擴展，因此通常研究這種類型低應力脆斷問題因此通常研究這種類型低應力脆斷問題 2axyxxyy2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-3/293 平面應力和平面應變平面應力和平面應變 （1）平面應力狀態(tài)）平面應力狀態(tài): 任何彈性物體在受力產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，但在工程生的應力和應變都是三向空間問題，但在工程實際中有時往往可以簡

22、化為平面問題，如當實際中有時往往可以簡化為平面問題，如當z=0,則就處于則就處于 x、y 平面應力狀態(tài)平面應力狀態(tài).應力：應力： 應變：應變：由上式可見平面應力狀態(tài)時是三向應變問題。由上式可見平面應力狀態(tài)時是三向應變問題。 2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-3/29 （2）平面應變狀態(tài)平面應變狀態(tài) 如果在如果在Z方向把受力物體加以固定，不能收縮，方向把受力物體加以固定，不能收縮，即即x=0，這時就相當于在這時就相當于在Z方向加一個應力方向加一個應力z，此時彈性內應力應變稱為平面應變狀態(tài)。此時彈性內應力應變稱為平面應變狀態(tài)。應力：應力： 應變：應變： 2 斷

23、裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-4/29 平面應力與平面應變相同處平面應力與平面應變相同處: 只要求出只要求出x,y,xy就可知就可知z 平面應力與平面應變不同處平面應力與平面應變不同處: 平面應力狀態(tài)平面應力狀態(tài)z=0, 相當構件厚度很?。合喈敇嫾穸群苄。?平面應變狀態(tài)平面應變狀態(tài)z=(x+y),z=0，相當于構件厚相當于構件厚度很大。度很大。 由此可得出板厚關系到斷裂形式，隨厚度的由此可得出板厚關系到斷裂形式，隨厚度的增加，其塑性變形減少，向平面應變狀態(tài)發(fā)展，增加，其塑性變形減少，向平面應變狀態(tài)發(fā)展，容易引起三向應力的斷裂。容易引起三向應力的斷裂。2 斷

24、裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-4/29 4、應力強度因子及其斷裂判據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，裂紋尖端的應用逐漸增大，裂紋逐漸擴展時，裂紋尖端的應力強度因子力強度因子K也隨之逐漸增加，當也隨之逐漸增加，當K達到臨達到臨界值，構件中的裂紋將產生突然的失穩(wěn)擴張，界值，構件中的裂紋將產生突然的失穩(wěn)擴張，這個應力強度因子這個應力強度因子K的臨界值，稱為臨界應力的臨界值，稱為臨界應力強度因

25、子，它就是材料的斷裂韌性。用強度因子，它就是材料的斷裂韌性。用Kc表表示。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵抗示。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵抗脆性斷裂的能力，所以平面應變條件下的脆性脆性斷裂的能力，所以平面應變條件下的脆性斷裂判據為斷裂判據為KKc2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-4/29 Kc稱為材料的斷裂韌性，由實驗得出，表稱為材料的斷裂韌性，由實驗得出，表示材料抗裂能力的力學性能指標。示材料抗裂能力的力學性能指標。 Kc與試件的幾何形狀（板厚）、受力情況、與試件的幾何形狀（板厚）、受力情況、試驗環(huán)境（溫度）等因素有關。張開型裂紋在試驗環(huán)境（溫

26、度）等因素有關。張開型裂紋在平面應力狀態(tài)下，最容易產生失穩(wěn)擴展，通常平面應力狀態(tài)下，最容易產生失穩(wěn)擴展，通常Kc都是在厚板下用張開型裂紋下進行實驗，都是在厚板下用張開型裂紋下進行實驗，求得平面應變下平面應變斷裂韌性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應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-4/295、線彈性斷裂力學在小塑性區(qū)的應用線彈性斷裂力學在小塑性區(qū)的應用 線彈性斷裂力學只適用于線彈性體，而實際線彈性斷裂力學只適用于線彈性體，而實際上金屬材料在裂紋尖端區(qū)總有小量塑性變形，上金屬材料在裂紋尖端區(qū)總有小量塑性變形，線彈性斷裂力學原則上不再適用，但當裂紋尖線彈性斷裂

