《斷裂力學(xué)》PPT課件.ppt

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1、 國(guó) 際 焊 接 學(xué) 會(huì) 授 權(quán) 的 培 訓(xùn) 機(jī) 構(gòu) 哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心 Harbin Welding Training Institute 國(guó) 際 焊 接 工 程 師 培 訓(xùn) 課 程Training Course for International Welding Engineer IIW Authorised Training Body 3/3.10-11斷 裂 力 學(xué) Introduction to fracture mechanics IIW Authorized Training Body 主 要 內(nèi) 容 疲 勞 和 脆 性 斷 裂 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 斷 裂 力 學(xué) 的

2、 應(yīng) 用 疲 勞 強(qiáng) 度 的 基 本 概 念 影 響 焊 接 接 頭 疲 勞 強(qiáng) 度 的 因 素 提 高 焊 接 結(jié) 構(gòu) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 措 施 IIW Authorized Training Body1.1載 荷 的 分 類 與 破 壞 形 式 結(jié) 構(gòu) 承 受 載 荷 的 性 質(zhì) 、 大 小 、 方 向 、 作 用 位 置中 一 項(xiàng) 或 多 項(xiàng) 不 斷 變 化 （ 疲 勞 ） 或 變 化 過(guò) 大 、 過(guò) 速（ 沖 擊 ） 的 情 況 都 屬 于 動(dòng) 載 。1概 述 IIW Authorized Training Body 疲 勞 是 結(jié) 構(gòu) 失 效 的 基 本 形 式 ， 約 占 結(jié) 構(gòu)

3、 失 效 總 量的 80 90 。 沖 擊 載 荷 容 易 造 成 結(jié) 構(gòu) 的 脆 性 破 壞 。造 成 脆 性 破 壞 ， 或 加 速 疲 勞 破 壞 的 原 因 可 能 是 結(jié) 構(gòu)形 式 不 佳 （ 如 應(yīng) 力 集 中 嚴(yán) 重 ） 或 結(jié) 構(gòu) 工 作 環(huán) 境 的 惡化 （ 如 環(huán) 境 溫 度 變 得 過(guò) 低 ， 使 材 料 材 質(zhì) 變 脆 ； 或 環(huán)境 介 質(zhì) 腐 蝕 性 強(qiáng) ， 使 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 加 深 增 大 ） 等 。 疲 勞破 壞 和 脆 性 破 壞 都 屬 于 低 應(yīng) 力 破 壞 ， 發(fā) 生 破 壞 時(shí) 的工 作 應(yīng) 力 可 能 只 有 結(jié) 構(gòu) 材 料 屈 服 極 限 的 1/

4、2， 1/5，1/10， 甚 至 沒(méi) 有 外 載 荷 。 IIW Authorized Training Body1.2結(jié) 構(gòu) 脆 性 斷 裂 的 特 點(diǎn) 名 義 工 作 應(yīng) 力 低 : 只 有 材 料 的 1/3 1/10， 甚 至 外載 荷 等 于 零 。 斷 裂 之 前 無(wú) 明 顯 塑 性 變 形 ， 無(wú) 征 兆 ， 突 發(fā) 斷 裂 。 低 應(yīng) 力 脆 性 破 壞 多 發(fā) 生 在 低 溫 陰 冷 的 時(shí) 刻 。 發(fā) 生 低 應(yīng) 力 脆 性 斷 裂 的 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) ， 多 半 存 在 著 較 大的 內(nèi) 應(yīng) 力 ， 有 較 高 的 內(nèi) 能 。 發(fā) 生 低 應(yīng) 力 脆 性 斷 裂 的 結(jié) 構(gòu)

5、上 ， 必 有 裂 源 或 應(yīng) 力集 中 點(diǎn) 存 在 。 脆 性 斷 裂 對(duì) 缺 陷 和 應(yīng) 力 集 中 很 敏 感 。前 三 個(gè) 特 點(diǎn) ， 讓 人 猝 不 及 防 ， 容 易 造 成 嚴(yán) 重 危 害 ;后兩 個(gè) 特 點(diǎn) ， 反 映 了 低 應(yīng) 力 脆 性 斷 裂 的 必 然 性 。 IIW Authorized Training Body1.3結(jié) 構(gòu) 發(fā) 生 脆 性 斷 裂 的 原 因 和 條 件（ 金 屬 結(jié) 構(gòu) 脆 性 斷 裂 的 能 量 理 論 ） 固 體 內(nèi) 部 的 裂 紋 和 缺 陷 ， 導(dǎo) 致 其 發(fā) 生 低 應(yīng) 力 脆性 斷 裂 。 使 材 料 的 實(shí) 際 斷 裂 強(qiáng) 度 只

