脆性断裂(课堂)课件

第4章焊接结构断裂分析及控制金属材料脆性断裂与延性断裂断裂力学基础焊接接头的断裂力学分析焊接结构脆断的影响因素焊接结构的断裂控制抗断裂性能的试验评定方法 1第4章焊接结构断裂分析及控制14.1金属材料脆性断裂与延性断裂断裂过程：裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂根据断裂前塑性变形的大小，将断裂分为：（1）脆性断裂没有明显的塑性变形、瞬时扩展到结构整体、突然破坏、应力不高于结构的设计应力（2）延性断裂（塑性断裂或韧性断裂）断裂前有明显塑性变形24.1金属材料脆性断裂与延性断裂24.1.1脆性断裂放射状条纹人字形花样34.1.1脆性断裂3脆性断裂的主要特征：（1）低应力脆性断裂

工作应力<屈服极限或许用应力（2）低温脆性断裂（3）裂纹超过某个临界尺寸，将迅速扩展，直至断裂，具有突然性。（4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属中出现4脆性断裂的主要特征：4脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂5脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂54.1.2延性断裂（韧性断裂）塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形→载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形→继续变形，作用力增加（加工硬化）

→加大载荷，产生微裂口或微空隙→微空隙扩展汇合成宏观裂纹→宏观裂纹发展到一定尺寸→最终快速失稳断裂64.1.2延性断裂（韧性断裂）6韧性断口：微孔洞（韧窝）韧性断裂的过程：微孔成核、微孔长大和微孔聚合三个阶段。7韧性断口：微孔洞（韧窝）74.1.3韧性―脆性转变一、影响金属材料断裂的主要因素（1）应力状态（2）温度（3）加载速度（4）材料的内在因素化学成分、组织状态三轴应力状态的缺口效应84.1.3韧性―脆性转变三轴应力状态的缺口效应8二、韧性―脆性转变温度降低，塑性断裂→脆性断裂韧性―脆性转变温度9二、韧性―脆性转变94.2断裂力学基础4.2.1含裂纹件的断裂行为104.2断裂力学基础10剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时刻所具有的承载能力11剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时刻所具有的承载能力1含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题：（1）结构的剩余强度与裂纹尺寸之间的函数关系；（2）在工作载荷作用下，结构中容许的裂纹尺寸，即临界裂纹尺寸或裂纹容限；（3）结构中一定尺寸的初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸需要的时间；（4）结构在制造过程中容许的缺陷类型和尺寸；（5）结构在维修周期内，裂纹检查的时间间隔。12含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题：124.2.2线弹性断裂力学一、裂纹类型根据裂纹体的受载和变形情况分为三种类型：134.2.2线弹性断裂力学13（1）张开型（或称拉伸型）裂纹（Ⅰ型裂纹）

外加正压力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正压力方向垂直（2）滑开型（或称剪切型）裂纹（Ⅱ型裂纹）

剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展（3）撕开型裂纹（Ⅲ型裂纹）

在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开。裂纹前缘平行于滑动方向大多数裂纹形式属于Ⅰ型裂纹，最危险14（1）张开型（或称拉伸型）裂纹（Ⅰ型裂纹）14二、裂纹尖端的应力场设一无限大平板中心含有一长度为2a的穿透裂纹Irwin离裂纹尖端（r，θ）的点15二、裂纹尖端的应力场15薄板平面应力状态厚板平面应变状态16薄板平面应力状态16应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标Ⅰ代表Ⅰ型裂纹受单向均匀拉伸应力作用的无限大平板有长度为的中心裂纹的应力强度因子为KI取决于裂纹的形状和尺寸，

以及应力的大小17应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标Ⅰ三、裂纹尖端的塑性区当θ=0，切应力为零，正压力最大当r→0时，应力趋于∞，表明裂纹尖端处应力场有r-1/2阶奇异性（理论上）塑性区

