IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学(工程师-1)解析

动载焊接构造的强度及其设计哈尔滨工业大学杨建国(IWE-T/3.3)2023.03断裂力学

(IWE-3.6)

1概述

自从焊接构造得到广泛应用以来，觉察以承受动载为主的焊接构造，在远没有到达其设计寿命时就消逝破坏现象，通常发生脆性断裂和疲乏断裂两大类破坏事故。脆性断裂事故的焊接构造数量与安全工作的焊接构造数量相比虽然是很少。但是，由于这种事故具有突发性，不易预防的特点，其后果往往是特殊严峻的，甚至是灾难性的，所以引起人们高度重视。IWE-T/3.3-1/291概述例子：其次次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特(Albert)水道上建筑了约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，坠人阿尔贝特水道。该桥跨度74.5m，该桥第一条裂缝由下弦开头并发生巨响，6min后垮塌,当时桥上荷载很小,气温较低,为-20℃。IWE-T/3.3-1/29

1概述(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，大局部在下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限状态。归结大桥断裂的缘由主要有四点：应力集中、剩余应力、低温存冲击韧性值αk太小。

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1概述国内典型例子1995年1月8日发生在黑龙江省某地的糖厂，该糖厂一台使用了20年的直径为24m、高16m的圆筒形糖蜜贮罐在凌晨五点左右突然开裂，导致4000吨糖蜜倾泻而出，造成人员和巨大经济损失。事故缘由为低应力脆断。IWE-T/3.3-1/29

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IWE-T/3.3-1/29布局焊缝

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1概述在工程上，依据断裂前塑性变形大小，将断裂分为延性断裂〔亦称为塑性断裂和韧性断裂〕和脆性断裂两种。延性断裂在断裂前有较大的塑性变形；脆性断裂前没有或只有少量塑性变形，断裂突然发生并快速进展〔裂纹扩展速率高达1500～2023m/s〕。同一材料在不同条件下也会消逝不同断裂形式，例如低碳钢通常认为是塑性很高，被广泛应用于各种焊接构造中。但是在确定条件下，低碳钢构件也会发生脆性断裂。IWE-T/3.3-1/29

1概述脆性断裂根本之缘由是材料局部处塑性变形能缺乏所致。大量脆断事故争论说明，造成焊接脆断的缘由是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等。IWE-T/3.3-1/29

1概述脆性断裂的特点为：(1)脆断一般都在应力不高于构造的设计应力和没有显著的塑性变形的状况下发生。(2)

脆断往往从应力集中处开头，即构件内存在缺陷，尤其焊接裂缝等。(3)脆断往往发生在低温下，厚截面构件和高应变速度〔即动载作用下〕的状况下。(4)塑性材料也发生脆性断裂。脆性断裂根本之缘由是材料局部处塑性变形能缺乏所致。大量脆断事故争论说明，造成焊接脆断的缘由是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等。IWE-T/3.3-1/29

1概述影响金属脆性断裂的因素：同一种材料在不同受力条件下，可以显示出不同破坏形式。争论说明，其最重要的影响因素是温度，其次为应力状态、加载速度。这就是说在确定的温度、应力状态和加载速度下，材料假设是塑性破坏，而在另外条件下，材料可呈脆性破坏。

此外晶粒度及其显微组织对材料破坏倾向也有很大影响。

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1概述〔1〕温度的影响温度对材料的破坏方式影响最大，降低温度就可以使破坏方式由塑性破坏转变为脆性破坏。这是由于随温度的降低，发生解理断裂的危急性增大，材料将消逝塑性到脆性断裂的转变。塑性到脆性断裂的转变温度称为材料转变温度，此温度越高，材料的脆断可能性增加。

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1概述由于解理断裂通常发生在体心立方和密集六方点阵的金属和合金中，只在特殊状况下，如应力腐蚀条件下，才在面心立方点阵的金属中发生，因此面心立方点阵的金属〔如奥氏不锈钢〕，可以在很低温度下工作而不发生脆性断裂。

第四章脆断-4/45

1概述〔2〕应力状态的影响物体在受外载时，在不同的截面上产生不同的正应力σ和剪切应力τ，其中必有一个最大正应力σmax和最大切应力τmax。σmax和τmax及其比值与加载方式有关。

