《IWE動(dòng)載焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及其設(shè)計(jì)-斷裂力學(xué)工程師.ppt》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《IWE動(dòng)載焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及其設(shè)計(jì)-斷裂力學(xué)工程師.ppt（63頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、動(dòng)載焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及其設(shè)計(jì),,哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊建國(guó),( IWE-T/3.3),2009.03,斷 裂 力 學(xué),,( IWE-3.6),1 概述,自從焊接結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用以來(lái)，發(fā)現(xiàn)以承受動(dòng)載為主的焊接結(jié)構(gòu)，在遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命時(shí)就出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，通常發(fā)生脆性斷裂和疲勞斷裂兩大類(lèi)破壞事故。 脆性斷裂事故的焊接結(jié)構(gòu)數(shù)量與安全工作的焊接結(jié)構(gòu)數(shù)量相比雖然是很少。但是，由于這種事故具有突發(fā)性，不易預(yù)防的特點(diǎn)，其后果往往是十分嚴(yán)重的，甚至是災(zāi)難性的，所以引起人們高度重視。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,例子： 第二次世界大戰(zhàn)前夕，在比利時(shí)的阿爾貝特(Albert)運(yùn)河上建造了約50 座全焊接拱
2、形空腹式桁架鋼橋。材料為比利時(shí)9t42 轉(zhuǎn)爐鋼。 (1)其中跨度為48.78m 的長(zhǎng)里華大橋在-14時(shí)脆斷。 (2)1938 年3月，比利時(shí)哈瑟爾特全焊拱形空腹式鋼橋在交付使用1 年后，當(dāng)一輛電車(chē)和幾個(gè)行人通過(guò)時(shí)，突然斷裂為三段，墜人阿爾貝特運(yùn)河。該橋跨度74.5m，該橋第一條裂縫由下弦開(kāi)始并發(fā)生巨響，6min 后垮塌,當(dāng)時(shí)橋上荷載很小,氣溫較低,為-20。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,(3)跨度60.98m 的亥倫脫爾一奧蘭(Herenthals-Olen)大橋在1940 年1 月19 日破壞，當(dāng)時(shí)的氣溫為-14，其中有一條裂縫長(zhǎng)達(dá)2.1m，寬為25mm，但此橋未坍落，且在開(kāi)裂后
3、5h，當(dāng)一列火車(chē)通過(guò)時(shí)此橋竟平安無(wú)事。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1938 年至1950 年在比利時(shí)共有14 座大橋斷裂，其中有6 座橋梁屬負(fù)溫下冷脆斷裂，大部分在下弦與橋墩支座的連接處斷裂且應(yīng)力處于極限狀態(tài)。歸結(jié)大橋斷裂的原因主要有四點(diǎn)：應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、低溫和沖擊韌性值k 太小。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,國(guó)內(nèi)典型例子 1995年1月8日發(fā)生在黑龍江省某地的糖廠(chǎng)，該糖廠(chǎng)一臺(tái)使用了20年的直徑為24m、高16m的圓筒形糖蜜貯罐在凌晨五點(diǎn)左右突然開(kāi)裂，導(dǎo)致4000噸糖蜜傾瀉而出，造成人員和巨大經(jīng)濟(jì)損失。事故原因?yàn)榈蛻?yīng)力脆斷。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,,IWE-T/3.3-1
4、/29,布局 焊縫,1 概述,,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,在工程上，按照斷裂前塑性變形大小，將斷裂分為延性斷裂（亦稱(chēng)為塑性斷裂和韌性斷裂）和脆性斷裂兩種。延性斷裂在斷裂前有較大的塑性變形；脆性斷裂前沒(méi)有或只有少量塑性變形，斷裂突然發(fā)生并快速發(fā)展（裂紋擴(kuò)展速率高達(dá)15002000m/s）。同一材料在不同條件下也會(huì)出現(xiàn)不同斷裂形式，例如低碳鋼通常認(rèn)為是塑性很高，被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)中。但是在一定條件下，低碳鋼構(gòu)件也會(huì)發(fā)生脆性斷裂。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,脆性斷裂根本之原因是材料局部處塑性變形能不足
5、所致。大量脆斷事故研究表明，造成焊接脆斷的原因是多方面的：主要是材料選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)不合理和制造工藝及檢驗(yàn)技術(shù)不完善等。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,脆性斷裂的特點(diǎn)為： (1) 脆斷一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒(méi)有顯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(kāi)始，即構(gòu)件內(nèi)存在缺陷，尤其焊接裂縫等。 (3) 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(dòng)載作用下）的情況下。 (4) 塑性材料也發(fā)生脆性斷裂。 脆性斷裂根本之原因是材料局部處塑性變形能不足所致。大量脆斷事故研究表明，造成焊接脆斷的原因是多方面的：主要是材料選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)不合理和制造工藝及檢驗(yàn)技術(shù)不完善