18三、裂纹尖端的塑性区18Irwin考虑塑性区的影响，裂纹长度a→a+ry

ry为塑性区长度，Ⅰ型裂纹的ry为

（平面应力）

（平面应变）19Irwin考虑塑性区的影响，裂纹长度a→a+ry1将修正后的裂纹尺寸a+ry代入

（平面应力）

（平面应变）20将修正后的裂纹尺寸a+ry代入20四、断裂分析的能量原理Griffith取一块单位厚度的“无限”大平板弹性应变能释放量U新表面吸收能量W，总能量变化为

设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ

21四、断裂分析的能量原理21系统能量与裂纹扩展的关系

裂纹扩展的临界条件

能量释放率（裂纹扩展的驱动力）裂纹扩展的阻力22系统能量与裂纹扩展的关系22裂纹自动扩展裂纹不能自动扩展若给定裂纹半长a，则裂纹扩展的临界应力为若给定应力σ，则裂纹扩展的

临界长度为玻璃、陶瓷等脆性材料23裂纹自动扩金属材料裂纹尖端局部区域塑性变形Orowan设P为裂纹扩展单位面积所需的塑性变形能，以（P+γ）来代替γ，裂纹的临界扩展条件为金属材料塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素薄板（平面应力）24金属材料裂纹尖端局部区域塑性变形24五、断裂韧度和断裂判据无限大平板长为2a的穿透裂纹应力强度因子KI与应变能释放率G

（平面应力）（平面应变）断裂韧度GC与KIC，断裂准则

或KIC是材料常数KIC通过有关

标准试验来获得KIC的选取应保证平面应力的延性断裂25五、断裂韧度和断裂判据254.2.3弹塑性断裂力学一、裂纹张开位移（COD）1961年Wells

COD理论COD表征裂纹尖端附近的塑性变形程度COD判据：裂纹体承受载荷时，裂纹尖端张开位移δ达到极限值δC（mm）时，裂纹会起裂扩展，断裂准则为δC为材料的裂纹扩展阻力，可通过标准试验方法测定。COD判据是一个起裂判据264.2.3弹塑性断裂力学26COD常用的定义方法图a有明显的物理意义，但试验中不容易测得图b便于测定，在大多数情况下有满意的精度图c直观易懂，应用较广图d应用于中心穿透裂纹，便于有限元分析27COD常用的定义方法27COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈服前均适用小范围屈服时无限大平板中心裂纹受到单向拉伸

（平面应力）（平面应变）在大范围屈服条件下工程应用的设计曲线28COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈服前均适用28二、J积分1968年Rice设有一单位厚度的Ⅰ型裂纹体，J积分的定义为小范围屈服条件下

（平面应力）

（平面应变）断裂准则为JIC—弹塑性断裂韧度29二、J积分294.2.4剩余强度以宽为W的中心裂纹板为例当时，结构发生断裂，剩余强度为304.2.4剩余强度304.2.5动态裂纹扩展与止裂动态裂纹扩展通常有两种情况：1）含静止裂纹的结构承受迅速变化的动载荷作用引起的裂纹扩展；2）净载荷或缓慢变化的载荷作用下的裂纹快速扩展在线弹性材料特性范围内，第一类问题的裂纹起裂准则为

式中，

KI是动载荷下的应力强度因子KId是动态应力强度因子314.2.5动态裂纹扩展与止裂31一、动态裂纹扩展（G-R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展速度为32一、动态裂纹扩展32当裂纹快速扩展时，K(V)为动态应力强度因子，K(0)是同一载荷及当前裂纹长度下的静态应力强度因子，k(V)是裂纹扩展速度的函数瞬时能量释放率与应力强度因子的关系

A(V)是裂纹扩展速度的函数动态裂纹能量释放率与静态裂纹能量释放率之间的关系G(V)为动态应力强度因子，g(V)是裂纹扩展速度的函数，G(0)是静态应力强度因子33当裂纹快速扩展时，33二、裂纹止裂的基本原理利用能量平衡原理进行研究如果G稍微降到R以下，裂纹止裂34二、裂纹止裂的基本原理344.3焊接接头的断裂力学分析4.3.1含裂纹焊接接头的断裂模式影响因素：接头强度失配比、裂纹尺寸、应变硬化性能等相互影响