α称为应力状态系数，与加载方式和构件外形有关。α↑的应力状态有利塑性变形切应力的韧性断裂，而α↓则有利正应力的脆性断裂。IWE-T/3.3-1/291概述力学状态图

第四章脆断-5/45正断抗力剪切屈服剪切抗力1概述单轴拉伸时，α=1/2第四章脆断-5/451概述在实际构造中三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多的状况下是由于构造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。这说明白为什么脆断事故一般都起源于具有严峻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。第四章脆断-5/45

1概述〔3〕加载速度的影响争论说明提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。还应指出，在同样加载速度下，构造中有缺口时，应变速率可呈现加倍的不利的影响，由于此时应力集中大大降低了材料的局部塑性。

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1概述〔4〕材料状态影响：1〕板厚度的影响:首先厚板在缺口处简洁形成三向应力的平面应变状态，另外板厚轧制次数少，组织疏松，内外性能不均：2〕晶粒影响:晶粒度对脆性转变温度有很大影响，晶粒越细，其转变温度降低；3〕化学成分影响:钢中C、N、O、H、S、P增加钢中的脆性。

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1概述疲乏断裂疲乏断裂是金属构造在动载作用下失效的一种主要形式，统计资料说明，由于疲乏而失效的金属构造，约占失效构造的90%，这种构造的断裂形式与脆性断裂形式不一样。疲乏断裂与脆性断裂相比较：一样点：二者断裂时形变都很小，并都在动载作用下断裂，

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1概述

第四章脆断-8/45

1概述不同点：〔1〕载荷：疲乏断裂需要屡次加载，而脆断一般不需要屡次加载；〔2〕时间：脆断是瞬时完成的，而疲乏裂缝的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年的时间。〔3〕温度：对脆断来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆断的危急性快速增加。但疲乏强度却不是这样。〔4〕断口：疲乏断裂和脆性断裂相比较还有不同的断口特征等。IWE-T/3.3-1/29

1概述众多焊接构造的疲乏断裂事故中，可以清晰的看到焊接接头的重要影响，疲乏破坏一般都是从应力集中处开头，而焊接构造的疲乏裂缝又往往从焊接接头的应力集中处产生。高周疲乏：应力低〔远小于屈服强度〕、频率高；低周疲乏：应力高〔接近屈服强度〕、频率低。

IWE-T/3.3-1/292断裂力学及在焊接中的应用一、断裂力学经典力学：常规的强度计算方法是以材料为根底，把材料抽象为均匀、连续和各向同性的，未考虑材料的内部缺陷，用σs、σb和安全系数n反映构造安全牢靠性，它与破坏过程均无直接联系。断裂力学：为了探究缺陷对材料强度的影响，争论材料抗断裂性能指标，建立破坏条件，提出具有缺陷构件的强度计算方法，争论含有缺陷宏观裂纹构件的安全性，而建立起断裂力学。IWE-T/3.3-1/292断裂力学及在焊接中的应用〔一〕断裂力学争论任务通过争论裂纹尖端局部区域的应力和变外形况，把握裂纹在外载荷作用下扩展规律，了解带裂纹构件的承载力气，从而提出抗断设计的方法，保证构件的安全工作。争论说明，实际构造的破坏，不取决于平均应力，而取决于缺陷邻近的局部应力和应力集中程度，使构造在低应力下，由宏观裂纹源的扩展而引起破坏。IWE-T/3.3-2/292断裂力学及在焊接中的应用裂纹的扩展可分为稳定扩展〔又称亚临界扩展〕和失稳扩展〔不稳定扩展〕：裂纹的稳定扩展：是裂纹在不断承受外界能量状况才会扩展。疲乏裂纹扩展属于此类扩展。裂纹不稳定扩展：是指裂纹在不需要外界连续供给能量状况下裂纹就扩展，低应力脆断时裂纹扩展属于此种。IWE-T/3.3-2/292断裂力学及在焊接中的应用不稳定扩展的主要缘由：〔1)裂纹很锋利，造成高度的应力集中；〔2)裂纹很深，裂纹尖端区域造成充分的三向应力状态；〔3〕裂纹的扩展会释放出大量的弹性应变能，这是失稳扩展的根本能源；〔4〕在确定应力水平下，裂纹尺寸在确定大小以上，由于放出能量造成裂纹扩展，这尺寸称为裂纹扩展的临界尺寸。小于临界尺寸裂纹称亚临界裂纹，不会自行扩展。IWE-T/3.3-2/292断裂力学及在焊接中的应用〔二〕断裂力学争论对象1、线弹性断裂力学将材料当作抱负线弹性体来争论断裂机理，即含有裂纹材料的应力应变状态和裂纹扩展规律。用于裂纹尖端产生小范围屈服的争论，在工程实践中应用于超高强度钢、厚截面中强度钢构造，塑性变形小和对中低强度钢的构造。2、非线性断裂力学用有关弹塑性线性理论，来分析裂纹尖端存在塑性变形区及其断裂破坏机理，用于中、低强度具有较大韧性的材料。IWE-T/3.3-2/292断裂力学及在焊接中的应用断裂力学的任务：①宏观裂纹源在什么条件下会导致失稳扩展以致断裂；②建立裂纹尺寸和破坏应力之间的关系。它对焊接构造安全设计、合理选材、改进材质和施工工艺以及制定科学的概念标准等都有重要意义。IWE-T/3.3-2/292断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-2/29二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，材料脆性断裂前根本上是弹性变形，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，在裂纹尖端四周任一点P各应力重量为：r2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-2/29从上面式中看出，各应力重量均有一个共同的因子，它表示裂纹在名义应力作用下处于弹性平衡状态，裂纹尖端四周应力场的强弱。它的大小就确定裂纹尖端四周各点应力大小。其应力不仅与名义应力σ有关，而且与裂纹大小有关。因此，K1表示尖端四周应力场强弱的因子，简称应力强度因子：

