IWE動載焊接結(jié)構(gòu)的強度及其設(shè)計 (2)ppt課件

1、動載焊接構(gòu)造的強度及其設(shè)計動載焊接構(gòu)造的強度及其設(shè)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 自從焊接構(gòu)造得到廣泛運用以來，發(fā)現(xiàn)以接自從焊接構(gòu)造得到廣泛運用以來，發(fā)現(xiàn)以接受動載為主的焊接構(gòu)造，在遠沒有到達其設(shè)受動載為主的焊接構(gòu)造，在遠沒有到達其設(shè)計壽命時就出現(xiàn)破壞景象，通常發(fā)生脆性斷計壽命時就出現(xiàn)破壞景象，通常發(fā)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(gòu)造數(shù)量與平安任務(wù)脆性斷裂事故的焊接構(gòu)造數(shù)量與平安任務(wù)的焊接構(gòu)造數(shù)量相比雖然是很少。但是，由的焊接構(gòu)造數(shù)量相比雖然是很少。

2、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/3.3-1/29 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(yīng)力不高于構(gòu)造的設(shè)計應(yīng)力和沒有顯脆斷普通都在應(yīng)力不高于構(gòu)造的設(shè)計應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生。著的塑性變形的情況下發(fā)生。 (2) 脆斷往往從應(yīng)力集中處開場，即構(gòu)件內(nèi)存在缺陷，脆斷往往從應(yīng)力集中處開場，即構(gòu)件內(nèi)存在缺陷，尤其焊接裂痕等。尤其焊接裂痕等。 (3) 脆斷往往發(fā)生在低溫下，厚截

3、面構(gòu)件和高應(yīng)變速度脆斷往往發(fā)生在低溫下，厚截面構(gòu)件和高應(yīng)變速度即動載作用下的情況下。即動載作用下的情況下。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(shè)計不合理和是多方面的：主要是資料選用不當，設(shè)計不合理和制造工藝及檢驗技術(shù)不完善等。制造工藝及檢驗技術(shù)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

4、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(yīng)力形狀、加載速影響要素是溫度，其次為應(yīng)力形狀、加載速度。度。q 這就是說在一定的溫度、應(yīng)力形狀和加這就是說在一定的溫度、應(yīng)力形狀和加載速度下，資料假設(shè)是塑性破壞，而在另外載速度下，資料假設(shè)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

5、溫度就可以使破壞方式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈远染涂梢允蛊茐姆绞接伤苄云茐霓D(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。這是由于隨溫度的降低，發(fā)生解理斷破壞。這是由于隨溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危險性增大，資料將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的危險性增大，資料將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。裂的轉(zhuǎn)變。 塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變溫度稱為資料轉(zhuǎn)變塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變溫度稱為資料轉(zhuǎn)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-T/3.3-1/29 1 概述 2應(yīng)力形狀的影響應(yīng)力形狀的影響 物體在受外載時，在不同的截面上產(chǎn)生不同的正物體在受外載時，在不同的截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力應(yīng)力和剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)力，其中必有

6、一個最大正應(yīng)力，其中必有一個最大正應(yīng)力max和最大切應(yīng)力和最大切應(yīng)力max。 max和和max及其比值及其比值 與加載方式有關(guān)。與加載方式有關(guān)。 稱為應(yīng)力形狀系數(shù)，與加載方式和構(gòu)件外形有稱為應(yīng)力形狀系數(shù)，與加載方式和構(gòu)件外形有關(guān)。關(guān)。的應(yīng)力形狀有利塑性變形切應(yīng)力的韌性斷裂，的應(yīng)力形狀有利塑性變形切應(yīng)力的韌性斷裂，而而那么有利正應(yīng)力的脆性斷裂。那么有利正應(yīng)力的脆性斷裂。IWE-T/3.3-1/29maxmax 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能促使資料脆性破研討闡明提高加載速度能促使資料脆性破壞，其作用相當于降低溫度。壞，其作用相當于降低溫度。 還應(yīng)指出，在同樣加載速

