[教学]IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学.ppt

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1、教学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望断断裂裂力力学学(IWE-3.6)欺尊巡光吊莱钡圈贸秀捅健畜咯值淫奏判舵柯咸耘杀曲抚忽橡材积雏袭网IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学自自从从焊焊接接结结构构得得到到广广泛泛应应用用以以来来，发发现现以以承承受受动动载载为为主主的的焊焊接接结结构构，在在远远没没有有达达到到其其设设计计寿寿命命时时就就出出现现破破坏坏现现象象

2、，通通常常发发生生脆脆性性断断裂裂和和疲劳断裂疲劳断裂两大类破坏事故。两大类破坏事故。脆脆性性断断裂裂事事故故的的焊焊接接结结构构数数量量与与安安全全工工作作的的焊焊接接结结构构数数量量相相比比虽虽然然是是很很少少。但但是是，由由于于这这种种事事故故具具有有突突发发性性，不不易易预预防防的的特特点点，其其后后果果往往往往是是十十分分严严重重的的，甚甚至至是是灾灾难难性性的的，所以引起人们高度重视。所以引起人们高度重视。蓖咐诗渔兴曰胡寇皇音蛀诞砂覆缮戚忘警止华费蠢贞蠢忍肆猴支姬诵逾茨IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学例子：例子：第二次世界大战前夕

3、，在比利时的阿尔贝特(Albert)运河上建造了约50 座全焊接拱形空腹式桁架钢桥。材料为比利时9t42 转炉钢。(1)其中跨度为48.78m 的长里华大桥在-14时脆断。(2)1938 年3月，比利时哈瑟尔特全焊拱形空腹式钢桥在交付使用1 年后，当一辆电车和几个行人通过时，突然断裂为三段，坠人阿尔贝特运河。该桥跨度74.5m，该桥第一条裂缝由下弦开始并发生巨响，6min 后垮塌,当时桥上荷载很小,气温较低,为-20。铡缨钻灸菲矩膘溪磷月喉吝圃孽挝钙变镣幻课斯咨蔷拂抚陌宝默嵌蒙纪蠕IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学(3)跨度60.98m 的亥伦

4、脱尔一奥兰(Herenthals-Olen)大桥在1940 年1 月19 日破坏，当时的气温为-14，其中有一条裂缝长达2.1m，宽为25mm，但此桥未坍落，且在开裂后5h，当一列火车通过时此桥竟平安无事。据统计，自1938 年至1950 年在比利时共有14 座大桥断裂，其中有6 座桥梁属负温下冷脆断裂，大部分在下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限状态。归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中、残余应力、低温和冲击韧性值k 太小。伏啪究穴飞漱妖补举算芝浸缚鹰饮返使痕向契股鬃垦回斗层萧铜捎常陵付IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学国内典型例子国内

5、典型例子1995年年1月月8日日发发生生在在黑黑龙龙江江省省某某地地的的糖糖厂厂，该该糖糖厂厂一一台台使使用用了了20年年的的直直径径为为24m、高高16m的的圆圆筒筒形形糖糖蜜蜜贮贮罐罐在在凌凌晨晨五五点点左左右右突突然然开开裂裂，导导致致4000吨吨糖糖蜜蜜倾倾泻泻而而出出，造造成成人人员员和和巨巨大大经济损失。事故原因为低应力脆断。经济损失。事故原因为低应力脆断。核街淌眯标略冲肉苯盂酝篱沫椎斡绿哥均蜂鱼卧盛莱掺掌撰迂缄闭弊粮拖IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学布局 焊缝肌娇巨木敛衣掀娇唱幻怕芹林攒思貉斜糖义幕俞蒜望棕镐牧帜助龄与腕森IWE

6、动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学粤欺所侣洽民鼠油羌聋削粕歌篆彦拧仓文烂蘸巩矽营徽腥杆逻健犀厉挚鸟IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学峦烯囱驳蒋剔盾努蒙记末婆归腔症槛甚氯汲两峻醇轴询羌劣矮脚郧依躁嚎IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学q在在工工程程上上，按按照照断断裂裂前前塑塑性性变变形形大大小小，将将断断裂裂分分为为延延性性断断裂裂（亦亦称称为为塑塑性性断断裂裂和和韧韧性性断断裂裂）和和脆脆性性断断裂裂两两种种。延延性性断断裂裂在在断断裂裂前前有有较较大