6、等。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,影響金屬脆性斷裂的因素： 同一種材料在不同受力條件下，可以顯示出不同破壞形式。研究表明，其最重要的影響因素是溫度，其次為應(yīng)力狀態(tài)、加載速度。 這就是說(shuō)在一定的溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度下，材料如果是塑性破壞，而在另外條件下，材料可呈脆性破壞。 此外晶粒度及其顯微組織對(duì)材料破壞傾向也有很大影響。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,（1）溫度的影響 溫度對(duì)材料的破壞方式影響最大，降低溫度就可以使破壞方式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。這是因?yàn)殡S溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危險(xiǎn)性增大，材料將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。 塑性到脆性斷裂的
7、轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為材料轉(zhuǎn)變溫度，此溫度越高，材料的脆斷可能性增加。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,由于解理斷裂通常發(fā)生在體心立方和密集六方點(diǎn)陣的金屬和合金中，只在特殊情況下，如應(yīng)力腐蝕條件下，才在面心立方點(diǎn)陣的金屬中發(fā)生，因此面心立方點(diǎn)陣的金屬（如奧氏不銹鋼），可以在很低溫度下工作而不發(fā)生脆性斷裂。,第四章 脆斷-4/45,1 概述,（2）應(yīng)力狀態(tài)的影響 物體在受外載時(shí)，在不同的截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，其中必有一個(gè)最大正應(yīng)力max和最大切應(yīng)力max。 max和max及其比值 與加載方式有關(guān)。 稱(chēng)為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，與加載方式和構(gòu)件形狀有關(guān)。的應(yīng)力狀態(tài)有利塑性變形
8、切應(yīng)力的韌性斷裂，而則有利正應(yīng)力的脆性斷裂。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,力學(xué)狀態(tài)圖,第四章 脆斷-5/45,正斷抗力,剪切屈服,剪切抗力,1 概述,單軸拉伸時(shí)， =1/2,第四章 脆斷-5/45,1 概述,在實(shí)際結(jié)構(gòu)中三軸應(yīng)力可能由三軸載荷產(chǎn)生，但更多的情況下是由于結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)性引起的。在三軸拉伸時(shí)，最大應(yīng)力就超出單軸拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，形成很高的局部應(yīng)力而材料尚未發(fā)生屈服，結(jié)果降低了材料塑性，使該處材料變脆。這說(shuō)明了為什么脆斷事故一般都起源于具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口處，而在試驗(yàn)中也只有引入這樣的缺口才能產(chǎn)生脆性行為。,第四章 脆斷-5/45,1 概述,（3）加載速度的影響
9、 研究表明提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當(dāng)于降低溫度。 還應(yīng)指出，在同樣加載速度下，結(jié)構(gòu)中有缺口時(shí)，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)加倍的不利的影響，因?yàn)榇藭r(shí)應(yīng)力集中大大降低了材料的局部塑性。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,（4）材料狀態(tài)影響： 1）板厚度的影響: 首先厚板在缺口處容易形成三向應(yīng)力的平面應(yīng)變狀態(tài)，另外板厚軋制次數(shù)少，組織疏松，內(nèi)外性能不均： 2）晶粒影響: 晶粒度對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度有很大影響，晶粒越細(xì)，其轉(zhuǎn)變溫度降低； 3）化學(xué)成分影響: 鋼中C、N、O、H、S、P增加鋼中的脆性。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,疲勞斷裂 疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用