7、度下，構(gòu)造中有還應(yīng)指出，在同樣加載速度下，構(gòu)造中有缺口時，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)加倍的不利的影響，缺口時，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)加倍的不利的影響，由于此時應(yīng)力集中大大降低了資料的部分塑由于此時應(yīng)力集中大大降低了資料的部分塑性。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(gòu)成三向應(yīng)力的平面應(yīng)變形狀，另外板厚軋構(gòu)成三向應(yīng)力的平面應(yīng)變形狀，另外板厚軋制次數(shù)少，組織疏松，內(nèi)外性能不均：制次數(shù)少，組織疏松，內(nèi)外性能不均： 2晶粒影響晶粒影響: 晶粒度對脆性轉(zhuǎn)變溫度有很晶粒度對脆性轉(zhuǎn)變溫度有很大影響，晶粒越細，其轉(zhuǎn)變溫度

8、降低；大影響，晶粒越細，其轉(zhuǎn)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(gòu)造在動載作用下失效疲勞斷裂是金屬構(gòu)造在動載作用下失效的一種主要方式，統(tǒng)計資料闡明，由于疲勞的一種主要方式，統(tǒng)計資料闡明，由于疲勞而失效的金屬構(gòu)造，約占失效構(gòu)造的而失效的金屬構(gòu)造，約占失效構(gòu)造的90%，這種構(gòu)造的斷裂方式與脆性斷裂方式不一樣。這種構(gòu)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

9、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 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(shù)年的時擴展那么是緩慢的，有時需求長達數(shù)年的時間。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，脆斷的危險性迅速添加。但疲勞強度卻不是這樣。添加。但疲勞強度卻不是這樣。4

10、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 眾多焊接構(gòu)造的疲勞斷裂事故中，可以清眾多焊接構(gòu)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(yīng)力集中處開場，而焊接構(gòu)造的疲通都是從應(yīng)力集中處開場，而焊接構(gòu)造的疲勞裂痕又往往從焊接接頭的應(yīng)力集中處產(chǎn)生。勞裂痕又往往從焊接接頭的應(yīng)力集中處產(chǎn)生。 高周疲勞：應(yīng)力低遠小于屈服強度、高周疲勞：應(yīng)力低遠小于屈服強度、頻率高；頻率高； 低周疲勞：應(yīng)力高接近屈服強度、頻低周疲勞：應(yīng)力高接近屈服強度、頻率

11、低。率低。 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、斷裂力學一、斷裂力學經(jīng)典力學：常規(guī)的強度計算方法是以資料為根經(jīng)典力學：常規(guī)的強度計算方法是以資料為根底，把資料籠統(tǒng)為均勻、延續(xù)和各向同性的，底，把資料籠統(tǒng)為均勻、延續(xù)和各向同性的，未思索資料的內(nèi)部缺陷，用未思索資料的內(nèi)部缺陷，用s、b和平安系和平安系數(shù)數(shù)n反映構(gòu)造平安可靠性，它與破壞過程均無反映構(gòu)造平安可靠性，它與破壞過程均無直接聯(lián)絡(luò)。直接聯(lián)絡(luò)。斷裂力學：為了探求缺陷對資料強度的影響，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，研討資料抗斷裂性能目的，建立破壞條件，

12、提出具有缺陷構(gòu)件的強度計算方法，研討含提出具有缺陷構(gòu)件的強度計算方法，研討含有缺陷宏觀裂紋構(gòu)件的平安性，而建立起斷有缺陷宏觀裂紋構(gòu)件的平安性，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運用斷裂力學及在焊接中的運用一斷裂力學研討義務(wù)一斷裂力學研討義務(wù) 經(jīng)過研討裂紋尖端部分區(qū)域的應(yīng)力和變形經(jīng)過研討裂紋尖端部分區(qū)域的應(yīng)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(gòu)件的承載才干，從而提出抗斷了解帶裂紋構(gòu)件的承載才干，從而提出抗斷設(shè)計的方法，保證構(gòu)件的平安任務(wù)。設(shè)計的方法，保證構(gòu)件的平安任務(wù)。 研討闡明，實踐構(gòu)造的破壞

13、，不取決于平研討闡明，實踐構(gòu)造的破壞，不取決于平均應(yīng)力，而取決于缺陷臨近的部分應(yīng)力和應(yīng)均應(yīng)力，而取決于缺陷臨近的部分應(yīng)力和應(yīng)力集中程度，使構(gòu)造在低應(yīng)力下，由宏觀裂力集中程度，使構(gòu)造在低應(yīng)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(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：是裂紋在不斷接受外界裂紋的穩(wěn)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