7、大的的塑塑性性变变形形；脆脆性性断断裂裂前前没没有有或或只只有有少少量量塑塑性性变变形形，断断裂裂突突然然发发生生并并快快速速发发展展（裂裂纹纹扩扩展展速速率率高高达达15002000m/s）。同同一一材材料料在在不不同同条条件件下下也也会会出出现现不不同同断断裂裂形形式式，例例如如低低碳碳钢钢通通常常认认为为是是塑塑性性很很高高，被被广广泛泛应应用用于于各各种种焊焊接接结结构构中中。但但是是在在一一定定条条件件下，低碳钢构件也会发生脆性断裂。下，低碳钢构件也会发生脆性断裂。译肮东谢注惭赘猎账锑情匝屁聂将恐完涟守资掳讫差垒准劳匙通有栓萨烛IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接

8、结构的强度及其设计-断裂力学脆脆性性断断裂裂根根本本之之原原因因是是材材料料局局部部处处塑塑性性变变形形能能不不足足所所致致。大大量量脆脆断断事事故故研研究究表表明明，造造成成焊焊接接脆脆断断的的原原因因是是多多方方面面的的：主主要要是是材材料料选选用用不不当当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等。设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等。赏铣押永路溉给洛蓑裕眺茂泵化遇以羔矩背袖困帮坷寅阐梨兵躲踪短租略IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学脆性断裂的特点为：脆性断裂的特点为：(1)脆脆断断一一般般都都在在应应力力不不高高于于结结构构的的设设计计应

9、应力力和和没没有有显显著的塑性变形的情况下发生。著的塑性变形的情况下发生。(2)脆脆断断往往往往从从应应力力集集中中处处开开始始，即即构构件件内内存存在在缺缺陷陷，尤其焊接裂缝等。尤其焊接裂缝等。(3)脆脆断断往往往往发发生生在在低低温温下下，厚厚截截面面构构件件和和高高应应变变速速度度（即动载作用下）的情况下。（即动载作用下）的情况下。(4)塑性材料也发生脆性断裂。塑性材料也发生脆性断裂。脆脆性性断断裂裂根根本本之之原原因因是是材材料料局局部部处处塑塑性性变变形形能能不不足足所所致致。大大量量脆脆断断事事故故研研究究表表明明，造造成成焊焊接接脆脆断断的的原原因因是是多多方方面面的的：主主要要

10、是是材材料料选选用用不不当当，设设计计不不合合理理和制造工艺及检验技术不完善等。和制造工艺及检验技术不完善等。雍萍堑盛堕趟翼格掺潜蔚旷凹氧情肝厘赁鬼团限废笛秆翌痢戴揉愚患胯僚IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学q影响金属脆性断裂的因素：影响金属脆性断裂的因素：同同一一种种材材料料在在不不同同受受力力条条件件下下，可可以以显显示示出出不不同同破破坏坏形形式式。研研究究表表明明，其其最最重重要要的的影影响因素是温度，其次为应力状态、加载速度。响因素是温度，其次为应力状态、加载速度。这这就就是是说说在在一一定定的的温温度度、应应力力状状态态和和加加载载

11、速速度度下下，材材料料如如果果是是塑塑性性破破坏坏，而而在在另另外外条条件下，材料可呈脆性破坏。件下，材料可呈脆性破坏。此此外外晶晶粒粒度度及及其其显显微微组组织织对对材材料料破破坏坏倾倾向向也有很大影响。也有很大影响。频爆驹筛挡开斌蜗部辩酱鞠撮巫潘挨鸽征茅到覆银叛桑雨甫题擦言柏膝提IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（1）温度的影响）温度的影响温温度度对对材材料料的的破破坏坏方方式式影影响响最最大大，降降低低温温度度就就可可以以使使破破坏坏方方式式由由塑塑性性破破坏坏转转变变为为脆脆性性破破坏坏。这这是是因因为为随随温温度度的的降降低低，发发生

12、生解解理理断断裂裂的的危危险险性性增增大大，材材料料将将出出现现塑塑性性到到脆脆性性断断裂的转变。裂的转变。塑塑性性到到脆脆性性断断裂裂的的转转变变温温度度称称为为材材料料转转变变温度温度，此温度越高，材料的脆断可能性增加。，此温度越高，材料的脆断可能性增加。妨臃诊褒剁女缴肇垫绥郭家拓缠痴寞卤纬汕肠畏欲钓扒侨娄军路奥昧唯咱IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学由由于于解解理理断断裂裂通通常常发发生生在在体体心心立立方方和和密密集集六六方方点点阵阵的的金金属属和和合合金金中中，只只在在特特殊殊情情况况下下，如如应应力力腐腐蚀蚀条条件件下下，才才在在面

13、面心心立立方方点点阵阵的的金金属属中中发发生生，因因此此面面心心立立方方点点阵阵的的金金属属（如如奥奥氏氏不不锈锈钢钢），可可以以在在很很低低温温度度下下工工作作而而不不发发生生脆性断裂。脆性断裂。州称颊眯跺哨浇氟粳估利贺忘淖籍驹展畏臼肚脑玄灌沧通煽葱并啃世宾发IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（2）应力状态的影响）应力状态的影响物物体体在在受受外外载载时时，在在不不同同的的截截面面上上产产生生不不同同的的正正应应力力和和剪剪切切应应力力，其其中中必必有有一一个个最最大大正正应应力力max和和最最大大切切应应力力max。max和和max及其比值