6、 有 其 理 論 強(qiáng) 度 的1/10 1/1000。 IIW Authorized Training Body IIW Authorized Training Body IIW Authorized Training Body IIW Authorized Training Body 表 示 能 量 的 需 要 釋 放 ， 不 能 自 動(dòng) 擴(kuò) 展 即 ， 表 示 結(jié) 構(gòu) 處 于 臨 界 狀 態(tài) 表 示 釋 放 的 能 量 需 要 ， 裂 紋 自 動(dòng) 擴(kuò) 展 ， 多余 的 能 量 以 聲 、 光 、 熱 等 形 式 釋 放 出 來(lái) ， 造 成 災(zāi)難 。 IIW Authorized Traini

7、ng Body兩 點(diǎn) 結(jié) 論 ： 由 能 量 原 理 可 以 看 出 ， 拉 應(yīng) 力 （ 可 能 包 括 外 載引 起 的 拉 應(yīng) 力 和 內(nèi) 部 殘 余 拉 應(yīng) 力 ） 是 裂 紋 產(chǎn) 生 和 擴(kuò) 展的 動(dòng) 力 ， 拉 應(yīng) 力 及 缺 陷 的 大 小 直 接 影 響 裂 紋 萌 生 和 擴(kuò)展 的 速 度 。 阻 止 裂 紋 擴(kuò) 展 的 主 要 因 素 是 壓 應(yīng) 力 和 材 料 的 塑 性變 形 。 IIW Authorized Training Body1.4 影 響 金 屬 結(jié) 構(gòu) 延 、 脆 性 斷 裂 的 主 要 因 素（ 產(chǎn) 生 脆 性 斷 裂 的 原 因 ）1.4.1內(nèi) 在 抗

8、力 因 素 材 質(zhì) 因 素 根 據(jù) 上 述 理 論 ， 金 屬 結(jié) 構(gòu) 的 延 性 或 塑性 變 形 是 裂 紋 擴(kuò) 展 的 主 要 障 礙 。 金 屬 的 化 學(xué) 成 分 及 其 晶 粒 度增 韌 元 素 ： Mn、 Ni、 Cr、 Mo、 V等 ,有 提 高 強(qiáng)度 ， 細(xì) 化 晶 粒 ， 增 加 韌 性 的 作 用 。致 脆 元 素 ： C、 S、 P、 H 、 O、 N等 ， 容 易 偏 析 ，降 低 強(qiáng) 度 ， 有 脆 化 作 用 。 IIW Authorized Training Body 延 /脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 高 （ 如 圖 ） ， 容 易 發(fā) 生 脆 性 斷 裂 。化 學(xué) 成

9、 分 和 晶 粒 度 ， 對(duì) 轉(zhuǎn) 變 溫 度 的 高 低 影 響 較 大 。 材 質(zhì) 缺 陷 （ 氣 孔 、 疏 松 、 偏 析 、 夾 雜 、 夾 渣 、 夾 層 、裂 紋 、 傷 痕 、 咬 肉 等 ） 是 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 集 中 的 根 源 ；缺 陷 較 多 、 較 大 或 處 在 拉 應(yīng) 力 區(qū) ， 則 影 響 較 大 ； 垂直 拉 應(yīng) 力 的 片 狀 缺 陷 ， 特 別 裂 紋 影 響 最 大 。 IIW Authorized Training Body 結(jié) 構(gòu) 因 素 ： 結(jié) 構(gòu) 形 體 、 尺 寸 等 影 響 應(yīng) 力 大 小 、分 布 的 因 素 ； 結(jié) 構(gòu) 表 面 形 狀 的

10、突 變 較 大 ， 則 應(yīng) 力集 中 嚴(yán) 重 ； 突 變 處 的 局 部 剛 度 過(guò) 大 ， 則 使 結(jié) 構(gòu) 對(duì) 應(yīng)力 集 中 敏 感 等 。 這 些 都 是 促 成 結(jié) 構(gòu) 脆 性 破 壞 的 重 要原 因 。 內(nèi) 部 應(yīng) 力 ： 焊 接 內(nèi) 應(yīng) 力 、 構(gòu) 件 之 間 的 拘 束 應(yīng) 力 、溫 差 應(yīng) 力 、 各 種 冷 熱 加 工 應(yīng) 力 等 在 結(jié) 構(gòu) 中 造 成 過(guò) 大 的拉 伸 內(nèi) 應(yīng) 力 。 這 與 過(guò) 大 的 外 載 荷 一 樣 ， 均 能 促 成 結(jié) 構(gòu)的 脆 性 破 壞 。 IIW Authorized Training Body1.4.2外 在 客 觀 因 素 應(yīng) 力 狀