14、。擴展。 裂紋不穩(wěn)定擴展：是指裂紋在不需求外界裂紋不穩(wěn)定擴展：是指裂紋在不需求外界繼續(xù)提供能量情況下裂紋就擴展，低應(yīng)力脆繼續(xù)提供能量情況下裂紋就擴展，低應(yīng)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(wěn)定擴展的主要緣由：不穩(wěn)定擴展的主要緣由：1) 裂紋很鋒利，呵斥高度的應(yīng)力集中；裂紋很鋒利，呵斥高度的應(yīng)力集中；2) 裂紋很深，裂紋尖端區(qū)域呵斥充分的三向裂紋很深，裂紋尖端區(qū)域呵斥充分的三向應(yīng)力形狀；應(yīng)力形狀；3裂紋的擴展會釋放出大量的彈性應(yīng)變能，裂紋的擴展會釋放出大量的彈性應(yīng)變能，這是失穩(wěn)擴展的根天性源；這是失穩(wěn)

15、擴展的根天性源；4在一定應(yīng)力程度下，裂紋尺寸在一定大小在一定應(yīng)力程度下，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(yīng)力應(yīng)變形狀和裂紋擴展即含有裂紋資料的應(yīng)力應(yīng)變形狀和

16、裂紋擴展規(guī)律。用于裂紋尖端產(chǎn)生小范圍屈服的研討，規(guī)律。用于裂紋尖端產(chǎn)生小范圍屈服的研討，在工程實際中運用于超高強度鋼、厚截面中在工程實際中運用于超高強度鋼、厚截面中強度鋼構(gòu)造，塑性變形小和對中低強度鋼的強度鋼構(gòu)造，塑性變形小和對中低強度鋼的構(gòu)造。構(gòu)造。2、非線性斷裂力學、非線性斷裂力學 用有關(guān)彈塑性線性實際，來分析裂紋尖端存用有關(guān)彈塑性線性實際，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資料。低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(wù)：斷裂力學的

17、義務(wù)： 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(yīng)力之間的關(guān)系。建立裂紋尺寸和破壞應(yīng)力之間的關(guān)系。 它對焊接構(gòu)造平安設(shè)計、合理選材、改良它對焊接構(gòu)造平安設(shè)計、合理選材、改良材質(zhì)和施工工藝以及制定科學的概念規(guī)范等材質(zhì)和施工工藝以及制定科學的概念規(guī)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)23cos2cos2sin2r

18、axy二二 裂紋尖端應(yīng)力強度因子裂紋尖端應(yīng)力強度因子 1、應(yīng)力強度因子、應(yīng)力強度因子: 線彈線彈性斷裂力學以為，資料脆性斷裂力學以為，資料脆性斷裂前根本上是彈性變性斷裂前根本上是彈性變形，其中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是形，其中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性關(guān)系，在這樣條件下，線性關(guān)系，在這樣條件下，就可用資料力學來分析裂就可用資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。用彈性力學實際分析圖學實際分析圖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(yīng)力分量為：應(yīng)力分量為：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/3.3-2/29 從上面式中看出，各應(yīng)力分量均有一個共同從上面式

19、中看出，各應(yīng)力分量均有一個共同的因子，它表示裂紋在名義應(yīng)力作用下處于的因子，它表示裂紋在名義應(yīng)力作用下處于彈性平衡形狀，裂紋尖端附近應(yīng)力場的強弱。彈性平衡形狀，裂紋尖端附近應(yīng)力場的強弱。它的大小就確定裂紋尖端附近各點應(yīng)力大小。它的大小就確定裂紋尖端附近各點應(yīng)力大小。其應(yīng)力不僅與名義應(yīng)力其應(yīng)力不僅與名義應(yīng)力有關(guān)，而且與裂紋大有關(guān)，而且與裂紋大小有關(guān)。因此，小有關(guān)。因此，K1表示尖端附近應(yīng)力場強弱表示尖端附近應(yīng)力場強弱的因子，簡稱應(yīng)力強度因子：的因子，簡稱應(yīng)力強度因子： Y裂紋外形因子，是一個無量綱的系數(shù)，裂紋外形因子，是一個無量綱的系數(shù)，2a裂紋裂紋長度。長度。)(aKKaYaK2 斷裂力學及在

