斷裂力學(xué)培訓(xùn)課程

1、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)授權(quán)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)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)課程國(guó)際焊接工程師培訓(xùn)課程Training Course for International Welding EngineerIIW Authorised Training Body斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)Introduction to fracture mechanics IIW Authorized Training Body主要內(nèi)容主要內(nèi)容 疲勞和脆性斷裂疲勞和脆性斷裂 線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué) 斷裂力學(xué)的應(yīng)

2、用斷裂力學(xué)的應(yīng)用 疲勞強(qiáng)度的基本概念疲勞強(qiáng)度的基本概念 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素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）或變化過大、過速中一項(xiàng)或多項(xiàng)不斷變化（疲勞）或變化過大、過速（沖擊）的情況都屬于動(dòng)載。（沖擊）的情況都屬于動(dòng)載。1概述概述IIW Authorized Training Body 疲勞是結(jié)構(gòu)失效的基本形式，約占結(jié)構(gòu)失效總量疲勞

3、是結(jié)構(gòu)失效的基本形式，約占結(jié)構(gòu)失效總量的的8090 。沖擊載荷容易造成結(jié)構(gòu)的脆性破壞。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)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)境溫度變得過低，使材料材質(zhì)變脆；或環(huán)化（如環(huán)境溫度變得過低，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)材料屈服極限的工作應(yīng)力

4、可能只有結(jié)構(gòu)材料屈服極限的1/2，1/5，1/10，甚至沒有外載荷。，甚至沒有外載荷。IIW Authorized Training Body1.2結(jié)構(gòu)脆性斷裂的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)脆性斷裂的特點(diǎn) 名義工作應(yīng)力低名義工作應(yīng)力低: 只有材料的只有材料的1/31/10，甚至外，甚至外載荷等于零。載荷等于零。 斷裂之前無明顯塑性變形，無征兆，突發(fā)斷裂。斷裂之前無明顯塑性變形，無征兆，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。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。的內(nèi)應(yīng)力，有較高的內(nèi)能。 發(fā)生低應(yīng)

5、力脆性斷裂的結(jié)構(gòu)上，必有裂源或應(yīng)力發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的結(jié)構(gòu)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。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)重危害前三個(gè)特點(diǎn)，讓人猝不及防，容易造成嚴(yán)重危害;后后兩個(gè)特點(diǎn)，反映了低應(yīng)力脆性斷裂的必然性。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）（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

6、。使材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度只有其理論強(qiáng)度的性斷裂。使材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度只有其理論強(qiáng)度的1/10 1/1000。 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body 表示能量的需要表示能量的需要釋放，不能釋放，不能自動(dòng)擴(kuò)展自動(dòng)擴(kuò)展 即，表示結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)即，表示結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài) 表示表示釋放釋放的能量需要的能量需要，裂紋自動(dòng)擴(kuò)展，多裂紋自動(dòng)擴(kuò)展，多余的能量以聲、光、熱等形式釋放出來，造成災(zāi)余的能量以聲、光、熱等形式釋放出來，造

7、成災(zāi)難。難。IIW Authorized Training Body兩點(diǎn)結(jié)論：兩點(diǎn)結(jié)論： 由能量原理可以看出，拉應(yīng)力由能量原理可以看出，拉應(yīng)力（可能包括外載（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)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。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。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影響金屬結(jié)構(gòu)延、脆性斷裂的主要

8、因素（產(chǎn)生脆性斷裂的原因）（產(chǎn)生脆性斷裂的原因）1.4.1內(nèi)在抗力因素內(nèi)在抗力因素 材質(zhì)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。性變形是裂紋擴(kuò)展的主要障礙。 金屬的化學(xué)成分及其晶粒度金屬的化學(xué)成分及其晶粒度增韌元素：增韌元素：Mn、Ni、Cr、Mo、V等等,有提高強(qiáng)有提高強(qiáng)度，細(xì)化晶粒，增加韌性的作用。度，細(xì)化晶粒，增加韌性的作用。致脆元素：致脆元素：C、S、P、H、O、N等，容易偏析，等，容易偏析，降低強(qiáng)度，有脆化作用。降低強(qiáng)度，有脆化作用。IIW Authorized Training Body 延延/脆脆 轉(zhuǎn)變溫度高（如圖