11、 態(tài) 物 體 承 載 時(shí) ， 在 包 含 分 析 點(diǎn) 的 單 元 體 上 ，三 個(gè) 正 應(yīng) 力 和 三 個(gè) 剪 應(yīng) 力 的 大 小 ， 會(huì) 因 單 元 體 方 向 的變 化 而 變 化 。 不 同 加 載 方 式 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) m axm ax IIW Authorized Training Body 結(jié) 構(gòu) 表 面 形 狀 突 變 和 金屬 內(nèi) 部 缺 陷 ， 特 別 是 垂 直主 應(yīng) 力 方 向 的 片 狀 缺 陷 、裂 紋 等 ， 在 裂 紋 尖 端 或 在應(yīng) 力 集 中 點(diǎn) ， 會(huì) 形 成 三 向拉 伸 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) 。 內(nèi) 因 、外 因 結(jié) 合 ， 造 成 名 義 工 作

12、應(yīng) 力 很 低 時(shí) ， 發(fā) 生 脆 性 破壞 。 其 實(shí) 低 應(yīng) 力 脆 性 斷 裂 ，裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 并 不 低 。 IIW Authorized Training Body 材 料 的 塑 性 較 好 ， 即 材 料 D1的 屈 服 點(diǎn) 與 材 料 的 正斷 抗 力 的 比 值 較 小 時(shí) ， 材 料 容 易 發(fā) 生 塑 性 變 形 。 這 有三 點(diǎn) 好 處 ： 一 可 以 促 使 應(yīng) 力 集 中 點(diǎn) 的 應(yīng) 力 均 勻 化 ， 降 低 應(yīng) 力 集中 的 作 用 ；二 可 使 內(nèi) 應(yīng) 力 重 新 分 布 ， 減 小 殘 余 內(nèi) 應(yīng) 力 的 大 小 和 影響 ；三 可 通 過(guò) 一 定

13、 的 塑 性 變 形 位 移 ， 使 外 力 做 功 ， 消 耗一 部 分 內(nèi) 能 ， 減 小 脆 性 破 壞 的 危 險(xiǎn) 性 。 IIW Authorized Training Body 否 則 ， 如 果 材 料 的 塑 性 較 差 ， 如 D2， 在 外 力 增 大時(shí) ， 就 會(huì) 在 金 屬 缺 陷 部 位 ， 逐 漸 積 累 起 較 大 的 彈 性 變形 能 ， 一 旦 條 件 成 熟 ， 裂 紋 擴(kuò) 展 ， 積 累 起 來(lái) 的 彈 性 變形 能 釋 放 出 來(lái) ， 就 會(huì) 成 為 裂 紋 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 的 動(dòng) 力 ， 形 成瞬 間 發(fā) 生 的 脆 性 斷 裂 。 以 上 三 點(diǎn) 中

14、 ， 是 加 載 方 式 ， 屬 外 因 ； 、 反映 結(jié) 構(gòu) 抗 力 ， 屬 內(nèi) 因 ； 是 否 脆 斷 ， 須 綜 合 分 析 。 IIW Authorized Training Body 環(huán) 境 溫 度 低 溫 會(huì) 降 低 金 屬 材 料 抗 脆 斷 的 能 力 。 溫 度 較 高 會(huì) 增 大 金 屬 原 子 的 活 力 ， 容 易 發(fā) 生 塑 性 變形 ， 不 易 產(chǎn) 生 脆 性 斷 裂 。 低 溫 會(huì) 使 金 屬 材 料 變 脆 ， 發(fā) 生 （ 延 /脆 ） 轉(zhuǎn) 變 ， 脆斷 多 發(fā) 生 在 低 溫 時(shí) 。 加 載 速 率 正 應(yīng) 力 反 映 金 屬 內(nèi) 部 彈 性 變 形 的 大

15、小 。正 應(yīng) 力 以 聲 速 （ 高 度 ） 在 金 屬 介 質(zhì) （ 鋼 ） 中 傳 播 ，而 塑 性 變 形 只 能 以 比 較 緩 慢 的 速 度 傳 播 。 以 沖 擊 等高 速 加 載 方 式 加 載 時(shí) ， 常 常 來(lái) 不 及 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 ，而 發(fā) 生 脆 性 斷 裂 了 。 注 意 ， 表 面 形 狀 突 變 、 缺 陷 、裂 紋 等 造 成 應(yīng) 力 集 中 ， 同 樣 具 有 增 大 加 載 、 應(yīng) 變 速率 作 用 。 所 以 ， 應(yīng) 力 集 中 是 促 成 脆 性 斷 裂 重 要 因 素 。 IIW Authorized Training Body1.5預(yù) 防 脆