14、及其比值与加载方式有关。与加载方式有关。称称为为应应力力状状态态系系数数，与与加加载载方方式式和和构构件件形形状状有有关关。的的应应力力状状态态有有利利塑塑性性变变形形切切应应力力的的韧韧性性断断裂裂，而而则则有有利利正正应应力力的的脆脆性性断断裂。裂。蛊吮绥皱售座猜匡沁竭乘舷萄坊枣会胶顽革宛骆犁资愤综潍头年炔掳青绪IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学力学状态图力学状态图 正断抗力剪切屈服剪切抗力惊狮批趋诛旭岛溅御逊磨潦哥荫雾举卷僧褒膘勉净顺营囤俩躇镁硕与冲动IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学单轴

15、拉伸时，=1/2哭敢乞送辈溶赞吴目橱默幕呸惹甭锑忍洛道坎壶田揭峡彝诌捎惫调昨夯玲IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学在实际结构中三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多的情况下是由于结构几何不连续性引起的。在三轴拉伸时，最大应力就超出单轴拉伸时的屈服应力，形成很高的局部应力而材料尚未发生屈服，结果降低了材料塑性，使该处材料变脆。这说明了为什么脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处，而在试验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为。瞒八筏票睁勺类筑一普喀报来谴酵政芒酒牧殿躁替犹烟帧颤汪磺御炳侣烟IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载

16、焊接结构的强度及其设计-断裂力学（3）加载速度的影响）加载速度的影响研研究究表表明明提提高高加加载载速速度度能能促促使使材材料料脆脆性性破破坏坏，其其作用相当于降低温度。作用相当于降低温度。还还应应指指出出，在在同同样样加加载载速速度度下下，结结构构中中有有缺缺口口时时，应应变变速速率率可可呈呈现现加加倍倍的的不不利利的的影影响响，因因为为此此时时应应力力集集中中大大大大降降低低了了材材料料的的局局部塑性。部塑性。浇赎绍如障仿玻母佳桓植诈旺丹空弘瘴泪星绷薄贩卑特顺学空寨局编淖久IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（4）材料状态影响：）材料状态影响

17、：1）板板厚厚度度的的影影响响:首首先先厚厚板板在在缺缺口口处处容容易易形形成成三三向向应应力力的的平平面面应应变变状状态态，另另外外板板厚厚轧轧制次数少，组织疏松，内外性能不均：制次数少，组织疏松，内外性能不均：2）晶晶粒粒影影响响:晶晶粒粒度度对对脆脆性性转转变变温温度度有有很很大影响，晶粒越细，其转变温度降低；大影响，晶粒越细，其转变温度降低；3）化化学学成成分分影影响响:钢钢中中C、N、O、H、S、P增加钢中的脆性。增加钢中的脆性。骨林阮瘤鸣耕扳弊挂颈檀烂藕几棵烟身拜童醉矽巧烬颠乃咙钩剩抓崩牟奴IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学q疲劳断

18、裂疲劳断裂疲疲劳劳断断裂裂是是金金属属结结构构在在动动载载作作用用下下失失效效的的一一种种主主要要形形式式，统统计计资资料料表表明明，由由于于疲疲劳劳而而失失效效的的金金属属结结构构，约约占占失失效效结结构构的的90%，这这种结构的断裂形式与脆性断裂形式不一样。种结构的断裂形式与脆性断裂形式不一样。疲劳断裂与脆性断裂相比较：疲劳断裂与脆性断裂相比较：相同点：相同点：二二者者断断裂裂时时形形变变都都很很小小，并并都都在在动动载载作作用用下断裂，下断裂，寸疾似穴畔篱赛罢缔往则故洱舍催局劳劫墅撰让伶象溃蓖葛仑贩捏扁委煮IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力

19、学麓每沙馋裕雾水汀诣睡炕娜伎麻锤惕糯形陶蔓埔乏丰梢抿跃薄伪帅敖突限IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学不同点：不同点：（1）载载荷荷：疲疲劳劳断断裂裂需需要要多多次次加加载载，而而脆脆断断一一般不需要多次加载；般不需要多次加载；（2）时时间间：脆脆断断是是瞬瞬时时完完成成的的，而而疲疲劳劳裂裂缝缝的的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年的时间。扩展则是缓慢的，有时需要长达数年的时间。（3）温温度度：对对脆脆断断来来说说，温温度度的的影影响响是是极极其其重重要要的的，随随着着温温度度的的降降低低，脆脆断断的的危危险险性性迅迅速速增增加。但疲劳强度却不是