20、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：裂紋擴展方式：1張開型：在垂直裂紋張開型：在垂直裂紋面的拉應(yīng)力作用下，使裂紋張開而擴展。最面的拉應(yīng)力作用下，使裂紋張開而擴展。最危險，著重研討題危險，著重研討題2滑移型：在平行于滑移型：在平行于裂紋外表而垂直于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋外表而垂直于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋滑動而擴展。裂紋滑動而擴展。3撕裂型：在平行于裂撕裂型：在平行于裂紋外表且平行于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋外表且平行于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋扯開而擴展。紋扯開而擴展。xxxyyyzzz2、裂紋擴展方式、裂紋擴展方式 裂紋類型：穿透裂紋

21、、裂紋類型：穿透裂紋、外表裂紋和內(nèi)部裂紋三外表裂紋和內(nèi)部裂紋三種。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，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(yīng)力脆斷問題因此通常研討這種類型低應(yīng)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(yīng)力和平面應(yīng)變平面應(yīng)力和平面應(yīng)變 1平面應(yīng)力形狀平面應(yīng)力形狀: 任何彈性物體在受力產(chǎn)任何彈性物體在受力產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變都是三向空間問題，但在工程生的應(yīng)力和應(yīng)變都是三向空間問題，但在工程實踐中有時往往

22、可以簡化為平面問題，如當實踐中有時往往可以簡化為平面問題，如當z=0,那么就處于那么就處于 x、y 平面應(yīng)力形狀平面應(yīng)力形狀.應(yīng)力：應(yīng)力： 應(yīng)變：應(yīng)變：)(1Eyx2x)(1Exy2yxyxyGxyxyxyyxzxyyXXXE)1 (2G1)(E)(E1)(E1由上式可見平面應(yīng)力形狀時是三向應(yīng)變問題。由上式可見平面應(yīng)力形狀時是三向應(yīng)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(yīng)變形狀平面應(yīng)變形狀 假設(shè)在假設(shè)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(yīng)力方向加

23、一個應(yīng)力z，此時彈性內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變稱為平面應(yīng)變形狀。此時彈性內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變稱為平面應(yīng)變形狀。應(yīng)力：應(yīng)力： 應(yīng)變：應(yīng)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(yīng)力與平面應(yīng)變一樣處平面應(yīng)力與平面應(yīng)變一樣處: 只需求出只需求出x,y,xy就可知就可知z 平面應(yīng)力與平面應(yīng)變不同處平面應(yīng)力與平面應(yīng)變不同處: 平面應(yīng)力形狀平面應(yīng)力形狀z=0, 相當構(gòu)件厚度很?。合喈敇?gòu)件厚度很?。?平面應(yīng)變形狀平面應(yīng)變形狀z=(x+y),

24、z=0，相當于構(gòu)件，相當于構(gòu)件厚度很大。厚度很大。 由此可得出板厚關(guān)系到斷裂方式，隨厚度的由此可得出板厚關(guān)系到斷裂方式，隨厚度的添加，其塑性變形減少，向平面應(yīng)變形狀開展，添加，其塑性變形減少，向平面應(yīng)變形狀開展，容易引起三向應(yīng)力的斷裂。容易引起三向應(yīng)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(yīng)力強度因子及其斷裂判據(jù)、應(yīng)力強度因子及其斷裂判據(jù) K是與應(yīng)力大小正比，是反映了裂紋尖端應(yīng)是與應(yīng)力大小正比，是反映了裂紋尖端應(yīng)力強度的力學參數(shù)。當有裂紋的構(gòu)件在外力作力強度的力學參數(shù)。當有裂紋的構(gòu)件在外力作用逐漸增大，裂紋逐漸擴展時，裂紋尖端的應(yīng)用逐漸增

25、大，裂紋逐漸擴展時，裂紋尖端的應(yīng)力強度因子力強度因子K也隨之逐漸添加，當也隨之逐漸添加，當K到達到達臨界值，構(gòu)件中的裂紋將產(chǎn)生忽然的失穩(wěn)擴張，臨界值，構(gòu)件中的裂紋將產(chǎn)生忽然的失穩(wěn)擴張，這個應(yīng)力強度因子這個應(yīng)力強度因子K的臨界值，稱為臨界應(yīng)的臨界值，稱為臨界應(yīng)力強度因子，它就是資料的斷裂韌性。用力強度因子，它就是資料的斷裂韌性。用Kc表示。它反映了資料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵表示。它反映了資料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵抗脆性斷裂的才干，所以平面應(yīng)變條件下的脆抗脆性斷裂的才干，所以平面應(yīng)變條件下的脆性斷裂判據(jù)為性斷裂判據(jù)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/