10、下失效的一種主要形式，統(tǒng)計(jì)資料表明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90%，這種結(jié)構(gòu)的斷裂形式與脆性斷裂形式不一樣。 疲勞斷裂與脆性斷裂相比較： 相同點(diǎn)： 二者斷裂時(shí)形變都很小，并都在動(dòng)載作用下斷裂，,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,,第四章 脆斷-8/45,1 概述,不同點(diǎn)： （1）載荷：疲勞斷裂需要多次加載，而脆斷一般不需要多次加載； （2）時(shí)間：脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂縫的擴(kuò)展則是緩慢的，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間。 （3）溫度：對(duì)脆斷來(lái)說(shuō)，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆斷的危險(xiǎn)性迅速增加。但疲勞強(qiáng)度卻不是這樣。 （4）斷口：疲勞斷裂和脆性斷裂相比較
11、還有不同的斷口特征等。,IWE-T/3.3-1/29,1 概述,眾多焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂事故中，可以清楚的看到焊接接頭的重要影響，疲勞破壞一般都是從應(yīng)力集中處開(kāi)始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫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(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度）、頻率高； 低周疲勞：應(yīng)力高（接近屈服強(qiáng)度）、頻率低。,IWE-T/3.3-1/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,一、斷裂力學(xué) 經(jīng)典力學(xué)：常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算方法是以材料為基礎(chǔ)，把材料抽象為均勻、連續(xù)和各向同性的，未考慮材料的內(nèi)部缺陷，用s、b和安全系數(shù)n反映結(jié)構(gòu)安全可靠性，它與破壞過(guò)程均無(wú)直接聯(lián)系。 斷裂力學(xué)：為了探索缺陷對(duì)材料強(qiáng)度的影響，
12、研究材料抗斷裂性能指標(biāo)，建立破壞條件，提出具有缺陷構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算方法，研究含有缺陷宏觀裂紋構(gòu)件的安全性，而建立起斷裂力學(xué)。,IWE-T/3.3-1/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,（一）斷裂力學(xué)研究任務(wù) 通過(guò)研究裂紋尖端局部區(qū)域的應(yīng)力和變形情況，掌握裂紋在外載荷作用下擴(kuò)展規(guī)律，了解帶裂紋構(gòu)件的承載能力，從而提出抗斷設(shè)計(jì)的方法，保證構(gòu)件的安全工作。 研究表明，實(shí)際結(jié)構(gòu)的破壞，不取決于平均應(yīng)力，而取決于缺陷鄰近的局部應(yīng)力和應(yīng)力集中程度，使結(jié)構(gòu)在低應(yīng)力下，由宏觀裂紋源的擴(kuò)展而引起破壞。,IWE-T/3.3-2/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,裂紋的擴(kuò)展可分為穩(wěn)定擴(kuò)展（又稱(chēng)亞臨界擴(kuò)展）
13、和失穩(wěn)擴(kuò)展（不穩(wěn)定擴(kuò)展）： 裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展：是裂紋在不斷接受外界能量情況才會(huì)擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展屬于此類(lèi)擴(kuò)展。 裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展：是指裂紋在不需要外界繼續(xù)提供能量情況下裂紋就擴(kuò)展，低應(yīng)力脆斷時(shí)裂紋擴(kuò)展屬于此種。,IWE-T/3.3-2/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,不穩(wěn)定擴(kuò)展的主要原因： （1) 裂紋很尖銳，造成高度的應(yīng)力集中； （2) 裂紋很深，裂紋尖端區(qū)域造成充分的三向應(yīng)力狀態(tài)； （3）裂紋的擴(kuò)展會(huì)釋放出大量的彈性應(yīng)變能，這是失穩(wěn)擴(kuò)展的基本能源； （4）在一定應(yīng)力水平下，裂紋尺寸在一定大小以上，由于放出能量造成裂紋擴(kuò)展，這尺寸稱(chēng)為裂紋擴(kuò)展的臨界尺寸。小于臨界尺寸裂紋稱(chēng)亞臨界裂紋，
14、不會(huì)自行擴(kuò)展。,IWE-T/3.3-2/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,（二） 斷裂力學(xué)研究對(duì)象 1、 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué) 將材料當(dāng)作理想線(xiàn)彈性體來(lái)研究斷裂機(jī)理，即含有裂紋材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。用于裂紋尖端產(chǎn)生小范圍屈服的研究，在工程實(shí)踐中應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼、厚截面中強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，塑性變形小和對(duì)中低強(qiáng)度鋼的結(jié)構(gòu)。 2、非線(xiàn)性斷裂力學(xué) 用有關(guān)彈塑性線(xiàn)性理論，來(lái)分析裂紋尖端存在塑性變形區(qū)及其斷裂破壞機(jī)理，用于中、低強(qiáng)度具有較大韌性的材料。,IWE-T/3.3-2/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,斷裂力學(xué)的任務(wù)： 宏觀裂紋源在什么條件下會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)擴(kuò)展以致斷裂； 建立裂紋尺寸和破壞
