IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学(工程师-1)解析.ppt

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1、动载焊接结构的强度及其设计动载焊接结构的强度及其设计 哈尔滨工业大学杨建国(IWE-T/3.3)2009.03断断裂裂力力学学(IWE-3.6)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，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

2、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。例子：例子：第二次世界大战前夕，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,

3、为-20。(3)跨度60.98m 的亥伦脱尔一奥兰(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。国内典型例子国内典型例子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

4、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。布局 焊缝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

5、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。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

6、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。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

7、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。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

8、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。（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

9、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。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。（2）应力状态的影响应力状态的影响物物体体

10、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。力学状态图力学状态图 正断抗力剪切屈服剪切抗力单轴拉伸时，=1/2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

11、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。（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

12、了了材材料料的的局局部塑性。部塑性。（4）材料状态影响：）材料状态影响：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。q疲劳断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

13、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，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

14、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。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

15、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。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

16、：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。（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

17、，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。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：

18、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。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

19、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。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。（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

20、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。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

21、等等都有重要意义。都有重要意义。二二裂纹尖端应力强度因子裂纹尖端应力强度因子1、应力强度因子应力强度因子:线弹线弹性断裂力学认为，材料脆性断裂力学认为，材料脆性断裂前基本上是弹性变性断裂前基本上是弹性变形，其中应力应变关系是形，其中应力应变关系是线性关系，在这样条件下，线性关系，在这样条件下，就可用材料力学来分析裂就可用材料力学来分析裂纹扩展的规律。用弹性力纹扩展的规律。用弹性力学理论分析图学理论分析图1所示，在裂所示，在裂纹尖端附近任一点纹尖端附近任一点P各应各应力分量为：力分量为：r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

22、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。裂纹扩展方式：裂纹扩展方式：（1）张开型张开型：在垂直裂纹面的拉应力作用下，：在垂直裂纹面的拉应力作用下，使裂纹张开而扩

23、展。（最危险，着重研究）使裂纹张开而扩展。（最危险，着重研究）（2）滑移型滑移型：在平行于裂纹表面且垂直于裂纹：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。前缘剪应力作用下，使裂纹滑动而扩展。（3）撕裂型撕裂型：在平行于裂纹表面且平行于裂纹：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。前缘剪应力作用下，使裂纹撕开而扩展。2、裂纹扩展形式裂纹扩展形式裂纹类型裂纹类型：穿透裂纹、穿透裂纹、表面裂纹和内部裂纹三表面裂纹和内部裂纹三种。种。张开型是最常见又最危险，裂纹容易扩展，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因此通常研究这

24、种类型低应力脆断问题3平面应力和平面应变平面应力和平面应变（1）平平面面应应力力状状态态:任任何何弹弹性性物物体体在在受受力力产产生生的的应应力力和和应应变变都都是是三三向向空空间间问问题题，但但在在工工程程实实际际中中有有时时往往往往可可以以简简化化为为平平面面问问题题，如如当当z=0,则就处于则就处于x、y平面应力状态平面应力状态.应力：应力：应变：应变：由上式可见平面应力状态时是三向应变问题。由上式可见平面应力状态时是三向应变问题。（2）平面应变状态平面应变状态如如果果在在Z方方向向把把受受力力物物体体加加以以固固定定，不不能能收收缩缩，即即x=0，这这时时就就相相当当于于在在Z方方向向

25、加加一一个个应应力力z，此时弹性内应力应变称为平面应变状态。此时弹性内应力应变称为平面应变状态。应力：应力：应变：应变：平面应力与平面应变相同处平面应力与平面应变相同处:只要求出只要求出x,y,xy就可知就可知z平面应力与平面应变不同处平面应力与平面应变不同处:平面应力状态平面应力状态z=0,相当构件厚度很小：相当构件厚度很小：平平面面应应变变状状态态z=(x+y),z=0，相相当当于于构构件件厚厚度很大。度很大。由由此此可可得得出出板板厚厚关关系系到到断断裂裂形形式式，随随厚厚度度的的增增加加，其其塑塑性性变变形形减减少少，向向平平面面应应变变状状态态发发展展，容易引起三向应力的断裂。容易引