Y裂纹外形因子，是一个无量纲的系数，2a裂纹长度。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/29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。〔最危急，着重争论〕〔2〕滑移型：在平行于裂纹外表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：在平行于裂纹外表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：穿透裂纹、外表裂纹和内部裂纹三种。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/29张开型是最常见又最危急，裂纹简洁扩展，因此通常争论这种类型低应力脆断问题2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/293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σz=0,则就处于σx、σy平面应力状态.应力：应变：由上式可见平面应力状态时是三向应变问题。

2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/29〔2〕平面应变状态假设在Z方向把受力物体加以固定，不能收缩，即εx=0，这时就相当于在Z方向加一个应力σz，此时弹性内应力应变称为平面应变状态。应力：应变：

2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-4/29平面应力与平面应变一样处:只要求出σx,σy,σxy就可知σz平面应力与平面应变不同处:平面应力状态σz=0,相当构件厚度很小：平面应变状态σz=μ(σx+σy),εz=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，其塑性变形削减，向平面应变状态进展，简洁引起三向应力的断裂。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-4/294、应力强度因子及其断裂判据KⅠ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渐渐增大，裂纹渐渐扩展时，裂纹尖端的应力强度因子KⅠ也随之渐渐增加，当KⅠ到达临界值，构件中的裂纹将产生突然的失稳扩张，这个应力强度因子KⅠ的临界值，称为临界应力强度因子，它就是材料的断裂韧性。用KⅠc表示。它反映了材料反抗裂纹失稳扩展，即反抗脆性断裂的力气，所以平面应变条件下的脆性断裂判据为KⅠ≥KⅠc2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-4/29KⅠc称为材料的断裂韧性，由试验得出，表示材料抗裂力气的力学性能指标。KⅠc与试件的几何外形〔板厚〕、受力状况、试验环境〔温度〕等因素有关。张开型裂纹在平面应力状态下，最简洁产生失稳扩展，通常KⅠc都是在厚板下用张开型裂纹下进展试验，求得平面应变下平面应变断裂韧性KⅠc2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-4/295、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〕状况下，仍可按线弹性断裂力学的近似地估量出真实性能，而被推广使用。