27、力學原則上不再適用，但當裂紋尖端塑性區(qū)遠較裂紋尺寸?。ǚQ為小范圍屈服）端塑性區(qū)遠較裂紋尺寸?。ǚQ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，而被推廣使用。出真實性能，而被推廣使用。 2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-4/29三、彈塑性狀態(tài)的斷裂力學三、彈塑性狀態(tài)的斷裂力學 當裂紋尖端的塑性尺寸達到同一數量級時，發(fā)當裂紋尖端的塑性尺寸達到同一數量級時，發(fā)生所謂大范圍屈服的情況（這在中、低強度材生所謂大范圍屈服的情況（這在中、低強度材料中是常見的），裂紋尖端近處的應力場已不料中是常見的），裂紋尖端近

28、處的應力場已不能用彈性斷裂力學強度因子描述，要用彈塑性能用彈性斷裂力學強度因子描述，要用彈塑性斷裂力學來解決。斷裂力學來解決。 目前裂紋張開位移（所謂目前裂紋張開位移（所謂COD）和形變功差和形變功差率（所謂率（所謂J積分）來描述大范圍屈服裂紋尖端積分）來描述大范圍屈服裂紋尖端的力學狀態(tài)。的力學狀態(tài)。2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-4/29 1、裂紋尖端張開位移、裂紋尖端張開位移COD COD就是材料受載后裂紋尖端的張開位移，就是材料受載后裂紋尖端的張開位移，一般用一般用表示，它是描述裂紋尖端應力場的一表示，它是描述裂紋尖端應力場的一個參量。個參量。CO

29、D當裂紋開裂時的臨界當裂紋開裂時的臨界值值c作為材料斷裂韌作為材料斷裂韌性指標。性指標。 用用c作為斷裂判作為斷裂判據來預計材料屈服破據來預計材料屈服破壞時的工作應力和裂壞時的工作應力和裂紋尺寸的關系。紋尺寸的關系。2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-5/292、J積分：積分：J積分是采用圍繞裂紋尖端任意回積分是采用圍繞裂紋尖端任意回路的能量線積分，也就是用能量觀點來討論斷路的能量線積分，也就是用能量觀點來討論斷裂判據，這樣它就適用于裂紋尖端前有較大塑裂判據，這樣它就適用于裂紋尖端前有較大塑性區(qū)的材料斷裂問題性區(qū)的材料斷裂問題 3、斷裂韌性的測定：、斷裂韌性

30、的測定：測定斷裂韌性的試樣測定斷裂韌性的試樣不同于一般常規(guī)機械性能的試樣，它有兩個基不同于一般常規(guī)機械性能的試樣，它有兩個基本特點，其一，試樣需預制疲勞裂紋，其二，本特點，其一，試樣需預制疲勞裂紋，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狀態(tài)。處于平面應變狀態(tài)。 測定斷裂韌性試樣常用的有測定斷裂韌性試樣常用的有三點彎曲試樣三點彎曲試樣和和緊緊湊拉伸試樣湊拉伸試樣狀態(tài)。狀態(tài)。2 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-1/29四、斷裂力學在脆性破壞問題中的應用四、斷裂力學在脆性破壞問題中的應用 線彈性斷裂力學是

31、采用線彈性斷裂力學是采用K1K1C斷裂判據來解斷裂判據來解決斷裂問題，其程序是：決斷裂問題，其程序是：1、計算裂紋尖端區(qū)域的應力強度因子、計算裂紋尖端區(qū)域的應力強度因子K1： 根據給定的載荷和結構形式，查閱應力強度根據給定的載荷和結構形式，查閱應力強度因子手冊，按一定的方法因子手冊，按一定的方法 進行計算。進行計算。2、 測定材料的斷裂韌性測定材料的斷裂韌性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法求得平面應變斷裂韌性K1C。aK12 斷裂力學及在焊接中的應用斷裂力學及在焊接中的應用IWE-T/3.3-1/293、應用斷裂判據

32、應用斷裂判據K1K1C，求得構件上工作應力求得構件上工作應力和裂紋參數之間關系，從而可以：和裂紋參數之間關系，從而可以：（1）在已知構件上工作應力）在已知構件上工作應力下確定臨界裂紋下確定臨界裂紋尺寸尺寸c,考慮一定安全系數考慮一定安全系數nc,就可得出容許裂紋就可得出容許裂紋長度，作為質量檢驗標準。長度，作為質量檢驗標準。（2）已知構件上裂紋長度）已知構件上裂紋長度，確定臨界工作應確定臨界工作應力力c,得到容許應力得到容許應力 3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 疲勞斷裂是焊接金屬結構失效的一種主要形式，疲勞斷裂是焊接金屬結構失效的一種主要形式，