26、起三向应力的断裂。4、应力强度因子及其断裂判据应力强度因子及其断裂判据K是是与与应应力力大大小小正正比比，是是反反映映了了裂裂纹纹尖尖端端应应力力强强度度的的力力学学参参数数。当当有有裂裂纹纹的的构构件件在在外外力力作作用用逐逐渐渐增增大大，裂裂纹纹逐逐渐渐扩扩展展时时，裂裂纹纹尖尖端端的的应应力力强强度度因因子子K也也随随之之逐逐渐渐增增加加，当当K达达到到临临界界值值，构构件件中中的的裂裂纹纹将将产产生生突突然然的的失失稳稳扩扩张张，这这个个应应力力强强度度因因子子K的的临临界界值值，称称为为临临界界应应力力强强度度因因子子，它它就就是是材材料料的的断断裂裂韧韧性性。用用Kc表表示示。它它

27、反反映映了了材材料料抵抵抗抗裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展，即即抵抵抗抗脆脆性性断断裂裂的的能能力力，所以平面应变条件下的脆性断裂判据为所以平面应变条件下的脆性断裂判据为KKcKc称称为为材材料料的的断断裂裂韧韧性性，由由实实验验得得出出，表表示示材料抗裂能力的力学性能指标。材料抗裂能力的力学性能指标。Kc与与试试件件的的几几何何形形状状（板板厚厚）、受受力力情情况况、试试验验环环境境（温温度度）等等因因素素有有关关。张张开开型型裂裂纹纹在在平平面面应应力力状状态态下下，最最容容易易产产生生失失稳稳扩扩展展，通通常常Kc都都是是在在厚厚板板下下用用张张开开型型裂裂纹纹下下进进行行实实验验，求求得平面

28、应变下平面应变断裂韧性得平面应变下平面应变断裂韧性Kc5、线弹性断裂力学在小塑性区的应用线弹性断裂力学在小塑性区的应用线线弹弹性性断断裂裂力力学学只只适适用用于于线线弹弹性性体体，而而实实际际上上金金属属材材料料在在裂裂纹纹尖尖端端区区总总有有少少量量塑塑性性变变形形，线线弹弹性性断断裂裂力力学学原原则则上上不不再再适适用用，但但当当裂裂纹纹尖尖端端塑塑性性区区远远较较裂裂纹纹尺尺寸寸小小（称称为为小小范范围围屈屈服服）情情况况下下，仍仍可可按按线线弹弹性性断断裂裂力力学学的的近近似似地地估估计计出真实性能，而被推广使用。出真实性能，而被推广使用。三、弹塑性状态的断裂力学三、弹塑性状态的断裂力

29、学当当裂裂纹纹尖尖端端的的塑塑性性尺尺寸寸达达到到同同一一数数量量级级时时，发发生生所所谓谓大大范范围围屈屈服服的的情情况况（这这在在中中、低低强强度度材材料料中中是是常常见见的的），裂裂纹纹尖尖端端近近处处的的应应力力场场已已不不能能用用弹弹性性断断裂裂力力学学强强度度因因子子描描述述，要要用用弹弹塑塑性性断裂力学来解决。断裂力学来解决。目目前前裂裂纹纹张张开开位位移移（所所谓谓COD）和和形形变变功功差差率率（所所谓谓J积积分分）来来描描述述大大范范围围屈屈服服裂裂纹纹尖尖端端的的力力学状态。学状态。1、裂纹尖端张开位移、裂纹尖端张开位移CODCOD就就是是材材料料受受载载后后裂裂纹纹尖尖

30、端端的的张张开开位位移移，一一般般用用表表示示，它它是是描描述述裂裂纹纹尖尖端端应应力力场场的的一一个个参量。参量。当裂纹开裂时的临界当裂纹开裂时的临界值值c作为材料断裂韧作为材料断裂韧性指标。性指标。用用c作为断裂判作为断裂判据来预计材料屈服破据来预计材料屈服破坏时的工作应力和裂坏时的工作应力和裂纹尺寸的关系。纹尺寸的关系。2、J积积分分：J积积分分是是采采用用围围绕绕裂裂纹纹尖尖端端任任意意回回路路的的能能量量线线积积分分，也也就就是是用用能能量量观观点点来来讨讨论论断断裂裂判判据据，这这样样它它就就适适用用于于裂裂纹纹尖尖端端前前有有较较大大塑塑性性区的材料断裂问题区的材料断裂问题3、断