9、），容易發(fā)生脆性斷裂。轉(zhuǎn)變溫度高（如圖），容易發(fā)生脆性斷裂?；瘜W(xué)成分和晶粒度，對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的高低影響較大?；瘜W(xué)成分和晶粒度，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、材質(zhì)缺陷（氣孔、疏松、偏析、夾雜、夾渣、夾層、裂紋、傷痕、咬肉裂紋、傷痕、咬肉等）是產(chǎn)生應(yīng)力集中的根源；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。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、結(jié)構(gòu)因素：結(jié)

10、構(gòu)形體、尺寸等影響應(yīng)力大小、分布的因素；分布的因素； 結(jié)構(gòu)表面形狀的突變較大，則應(yīng)力結(jié)構(gòu)表面形狀的突變較大，則應(yīng)力集中嚴(yán)重；突變處的局部剛度過大，則使結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)集中嚴(yán)重；突變處的局部剛度過大，則使結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力集中敏感力集中敏感等。這些都是促成結(jié)構(gòu)脆性破壞的重要等。這些都是促成結(jié)構(gòu)脆性破壞的重要原因。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、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)中造成過大的溫差應(yīng)力、各種冷熱加工應(yīng)力等在結(jié)構(gòu)中造成過大的拉伸內(nèi)應(yīng)力。這與過大的外載荷一樣，均能促成結(jié)構(gòu)拉伸內(nèi)應(yīng)力。這與過大的外載荷一樣，均能促成結(jié)構(gòu)的脆性破壞。的脆性破壞。II

11、W Authorized Training Body1.4.2外在客觀因素外在客觀因素 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 物體承載時(shí)，在包含分析點(diǎn)的單元體上，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。變化而變化。 不同加載方式的應(yīng)力狀態(tài)不同加載方式的應(yīng)力狀態(tài)maxmaxIIW Authorized Training Body 結(jié)構(gòu)表面形狀突變和金結(jié)構(gòu)表面形狀突變和金屬內(nèi)部缺陷，特別是垂直屬內(nèi)部缺陷，特別是垂直主應(yīng)力方向的片狀缺陷、主應(yīng)力方向的片狀缺陷、裂紋等，在裂紋尖端或在裂紋等，在裂紋尖端或在應(yīng)力集中點(diǎn)，會(huì)形成

12、三向應(yīng)力集中點(diǎn)，會(huì)形成三向拉伸的應(yīng)力狀態(tài)。內(nèi)因、拉伸的應(yīng)力狀態(tài)。內(nèi)因、外因結(jié)合，造成名義工作外因結(jié)合，造成名義工作應(yīng)力很低時(shí)，發(fā)生脆性破應(yīng)力很低時(shí)，發(fā)生脆性破壞。其實(shí)低應(yīng)力脆性斷裂，壞。其實(shí)低應(yīng)力脆性斷裂，裂紋尖端應(yīng)力并不低裂紋尖端應(yīng)力并不低。 IIW Authorized Training Body 材料的塑性較好，即材料材料的塑性較好，即材料D1的屈服點(diǎn)與材料的正的屈服點(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：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；

13、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；響；三三 可通過一定的塑性變形位移，使外力做功，消耗可通過一定的塑性變形位移，使外力做功，消耗一部分內(nèi)能，減小脆性破壞的危險(xiǎn)性。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，如否則，如果材料的塑性較差，如D2，在外力增大，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，積累起來的彈性變形能，一旦條件成熟，裂紋擴(kuò)展，積累起來的彈性變形能釋

14、放出來，就會(huì)成為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的動(dòng)力，形成形能釋放出來，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。瞬間發(fā)生的脆性斷裂。 以上三點(diǎn)中，是加載方式，屬外因；、反以上三點(diǎn)中，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。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)境溫度環(huán)境溫度 低溫會(huì)降低金屬材料抗脆斷的能力。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。形，不易產(chǎn)生脆性斷裂。 低溫會(huì)使金屬材料變脆，發(fā)生（延低溫會(huì)使金