16、 性 斷 裂 的 措 施造 成 低 應(yīng) 力 脆 性 斷 裂 的 主 要 原 因 ， 可 概 括 為 兩 點(diǎn) ： 材 料 在 工 作 條 件 下 的 韌 性 不 足 ； 缺 陷 的 存 在 和 過(guò) 大 的 拉 應(yīng) 力 （ 包 括 工 作 應(yīng) 力 、殘 余 應(yīng) 力 、 附 加 應(yīng) 力 和 應(yīng) 力 集 中 等 ） 。 針 對(duì) 這 兩 點(diǎn) ，預(yù) 防 措 施 有 四 條 ： IIW Authorized Training Body1.5.1正 確 選 擇 材 料 按 照 使 用 要 求 ， 對(duì) 材 料 的 強(qiáng) 度 要 求 較 高 時(shí) ， 對(duì) 其塑 性 韌 性 的 要 求 也 較 高 。 但 實(shí) 際 結(jié)

17、構(gòu) 材 料 及 其 生 產(chǎn) 制造 工 藝 所 能 達(dá) 到 情 況 卻 與 需 求 相 反 ， 材 料 強(qiáng) 度 較 低 時(shí) ，常 有 較 大 的 塑 性 儲(chǔ) 備 ， 而 材 料 強(qiáng) 度 較 高 時(shí) ， 塑 性 韌 性卻 明 顯 不 足 。 IIW Authorized Training Body 焊 接 接 頭 難 免 有 焊 接 缺 陷 。 低 強(qiáng) 材 料 的 焊 接 接 頭 ， 采 用 高組 配 ， 是 高 強(qiáng) 度 組 配 ， 承 載 后 母材 屈 服 時(shí) ， 焊 縫 的 變 形 仍 然 很 小 ，不 易 發(fā) 生 徑 縮 ， 雖 然 焊 縫 中 可 能有 缺 陷 ， 仍 能 保 證 接 頭

18、與 母 材 等強(qiáng) 度 。 IIW Authorized Training Body 高 強(qiáng) 材 料 的 焊 接 接 頭 采 用 低 組 配 ，這 實(shí) 際 上 ， 是 高 韌 性 組 配 ， 焊 縫 材 料化 學(xué) 成 分 純 度 高 ， 雜 質(zhì) 少 ， 韌 性 好 ，接 頭 承 載 時(shí) ， 焊 縫 金 屬 和 母 材 相 比 ，有 一 定 的 塑 性 變 形 能 力 ， 有 利 于 減 小缺 陷 或 應(yīng) 力 集 中 的 影 響 ， 促 使 應(yīng) 力 均勻 化 ， 推 遲 裂 紋 的 萌 生 ， 減 緩 裂 紋 的擴(kuò) 展 。 另 外 ， 高 韌 性 ， 低 組 配 的 焊 接接 頭 ， 工 藝 性

19、好 ， 焊 接 缺 陷 少 。 焊 縫寬 度 較 窄 時(shí) （ 窄 間 隙 焊 接 ） ， 高 韌 性 ，低 組 配 的 焊 接 接 頭 能 與 母 材 等 強(qiáng) 度 。 IIW Authorized Training Body IIW Authorized Training Body1.5.2正 確 設(shè) 計(jì) 盡 量 采 用 合 理 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 去 提 高 結(jié) 構(gòu) 的 強(qiáng) 度 、剛 度 等 承 載 能 力 ， 盲 目 加 厚 、 加 大 構(gòu) 件 尺 寸 ， 并 非明 智 之 舉 。 厚 度 大 ， 則 冶 金 缺 陷 較 多 ， 容 易 引 起 三向 應(yīng) 力 和 應(yīng) 力 集 中 。 IIW

20、 Authorized Training Body 盡 量 減 小 結(jié) 構(gòu) 和 焊 接 接 頭 部 位 的 應(yīng) 力 集 中 盡 量 采 用 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) 較 小 的 對(duì) 接 接 頭 ， 并 注 意 開(kāi)緩 和 槽 ， 做 到 圓 滑 過(guò) 渡 ， 必 要 時(shí) 可 以 修 磨 平 滑 。 IIW Authorized Training Body 盡 量 避 免 接 頭 區(qū) 局 部 剛 度 過(guò) 大 ， 局 部 剛 度 越 大 ，對(duì) 應(yīng) 力 集 中 越 敏 感 。 注 意 結(jié) 構(gòu) 中 次 要 元 件 的 質(zhì) 量 。 次 要 附 件 的 結(jié) 構(gòu) 形式 不 好 或 焊 接 質(zhì) 量 不 好 ， 也