31、断裂裂韧韧性性的的测测定定：测测定定断断裂裂韧韧性性的的试试样样不不同同于于一一般般常常规规机机械械性性能能的的试试样样，它它有有两两个个基基本本特特点点，其其一一，试试样样需需预预制制疲疲劳劳裂裂纹纹，其其二二，试试样样应应具具有有足足够够的的厚厚度度，以以保保证证裂裂纹纹尖尖端端附附近近处于平面应变状态。处于平面应变状态。测测定定断断裂裂韧韧性性试试样样常常用用的的有有三三点点弯弯曲曲试试样样和和紧紧凑拉伸试样凑拉伸试样状态。状态。四、断裂力学在脆性破坏问题中的应用四、断裂力学在脆性破坏问题中的应用线线弹弹性性断断裂裂力力学学是是采采用用K1K1C断断裂裂判判据据来来解解决断裂问题，其程序

32、是：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、计算裂纹尖端区域的应力强度因子K1：根根据据给给定定的的载载荷荷和和结结构构形形式式，查查阅阅应应力力强强度度因子手册，按一定的方法因子手册，按一定的方法进行计算。进行计算。2、测定材料的断裂韧性测定材料的断裂韧性K1C：采采用用三三点点弯弯曲曲试试样样或或紧紧凑凑拉拉伸伸试试样样等等实实验验方方法求得平面应变断裂韧性法求得平面应变断裂韧性K1C。3、应应用用断断裂裂判判据据K1K1C，求求得得构构件件上上工工作作应应力力和裂纹参数之间关系，从而可以：和裂纹参数之间关系，从而可以：（1）在在已已知知构构件件上上工工作作应应力力下下确

33、确定定临临界界裂裂纹纹尺尺寸寸c,考考虑虑一一定定安安全全系系数数nc,就就可可得得出出容容许许裂裂纹纹长度，作为质量检验标准。长度，作为质量检验标准。（2）已已知知构构件件上上裂裂纹纹长长度度，确确定定临临界界工工作作应应力力c,得到容许应力得到容许应力焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度疲疲劳劳断断裂裂是是焊焊接接金金属属结结构构失失效效的的一一种种主主要要形形式式，它它发发生生在在承承受受交交变变或或波波动动应应变变的的构构件件中中，一一般般说说来来，其其最最大大应应力力低低于于材材料料抗抗拉拉强强度度，甚甚至至低低于于材材料料的的屈屈服服点点，因因此此断断裂裂往往往往是是无

34、无明明显显塑塑性性变形的低应力断裂。变形的低应力断裂。疲疲劳劳断断裂裂过过程程的的研研究究表表明明，疲疲劳劳寿寿命命不不是是决决定定于裂纹产生，而是决定裂纹增大和扩展。于裂纹产生，而是决定裂纹增大和扩展。从从疲疲劳劳的的断断口口，可可以以看看出出在在疲疲劳劳核核心心周周围围存存在在非非常常光光滑滑，非非常常细细洁洁，贝贝纹纹线线不不明明显显的的狭狭小小区区域，从本质上看就是疲劳裂纹扩展区。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。下面以疲劳断裂过程予以说明。一、疲劳断裂的过程一、疲劳断裂的过程在在交交变变载载荷荷的的作作用用下下，在在构构件件上上会会产产生生微微观观上上和和

35、宏宏观观上上都都可可见见的的塑塑性性形形变变，这这种种塑塑性性变变形形阻阻碍碍破破断断的的迅迅速速发发展展，在在交交变变应应力力的的作作用用下下会会在在某某些些局局部部出出产产生生微微观观和和宏宏观观裂裂纹纹，这这些些裂裂纹纹进进一一步步扩扩展展到到最最后后断断裂裂区区域域。就就会会引引起起破破裂裂，由由此可见疲劳断裂过程一般有仨个阶段所组成：此可见疲劳断裂过程一般有仨个阶段所组成：（1）在在应应力力集集中中处处产产生生初初始始疲疲劳劳裂裂纹纹源源：通通常常把把裂裂纹纹长长到到1000埃埃之之前前定定义义为为裂裂纹纹产产生生阶阶段段，在在焊焊接接接接头头中中疲疲劳劳裂裂纹纹产产生生阶阶段段之之