15、應(yīng)力之間的關(guān)系。 它對(duì)焊接結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、合理選材、改進(jìn)材質(zhì)和施工工藝以及制定科學(xué)的概念標(biāo)準(zhǔn)等都有重要意義。,IWE-T/3.3-2/29,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,,IWE-T/3.3-2/29,二 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子 1、應(yīng)力強(qiáng)度因子: 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料脆性斷裂前基本上是彈性變形，其中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線(xiàn)性關(guān)系，在這樣條件下，就可用材料力學(xué)來(lái)分析裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。用彈性力學(xué)理論分析圖1所示，在裂紋尖端附近任一點(diǎn)P各應(yīng)力分量為：,r,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-2/29,從上面式中看出，各應(yīng)力分量均有一個(gè)共同的因子，它表示裂紋在名義應(yīng)力作用下處于彈性平衡狀態(tài)，
16、裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱。它的大小就確定裂紋尖端附近各點(diǎn)應(yīng)力大小。其應(yīng)力不僅與名義應(yīng)力有關(guān)，而且與裂紋大小有關(guān)。因此，K1表示尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的因子，簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)力強(qiáng)度因子： Y裂紋形狀因子，是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)，2a裂紋長(zhǎng)度。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-3/29,裂紋擴(kuò)展方式： （1）張開(kāi)型：在垂直裂紋面的拉應(yīng)力作用下，使裂紋張開(kāi)而擴(kuò)展。（最危險(xiǎn)，著重研究）（2）滑移型：在平行于裂紋表面且垂直于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋滑動(dòng)而擴(kuò)展。 （3）撕裂型：在平行于裂紋表面且平行于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋撕開(kāi)而擴(kuò)展。,2、裂紋擴(kuò)展形式 裂紋類(lèi)型：穿透裂紋、表面裂紋和內(nèi)部裂紋
17、三種。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-3/29,張開(kāi)型是最常見(jiàn)又最危險(xiǎn)，裂紋容易擴(kuò)展，因此通常研究這種類(lèi)型低應(yīng)力脆斷問(wèn)題,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-3/29,3 平面應(yīng)力和平面應(yīng)變 （1）平面應(yīng)力狀態(tài): 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(wèn)題，但在工程實(shí)際中有時(shí)往往可以簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，如當(dāng)z=0,則就處于 x、y 平面應(yīng)力狀態(tài). 應(yīng)力： 應(yīng)變：,,,,,由上式可見(jiàn)平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)是三向應(yīng)變問(wèn)題。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-3/29,（2）平面應(yīng)變狀態(tài) 如果在Z方向把受力物體加以固定，不能收縮，即x=0，
18、這時(shí)就相當(dāng)于在Z方向加一個(gè)應(yīng)力z，此時(shí)彈性?xún)?nèi)應(yīng)力應(yīng)變稱(chēng)為平面應(yīng)變狀態(tài)。 應(yīng)力： 應(yīng)變：,,,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-4/29,平面應(yīng)力與平面應(yīng)變相同處: 只要求出x,y,xy就可知z 平面應(yīng)力與平面應(yīng)變不同處: 平面應(yīng)力狀態(tài)z=0, 相當(dāng)構(gòu)件厚度很?。?平面應(yīng)變狀態(tài)z=(x+y),z=0，相當(dāng)于構(gòu)件厚度很大。 由此可得出板厚關(guān)系到斷裂形式，隨厚度的增加，其塑性變形減少，向平面應(yīng)變狀態(tài)發(fā)展，容易引起三向應(yīng)力的斷裂。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-4/29,4、應(yīng)力強(qiáng)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)力強(qiáng)度的力學(xué)