2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-4/29三、弹塑性状态的断裂力学当裂纹尖端的塑性尺寸到达同一数量级时，发生所谓大范围屈服的状况〔这在中、低强度材料中是常见的〕，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。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-4/291、裂纹尖端张开位移CODCOD就是材料受载后裂纹尖端的张开位移，一般用δ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δc作为材料断裂韧性指标。用δ≥δc作为断裂判据来估量材料屈服破坏时的工作应力和裂纹尺寸的关系。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-5/292、J积分：J积分是承受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争论断裂判据，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，它有两个根本特点，其一，试样需预制疲乏裂纹，其二，试样应具有足够的厚度，以保证裂纹尖端四周处于平面应变状态。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。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-5/292断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-5/292断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-1/29四、断裂力学在脆性破坏问题中的应用线弹性断裂力学是承受K1≥K1C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：依据给定的载荷和构造形式，查阅应力强度因子手册，按确定的方法进展计算。2、测定材料的断裂韧性K1C：承受三点弯曲试样或紧凑拉伸试样等试验方法求得平面应变断裂韧性K1C。2断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-1/293、应用断裂判据K1≥K1C，求得构件上工作应力和裂纹参数之间关系，从而可以：〔1〕在构件上工作应力σ下确定临界裂纹尺寸αc,考虑确定安全系数nc,就可得出容许裂纹长度，作为质量检验标准。〔2〕构件上裂纹长度α，确定临界工作应力σc,得到容许应力

3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-5/29焊接接头和构造的疲乏强度3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-5/29疲乏断裂是焊接金属构造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。疲乏断裂过程的争论说明，疲乏寿命不是准备于裂纹产生，而是准备裂纹增大和扩展。从疲乏的断口，可以看出在疲乏核心四周存在特殊光滑，特殊细洁，贝纹线不明显的狭小区域，从本质上看就是疲乏裂纹扩展区。下面以疲乏断裂过程予以说明。3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-5/29一、疲乏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快速进展，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终断裂区域。就会引起裂开，由此可见疲乏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乏裂纹源：通常把裂纹长到1000埃之前定义为裂纹产生阶段，在焊接接头中疲乏裂纹产生阶段之占整个疲乏过程中的一个短的时间。3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-5/29〔2〕疲乏裂纹稳定扩展过程：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外表产生一道辉纹，即每经过一次加载循环，在裂纹尖端即经受一次锐化——钝化——在锐化的过程，裂纹就扩展一距离。〔3〕疲乏断裂：裂纹在循环载荷作用下，不断向前扩展，但扩展至确定程度，构造即进入最终断裂阶段。

3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-5/29在焊接接头中，产生疲乏裂纹一般要比其他联接型式的循环次数少。这是由于焊接接头中不仅有应力集中〔如角焊缝的焊趾处〕，而且这部位易产生焊接接头缺陷，剩余焊接应力也比较高。疲乏断口从宏观检查来看，由疲乏裂纹产生及扩展区，和最终断裂区，断裂开头点向四周辐射出类似贝壳纹的疲乏纹。3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-6/29疲乏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逝，裂纹尖端的滑移带变宽，裂纹前端钝化，呈半圆状，此时产生新的外表，裂纹向前扩展；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，形成新外表被压向裂纹平面，形成新的切口，结果造成新的疲乏纹，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。3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-6/29二、在焊接构造中疲乏强度的常用表示法〔一〕根本概念1、疲乏强度和疲乏极限〔1〕疲乏曲线指某一材料试样用不同载荷进展屡次反复加载试验，测得不同载荷下使试样破坏所需加载循环次数所绘制成σ-N疲乏曲线3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-6/29〔2〕疲乏强度为在某一N循环次数下破坏应力，称为在该N循环下的疲乏强度。〔3〕疲乏极限是指在N次以后其强度不再下降到达饱和极限，如以下图水平线代表疲乏极限的数值。3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-6/292、应力循环特性疲乏强度的数值与应力循环特性有关，应力循环特性主要用以下参量表示：平均应力(2)应力振幅(3)应力循环特性系数其中σmaxσmin应力循环内的最大应力和最小应力γ的变化范围为-∞~+1由上式可见σmax=σm+σa,σmin=σm-σa,可以把任意载荷看作是某个不变的平均应力〔静载的恒定应力局部〕和应力振幅〔交变应力局部〕的组合。3焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-7/293、特殊循环特性变动载荷如图7所示。(1)对称交变载荷σmin=-σmax而γ=-1，其疲乏强度用σ