36、占占整整个个疲疲劳劳过程中的一个短的时间。过程中的一个短的时间。（2）疲疲劳劳裂裂纹纹稳稳定定扩扩展展过过程程：在在这这过过程程中中,在在均均匀匀循循环环应应力力作作用用下下，只只要要应应力力值值足足够够大大，一一般般每每一一次次应应力力循循环环将将在在断断裂裂表表面面产产生生一一道道辉辉纹纹，即即每每经经过过一一次次加加载载循循环环，在在裂裂纹纹尖尖端端即即经经历历一一次次锐锐化化钝钝化化在在锐锐化化的的过过程程，裂裂纹纹就扩展一距离。就扩展一距离。（3）疲疲劳劳断断裂裂：裂裂纹纹在在循循环环载载荷荷作作用用下下，不不断断向向前前扩扩展展，但但扩扩展展至至一一定定程程度度，结结构构即即进进入

37、最后断裂阶段。入最后断裂阶段。在在焊焊接接接接头头中中，产产生生疲疲劳劳裂裂纹纹一一般般要要比比其其他他联联接接型型式式的的循循环环次次数数少少。这这是是因因为为焊焊接接接接头头中中不不仅仅有有应应力力集集中中（如如角角焊焊缝缝的的焊焊趾趾处处），而而且且这这部部位位易易产产生生焊焊接接接接头头缺缺陷陷，残残余余焊焊接接应应力力也也比比较高。较高。疲劳断口从宏观检疲劳断口从宏观检查来看，由疲劳裂纹查来看，由疲劳裂纹产生及扩展区，和最产生及扩展区，和最后断裂区，断裂开始后断裂区，断裂开始点向四周辐射出类似点向四周辐射出类似贝壳纹的疲劳纹。贝壳纹的疲劳纹。疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展辉辉纹纹形形成成机

38、机制制由由不不同同解解释释模模型型，其中塑性钝化模型示意图如下其中塑性钝化模型示意图如下。a.未加载荷裂纹闭合形态；未加载荷裂纹闭合形态；b.在加载段拉应力作用下，裂纹张开，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裂纹尖端两个小切口使之向45滑移；滑移；c.拉应力大最大值时，裂纹因变形使应拉应力大最大值时，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，带变宽，裂纹前端钝化，呈半圆状，此时产生新的表面，裂纹向前扩展；此时产生新的表面，裂纹向前扩展；d.去载拉应力下降，沿滑移带向相反方去载拉应力下降，沿滑移带向相反方向

39、滑移；向滑移；e.加载后半周处于压应力，形成新表面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，其间距为果造成新的疲劳纹，其间距为c，即为即为辉纹宽度，该理论认为每一次循环加辉纹宽度，该理论认为每一次循环加载，就产生一道辉纹。载，就产生一道辉纹。二、在焊接结构中疲劳强度的常用表示法二、在焊接结构中疲劳强度的常用表示法（一）基本概念（一）基本概念1、疲劳强度和疲劳极限、疲劳强度和疲劳极限（1）疲疲劳劳曲曲线线指指某某一一材材料料试试样样用用不不同同载载荷荷进进行行多多次次反反复复加加载载试试验验，测测得得不不同同载载荷荷下下使使

40、试试样样破坏所需加载循环次数所绘制成破坏所需加载循环次数所绘制成-N疲劳曲线疲劳曲线（2）疲疲劳劳强强度度为为在在某某一一N循循环环次次数数下下破破坏坏应应力，称为在该力，称为在该N循环下的疲劳强度。循环下的疲劳强度。（3）疲疲劳劳极极限限是是指指在在N次次以以后后其其强强度度不不再再下下降降达达到到饱饱和和极极限限，如如图图所所示示水水平平线线代代表表疲疲劳劳极极限的数值。限的数值。2、应力循环特性应力循环特性疲疲劳劳强强度度的的数数值值与与应应力力循循环环特特性性有有关关，应应力力循循环特性主要用下列参量表示：环特性主要用下列参量表示：(1)平均应力平均应力(2)(2)应力振幅应力振幅(3