26、29 Kc稱為資料的斷裂韌性，由實驗得出，表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。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、與試件的幾何外形板厚、受力情況、實驗環(huán)境溫度等要素有關(guān)。張開型裂紋在實驗環(huán)境溫度等要素有關(guān)。張開型裂紋在平面應(yīng)力形狀下，最容易產(chǎn)生失穩(wěn)擴展，通常平面應(yīng)力形狀下，最容易產(chǎn)生失穩(wěn)擴展，通常Kc都是在厚板下用張開型裂紋下進展實驗，都是在厚板下用張開型裂紋下進展實驗，求得平面應(yīng)變下平面應(yīng)變斷裂韌性求得平面應(yīng)變下平面應(yīng)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

27、小塑性區(qū)的運用、線彈性斷裂力學在小塑性區(qū)的運用 線彈性斷裂力學只適用于線彈性體，而實踐線彈性斷裂力學只適用于線彈性體，而實踐上金屬資料在裂紋尖端區(qū)總有小量塑性變形，上金屬資料在裂紋尖端區(qū)總有小量塑性變形，線彈性斷裂力學原那么上不再適用，但當裂紋線彈性斷裂力學原那么上不再適用，但當裂紋尖端塑性區(qū)遠較裂紋尺寸小稱為小范圍屈服尖端塑性區(qū)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。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三

28、、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(shù)量級時，發(fā)當裂紋尖端的塑性尺寸到達同一數(shù)量級時，發(fā)生所謂大范圍屈服的情況這在中、低強度資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(yīng)力場已不料中是常見的，裂紋尖端近處的應(yīng)力場已不能用彈性斷裂力學強度因子描畫，要用彈塑性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。斷裂力學來處理。 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積分來描畫大范圍屈服裂紋尖端積分來描畫大范圍屈服裂紋尖端的力學形狀。的力學形狀。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

29、-4/29 1、裂紋尖端張開位移、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，就是資料受載后裂紋尖端的張開位移，普通用普通用表示，它是描畫裂紋尖端應(yīng)力場的一表示，它是描畫裂紋尖端應(yīng)力場的一個參量。個參量。COD當裂紋開裂時的臨界當裂紋開裂時的臨界值值c作為資料斷裂韌作為資料斷裂韌性目的。性目的。 用用c作為斷裂判作為斷裂判據(jù)來估計資料屈服破據(jù)來估計資料屈服破壞時的任務(wù)應(yīng)力和裂壞時的任務(wù)應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系。紋尺寸的關(guān)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：積分：J積分是采用圍繞裂紋尖端恣意回積分是采用圍繞裂紋尖端恣意回

30、路的能量線積分，也就是用能量觀念來討結(jié)論路的能量線積分，也就是用能量觀念來討結(jié)論裂判據(jù)，這樣它就適用于裂紋尖端前有較大塑裂判據(jù)，這樣它就適用于裂紋尖端前有較大塑性區(qū)的資料斷裂問題性區(qū)的資料斷裂問題 3、斷裂韌性的測定：測定斷裂韌性的試樣、斷裂韌性的測定：測定斷裂韌性的試樣不同于普通常規(guī)機械性能的試樣，它有兩個根不同于普通常規(guī)機械性能的試樣，它有兩個根本特點，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(yīng)具有足夠的厚度，以保證裂紋尖端附近試樣應(yīng)具有足夠的厚度，以保證裂紋尖端附近處于平面應(yīng)變形狀。處于平面應(yīng)變形狀。 測定斷裂韌性試樣常用的有三點彎曲試樣和緊測定斷裂韌

31、性試樣常用的有三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣形狀。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/3.3-1/29四、斷裂力學在脆性破壞問題中的運用四、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線彈性斷裂力學是采用K1K1C斷裂判據(jù)來斷裂判據(jù)來處理斷裂問題，其程序是：處理斷裂問題，其程序是：1、計算裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力強度因子、計算裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力強度因子K1： 根據(jù)給定的載荷和構(gòu)造方式，查閱應(yīng)力強度根據(jù)給定的載荷和構(gòu)造方式，查閱應(yīng)力強度因子手冊，按一定的方法因子手冊，按一定的方法 進展計算。進展計算。2、 測定資料的斷裂韌性測定資料的斷裂韌性K1C： 采