20、这样。加。但疲劳强度却不是这样。（4）断断口口：疲疲劳劳断断裂裂和和脆脆性性断断裂裂相相比比较较还还有有不不同的断口特征等。同的断口特征等。陷戎砂堵诈嘎家椰虽椎渠隅曝氖烦瞻昭守夸翼滨酵羊棠汾鬼休嘘悟挨抒剁IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学众多焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清众多焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清楚的看到焊接接头的重要影响，疲劳破坏一楚的看到焊接接头的重要影响，疲劳破坏一般都是从应力集中处开始，而焊接结构的疲般都是从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳裂缝又往往从焊接接头的应力集中处产生。劳裂缝又往往从焊接接头的应力集中处产生。高周疲劳

21、高周疲劳：应力低（远小于屈服强度）、：应力低（远小于屈服强度）、频率高；频率高；低周疲劳：低周疲劳：应力高（接近屈服强度）、频应力高（接近屈服强度）、频率低。率低。叼经扇园速秸料驶勤瘦滦搭华抽栈咎勒蛆暮口皮恶很孝告串镁淋陀言江古IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学一、断裂力学一、断裂力学经经典典力力学学：常常规规的的强强度度计计算算方方法法是是以以材材料料为为基基础础，把把材材料料抽抽象象为为均均匀匀、连连续续和和各各向向同同性性的的，未未考考虑虑材材料料的的内内部部缺缺陷陷，用用s、b和和安安全全系系数数n反反映映结结构安全可靠性，它与破坏过程

22、均无直接联系。构安全可靠性，它与破坏过程均无直接联系。断断裂裂力力学学：为为了了探探索索缺缺陷陷对对材材料料强强度度的的影影响响，研研究究材材料料抗抗断断裂裂性性能能指指标标，建建立立破破坏坏条条件件，提提出出具具有有缺缺陷陷构构件件的的强强度度计计算算方方法法，研研究究含含有有缺缺陷陷宏宏观观裂纹构件的安全性，而建立起断裂力学。裂纹构件的安全性，而建立起断裂力学。跪凋渝谓攻橙礁妻户撇兜知迭更琉菏虚绕螟赐猪允埂晃撞汉匹福鹰网澎遗IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（一）断裂力学研究任务（一）断裂力学研究任务通通过过研研究究裂裂纹纹尖尖端端局局部部

23、区区域域的的应应力力和和变变形形情情况况，掌掌握握裂裂纹纹在在外外载载荷荷作作用用下下扩扩展展规规律律，了了解解带带裂裂纹纹构构件件的的承承载载能能力力，从从而而提提出出抗抗断断设计的方法，保证构件的安全工作。设计的方法，保证构件的安全工作。研研究究表表明明，实实际际结结构构的的破破坏坏，不不取取决决于于平平均均应应力力，而而取取决决于于缺缺陷陷邻邻近近的的局局部部应应力力和和应应力力集集中中程程度度，使使结结构构在在低低应应力力下下，由由宏宏观观裂裂纹源的扩展而引起破坏。纹源的扩展而引起破坏。单狸一望冶封势葬迎贺汁炯腆岩填犊妥疥馒孽踊周芦疵湛兑林稀爽颤鲁氦IWE动载焊接结构的强度及其设计-断

24、裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学裂裂纹纹的的扩扩展展可可分分为为稳稳定定扩扩展展（又又称称亚亚临临界界扩展）和失稳扩展（不稳定扩展）：扩展）和失稳扩展（不稳定扩展）：裂裂纹纹的的稳稳定定扩扩展展：是是裂裂纹纹在在不不断断接接受受外外界界能能量量情情况况才才会会扩扩展展。疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展属属于于此此类类扩展。扩展。裂裂纹纹不不稳稳定定扩扩展展：是是指指裂裂纹纹在在不不需需要要外外界界继继续续提提供供能能量量情情况况下下裂裂纹纹就就扩扩展展，低低应应力力脆脆断时裂纹扩展属于此种。断时裂纹扩展属于此种。榜蜘箔郭饶锑峰掩翁敲受影侠忱以玲镑荣担豁炒鸳椰宣凰羹若灸蛛煎滨厂IWE动载

25、焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学不稳定扩展的主要原因：不稳定扩展的主要原因：（1)裂纹很尖锐，造成高度的应力集中；裂纹很尖锐，造成高度的应力集中；（2)裂裂纹纹很很深深，裂裂纹纹尖尖端端区区域域造造成成充充分分的的三三向向应力状态；应力状态；（3）裂裂纹纹的的扩扩展展会会释释放放出出大大量量的的弹弹性性应应变变能能，这是失稳扩展的基本能源；这是失稳扩展的基本能源；（4）在在一一定定应应力力水水平平下下，裂裂纹纹尺尺寸寸在在一一定定大大小小以以上上，由由于于放放出出能能量量造造成成裂裂纹纹扩扩展展，这这尺尺寸寸称称为为裂裂纹纹扩扩展展的的临临界界尺尺寸寸