33、它發(fā)生在承受交變或波動應變的構件中，一般它發(fā)生在承受交變或波動應變的構件中，一般說來，其最大應力低于材料抗拉強度，甚至低說來，其最大應力低于材料抗拉強度，甚至低于材料的屈服點，因此斷裂往往是無明顯塑性于材料的屈服點，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應力斷裂。變形的低應力斷裂。 疲勞斷裂過程的研究表明，疲勞壽命不是決疲勞斷裂過程的研究表明，疲勞壽命不是決定于裂紋產生，而是決定裂紋增大和擴展。定于裂紋產生，而是決定裂紋增大和擴展。 從疲勞的斷口，可以看出在疲勞核心周圍存在從疲勞的斷口，可以看出在疲勞核心周圍存在非常光滑，非常細潔，貝紋線不明顯的狹小區(qū)非常光滑，非常細潔，貝紋線不明顯的狹小區(qū)域，從本

34、質上看就是疲勞裂紋擴展區(qū)。域，從本質上看就是疲勞裂紋擴展區(qū)。下面以疲勞斷裂過程予以說明。下面以疲勞斷裂過程予以說明。 3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29一、疲勞斷裂的過程一、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，這種塑性變形上和宏觀上都可見的塑性形變，這種塑性變形阻礙破斷的迅速發(fā)展，在交變應力的作用下會阻礙破斷的迅速發(fā)展，在交變應力的作用下會在某些局部出產生微觀和宏觀裂紋，這些裂紋在某些局部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(qū)域。就會引起破裂，進一步擴

35、展到最后斷裂區(qū)域。就會引起破裂，由此可見疲勞斷裂過程一般有仨個階段所組成：由此可見疲勞斷裂過程一般有仨個階段所組成： （1）在應力集中處產生初始疲勞裂紋源在應力集中處產生初始疲勞裂紋源：通：通常把裂紋長到常把裂紋長到1000埃之前定義為裂紋產生階段，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。過程中的一個短的時間。3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 （2）疲勞裂紋穩(wěn)定擴展過程：疲勞裂紋穩(wěn)定擴展過程：在這過程中在這過程中,在均勻循環(huán)應力作用下，只要應力值足夠大，在均勻

36、循環(huán)應力作用下，只要應力值足夠大，一般每一次應力循環(huán)將在斷裂表面產生一道輝一般每一次應力循環(huán)將在斷裂表面產生一道輝紋，即每經過一次加載循環(huán)，在裂紋尖端即經紋，即每經過一次加載循環(huán)，在裂紋尖端即經歷一次銳化歷一次銳化鈍化鈍化在銳化的過程，裂紋在銳化的過程，裂紋就擴展一距離。就擴展一距離。 （3）疲勞斷裂：疲勞斷裂：裂紋在循環(huán)載荷作用下，裂紋在循環(huán)載荷作用下，不斷向前擴展，但擴展至一定程度，結構即進不斷向前擴展，但擴展至一定程度，結構即進入最后斷裂階段。入最后斷裂階段。 3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 在焊接接頭中，產生疲勞裂紋一般要比其他聯在焊接

37、接頭中，產生疲勞裂紋一般要比其他聯接型式的循環(huán)次數少。這是因為焊接接頭中不接型式的循環(huán)次數少。這是因為焊接接頭中不僅有僅有應力集中應力集中（如角焊縫的焊趾處），而且這（如角焊縫的焊趾處），而且這部位易產生部位易產生焊接接頭缺陷焊接接頭缺陷，殘余焊接應力殘余焊接應力也比也比較高。較高。 疲勞斷口從宏觀檢疲勞斷口從宏觀檢查來看，由疲勞裂紋查來看，由疲勞裂紋產生及擴展區(qū)，和最產生及擴展區(qū)，和最后斷裂區(qū)，斷裂開始后斷裂區(qū)，斷裂開始點向四周輻射出類似點向四周輻射出類似貝殼紋的疲勞紋。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(qū)前沿線展區(qū)前沿線最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū)3 焊接接頭和結構的疲勞強