32、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(yīng)變斷裂韌性法求得平面應(yīng)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(jù)、運用斷裂判據(jù)K1K1C，求得構(gòu)件上任務(wù)應(yīng)，求得構(gòu)件上任務(wù)應(yīng)力和裂紋參數(shù)之間關(guān)系，從而可以：力和裂紋參數(shù)之間關(guān)系，從而可以：1在知構(gòu)件上任務(wù)應(yīng)力在知構(gòu)件上任務(wù)應(yīng)力下確定臨界裂紋尺下確定臨界裂紋尺寸寸c,思索一定平安系數(shù)思索一定平安系數(shù)nc,就可得出允許裂紋就可得出允許裂紋長度，作為質(zhì)量檢驗規(guī)范。長度，作為質(zhì)量檢驗規(guī)范。2知構(gòu)件上裂紋長度知構(gòu)件上裂紋長度，確定臨界任務(wù)應(yīng)力

33、，確定臨界任務(wù)應(yīng)力c,得到允許應(yīng)力得到允許應(yīng)力 3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 疲勞斷裂是焊接金屬構(gòu)造失效的一種主要方式，疲勞斷裂是焊接金屬構(gòu)造失效的一種主要方式，它發(fā)生在接受交變或動搖應(yīng)變的構(gòu)件中，普通它發(fā)生在接受交變或動搖應(yīng)變的構(gòu)件中，普通說來，其最大應(yīng)力低于資料抗拉強度，甚至低說來，其最大應(yīng)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于資料的屈服點，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應(yīng)力斷裂。變形的低應(yīng)力斷裂。 疲勞斷裂過程的研討闡明，疲勞壽命不是決疲勞斷裂過程的研討闡明，疲勞壽命不是決議于裂紋產(chǎn)生，而是決議裂紋增大和

34、擴展。議于裂紋產(chǎn)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(qū)非常光滑，非常細潔，貝紋線不明顯的狹小區(qū)域，從本質(zhì)上看就是疲勞裂紋擴展區(qū)。域，從本質(zhì)上看就是疲勞裂紋擴展區(qū)。下面以疲勞斷裂過程予以闡明。下面以疲勞斷裂過程予以闡明。 3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度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(gòu)件上會產(chǎn)生微觀在交變載荷的作用下，在構(gòu)件上會產(chǎn)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

35、性變形妨礙破斷的迅速開展，在交變應(yīng)力的作用下會妨礙破斷的迅速開展，在交變應(yīng)力的作用下會在某些部分出產(chǎn)生微觀和宏觀裂紋，這些裂紋在某些部分出產(chǎn)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普通有仨個階段所組成：由此可見疲勞斷裂過程普通有仨個階段所組成： 1在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋源：通在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋源：通常把裂紋長到常把裂紋長到1000埃之前定義為裂紋產(chǎn)生階段，埃之前定義為裂紋產(chǎn)生階段，在焊接接頭中疲勞裂紋產(chǎn)生階段之占整個疲勞在焊接接頭中疲勞裂紋產(chǎn)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

36、短的時間。3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 2疲勞裂紋穩(wěn)定擴展過程：在這過程中疲勞裂紋穩(wěn)定擴展過程：在這過程中,在均勻循環(huán)應(yīng)力作用下，只需應(yīng)力值足夠大，在均勻循環(huán)應(yīng)力作用下，只需應(yīng)力值足夠大，普通每一次應(yīng)力循環(huán)將在斷裂外表產(chǎn)生一道輝普通每一次應(yīng)力循環(huán)將在斷裂外表產(chǎn)生一道輝紋，即每經(jīng)過一次加載循環(huán)，在裂紋尖端即閱紋，即每經(jīng)過一次加載循環(huán)，在裂紋尖端即閱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，裂紋就擴展一間隔。就擴展一間隔。 3疲勞斷裂：裂紋在循環(huán)載荷作用下，疲勞斷裂：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，構(gòu)造即進