19、參數(shù)。當(dāng)有裂紋的構(gòu)件在外力作用逐漸增大，裂紋逐漸擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K也隨之逐漸增加，當(dāng)K達(dá)到臨界值，構(gòu)件中的裂紋將產(chǎn)生突然的失穩(wěn)擴(kuò)張，這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子K的臨界值，稱(chēng)為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，它就是材料的斷裂韌性。用Kc表示。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，即抵抗脆性斷裂的能力，所以平面應(yīng)變條件下的脆性斷裂判據(jù)為KKc,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-4/29,Kc稱(chēng)為材料的斷裂韌性，由實(shí)驗(yàn)得出，表示材料抗裂能力的力學(xué)性能指標(biāo)。 Kc與試件的幾何形狀（板厚）、受力情況、試驗(yàn)環(huán)境（溫度）等因素有關(guān)。張開(kāi)型裂紋在平面應(yīng)力狀態(tài)下，最容易產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展，通常Kc都是在厚板下用張開(kāi)型
20、裂紋下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，求得平面應(yīng)變下平面應(yīng)變斷裂韌性Kc,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-4/29,5、線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)在小塑性區(qū)的應(yīng)用 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)只適用于線(xiàn)彈性體，而實(shí)際上金屬材料在裂紋尖端區(qū)總有少量塑性變形，線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)原則上不再適用，但當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)遠(yuǎn)較裂紋尺寸?。ǚQ(chēng)為小范圍屈服）情況下，仍可按線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的近似地估計(jì)出真實(shí)性能，而被推廣使用。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-4/29,三、彈塑性狀態(tài)的斷裂力學(xué) 當(dāng)裂紋尖端的塑性尺寸達(dá)到同一數(shù)量級(jí)時(shí)，發(fā)生所謂大范圍屈服的情況（這在中、低強(qiáng)度材料中是常見(jiàn)的），裂紋尖端近處的應(yīng)力場(chǎng)已不能用彈性斷裂力學(xué)強(qiáng)
21、度因子描述，要用彈塑性斷裂力學(xué)來(lái)解決。 目前裂紋張開(kāi)位移（所謂COD）和形變功差率（所謂J積分）來(lái)描述大范圍屈服裂紋尖端的力學(xué)狀態(tài)。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-4/29,1、裂紋尖端張開(kāi)位移COD COD就是材料受載后裂紋尖端的張開(kāi)位移，一般用表示，它是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的一個(gè)參量。,當(dāng)裂紋開(kāi)裂時(shí)的臨界值c作為材料斷裂韌性指標(biāo)。 用c作為斷裂判據(jù)來(lái)預(yù)計(jì)材料屈服破壞時(shí)的工作應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-5/29,2、J積分：J積分是采用圍繞裂紋尖端任意回路的能量線(xiàn)積分，也就是用能量觀點(diǎn)來(lái)討論斷裂判據(jù)，這樣它就適用于裂紋尖端前有
22、較大塑性區(qū)的材料斷裂問(wèn)題 3、斷裂韌性的測(cè)定：測(cè)定斷裂韌性的試樣不同于一般常規(guī)機(jī)械性能的試樣，它有兩個(gè)基本特點(diǎn)，其一，試樣需預(yù)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處于平面應(yīng)變狀態(tài)。 測(cè)定斷裂韌性試樣常用的有三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸試樣狀態(tài)。,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-5/29,,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-5/29,,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-1/29,四、斷裂力學(xué)在脆性破壞問(wèn)題中的應(yīng)用 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)是采用K1K1C斷裂判據(jù)來(lái)解決斷裂問(wèn)題，其程序是： 1、計(jì)算裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1： 根據(jù)