21、可 能 引 起 主 干 結(jié) 構(gòu) 的 破 壞 。 原 設(shè) 計(jì) 改 進(jìn) 后 的 方 案 IIW Authorized Training Body1.5.3合 理 安 排 結(jié) 構(gòu) 制 造 工 藝 合 理 選 擇 焊 接 材 料 、 焊 接 方 法 和 焊 接 工 藝 參 量控 制 焊 接 線 能 量 ， 盡 量 減 少 、 減 小 工 藝 缺 陷 。 嚴(yán) 格 生 產(chǎn) 管 理 和 產(chǎn) 品 檢 驗(yàn) 制 度 ， 把 工 藝 缺 陷（ 引 弧 、 息 弧 弧 坑 、 夾 渣 、 咬 肉 等 ） 消 滅 在 生 產(chǎn) 過(guò)程 中 。 不 可 隨 意 在 工 件 上 焊 附 件 ， 去 掉 時(shí) 要 磨 平 。 采

22、用 過(guò) 載 拉 伸 、 熱 處 理 等 適 當(dāng) 的 措 施 ， 消 除 或改 善 結(jié) 構(gòu) 的 殘 余 應(yīng) 力 分 布 。 妥 善 保 管 產(chǎn) 品 成 品 、 半 成 品 ， 避 免 造 成 附 加 應(yīng)力 ， 溫 度 應(yīng) 力 等 。 IIW Authorized Training Body1.5.4正 確 使 用 ， 精 心 維 護(hù) 注 意 工 作 環(huán) 境 防 腐 ， 防 止 環(huán) 境 溫 差 造 成 內(nèi) 應(yīng) 力 ，防 止 結(jié) 構(gòu) 重 要 部 位 受 到 急 冷 的 襲 擊 。 IIW Authorized Training Body2.1斷 裂 力 學(xué) 的 概 念 、 任 務(wù) 及 研 究 對(duì) 象

23、 常 規(guī) 的 強(qiáng) 度 計(jì) 算 方 法 中 ， 以 b、 s來(lái) 衡 量 材 料 的 抗斷 能 力 ， 并 把 材 料 抽 象 為 均 質(zhì) 、 連 續(xù) 和 各 向 同 性 的 ，不 計(jì) 算 材 料 內(nèi) 部 缺 陷 、 內(nèi) 應(yīng) 力 、 表 面 應(yīng) 力 集 中 的 作 用 ，而 以 安 全 系 數(shù) 統(tǒng) 籌 考 慮 它 們 的 影 響 。 近 代 高 強(qiáng) 合 金 材 料 大 量 涌 現(xiàn) ， 強(qiáng) 度 越 來(lái) 越 高 ， 結(jié)構(gòu) 越 來(lái) 越 輕 巧 ， 但 材 料 的 塑 性 儲(chǔ) 備 越 來(lái) 越 小 ， 對(duì) 缺 陷 、應(yīng) 力 集 中 、 內(nèi) 應(yīng) 力 的 影 響 越 來(lái) 越 敏 感 ， 低 應(yīng) 力 脆 性 破壞

24、 事 故 屢 屢 發(fā) 生 ， 給 人 類 造 成 巨 大 損 失 ， 斷 裂 力 學(xué) 應(yīng)運(yùn) 而 生 。 2斷 裂 力 學(xué) 及 其 在 焊 接 中 的 應(yīng) 用 IIW Authorized Training Body2.1.1斷 裂 力 學(xué) 的 概 念 和 任 務(wù) 斷 裂 力 學(xué) 即 裂 紋 體 力 學(xué) ， 是 專 門(mén) 研 究 裂 紋 體 中 ，裂 紋 在 萌 生 、 擴(kuò) 展 中 的 力 學(xué) 理 論 及 其 應(yīng) 用 問(wèn) 題 的 科 學(xué) 。這 里 所 指 的 裂 紋 是 廣 義 的 ， 材 料 中 的 微 小 缺 陷 ， 也 被視 作 微 裂 紋 。 研 究 表 明 ， 結(jié) 構(gòu) 的 脆 性 破 壞

25、 ， 與 名 義 工 作 應(yīng) 力 關(guān)系 不 大 ， 直 接 取 決 于 臨 近 缺 陷 位 置 的 局 部 應(yīng) 力 和 應(yīng) 力集 中 程 度 。 結(jié) 構(gòu) 的 低 （ 工 作 ） 應(yīng) 力 破 壞 是 由 宏 觀 裂 紋的 擴(kuò) 展 而 引 發(fā) 的 。 斷 裂 力 學(xué) 通 過(guò) 研 究 裂 紋 尖 端 局 部 區(qū) 域 的 應(yīng) 力 、 應(yīng)變 （ 方 向 、 大 小 、 分 布 ） 情 況 ， 了 解 裂 紋 在 應(yīng) 力 作 用下 的 擴(kuò) 展 規(guī) 律 ， 以 確 定 帶 裂 紋 構(gòu) 件 （ 即 裂 紋 體 ） 的 承載 能 力 或 使 用 壽 命 ， 保 證 構(gòu) 件 安 全 工 作 。 IIW Autho