15、屬材料變脆，發(fā)生（延/脆）轉(zhuǎn)變，脆脆）轉(zhuǎn)變，脆斷多發(fā)生在低溫時(shí)。斷多發(fā)生在低溫時(shí)。 加載速率加載速率 正應(yīng)力反映金屬內(nèi)部彈性變形的大小。正應(yīng)力反映金屬內(nèi)部彈性變形的大小。正應(yīng)力以聲速（高度）在金屬介質(zhì)（鋼）中傳播，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)，常常來不及產(chǎn)生塑性變形，高速加載方式加載時(shí)，常常來不及產(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、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)變速裂紋等造成應(yīng)力集中，同樣具有增大加

16、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。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)防脆性斷裂的措施預(yù)防脆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)：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；材料在工作條件下的韌性不足； 缺陷的存在和過大的拉應(yīng)力（包括工作應(yīng)力、缺陷的存在和過大的拉應(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)，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：預(yù)防措施有四條：IIW Authorized Training

17、Body1.5.1正確選擇材料正確選擇材料 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)構(gòu)材料及其生產(chǎn)制塑性韌性的要求也較高。但實(shí)際結(jié)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)，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。卻明顯不足。IIW Authorized Training Body 焊接接頭難免有焊接缺陷。焊接接頭難免有焊接缺陷。 低強(qiáng)材料的焊接接頭，采用高低強(qiáng)材料的焊接接頭，采用高組配，是

18、高強(qiáng)度組配，承載后母組配，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，材屈服時(shí)，焊縫的變形仍然很小，不易發(fā)生徑縮，雖然焊縫中可能不易發(fā)生徑縮，雖然焊縫中可能有缺陷，仍能保證接頭與母材等有缺陷，仍能保證接頭與母材等強(qiáng)度。強(qiáng)度。IIW Authorized Training Body 高強(qiáng)材料的焊接接頭采用低組配，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，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，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，有利于減小有一定的塑性變形能力，有利

19、于減小缺陷或應(yīng)力集中的影響，促使應(yīng)力均缺陷或應(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，低組配的焊接擴(kuò)展。另外，高韌性，低組配的焊接接頭，工藝性好，焊接缺陷少。焊縫接頭，工藝性好，焊接缺陷少。焊縫寬度較窄時(shí)（窄間隙焊接），高韌性，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。低組配的焊接接頭能與母材等強(qiáng)度。IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body1.5.2正確設(shè)計(jì)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、盡量采用合理的結(jié)構(gòu)形式去提

20、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。向應(yīng)力和應(yīng)力集中。IIW 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，并注意開盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)較小的對(duì)接接頭，并注意開緩和槽，做到圓滑過渡，必要時(shí)可以修磨平滑。緩和槽，做到圓滑過渡，必要時(shí)可以修磨平滑。IIW Authorized Training Body 盡量避免接頭

21、區(qū)局部剛度過大，局部剛度越大，盡量避免接頭區(qū)局部剛度過大，局部剛度越大，對(duì)應(yīng)力集中越敏感。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，也可能引起主干結(jié)構(gòu)的破壞。式不好或焊接質(zhì)量不好，也可能引起主干結(jié)構(gòu)的破壞。原設(shè)計(jì)原設(shè)計(jì) 改進(jìn)后的方案改進(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?？刂坪附泳€能量，盡量減少、減小工藝缺陷。

22、嚴(yán)格生產(chǎn)管理和產(chǎn)品檢驗(yàn)制度，把工藝缺陷嚴(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（引弧、息弧弧坑、夾渣、咬肉等）消滅在生產(chǎn)過等）消滅在生產(chǎn)過程中。不可隨意在工件上焊附件，去掉時(shí)要磨平。程中。不可隨意在工件上焊附件，去掉時(shí)要磨平。 采用過載拉伸、熱處理等適當(dāng)?shù)拇胧?，消除或采用過載拉伸、熱處理等適當(dāng)?shù)拇胧?，消除或改善結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布。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)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。力，溫度應(yīng)力等。IIW Authorized Training Body1.5.4正確使用，精心維護(hù)正確使用，精心維護(hù)