23、給定的載荷和結(jié)構(gòu)形式，查閱應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)，按一定的方法 進(jìn)行計(jì)算。 2、 測(cè)定材料的斷裂韌性K1C： 采用三點(diǎn)彎曲試樣或緊湊拉伸試樣等實(shí)驗(yàn)方法求得平面應(yīng)變斷裂韌性K1C。,,2 斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用,IWE-T/3.3-1/29,3、應(yīng)用斷裂判據(jù)K1K1C，求得構(gòu)件上工作應(yīng)力和裂紋參數(shù)之間關(guān)系，從而可以： （1）在已知構(gòu)件上工作應(yīng)力下確定臨界裂紋尺寸c,考慮一定安全系數(shù)nc,就可得出容許裂紋長(zhǎng)度，作為質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 （2）已知構(gòu)件上裂紋長(zhǎng)度，確定臨界工作應(yīng)力c,得到容許應(yīng)力,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-5/29,焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)
24、的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-5/29,疲勞斷裂是焊接金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，它發(fā)生在承受交變或波動(dòng)應(yīng)變的構(gòu)件中，一般說(shuō)來(lái)，其最大應(yīng)力低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于材料的屈服點(diǎn)，因此斷裂往往是無(wú)明顯塑性變形的低應(yīng)力斷裂。 疲勞斷裂過(guò)程的研究表明，疲勞壽命不是決定于裂紋產(chǎn)生，而是決定裂紋增大和擴(kuò)展。 從疲勞的斷口，可以看出在疲勞核心周?chē)嬖诜浅９饣浅＜?xì)潔，貝紋線(xiàn)不明顯的狹小區(qū)域，從本質(zhì)上看就是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。 下面以疲勞斷裂過(guò)程予以說(shuō)明。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-5/29,一、疲勞斷裂的過(guò)程 在交變載荷的作用下，在構(gòu)件上會(huì)產(chǎn)生微觀上和宏觀上都可見(jiàn)的塑性形變，這種塑
25、性變形阻礙破斷的迅速發(fā)展，在交變應(yīng)力的作用下會(huì)在某些局部出產(chǎn)生微觀和宏觀裂紋，這些裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展到最后斷裂區(qū)域。就會(huì)引起破裂，由此可見(jiàn)疲勞斷裂過(guò)程一般有仨個(gè)階段所組成： （1）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋源：通常把裂紋長(zhǎng)到1000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(gè)疲勞過(guò)程中的一個(gè)短的時(shí)間。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-5/29,（2）疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程：在這過(guò)程中,在均勻循環(huán)應(yīng)力作用下，只要應(yīng)力值足夠大，一般每一次應(yīng)力循環(huán)將在斷裂表面產(chǎn)生一道輝紋，即每經(jīng)過(guò)一次加載循環(huán)，在裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化鈍化在銳化的過(guò)程，裂紋就擴(kuò)展一距離。 （3）
26、疲勞斷裂：裂紋在循環(huán)載荷作用下，不斷向前擴(kuò)展，但擴(kuò)展至一定程度，結(jié)構(gòu)即進(jìn)入最后斷裂階段。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-5/29,在焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋一般要比其他聯(lián)接型式的循環(huán)次數(shù)少。這是因?yàn)楹附咏宇^中不僅有應(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，殘余焊接應(yīng)力也比較高。,疲勞斷口從宏觀檢查來(lái)看，由疲勞裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)，和最后斷裂區(qū)，斷裂開(kāi)始點(diǎn)向四周輻射出類(lèi)似貝殼紋的疲勞紋。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-6/29,疲勞裂紋擴(kuò)展輝紋形成機(jī)制由不同解釋模型，其中塑性鈍化模型示意圖如下。,未加載荷裂紋閉合形態(tài)； 在加載段拉應(yīng)力作用下，
27、裂紋張開(kāi)，裂紋尖端兩個(gè)小切口使之向45滑移； 拉應(yīng)力大最大值時(shí)，裂紋因變形使應(yīng)力集中的效應(yīng)消失，裂紋尖端的滑移帶變寬，裂紋前端鈍化，呈半圓狀，此時(shí)產(chǎn)生新的表面，裂紋向前擴(kuò)展； 去載拉應(yīng)力下降，沿滑移帶向相反方向滑移； 加載后半周處于壓應(yīng)力，形成新表面被壓向裂紋平面，形成新的切口，結(jié)果造成新的疲勞紋，其間距為c，即為輝紋寬度，該理論認(rèn)為每一次循環(huán)加載，就產(chǎn)生一道輝紋。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-6/29,二、在焊接結(jié)構(gòu)中疲勞強(qiáng)度的常用表示法 （一）基本概念 1、疲勞強(qiáng)度和疲勞極限 （1）疲勞曲線(xiàn) 指某一材料試樣用不同載荷進(jìn)行多次反復(fù)加載試驗(yàn)，測(cè)得不同載荷下使試樣破壞所需加