低匹配高匹配354.3焊接接头的断裂力学分析35临界裂纹尺寸焊接接头发生全面屈服的最大裂纹尺寸ag焊接接头母材发生屈服并断裂的最大裂纹尺寸abg在高匹配条件下，焊缝发生小范围屈服而母材发生屈服断裂的最大裂纹尺寸anσnB—母材的极限强度KCW—焊缝的断裂韧度36临界裂纹尺寸σnB—母材的极限强度364.3.2失配性对焊缝裂纹驱动力的影响高匹配焊缝中心裂纹宽板（CCT试件）横向拉伸2H/B和W一定，当a≤

ac1（临界裂纹尺寸）时，“冻结”现象匹配因子M的

增大，COD―ε曲线

将会降低374.3.2失配性对焊缝裂纹驱动力的影响37裂纹驱动力：低匹配低估

高匹配高估充分考虑非匹配因素的影响38裂纹驱动力：低匹配低估384.4焊接结构的断裂控制4.4.1影响焊接结构脆断的主要因素一、焊接结构特点的影响焊接结构刚性大、整体性强、对应力集中敏感“自由”轮甲板舱口设计对比a)原始设计b)改进后设计394.4焊接结构的断裂控制“自由”轮甲板舱口设计对比39二、焊接残余应力的影响

>韧脆转变温度对脆断影响不大

<韧脆转变温度使断裂应力显著减小拉伸残余应力将和工作应力迭加共同作用，在外载很低时，发生脆性破坏－低应力破坏宽板试验研究残余应力的影响

1）无残余应力的试件（PQDG曲线）破坏强度

c≥材料的屈服极限

s

2）有残余应力的试件（PQDER曲线）

>转变温度无不利影响，

c≥

s

=转变温度

c

急剧下降

<转变温度

c很小，

c<

s

40二、焊接残余应力的影响40拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区迅速减小，峰值残余应力有助于断裂的产生平行焊接接头试样开裂路径和试件中纵向残余应力41拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区迅速减小，峰值残余三、焊接缺陷的影响焊接缺陷对脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关（1）平面缺陷－如裂纹、分层和未焊透等，其影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度（2）非平面缺陷－如气孔、夹渣等，其影响程度一般低于平面缺陷40%的脆断事故是从焊接缺陷处开始的，各种缺陷中以裂纹对脆断的影响最大42三、焊接缺陷的影响42四、金相组织改变对脆性的影响热影响区是焊接接头的薄弱环节之一热影响区的金相组织主要取决于钢材的原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量

焊接接头不同部位的韧性43四、金相组织改变对脆性的影响焊接接头不同部位的韧性4五、应变时效对脆断的影响两种应变时效：

（1）应变时效

钢材被剪切、冷作和弯曲成形之后，若在150～450℃范围内加热，材料的性能就会发生脆化现象塑性变形（剪切、冷作矫形）→加热（150~400℃）→脆化（2）动应变时效（热应变时效）在焊接过程中，材料经受应力和应变循环，同时也受到焊接热循环的热作用而发生的应变时效

加热和塑变同时→脆化44五、应变时效对脆断的影响44

图a预弯曲量越大，转变温度越高图b不同温度下预弯曲的试件，其转变温度不同焊后热处理消除时效影响

缺口弯曲试件预应变对脆断的影响

a)预应变量的影响b)预应变温度的影响45图a预弯曲量越大，转变温度越高六、角变形和错边的影响角变形和错边降低结构的抗脆断能力角变形和错边比较大的接头→承受拉应力，力线不通过中心，产生附加弯矩→低应力破坏焊缝加厚高在熔合线处的应力集中将其更加严重可加焊防裂焊缝，消除咬肉，整形焊缝，改变熔合线方向，改善焊缝的受力条件46六、角变形和错边的影响464.4.2焊接结构的断裂控制一、正确选材基本原则：安全性经济效益应使所选用的钢材和焊接充填金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性选材方法：（1）用缺口韧性评定