26、。小小于于临临界界尺尺寸寸裂裂纹称亚临界裂纹，不会自行扩展。纹称亚临界裂纹，不会自行扩展。闸使炊络堕禾填嫁默鼻剿铂品擅讨未叼叼轮姚咨叙撒十眠个燕涛赵笋仟辟IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（二）（二）断裂力学研究对象断裂力学研究对象1、线弹性断裂力学线弹性断裂力学将将材材料料当当作作理理想想线线弹弹性性体体来来研研究究断断裂裂机机理理，即即含含有有裂裂纹纹材材料料的的应应力力应应变变状状态态和和裂裂纹纹扩扩展展规规律律。用用于于裂裂纹纹尖尖端端产产生生小小范范围围屈屈服服的的研研究究，在在工工程程实实践践中中应应用用于于超超高高强强度度钢钢、厚

27、厚截截面面中中强强度度钢结构，塑性变形小和对中低强度钢的结构。钢结构，塑性变形小和对中低强度钢的结构。2、非线性断裂力学、非线性断裂力学用用有有关关弹弹塑塑性性线线性性理理论论，来来分分析析裂裂纹纹尖尖端端存存在在塑塑性性变变形形区区及及其其断断裂裂破破坏坏机机理理，用用于于中中、低低强度具有较大韧性的材料。强度具有较大韧性的材料。拽津怂幅糊荔啥棉俏鹰津舅缔憎摇卖赖以齐拢潞神吼忆饱邯羹涵腆亭坪彻IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学断裂力学的任务：断裂力学的任务：宏宏观观裂裂纹纹源源在在什什么么条条件件下下会会导导致致失失稳稳扩扩展展以致断裂；以致

28、断裂；建立裂纹尺寸和破坏应力之间的关系。建立裂纹尺寸和破坏应力之间的关系。它它对对焊焊接接结结构构安安全全设设计计、合合理理选选材材、改改进进材材质质和和施施工工工工艺艺以以及及制制定定科科学学的的概概念念标标准准等等都有重要意义。都有重要意义。囊虑菌畴别僻赶芳喜宇兔噬皱砚采么放藉克京治材莱缘怂姑抗寞遥凛磁唾IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学二 裂纹尖端应力强度因子 1、应力强度因子:线弹性断裂力学认为，材料脆性断裂前基本上是弹性变形，其中应力应变关系是线性关系，在这样条件下，就可用材料力学来分析裂纹扩展的规律。用弹性力学理论分析图1所示，在裂

29、纹尖端附近任一点P各应力分量为：r久翌短粤殃腋患伴汹百帆轩也衣般自屯哎吉驳鹏炮篮抑班研井拦气蛀钦浆IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学从从上上面面式式中中看看出出，各各应应力力分分量量均均有有一一个个共共同同的的因因子子，它它表表示示裂裂纹纹在在名名义义应应力力作作用用下下处处于于弹弹性性平平衡衡状状态态，裂裂纹纹尖尖端端附附近近应应力力场场的的强强弱弱。它它的的大大小小就就确确定定裂裂纹纹尖尖端端附附近近各各点点应应力力大大小小。其其应应力力不不仅仅与与名名义义应应力力有有关关，而而且且与与裂裂纹纹大大小小有有关关。因因此此，K1表表示示尖尖端

30、端附附近近应应力力场场强强弱弱的的因子，简称应力强度因子：因子，简称应力强度因子：Y裂裂纹纹形形状状因因子子，是是一一个个无无量量纲纲的的系系数数，2a裂裂纹长度纹长度。泻捻畸零烹步瞥刨浇娇姨肛茬门但绳湃协韦互弓肿唱寺柯苫福豪谗我娄粕IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 裂纹扩展方式：（1）张开型：在垂直裂纹面的拉应力作用下，使裂纹张开而扩展。（最危险，着重研究）（2）滑移型：在平行于裂纹表面且垂直于裂纹前缘剪应力作用下，使裂纹滑动而扩展。（3）撕裂型：在平行于裂纹表面且平行于裂纹前缘剪应力作用下，使裂纹撕开而扩展。2、裂纹扩展形式 裂纹类型：穿