23、注意工作環(huán)境防腐，防止環(huán)境溫差造成內(nèi)應(yīng)力，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。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)象斷裂力學(xué)的概念、任務(wù)及研究對(duì)象 常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算方法中，以常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算方法中，以b、s來衡量材料的抗來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，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，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。而以安全系數(shù)統(tǒng)籌考慮它們的

24、影響。 近代高強(qiáng)合金材料大量涌現(xiàn)，強(qiáng)度越來越高，結(jié)近代高強(qiáng)合金材料大量涌現(xiàn)，強(qiáng)度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越輕巧，但材料的塑性儲(chǔ)備越來越小，對(duì)缺陷、構(gòu)越來越輕巧，但材料的塑性儲(chǔ)備越來越小，對(duì)缺陷、應(yīng)力集中、內(nèi)應(yīng)力的影響越來越敏感，低應(yīng)力脆性破應(yīng)力集中、內(nèi)應(yīng)力的影響越來越敏感，低應(yīng)力脆性破壞事故屢屢發(fā)生，給人類造成巨大損失，斷裂力學(xué)應(yīng)壞事故屢屢發(fā)生，給人類造成巨大損失，斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。運(yùn)而生。2斷裂力學(xué)及其在焊接中的應(yīng)用斷裂力學(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)的概念和任務(wù) 斷裂力學(xué)即裂紋體力學(xué)，是專門研究裂紋體中，斷裂力學(xué)

25、即裂紋體力學(xué)，是專門研究裂紋體中，裂紋在萌生、擴(kuò)展中的力學(xué)理論及其應(yīng)用問題的科學(xué)。裂紋在萌生、擴(kuò)展中的力學(xué)理論及其應(yīng)用問題的科學(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。視作微裂紋。 研究表明，結(jié)構(gòu)的脆性破壞，與名義工作應(yīng)力關(guān)研究表明，結(jié)構(gòu)的脆性破壞，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。的擴(kuò)展而引發(fā)的。 斷裂力學(xué)通過研究裂紋尖端局部區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)斷裂力學(xué)

26、通過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。載能力或使用壽命，保證構(gòu)件安全工作。IIW Authorized 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)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：定擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展）兩種： 裂紋只有不斷接受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，稱外界能量，才會(huì)擴(kuò)展的情況，如疲勞裂紋擴(kuò)展，

27、稱為穩(wěn)定擴(kuò)展；為穩(wěn)定擴(kuò)展； 勿須外界提供能量，裂紋就能快勿須外界提供能量，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。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：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的原因： 裂紋較長(zhǎng)，裂紋尖端應(yīng)力集中嚴(yán)重，裂尖區(qū)域成為裂紋較長(zhǎng)，裂紋尖端應(yīng)力集中嚴(yán)重，裂尖區(qū)域成為三向拉伸的脆性應(yīng)力狀態(tài)；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

28、應(yīng)力水平，或隨裂尖區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)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。的增大而減小。 斷裂力學(xué)的任務(wù)在于：斷裂力學(xué)的任務(wù)在于： 研究宏觀裂紋在什么條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；件下，才會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)擴(kuò)展，引發(fā)脆性斷裂； 建立建立裂紋尺寸與破壞應(yīng)力之間的關(guān)系。這對(duì)結(jié)構(gòu)安全設(shè)裂紋尺寸與破壞應(yīng)力之間的關(guān)系。這對(duì)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。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)

29、象分類斷裂力學(xué)按研究對(duì)象分類 理想彈性材料理想彈性材料 線彈性斷裂力學(xué)，首先將材料當(dāng)作理想的線彈性體線彈性斷裂力學(xué)，首先將材料當(dāng)作理想的線彈性體來研究斷裂機(jī)理，即研究裂紋體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和裂來研究斷裂機(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)生小范圍屈服的研究，在工程實(shí)踐中應(yīng)用于超高端產(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、厚截面的中強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，其塑性變形??；對(duì)強(qiáng)度鋼、厚截面的中強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，其塑性變形??；對(duì)中低強(qiáng)度鋼的結(jié)構(gòu)，作修改后，可作近似估計(jì)。中低強(qiáng)度鋼的結(jié)構(gòu)，作修改后，可作近似估計(jì)。 彈