（2）用断裂韧性评定（断裂韧度与屈服点之比）二、采用合理的焊接结构设计（1）尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中474.4.2焊接结构的断裂控制471）构件截面改变的地方，设计成平缓过渡，不要形成尖角2）尽量采用应力集中系数小的对接接头

a）设计不合理，在使用中曾多次出现焊缝破坏现象

b）应力集中程度↓↓，结构的承载能力↑↑481）构件截面改变的地方，设计成平缓过渡，不要形成尖3）不同厚度的对接接头应采用圆滑过渡

b最好焊缝部位应力集中最小

a和c虽将厚板减薄，但焊接部位应力集中相当大4）将焊缝设计布置在便于焊接和检验的地方有效避免焊接缺陷产生493）不同厚度的对接接头应采用圆滑过渡495）避免焊缝密集防止焊接部位材质性能变坏和复杂的残余应力场505）避免焊缝密集50（2）尽量减少结构的刚度b设计极不合理，施焊对接焊缝时产生较大应力，易引起焊接缺陷－脆断起源

c立杆的翼板和弦杆的翼板之间不焊接，避免产生高拘束应力

为减小焊接部位的刚性，开“缓和槽”以减小拘束度（3）不采用过厚的截面51（2）尽量减少结构的刚度51（4）对次要焊缝的设计，应与主要焊缝一样给予足够重视。不在受力构件上随意加焊附件。（5）减少和消除焊接残余拉应力的不利影响52（4）对次要焊缝的设计，应与主要焊缝一样给予足够重视。不在受4.4.3焊接结构断裂性能的试验评定方法一、脆断过程及焊接结构的两种设计原则脆断过程由两各阶段组成：第一阶段

裂纹的产生阶段或引发阶段（即裂纹起源、生核和缓慢扩展阶段）第二阶段裂纹的失稳扩展阶段焊接结构防止脆性破坏的两种设计原则：（1）防止裂纹引发原则，即抗裂原则。（2）止裂原则焊接接头的抗开裂性能和母材的止裂性能534.4.3焊接结构断裂性能的试验评定方法53二、转变温度的试验评定方法（1）冲击试验常用的是夏比V形缺口和U形缺口冲击试验等

54二、转变温度的试验评定方法54二、转变温度的试验评定方法（1）冲击试验1）能量标准（图a）

按某一固定冲击能量确定TK2）断口标准（图b）

一般按断口晶粒状断面百分率达到某一百分数（例如50％）的温度作为TK3）延性标准（图c）一般侧面膨胀率为3.8%时的温度作为TK55二、转变温度的试验评定方法55（2）爆炸膨胀试验和落锤试验1）爆炸膨胀试验全厚度355mm×355mm正方形钢板56（2）爆炸膨胀试验和落锤试验56无延性转变温度，简称NDT弹性断裂转变温度，简称FTE延性断裂转变温度，简称FTP对于25cm厚的低强度钢板FTE=NDT+33℃FTP=FTE+33℃=NDT+66℃57无延性转变温度，简称NDT572）落锤试验标准试件有3种尺寸：

P1型：25mm×90mm×360mm

P2型：19mm×51mm×127mmP3型：16mm×51mm×127mm582）落锤试验58佩里尼断裂分析图（FractureAnalysisDiagram)FAD表明了温度、缺陷尺寸和断裂强度三者之间的关系（3）静载试验（略）59佩里尼断裂分析图（FractureAnalysisDia三、焊接结构抗开裂性能试验（1）韦尔斯（Wells）宽板试验特点：1）在实验室内重现实际焊接结构的脆断；2）可在板厚、残余应力、焊接热循环等方面模拟实际焊接结构；用途：研究断裂机理；选材，确定材料的开裂临界温度；试件：910×910×δ60三、焊接结构抗开裂性能试验6061616262（2）断裂韧性试验（略）（3）尼伯林克试验63（2）断裂韧性试验（略）63四、焊接结构止裂试验（1）罗伯逊止裂试验64四、焊接结构止裂试验64（2）双重拉伸试验65（2）双重拉伸试验65个人观点供参考，欢迎讨论个人观点供参考，欢迎讨论第4章焊接结构断裂分析及控制金属材料脆性断裂与延性断裂断裂力学基础焊接接头的断裂力学分析焊接结构脆断的影响因素焊接结构的断裂控制抗断裂性能的试验评定方法 67第4章焊接结构断裂分析及控制14.1金属材料脆性断裂与延性断裂断裂过程：裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂根据断裂前塑性变形的大小，将断裂分为：（1）脆性断裂没有明显的塑性变形、瞬时扩展到结构整体、突然破坏、应力不高于结构的设计应力（2）延性断裂（塑性断裂或韧性断裂）断裂前有明显塑性变形684.1金属材料脆性断裂与延性断裂24.1.1脆性断裂放射状条纹人字形花样694.1.1脆性断裂3脆性断裂的主要特征：（1）低应力脆性断裂