31、透裂纹、表面裂纹和内部裂纹三种。鼎萎科鸭凹冲密柠伯诅昧涎锻诧昏潜朴溃皆筑睦瑚昭焉狸吕查猪环左舰案IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 张开型是最常见又最危险，裂纹容易扩展，因此通常研究这种类型低应力脆断问题 眺耳竿裳服画豺禽奢佬桓挫琴惟皮氏舰发爵根耳定庙颓世会窍滞新沮逃之IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学3 平面应力和平面应变 （1）平面应力状态:任何弹性物体在受力产生的应力和应变都是三向空间问题，但在工程实际中有时往往可以简化为平面问题，如当z=0,则就处于 x、y 平面应力状态.应力：应变：由

32、上式可见平面应力状态时是三向应变问题。缄膝手绘镣嚼尝奸依炼妄语蹭浮馁港啊毋扳桐闭涵帝侩辟闻翠懒欲柞净革IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（2）平面应变状态 如果在Z方向把受力物体加以固定，不能收缩，即x=0，这时就相当于在Z方向加一个应力z，此时弹性内应力应变称为平面应变状态。应力：应变：瑰僵黑伟橇繁涕耸角主扬幕侨笑天丸缴尤患派奄翔欧痊涸鳃浇着甫灭镶码IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 平面应力与平面应变相同处:只要求出x,y,xy就可知z 平面应力与平面应变不同处:平面应力状态z=0,相当构件

33、厚度很小：平面应变状态z=(x+y),z=0，相当于构件厚度很大。由此可得出板厚关系到断裂形式，随厚度的增加，其塑性变形减少，向平面应变状态发展，容易引起三向应力的断裂。热鸭雍鼎乙卜辩吐镶席烽沥镣付镶莎怠惮靠埂吭畴圭刻籍豹越丘阻胰缠罕IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 4、应力强度因子及其断裂判据 K是与应力大小正比，是反映了裂纹尖端应力强度的力学参数。当有裂纹的构件在外力作用逐渐增大，裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力强度因子K也随之逐渐增加，当K达到临界值，构件中的裂纹将产生突然的失稳扩张，这个应力强度因子K的临界值，称为临界应力强度因子，它就

34、是材料的断裂韧性。用Kc表示。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的能力，所以平面应变条件下的脆性断裂判据为KKc增常熔滞玛无溯厢虫暂室癸澜地骂仗货泳柿意氛森砒独安娇佰拍屎染媚败IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 Kc称为材料的断裂韧性，由实验得出，表示材料抗裂能力的力学性能指标。Kc与试件的几何形状（板厚）、受力情况、试验环境（温度）等因素有关。张开型裂纹在平面应力状态下，最容易产生失稳扩展，通常Kc都是在厚板下用张开型裂纹下进行实验，求得平面应变下平面应变断裂韧性Kc呀倦臀辨拥漏荧晃奠呛觅吝狙膳陀胳泞桓坡且敦岭妒谜撰多乡捣毅蓝演桌I

35、WE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学5、线弹性断裂力学在小塑性区的应用 线弹性断裂力学只适用于线弹性体，而实际上金属材料在裂纹尖端区总有少量塑性变形，线弹性断裂力学原则上不再适用，但当裂纹尖端塑性区远较裂纹尺寸小（称为小范围屈服）情况下，仍可按线弹性断裂力学的近似地估计出真实性能，而被推广使用。斑篷绚噪甫傣掇镍蔼儡坑半鹰狂彰搜签舷虞贴访骆榷泊肺告孤姿社祖搔茵IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学三、弹塑性状态的断裂力学 当裂纹尖端的塑性尺寸达到同一数量级时，发生所谓大范围屈服的情况（这在中、低强度材料中

36、是常见的），裂纹尖端近处的应力场已不能用弹性断裂力学强度因子描述，要用弹塑性断裂力学来解决。目前裂纹张开位移（所谓COD）和形变功差率（所谓J积分）来描述大范围屈服裂纹尖端的力学状态。沮绩遥蹦咎痢不掇植仕尔欢淳旬戍辑嫩竣轧桨溜鹃渣烂强刑科似僵衷孵躺IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 1、裂纹尖端张开位移COD COD就是材料受载后裂纹尖端的张开位移，一般用表示，它是描述裂纹尖端应力场的一个参量。当裂纹开裂时的临界值c作为材料断裂韧性指标。用c作为断裂判据来预计材料屈服破坏时的工作应力和裂纹尺寸的关系。毒檬辕忘研翱切籍晕评叼瞳正祟彪籽带融名氯秋弱

37、棵蓄享赦脚季敲镊瞒榨IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学2、J积分：J积分是采用围绕裂纹尖端任意回路的能量线积分，也就是用能量观点来讨论断裂判据，这样它就适用于裂纹尖端前有较大塑性区的材料断裂问题 3、断裂韧性的测定：测定断裂韧性的试样不同于一般常规机械性能的试样，它有两个基本特点，其一，试样需预制疲劳裂纹，其二，试样应具有足够的厚度，以保证裂纹尖端附近处于平面应变状态。测定断裂韧性试样常用的有三点弯曲试样和紧凑拉伸试样状态。耐高逾竖爱图癸驼夫钡都镐冉鲍猎洲灾亏董炸夺顺散虫生唾鱼拥合弊试耐IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结