28、載循環(huán)次數(shù)所繪制成-N疲勞曲線(xiàn),3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-6/29,（2） 疲勞強(qiáng)度 為在某一N循環(huán)次數(shù)下破壞應(yīng)力，稱(chēng)為在該N循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度。 （3） 疲勞極限 是指在N次以后其強(qiáng)度不再下降達(dá)到飽和極限，如圖所示水平線(xiàn)代表疲勞極限的數(shù)值。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-6/29,2、應(yīng)力循環(huán)特性 疲勞強(qiáng)度的數(shù)值與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)，應(yīng)力循環(huán)特性主要用下列參量表示： 平均應(yīng)力 (2) 應(yīng)力振幅 (3) 應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù) 其中max min應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力 的變化范圍為 -+1 由上式可見(jiàn)max=m+a, min=
29、m-a,可以把任意載荷看作是某個(gè)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)力部分）的組合。,,,,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-7/29,3、特殊循環(huán)特性變動(dòng)載荷如圖7所示。 (1) 對(duì)稱(chēng)交變載荷min= -max而=-1，其疲勞強(qiáng)度用 -1表示。 (2) 脈動(dòng)載荷min=0而=0，其疲勞強(qiáng)度用0表示。 (3) 拉伸變載荷min和max均為拉應(yīng)力，但大小不等，0<<1，其疲勞強(qiáng)度用，,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-7/29,(二)、疲勞強(qiáng)度的常用表示法 為了表達(dá)疲勞強(qiáng)度和循環(huán)特性之間關(guān)系，可繪出下列幾種形式的疲勞圖，從其圖中可得到各種循環(huán)特
30、性下的疲勞強(qiáng)度，表示某種材料疲勞性能。,1、max和表示的疲勞圖（如圖所示），它能直接的將max和的關(guān)系表示出來(lái)。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-7/29,2、用max 和m表示的疲勞圖如圖9所示， 從該疲勞圖上可以用作圖法求出任何循環(huán)特性系數(shù)（）下的疲勞強(qiáng)度。,自0點(diǎn)作一與水平線(xiàn)成角的直線(xiàn)，使tg= max/m=2max/(max+min )=2/(1+)則直線(xiàn)與圖形上部曲線(xiàn)交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的應(yīng)力值就是循環(huán)特性下的疲勞強(qiáng)度r 。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-8/29,3、m和a表示的疲勞圖 曲線(xiàn)上各點(diǎn)疲勞強(qiáng)度r=a+m?？v坐標(biāo)A交點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)循環(huán)是疲勞
31、強(qiáng)度-1，橫坐標(biāo)B交點(diǎn)為靜載強(qiáng)度b，從0作45射線(xiàn)與曲線(xiàn)交點(diǎn)C,,表示脈動(dòng)循環(huán)，其疲勞強(qiáng)度0 =a+m = 2a= 2m 若自0點(diǎn)作角射線(xiàn)與曲線(xiàn)相交，并使， 則交點(diǎn)的a+m=r，即為時(shí)疲勞強(qiáng)度。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-8/29,4、max和min表示的疲勞圖 由原點(diǎn)0出發(fā)的每條射線(xiàn)代表一種循環(huán)特性，如原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)成45的直線(xiàn)表示交變載荷， ，它與曲線(xiàn)交于B點(diǎn)，為-1，向右與,,橫坐標(biāo)45的直線(xiàn)表示載荷r=1，它與曲線(xiàn)交于D點(diǎn)，為靜載強(qiáng)度b，而縱坐標(biāo)本身又表示脈動(dòng)載荷=0，為0。,3 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,IWE-T/3.3-8/29,圖為一組實(shí)例。該鋼種的靜載強(qiáng)度為60kgf/mm2(588MPa)，200萬(wàn)次脈動(dòng)循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為31 kgf/mm2(304MPa)，而其交變載荷r=-1的疲勞強(qiáng)度為20 kgf/mm2（196 MPa）。對(duì)于,r=0.5時(shí)的疲勞強(qiáng)度，根據(jù)AD BC線(xiàn)的交點(diǎn)即可找出為42 kgf/mm2等。同樣在圖上也可找到n=100萬(wàn)次的各種循環(huán)特性的疲勞強(qiáng)度值。,
IWE動(dòng)載焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及其設(shè)計(jì)-斷裂力學(xué)工程師.ppt