工作应力<屈服极限或许用应力（2）低温脆性断裂（3）裂纹超过某个临界尺寸，将迅速扩展，直至断裂，具有突然性。（4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属中出现70脆性断裂的主要特征：4脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂71脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂54.1.2延性断裂（韧性断裂）塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形→载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形→继续变形，作用力增加（加工硬化）

→加大载荷，产生微裂口或微空隙→微空隙扩展汇合成宏观裂纹→宏观裂纹发展到一定尺寸→最终快速失稳断裂724.1.2延性断裂（韧性断裂）6韧性断口：微孔洞（韧窝）韧性断裂的过程：微孔成核、微孔长大和微孔聚合三个阶段。73韧性断口：微孔洞（韧窝）74.1.3韧性―脆性转变一、影响金属材料断裂的主要因素（1）应力状态（2）温度（3）加载速度（4）材料的内在因素化学成分、组织状态三轴应力状态的缺口效应744.1.3韧性―脆性转变三轴应力状态的缺口效应8二、韧性―脆性转变温度降低，塑性断裂→脆性断裂韧性―脆性转变温度75二、韧性―脆性转变94.2断裂力学基础4.2.1含裂纹件的断裂行为764.2断裂力学基础10剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时刻所具有的承载能力77剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时刻所具有的承载能力1含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题：（1）结构的剩余强度与裂纹尺寸之间的函数关系；（2）在工作载荷作用下，结构中容许的裂纹尺寸，即临界裂纹尺寸或裂纹容限；（3）结构中一定尺寸的初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸需要的时间；（4）结构在制造过程中容许的缺陷类型和尺寸；（5）结构在维修周期内，裂纹检查的时间间隔。78含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题：124.2.2线弹性断裂力学一、裂纹类型根据裂纹体的受载和变形情况分为三种类型：794.2.2线弹性断裂力学13（1）张开型（或称拉伸型）裂纹（Ⅰ型裂纹）

外加正压力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正压力方向垂直（2）滑开型（或称剪切型）裂纹（Ⅱ型裂纹）

剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展（3）撕开型裂纹（Ⅲ型裂纹）

在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开。裂纹前缘平行于滑动方向大多数裂纹形式属于Ⅰ型裂纹，最危险80（1）张开型（或称拉伸型）裂纹（Ⅰ型裂纹）14二、裂纹尖端的应力场设一无限大平板中心含有一长度为2a的穿透裂纹Irwin离裂纹尖端（r，θ）的点81二、裂纹尖端的应力场15薄板平面应力状态厚板平面应变状态82薄板平面应力状态16应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标Ⅰ代表Ⅰ型裂纹受单向均匀拉伸应力作用的无限大平板有长度为的中心裂纹的应力强度因子为KI取决于裂纹的形状和尺寸，

以及应力的大小83应力强度因子KI：衡量裂纹尖端区应力场强度的重要参数，下标Ⅰ三、裂纹尖端的塑性区当θ=0，切应力为零，正压力最大当r→0时，应力趋于∞，表明裂纹尖端处应力场有r-1/2阶奇异性（理论上）塑性区

84三、裂纹尖端的塑性区18Irwin考虑塑性区的影响，裂纹长度a→a+ry

ry为塑性区长度，Ⅰ型裂纹的ry为

（平面应力）

（平面应变）85Irwin考虑塑性区的影响，裂纹长度a→a+ry1将修正后的裂纹尺寸a+ry代入

（平面应力）

（平面应变）86将修正后的裂纹尺寸a+ry代入20四、断裂分析的能量原理Griffith取一块单位厚度的“无限”大平板弹性应变能释放量U新表面吸收能量W，总能量变化为