30、塑性材料彈塑性材料 非線性斷裂力學(xué)，用彈塑性線性理論，來分析裂紋非線性斷裂力學(xué)，用彈塑性線性理論，來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，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?？捎糜谥?、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)簡(jiǎn)介線彈性斷裂力學(xué)簡(jiǎn)介2.2.1應(yīng)力強(qiáng)度因子應(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，沒有明顯的塑性變形發(fā)生，一般稱本上是彈性變形，沒有明顯的塑性變形發(fā)生，一般稱這些材

31、料為脆性材料或稱其應(yīng)力狀態(tài)為脆性應(yīng)力狀態(tài)。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)來分析裂紋擴(kuò)展規(guī)律。下，可以用材料力學(xué)、彈性力學(xué)來分析裂紋擴(kuò)展規(guī)律。 IIW Authorized 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)展類型近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)

32、度的力學(xué)參量，稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子，裂紋擴(kuò)展類型屬型屬型I，故用，故用K1表示。表示。 IIW Authorized Training Body2.2.2裂紋擴(kuò)展類型裂紋擴(kuò)展類型裂紋是引發(fā)結(jié)構(gòu)脆性斷裂的主要因素，常見裂紋可分為：穿裂紋是引發(fā)結(jié)構(gòu)脆性斷裂的主要因素，常見裂紋可分為：穿透裂紋、表面裂紋、內(nèi)部裂紋三種。透裂紋、表面裂紋、內(nèi)部裂紋三種。張開型裂紋容易擴(kuò)展，最常見，又最危險(xiǎn)，這種類型的低應(yīng)張開型裂紋容易擴(kuò)展，最常見，又最危險(xiǎn)，這種類型的低應(yīng)力脆斷問題研究的較多。力脆斷問題研究的較多。IIW Authorized Training Body2.2.3簡(jiǎn)化斷裂力學(xué)計(jì)算的兩種特殊情況簡(jiǎn)化斷裂力學(xué)計(jì)

33、算的兩種特殊情況 平面應(yīng)力狀態(tài)：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?nèi)魏螐椥晕矬w受力時(shí)，都存在三維應(yīng)力、應(yīng)變問題。若無限大薄板，板面外沒有施力物體，則問題。若無限大薄板，板面外沒有施力物體，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)。平面應(yīng)力狀態(tài)。 IIW Authorized Training Body0zozoz 平面應(yīng)變狀態(tài)：平面應(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；厚板中方向）的應(yīng)力及其彈性應(yīng)變是主要的；厚板中層

34、，厚度層，厚度Z方向的拘束不能忽略，即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，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)；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（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，使方向）固定起來，使Z方向不能收縮，即方向不能收縮，即的情況稱為平面應(yīng)變狀態(tài)。的情況稱為平面應(yīng)變狀態(tài)。IIW Authorized Training Body2.2.4線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)用方法線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)用方法張開型裂紋在平面應(yīng)變條件下，最容易產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展。張開型裂紋在平面應(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

35、開型裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子現(xiàn)在重點(diǎn)分析張開型裂紋尖端的應(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。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。也隨之逐漸增大。當(dāng)當(dāng)1達(dá)到臨界之后。構(gòu)件中的裂紋將突然失穩(wěn)擴(kuò)展。達(dá)到臨界之后。構(gòu)件中的裂紋將突然失穩(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，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，用用1c表示，它就是材料的斷裂韌性，它反映材料抵表示，它就是材料

36、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：下，材料抵抗脆性斷裂的判據(jù)是：IIW Authorized Training BodyCKK11材料斷裂韌性的值材料斷裂韌性的值KIC，通過試驗(yàn)求得，通過試驗(yàn)求得，K1C與試件的與試件的幾何尺寸（板厚）形狀、受力情況、環(huán)境溫度等因素幾何尺寸（板厚）形狀、受力情況、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。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)際金屬材線彈性斷裂力學(xué)只適用于線彈性體