37、不斷向前擴展，但擴展至一定程度，構(gòu)造即進入最后斷裂階段。入最后斷裂階段。 3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-5/29 在焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋普通要比其他聯(lián)在焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋普通要比其他聯(lián)接型式的循環(huán)次數(shù)少。這是由于焊接接頭中不接型式的循環(huán)次數(shù)少。這是由于焊接接頭中不僅有應(yīng)力集中如角焊縫的焊趾處，而且這僅有應(yīng)力集中如角焊縫的焊趾處，而且這部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷，剩余焊接應(yīng)力也比部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷，剩余焊接應(yīng)力也比較高。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(chǎn)生及擴展區(qū)，和最產(chǎn)生及擴展區(qū)，和最后斷裂區(qū)，斷裂

38、開場后斷裂區(qū)，斷裂開場點向周圍輻射出類似點向周圍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 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29疲勞裂紋擴展輝紋構(gòu)成機制由不同解釋模型，疲勞裂紋擴展輝紋構(gòu)成機制由不同解釋模型，其中塑性鈍化模型表示圖如下。其中塑性鈍化模型表示圖如下。未加載荷裂紋閉合形狀；未加載荷裂紋閉合形狀； 在加載段拉應(yīng)力作用下，裂紋張開，在加載段拉應(yīng)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； 拉應(yīng)力大最大值時，裂紋因變形使應(yīng)拉應(yīng)力

39、大最大值時，裂紋因變形使應(yīng)力集中的效應(yīng)消逝，裂紋尖端的滑移力集中的效應(yīng)消逝，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(chǎn)生新的外表，裂紋向前擴展；此時產(chǎn)生新的外表，裂紋向前擴展；去載拉應(yīng)力下降，沿滑移帶向相反方去載拉應(yīng)力下降，沿滑移帶向相反方向滑移；向滑移；加載后半周處于壓應(yīng)力，構(gòu)成新外表加載后半周處于壓應(yīng)力，構(gòu)成新外表被壓向裂紋平面，構(gòu)成新的切口，結(jié)被壓向裂紋平面，構(gòu)成新的切口，結(jié)果呵斥新的疲勞紋，其間距為果呵斥新的疲勞紋，其間距為c，即為，即為輝紋寬度，該實際以為每一次循環(huán)加輝紋寬度，該實際以為每一次循環(huán)加載，就產(chǎn)生一道輝紋。載，就產(chǎn)生一道輝紋。C3

40、 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/29二、在焊接構(gòu)造中疲勞強度的常用表示法二、在焊接構(gòu)造中疲勞強度的常用表示法一根本概念一根本概念1、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 指某一資料試樣用不同載荷進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(huán)次數(shù)所繪制成破壞所需加載循環(huán)次數(shù)所繪制成-N疲勞曲線疲勞曲線190210250230165432百萬- -N N 曲曲線線 2864246 8- - N N 曲線曲線 3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度

41、IWE-T/3.3-6/292 疲勞強度疲勞強度 為在某一為在某一N循環(huán)次數(shù)下破壞應(yīng)循環(huán)次數(shù)下破壞應(yīng)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到達飽和極限，如下圖程度線代表疲勞極限降到達飽和極限，如下圖程度線代表疲勞極限的數(shù)值。的數(shù)值。2864246 8- - N N 曲線曲線 3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-6/292、應(yīng)力循環(huán)特性、應(yīng)力循環(huán)特性 疲勞強度的數(shù)值與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)，應(yīng)力疲勞強度的數(shù)值與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)，應(yīng)力循環(huán)特性主要用以下參量表示：循環(huán)特性主

42、要用以下參量表示： 平均應(yīng)力平均應(yīng)力 (2) 應(yīng)力振幅應(yīng)力振幅 (3) 應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù) 其中其中max min應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力應(yīng)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,可以可以把恣意載荷看作是某個不變的平均應(yīng)力靜把恣意載荷看作是某個不變的平均應(yīng)力靜載的恒定應(yīng)力部分和應(yīng)力振幅交變應(yīng)力載的恒定應(yīng)力部分和應(yīng)力振幅交變應(yīng)力部分的組合。部分的組合。 2minmaxm2minmaxamaxmin3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度IWE-T/3.3-7/29 3、特殊循環(huán)特性變動載

43、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表示。表示。 (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均為拉應(yīng)力，但大小不等，均為拉應(yīng)力，但大小不等，01，其疲勞強度用，其疲勞強度用，3 焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度焊接接頭和構(gòu)造的疲勞強度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(guān)系，可為了表達疲勞強度和循環(huán)特性之間關(guān)系，可繪出以下幾種方式的疲勞圖，從其圖中可