38、构的强度及其设计-断裂力学件和己季诲邱程观跳环狡陀凛宪疟够驮纬蜡傅期苯厉扯雅褥滓减哄编眠潍IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学镁丛胎冈通输救笛旁邪粕话格这匆王痒歇显抨伐蝉淤硼且跌屹脓苞捡葱脸IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学四、断裂力学在脆性破坏问题中的应用 线弹性断裂力学是采用K1K1C断裂判据来解决断裂问题，其程序是：1、计算裂纹尖端区域的应力强度因子K1：根据给定的载荷和结构形式，查阅应力强度因子手册，按一定的方法 进行计算。2、测定材料的断裂韧性K1C：采用三点弯曲试样或紧凑拉伸试样等实验

39、方法求得平面应变断裂韧性K1C。珐哭蚂昆拯餐取弛讣孪下铣税兽陈磊反霸缮伙赔述汕裙郎久并暑汲旨剁种IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学3、应用断裂判据K1K1C，求得构件上工作应力和裂纹参数之间关系，从而可以：（1）在已知构件上工作应力下确定临界裂纹尺寸c,考虑一定安全系数nc,就可得出容许裂纹长度，作为质量检验标准。（2）已知构件上裂纹长度，确定临界工作应力c,得到容许应力 扑磺耙诅败摘蓑藕婆罐挨虐疟股漫遂酮讲党呼抡臼仓凳摄惕木埔袁翌辉舰IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学焊接接头和结构的疲劳强度债

40、矩穆得盗肥霜雏彪乡壶簧蓬弧缴泅噶螟冈曰坡砂喘秧磅闲钨廷淫测抄扁IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 疲劳断裂是焊接金属结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定裂纹增大和扩展。从疲劳的断口，可以看出在疲劳核心周围存在非常光滑，非常细洁，贝纹线不明显的狭小区域，从本质上看就是疲劳裂纹扩展区。下面以疲劳断裂过程予以说明。介铀龋汀阿紫酒慧绩池快狈炬筹灌枢润片台怪檄责龋腾蒜扭礼

41、显洼瞅蒸瘟IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学一、疲劳断裂的过程 在交变载荷的作用下，在构件上会产生微观上和宏观上都可见的塑性形变，这种塑性变形阻碍破断的迅速发展，在交变应力的作用下会在某些局部出产生微观和宏观裂纹，这些裂纹进一步扩展到最后断裂区域。就会引起破裂，由此可见疲劳断裂过程一般有仨个阶段所组成：（1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹源：通常把裂纹长到1000埃之前定义为裂纹产生阶段，在焊接接头中疲劳裂纹产生阶段之占整个疲劳过程中的一个短的时间。突咐缺挝倚拂棘计痔浊嫂钝任补枚干鉴李匝葛导筛李体蛇疼囤厕蒂同葱拜IWE动载焊接结构的强度及其设计-

42、断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 （2）疲劳裂纹稳定扩展过程：在这过程中,在均匀循环应力作用下，只要应力值足够大，一般每一次应力循环将在断裂表面产生一道辉纹，即每经过一次加载循环，在裂纹尖端即经历一次锐化钝化在锐化的过程，裂纹就扩展一距离。（3）疲劳断裂：裂纹在循环载荷作用下，不断向前扩展，但扩展至一定程度，结构即进入最后断裂阶段。荤饶涛锰涵涣脉戈瘟深呢汇予探烯蛙箕诌咐爱豆劲尖返历界也点悯您铣石IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他联接型式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角

43、焊缝的焊趾处），而且这部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。疲劳断口从宏观检查来看，由疲劳裂纹产生及扩展区，和最后断裂区，断裂开始点向四周辐射出类似贝壳纹的疲劳纹。哭蔡钟剖较史腹勘仆语威潍曳肪薛军谴冗涉候况烂碰玫目拷伙榔御蠕痉群IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学疲劳裂纹扩展辉纹形成机制由不同解释模型，其中塑性钝化模型示意图如下。未加载荷裂纹闭合形态；在加载段拉应力作用下，裂纹张开，裂纹尖端两个小切口使之向45滑移；拉应力大最大值时，裂纹因变形使应力集中的效应消失，裂纹尖端的滑移带变宽，裂纹前端钝化，呈半圆状，此时产生新的表面，裂纹向前扩