38、度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29疲勞裂紋擴展輝紋形成機制由不同解釋模型，疲勞裂紋擴展輝紋形成機制由不同解釋模型，其中塑性鈍化模型示意圖如下其中塑性鈍化模型示意圖如下。a.未加載荷裂紋閉合形態(tài)；未加載荷裂紋閉合形態(tài)；b. 在加載段拉應力作用下，裂紋張開，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裂紋尖端兩個小切口使之向45滑移；滑移；c. 拉應力大最大值時，裂紋因變形使應拉應力大最大值時，裂紋因變形使應力集中的效應消失，裂紋尖端的滑移力集中的效應消失，裂紋尖端的滑移帶變寬，裂紋前端鈍化，呈半圓狀，帶變寬，裂紋前端鈍化，呈半圓狀，此時產生新的表面，裂紋向前擴展；

39、此時產生新的表面，裂紋向前擴展；d.去載拉應力下降，沿滑移帶向相反方去載拉應力下降，沿滑移帶向相反方向滑移；向滑移；e.加載后半周處于壓應力，形成新表面加載后半周處于壓應力，形成新表面被壓向裂紋平面，形成新的切口，結被壓向裂紋平面，形成新的切口，結果造成新的疲勞紋，其間距為果造成新的疲勞紋，其間距為c，即為即為輝紋寬度，該理論認為每一次循環(huán)加輝紋寬度，該理論認為每一次循環(huán)加載，就產生一道輝紋。載，就產生一道輝紋。C3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29二、在焊接結構中疲勞強度的常用表示法二、在焊接結構中疲勞強度的常用表示法（一）基本概念（一）基本概念1

40、、疲勞強度和疲勞極限、疲勞強度和疲勞極限（1）疲勞曲線）疲勞曲線 指某一材料試樣用不同載荷進指某一材料試樣用不同載荷進行多次反復加載試驗，測得不同載荷下使試樣行多次反復加載試驗，測得不同載荷下使試樣破壞所需加載循環(huán)次數所繪制成破壞所需加載循環(huán)次數所繪制成-N疲勞曲線疲勞曲線3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29（2） 疲勞強度疲勞強度 為在某一為在某一N循環(huán)次數下破壞應循環(huán)次數下破壞應力，稱為在該力，稱為在該N循環(huán)下的疲勞強度。循環(huán)下的疲勞強度。（3） 疲勞極限疲勞極限 是指在是指在N次以后其強度不再下次以后其強度不再下降達到飽和極限，如圖所示水平線代

41、表疲勞極降達到飽和極限，如圖所示水平線代表疲勞極限的數值。限的數值。3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-6/292、應力循環(huán)特性應力循環(huán)特性 疲勞強度的數值與應力循環(huán)特性有關，應力疲勞強度的數值與應力循環(huán)特性有關，應力循環(huán)特性主要用下列參量表示：循環(huán)特性主要用下列參量表示：(1) 平均應力平均應力 (2) 應力振幅應力振幅 (3) 應力循環(huán)特性系數應力循環(huán)特性系數 其中其中max min應力循環(huán)內的最大應力和最小應力應力循環(huán)內的最大應力和最小應力 的變化范圍為的變化范圍為 1+1 由上式可見由上式可見max=m+a, min=m-a,可以把任意載荷看可以把任

42、意載荷看作是某個不變的平均應力（靜載的恒定應力部分）和應力作是某個不變的平均應力（靜載的恒定應力部分）和應力振幅（交變應力部分）的組合。振幅（交變應力部分）的組合。 3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-7/29 3、特殊循環(huán)特性變動載荷、特殊循環(huán)特性變動載荷如圖如圖7所示。所示。 (1) 對稱交變載荷對稱交變載荷min= -max而而=1，其疲勞強度用其疲勞強度用 -1表表示。示。 (2) 脈動載荷脈動載荷min=0而而=0，其疲勞強度用其疲勞強度用0表示。表示。(3) 拉伸變載荷拉伸變載荷min和和max均均為拉應力，但大小不等，為拉應力，但大小不等，01，其疲勞強度用其疲勞強度用，3 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度IWE-T/3.3-7/29(二二)、疲勞強度的常用表示法疲勞強度的常用表示法 為了表達疲勞強度和循環(huán)特性之間關系，可為了表達疲勞強度和循環(huán)特性之間關系，可繪出下列幾種形式的疲勞圖，從其圖中可得到繪出下列幾種形式的疲勞