设裂纹的单位表面吸收的表面能为γ

87四、断裂分析的能量原理21系统能量与裂纹扩展的关系

裂纹扩展的临界条件

能量释放率（裂纹扩展的驱动力）裂纹扩展的阻力88系统能量与裂纹扩展的关系22裂纹自动扩展裂纹不能自动扩展若给定裂纹半长a，则裂纹扩展的临界应力为若给定应力σ，则裂纹扩展的

临界长度为玻璃、陶瓷等脆性材料89裂纹自动扩金属材料裂纹尖端局部区域塑性变形Orowan设P为裂纹扩展单位面积所需的塑性变形能，以（P+γ）来代替γ，裂纹的临界扩展条件为金属材料塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素薄板（平面应力）90金属材料裂纹尖端局部区域塑性变形24五、断裂韧度和断裂判据无限大平板长为2a的穿透裂纹应力强度因子KI与应变能释放率G

（平面应力）（平面应变）断裂韧度GC与KIC，断裂准则

或KIC是材料常数KIC通过有关

标准试验来获得KIC的选取应保证平面应力的延性断裂91五、断裂韧度和断裂判据254.2.3弹塑性断裂力学一、裂纹张开位移（COD）1961年Wells

COD理论COD表征裂纹尖端附近的塑性变形程度COD判据：裂纹体承受载荷时，裂纹尖端张开位移δ达到极限值δC（mm）时，裂纹会起裂扩展，断裂准则为δC为材料的裂纹扩展阻力，可通过标准试验方法测定。COD判据是一个起裂判据924.2.3弹塑性断裂力学26COD常用的定义方法图a有明显的物理意义，但试验中不容易测得图b便于测定，在大多数情况下有满意的精度图c直观易懂，应用较广图d应用于中心穿透裂纹，便于有限元分析93COD常用的定义方法27COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈服前均适用小范围屈服时无限大平板中心裂纹受到单向拉伸

（平面应力）（平面应变）在大范围屈服条件下工程应用的设计曲线94COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈服前均适用28二、J积分1968年Rice设有一单位厚度的Ⅰ型裂纹体，J积分的定义为小范围屈服条件下

（平面应力）

（平面应变）断裂准则为JIC—弹塑性断裂韧度95二、J积分294.2.4剩余强度以宽为W的中心裂纹板为例当时，结构发生断裂，剩余强度为964.2.4剩余强度304.2.5动态裂纹扩展与止裂动态裂纹扩展通常有两种情况：1）含静止裂纹的结构承受迅速变化的动载荷作用引起的裂纹扩展；2）净载荷或缓慢变化的载荷作用下的裂纹快速扩展在线弹性材料特性范围内，第一类问题的裂纹起裂准则为

式中，

KI是动载荷下的应力强度因子KId是动态应力强度因子974.2.5动态裂纹扩展与止裂31一、动态裂纹扩展（G-R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展速度为98一、动态裂纹扩展32当裂纹快速扩展时，K(V)为动态应力强度因子，K(0)是同一载荷及当前裂纹长度下的静态应力强度因子，k(V)是裂纹扩展速度的函数瞬时能量释放率与应力强度因子的关系

A(V)是裂纹扩展速度的函数动态裂纹能量释放率与静态裂纹能量释放率之间的关系G(V)为动态应力强度因子，g(V)是裂纹扩展速度的函数，G(0)是静态应力强度因子99当裂纹快速扩展时，33二、裂纹止裂的基本原理利用能量平衡原理进行研究如果G稍微降到R以下，裂纹止裂100二、裂纹止裂的基本原理344.3焊接接头的断裂力学分析4.3.1含裂纹焊接接头的断裂模式影响因素：接头强度失配比、裂纹尺寸、应变硬化性能等相互影响