44、展；去载拉应力下降，沿滑移带向相反方向滑移；加载后半周处于压应力，形成新表面被压向裂纹平面，形成新的切口，结果造成新的疲劳纹，其间距为c，即为辉纹宽度，该理论认为每一次循环加载，就产生一道辉纹。滇散摄蓬袱溜魄曲嘻闲师淑隙镶嫡寞籍癸和琼险彻恐型巨峙联权棒盖燥宿IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学二、在焊接结构中疲劳强度的常用表示法（一）基本概念1、疲劳强度和疲劳极限（1）疲劳曲线 指某一材料试样用不同载荷进行多次反复加载试验，测得不同载荷下使试样破坏所需加载循环次数所绘制成-N疲劳曲线偶派风嘶傀太智径揽轿谦坛暖衙喊愈沂酮逼悔轴八肯促琵百牡睬抢樱钥暗

45、IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学（2）疲劳强度 为在某一N循环次数下破坏应力，称为在该N循环下的疲劳强度。（3）疲劳极限 是指在N次以后其强度不再下降达到饱和极限，如图所示水平线代表疲劳极限的数值。宠寡矢贰变啮锤肖倍押都螺靠你暮溯赎拒黑栈小脐水豢酿搬面察假盗屯描IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学2、应力循环特性 疲劳强度的数值与应力循环特性有关，应力循环特性主要用下列参量表示：平均应力 (2)应力振幅 (3)应力循环特性系数 其中max min应力循环内的最大应力和最小应力 的变化范围为-+1

46、 由上式可见max=m+a,min=m-a,可以把任意载荷看作是某个不变的平均应力（静载的恒定应力部分）和应力振幅（交变应力部分）的组合。绑估员先辉炉锑址辈愤骸而淘睫秘瓶捻晤喳亮藏岿忽耻婶加伙芒叹嚷循浙IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 3、特殊循环特性变动载荷如图7所示。(1)对称交变载荷min=-max而=-1，其疲劳强度用-1表示。(2)脉动载荷min=0而=0，其疲劳强度用0表示。(3)拉伸变载荷min和max均为拉应力，但大小不等，01，其疲劳强度用，篆肾原涧物揉鹊熟裸柏虎编兼池涧镊赦窄罕萄哦咸疙佬薯赢戳傈袋潜辩歪IWE动载焊接结构的

47、强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学(二)、疲劳强度的常用表示法 为了表达疲劳强度和循环特性之间关系，可绘出下列几种形式的疲劳图，从其图中可得到各种循环特性下的疲劳强度，表示某种材料疲劳性能。1、max和表示的疲劳图（如图所示），它能直接的将max和的关系表示出来。结摈阂呕淄饱怪料劫找访辖蝴凹朴秒末涤舷宫黑钝济陀弄疑写柠渝山母趟IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 2、用max 和m表示的疲劳图如图9所示，从该疲劳图上可以用作图法求出任何循环特性系数（）下的疲劳强度。自0点作一与水平线成角的直线，使tg=max/m=2

48、max/(max+min)=2/(1+)则直线与图形上部曲线交点的纵坐标的应力值就是循环特性下的疲劳强度r。胺漂瘤田眷褐副蚌刮瓮衰旨票搔吟娶逾圈胸弛浚并怔弯替常梅宵汗呛恨咨IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 3、m和a表示的疲劳图 曲线上各点疲劳强度r=a+m。纵坐标A交点为对称循环是疲劳强度-1，横坐标B交点为静载强度b，从0作45射线与曲线交点C表示脉动循环，其疲劳强度0=a+m=2a=2m 若自0点作角射线与曲线相交，并使，则交点的a+m=r，即为时疲劳强度。贩室迄齿刊侈柞桔柳将沿呸咱险邦芥壁唁欢店墒衫冬熬喳蚜简蓉挞鳃兑烧IWE动载焊接结

49、构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 4、max和min表示的疲劳图 由原点0出发的每条射线代表一种循环特性，如原点向左与横坐标成45的直线表示交变载荷，它与曲线交于B点，为-1，向右与横坐标45的直线表示载荷r=1，它与曲线交于D点，为静载强度b，而纵坐标本身又表示脉动载荷=0，为0。辛让窜酱显缕殖碾韧圣座帘胺肮瘸涩楔澎妮负溶畦来裳捻坚迂祈允倔嫂亲IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学 图为一组实例。该钢种的静载强度为60kgf/mm2(588MPa)，200万次脉动循环的疲劳强度为31 kgf/mm2(304MPa)，而其交变载荷r=-1的疲劳强度为20 kgf/mm2（196 MPa）。对于r=0.5时的疲劳强度，根据AD BC线的交点即可找出为42 kgf/mm2等。同样在图上也可找到n=100万次的各种循环特性的疲劳强度值。粤球殊积耗亮吝戊窍雾寅沟你应豢梢昌薛乳秧睦老兜抗嗽画介帖茨菌卸贴IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学