41、)(3)应力循环特性系数应力循环特性系数其中其中maxmin应力循环内的最大应力和最小应力应力循环内的最大应力和最小应力的变化范围为的变化范围为-+1由由上上式式可可见见max=m+a,min=m-a,可可以以把把任任意意载载荷荷看看作作是是某某个个不不变变的的平平均均应应力力（静静载载的的恒恒定定应应力力部部分分）和和应应力力振幅（交变应力部分）的组合。振幅（交变应力部分）的组合。3、特特殊殊循循环环特特性性变变动动载载荷荷如图如图7所示。所示。(1)对对称称交交变变载载荷荷min=-max而而=-1，其其疲疲劳劳强强度度用用-1表表示。示。(2)脉脉动动载载荷荷min=0而而=0，其疲劳强

42、度用其疲劳强度用0表示。表示。(3)拉拉伸伸变变载载荷荷min和和max均均为为拉拉应应力力，但但大大小小不不等等，01，其疲劳强度用其疲劳强度用，(二二)、疲劳强度的常用表示法疲劳强度的常用表示法为为了了表表达达疲疲劳劳强强度度和和循循环环特特性性之之间间关关系系，可可绘绘出出下下列列几几种种形形式式的的疲疲劳劳图图，从从其其图图中中可可得得到到各各种种循循环环特特性性下下的的疲疲劳劳强强度度，表表示示某某种种材材料料疲疲劳性能。劳性能。1、max和和表示的疲表示的疲劳图劳图（如图所示），（如图所示），它能直接的将它能直接的将max和和的关系表示出来。的关系表示出来。2、用用max和和m表示

43、的疲劳图如图表示的疲劳图如图9所示所示，从从该该疲疲劳劳图图上上可可以以用用作作图图法法求求出出任任何何循循环环特特性系数（性系数（）下的疲劳强度。下的疲劳强度。自自0点作一与水平线成点作一与水平线成角的直线，使角的直线，使tg=max/m=2max/(max+min)=2/(1+)则直线与则直线与图形上部曲线交点的图形上部曲线交点的纵坐标的应力值就是纵坐标的应力值就是循环特性下的疲劳强循环特性下的疲劳强度度r。3、m和和a表示的疲劳图表示的疲劳图曲曲线线上上各各点点疲疲劳劳强强度度r=a+m。纵纵坐坐标标A交交点点为为对对称称循循环环是是疲疲劳劳强强度度-1，横横坐坐标标B交交点点为为静载强

44、度静载强度b，从从0作作45射线与曲线交点射线与曲线交点C表示脉动循环，其疲表示脉动循环，其疲劳强度劳强度0=a+m=2a=2m若自若自0点作点作角射线与曲线相交，角射线与曲线相交，并使，并使，则交点的则交点的a+m=r，即为即为时疲劳强度。时疲劳强度。4、max和和min表示的疲劳图表示的疲劳图由由原原点点0出出发发的的每每条条射射线线代代表表一一种种循循环环特特性性，如如原原点点向向左左与与横横坐坐标标成成45的的直直线线表表示示交交变变载载荷荷，它与曲线交于，它与曲线交于B点，为点，为-1，向右与向右与横坐标横坐标45的直线的直线表示载荷表示载荷r=1，它它与曲线交于与曲线交于D点，点，

45、为静载强度为静载强度b，而纵坐标本身又而纵坐标本身又表示脉动载荷表示脉动载荷=0，为为0。图图 为为 一一 组组 实实 例例。该该 钢钢 种种 的的 静静 载载 强强 度度 为为60kgf/mm2(588MPa)，200万万次次脉脉动动循循环环的的疲疲劳劳强强度度为为31kgf/mm2(304MPa)，而而其其交交变变载载荷荷r=-1的疲劳强度为的疲劳强度为20kgf/mm2（196MPa）。）。对于对于r=0.5时时的的疲疲劳劳强强度度，根根据据AD BC线线的的交交点点 即即 可可 找找 出出 为为 42kgf/mm2等等。同同样样在在图图上上也也可可找找到到n=100万万次次的的各各种种循循环环特特性的疲劳强度值。性的疲劳强度值。