26、rized Training Body 裂 紋 擴(kuò) 展 有 穩(wěn) 定 擴(kuò) 展 （ 又 稱 亞 臨 界 擴(kuò) 展 ） 和 不 穩(wěn)定 擴(kuò) 展 （ 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 ） 兩 種 ： 裂 紋 只 有 不 斷 接 受外 界 能 量 ， 才 會(huì) 擴(kuò) 展 的 情 況 ， 如 疲 勞 裂 紋 擴(kuò) 展 ， 稱為 穩(wěn) 定 擴(kuò) 展 ； 勿 須 外 界 提 供 能 量 ， 裂 紋 就 能 快速 擴(kuò) 展 的 情 況 （ 如 低 應(yīng) 力 脆 性 斷 裂 ） 稱 為 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 。 IIW Authorized Training Body裂 紋 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 的 原 因 ： 裂 紋 較 長(zhǎng) ， 裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 集

27、中 嚴(yán) 重 ， 裂 尖 區(qū) 域 成 為三 向 拉 伸 的 脆 性 應(yīng) 力 狀 態(tài) ； 裂 紋 擴(kuò) 展 中 釋 放 的 彈 性 應(yīng) 變 能 隨 裂 紋 長(zhǎng) 度 遞 增 ， 形成 失 穩(wěn) 狀 態(tài) ， 并 放 出 多 余 能 量 。 臨 界 裂 紋 尺 寸 的 大小 隨 裂 紋 體 的 應(yīng) 力 水 平 ， 或 隨 裂 尖 區(qū) 域 應(yīng) 力 場(chǎng) 場(chǎng) 強(qiáng)的 增 大 而 減 小 。 斷 裂 力 學(xué) 的 任 務(wù) 在 于 ： 研 究 宏 觀 裂 紋 在 什 么 條件 下 ， 才 會(huì) 導(dǎo) 致 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 ， 引 發(fā) 脆 性 斷 裂 ； 建 立裂 紋 尺 寸 與 破 壞 應(yīng) 力 之 間 的 關(guān) 系 。 這 對(duì)

28、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 裂紋 體 力 學(xué) 的 概 念 標(biāo) 準(zhǔn) 等 都 有 重 要 意 義 。 IIW Authorized Training Body2.1.2斷 裂 力 學(xué) 按 研 究 對(duì) 象 分 類 理 想 彈 性 材 料 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) ， 首 先 將 材 料 當(dāng) 作 理 想 的 線 彈 性 體來(lái) 研 究 斷 裂 機(jī) 理 ， 即 研 究 裂 紋 體 的 應(yīng) 力 應(yīng) 變 狀 態(tài) 和 裂紋 擴(kuò) 展 規(guī) 律 。 對(duì) 此 研 究 結(jié) 果 稍 作 修 整 ， 可 用 于 裂 紋 尖端 產(chǎn) 生 小 范 圍 屈

29、服 的 研 究 ， 在 工 程 實(shí) 踐 中 應(yīng) 用 于 超 高強(qiáng) 度 鋼 、 厚 截 面 的 中 強(qiáng) 度 鋼 結(jié) 構(gòu) ， 其 塑 性 變 形 小 ； 對(duì)中 低 強(qiáng) 度 鋼 的 結(jié) 構(gòu) ， 作 修 改 后 ， 可 作 近 似 估 計(jì) 。 彈 塑 性 材 料 非 線 性 斷 裂 力 學(xué) ， 用 彈 塑 性 線 性 理 論 ， 來(lái) 分 析 裂 紋尖 端 存 在 塑 性 變 形 的 區(qū) 域 ， 并 分 析 其 斷 裂 破 壞 機(jī) 理 ，可 用 于 中 、 低 強(qiáng) 度 ， 并 具 有 較 大 韌 性 的 材 料 。 IIW Authorized Training Body2.2線 彈 性 斷 裂 力 學(xué)