低匹配高匹配1014.3焊接接头的断裂力学分析35临界裂纹尺寸焊接接头发生全面屈服的最大裂纹尺寸ag焊接接头母材发生屈服并断裂的最大裂纹尺寸abg在高匹配条件下，焊缝发生小范围屈服而母材发生屈服断裂的最大裂纹尺寸anσnB—母材的极限强度KCW—焊缝的断裂韧度102临界裂纹尺寸σnB—母材的极限强度364.3.2失配性对焊缝裂纹驱动力的影响高匹配焊缝中心裂纹宽板（CCT试件）横向拉伸2H/B和W一定，当a≤

ac1（临界裂纹尺寸）时，“冻结”现象匹配因子M的

增大，COD―ε曲线

将会降低1034.3.2失配性对焊缝裂纹驱动力的影响37裂纹驱动力：低匹配低估

高匹配高估充分考虑非匹配因素的影响104裂纹驱动力：低匹配低估384.4焊接结构的断裂控制4.4.1影响焊接结构脆断的主要因素一、焊接结构特点的影响焊接结构刚性大、整体性强、对应力集中敏感“自由”轮甲板舱口设计对比a)原始设计b)改进后设计1054.4焊接结构的断裂控制“自由”轮甲板舱口设计对比39二、焊接残余应力的影响

>韧脆转变温度对脆断影响不大

<韧脆转变温度使断裂应力显著减小拉伸残余应力将和工作应力迭加共同作用，在外载很低时，发生脆性破坏－低应力破坏宽板试验研究残余应力的影响

1）无残余应力的试件（PQDG曲线）破坏强度

c≥材料的屈服极限

s

2）有残余应力的试件（PQDER曲线）

>转变温度无不利影响，

c≥

s

=转变温度

c

急剧下降

<转变温度

c很小，

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106二、焊接残余应力的影响40拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区迅速减小，峰值残余应力有助于断裂的产生平行焊接接头试样开裂路径和试件中纵向残余应力107拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区迅速减小，峰值残余三、焊接缺陷的影响焊接缺陷对脆断的影响与缺陷产生的应力集中程度和缺陷附近材料的性能有关（1）平面缺陷－如裂纹、分层和未焊透等，其影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度（2）非平面缺陷－如气孔、夹渣等，其影响程度一般低于平面缺陷40%的脆断事故是从焊接缺陷处开始的，各种缺陷中以裂纹对脆断的影响最大108三、焊接缺陷的影响42四、金相组织改变对脆性的影响热影响区是焊接接头的薄弱环节之一热影响区的金相组织主要取决于钢材的原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量

焊接接头不同部位的韧性109四、金相组织改变对脆性的影响焊接接头不同部位的韧性4五、应变时效对脆断的影响两种应变时效：

（1）应变时效

钢材被剪切、冷作和弯曲成形之后，若在150～450℃范围内加热，材料的性能就会发生脆化现象塑性变形（剪切、冷作矫形）→加热（150~400℃）→脆化（2）动应变时效（热应变时效）在焊接过程中，材料经受应力和应变循环，同时也受到焊接热循环的热作用而发生的应变时效

加热和塑变同时→脆化110五、应变时效对脆断的影响44

图a预弯曲量越大，转变温度越高图b不同温度下预弯曲的试件，其转变温度不同焊后热处理消除时效影响

缺口弯曲试件预应变对脆断的影响

a)预应变量的影响b)预应变温度的影响111图a预弯曲量越大，转变温度越高六、角变形和错边的影响角变形和错边降低结构的抗脆断能力角变形和错边比较大的接头→承受拉应力，力线不通过中心，产生附加弯矩→低应力破坏焊缝加厚高在熔合线处的应力集中将其更加严重可加焊防裂焊缝，消除咬肉，整形焊缝，改变熔合线方向，改善焊缝的受力条件112六、角变形和错边的影响464.4.2焊接结构的断裂控制一、正确选材基本原则：安全性经济效益应使所选用的钢材和焊接充填金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性选材方法：（1）用缺口韧性评定

（2）用断裂韧性评定（断裂韧度与屈服点之比）二、采用合理的焊接结构设计（1）尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中1134.4.2焊接结构的断裂控制471）构件截面改变的地方，设计成平缓过渡，不要形成尖角2）尽量采用应力集中系数小的对接接头

a）设计不合理，在使用中曾多次出现焊缝破坏现象

b）应力集中程度↓↓，结构的承载能力↑↑1141）构件截面改变的地方，设计成平缓过渡，不要形成尖3）不同厚度的