30、 簡(jiǎn) 介2.2.1應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 超 高 強(qiáng) 度 鋼 或 較 厚 的 高 強(qiáng) 度 材 料 ， 斷 裂 前 的 變 形 基本 上 是 彈 性 變 形 ， 沒(méi) 有 明 顯 的 塑 性 變 形 發(fā) 生 ， 一 般 稱這 些 材 料 為 脆 性 材 料 或 稱 其 應(yīng) 力 狀 態(tài) 為 脆 性 應(yīng) 力 狀 態(tài) 。線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 認(rèn) 為 ： 材 料 脆 性 斷 裂 之 前 基 本 上 是 彈性 變 形 ， 應(yīng) 力 和 應(yīng) 變 之 間 是 線 性 關(guān) 系 ， 在 這 樣 的 條 件下 ， 可 以 用 材 料 力 學(xué) 、 彈 性 力 學(xué) 來(lái) 分 析 裂 紋 擴(kuò) 展 規(guī) 律 。 IIW Au

31、thorized Training Body在 名 義 正 應(yīng) 力 作 用 下 ， 處 于 彈 性 平 衡 狀 態(tài) 時(shí) ， 反 映 裂 紋 尖 端 附近 應(yīng) 力 場(chǎng) 強(qiáng) 度 的 力 學(xué) 參 量 ， 稱 為 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 ， 裂 紋 擴(kuò) 展 類 型屬 型 I， 故 用 K1表 示 。 IIW Authorized Training Body2.2.2裂 紋 擴(kuò) 展 類 型裂 紋 是 引 發(fā) 結(jié) 構(gòu) 脆 性 斷 裂 的 主 要 因 素 ， 常 見(jiàn) 裂 紋 可 分 為 ： 穿透 裂 紋 、 表 面 裂 紋 、 內(nèi) 部 裂 紋 三 種 。張 開(kāi) 型 裂 紋 容 易 擴(kuò) 展 ， 最 常 見(jiàn) ，

32、 又 最 危 險(xiǎn) ， 這 種 類 型 的 低 應(yīng) 力 脆 斷 問(wèn) 題 研 究 的 較 多 。 IIW Authorized Training Body2.2.3簡(jiǎn) 化 斷 裂 力 學(xué) 計(jì) 算 的 兩 種 特 殊 情 況 平 面 應(yīng) 力 狀 態(tài) ： 任 何 彈 性 物 體 受 力 時(shí) ， 都 存 在 三 維 應(yīng) 力 、 應(yīng) 變問(wèn) 題 。 若 無(wú) 限 大 薄 板 ， 板 面 外 沒(méi) 有 施 力 物 體 ， 則表 面 ； 薄 板 厚 度 方 向 拘 束 很 小 ， 內(nèi) 部 ， 基 本 屬 于平 面 應(yīng) 力 狀 態(tài) 。 IIW Authorized Training Body 0z o z oz 平

33、面 應(yīng) 變 狀 態(tài) ：沿 大 厚 度 板 板 面 方 向 ， 作 用 拉 伸 載 荷 ， 板 面 內(nèi) （ 即X、 Y方 向 ） 的 應(yīng) 力 及 其 彈 性 應(yīng) 變 是 主 要 的 ； 厚 板 中層 ， 厚 度 Z方 向 的 拘 束 不 能 忽 略 ， 即形 成 三 向 拉 伸 狀 態(tài) ， 很 難 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 小 ，近 乎 平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài) ；斷 裂 力 學(xué) 假 定 把 受 力 的 彈 性 裂 紋 體 上 、 下 表 面 （ Z方 向 ） 固 定 起 來(lái) ， 使 Z方 向 不 能 收 縮 ， 即的 情 況 稱 為 平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài) 。 IIW Authorized Tra

34、ining Body2.2.4線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 的 應(yīng) 用 方 法張 開(kāi) 型 裂 紋 在 平 面 應(yīng) 變 條 件 下 ， 最 容 易 產(chǎn) 生 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 ?，F(xiàn) 在 重 點(diǎn) 分 析 張 開(kāi) 型 裂 紋 尖 端 的 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 1。 1與 應(yīng) 力 大 小 成 正 比 ， 是 反 映 裂 尖 區(qū) 域 應(yīng) 力 場(chǎng) 強(qiáng) 度 的 力學(xué) 參 數(shù) 。 構(gòu) 件 中 的 裂 紋 ， 在 外 力 作 用 下 ， 逐 漸 長(zhǎng) 大 。與 此 同 時(shí) ， 構(gòu) 件 裂 尖 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 1也 隨 之 逐 漸 增 大 。當(dāng) 1達(dá) 到 臨 界 之 后 。 構(gòu) 件 中 的 裂 紋 將 突 然

35、失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 。應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 的 這 個(gè) 臨 界 值 ， 稱 為 臨 界 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 ，用 1c表 示 ， 它 就 是 材 料 的 斷 裂 韌 性 ， 它 反 映 材 料 抵抗 脆 性 斷 裂 ， 或 裂 紋 失 穩(wěn) 擴(kuò) 展 的 能 力 。 平 面 應(yīng) 變 條 件下 ， 材 料 抵 抗 脆 性 斷 裂 的 判 據(jù) 是 ： IIW Authorized Training Body CKK 11 材 料 斷 裂 韌 性 的 值 KIC， 通 過(guò) 試 驗(yàn) 求 得 ， K1C與 試 件 的幾 何 尺 寸 （ 板 厚 ） 形 狀 、 受 力 情 況 、 環(huán) 境 溫 度 等 因 素

36、有 關(guān) 。 IIW Authorized Training Body2.2.5線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 的 應(yīng) 用 范 圍 及 其 在 小 塑 性 區(qū) 的近 似 應(yīng) 用線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 只 適 用 于 線 彈 性 體 ， 而 實(shí) 際 金 屬 材料 在 裂 紋 尖 端 區(qū) 總 有 小 量 塑 性 變 形 ， 原 則 上 不 適 于 線彈 性 斷 裂 力 學(xué) 。 但 當(dāng) 裂 尖 塑 性 區(qū) 尺 寸 ， 遠(yuǎn) 小 于 裂 紋 長(zhǎng)度 （ 稱 小 范 圍 屈 服 ） 的 情 況 下 ， 仍 可 按 線 彈 性 斷 裂 力學(xué) ， 近 似 估 算 其 真 實(shí) 性 能 。 IIW Authorize

37、d Training Body2.3非 線 性 （ 彈 塑 性 ） 斷 裂 力 學(xué) 簡(jiǎn) 介中 低 強(qiáng) 度 材 料 ， 裂 紋 尖 端 的 塑 性 區(qū) 尺 寸 與 裂 紋 長(zhǎng) 度 ，可 以 達(dá) 到 同 一 數(shù) 量 級(jí) ， 發(fā) 生 所 謂 大 范 圍 屈 服 的 情 況 。裂 紋 尖 端 發(fā) 生 塑 性 變 形 的 過(guò) 程 中 ， 應(yīng) 力 緩 緩 增 加 ， 裂尖 應(yīng) 力 場(chǎng) 強(qiáng) 度 變 化 不 大 ， 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 不 能 反 映 裂 尖區(qū) 域 金 屬 不 斷 硬 化 變 脆 的 危 險(xiǎn) 情 況 ， 須 用 彈 塑 性 斷 裂力 學(xué) 的 方 法 來(lái) 解 決 這 類 問(wèn) 題 ， 用 裂

38、紋 尖 端 張 開(kāi) 位 移（ COD） 和 形 變 功 率 (J積 分 )等 來(lái) 描 述 大 范 圍 屈 服 裂紋 尖 端 的 力 學(xué) 狀 態(tài) 。 IIW Authorized Training Body IIW Authorized Training Body IIW Authorized Training Body2.4斷 裂 力 學(xué) 的 應(yīng) 用在 研 究 和 處 理 脆 性 破 壞 問(wèn) 題 時(shí) ， 應(yīng) 用 斷 裂 力 學(xué) ， 可以 解 決 以 下 一 些 問(wèn) 題 ： 應(yīng) 用 斷 裂 力 學(xué) 的 理 論 和 方 法 ， 檢 測(cè) 工 程 結(jié) 構(gòu) 的 安全 可 靠 性 ； 根 據(jù) 斷 裂 力

39、學(xué) 的 原 則 和 判 據(jù) ， 進(jìn) 行 安 全 設(shè) 計(jì) ； 按 照 斷 裂 力 學(xué) 的 指 導(dǎo) 思 想 ， 合 理 選 擇 結(jié) 構(gòu) 材 料 和施 工 工 藝 ， 發(fā) 展 新 材 料 ， 新 工 藝 ， 或 尋 找 適 宜 的 代 用材 料 ； 對(duì) 發(fā) 生 的 低 應(yīng) 力 破 壞 事 故 ， 進(jìn) 行 合 理 的 調(diào) 查 分 析 ，總 結(jié) 教 訓(xùn) ， 提 出 改 進(jìn) 措 施 。 IIW Authorized Training Body 實(shí) 際 應(yīng) 用 標(biāo) 準(zhǔn)歐 洲 工 業(yè) 結(jié) 構(gòu) 完 整 性 評(píng) 定 方 法 （ SINTAP）英 國(guó) 含 缺 陷 結(jié) 構(gòu) 完 整 性 評(píng) 定 標(biāo) 準(zhǔn) （ 6）BS 7910金 屬 結(jié) 構(gòu) 中 缺 陷 驗(yàn) 收 評(píng) 定 方 法 導(dǎo) 則API 579推 薦 用 于 合 乎 使 用 的 實(shí) 施 辦 法 G B19624-2004在 用 含 缺 陷 壓 力 容 器 安 全 評(píng) 定