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-1)解析

動(dòng)載焊接構(gòu)造的強(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)2023.03斷裂力學(xué)

(IWE-3.6)

1概述

自從焊接構(gòu)造得到廣泛應(yīng)用以來，覺察以承受動(dòng)載為主的焊接構(gòu)造，在遠(yuǎn)沒有到達(dá)其設(shè)計(jì)壽命時(shí)就消逝破壞現(xiàn)象，通常發(fā)生脆性斷裂和疲乏斷裂兩大類破壞事故。脆性斷裂事故的焊接構(gòu)造數(shù)量與安全工作的焊接構(gòu)造數(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)，其后果往往是特殊嚴(yán)峻的，甚至是災(zāi)難性的，所以引起人們高度重視。IWE-T/3.3-1/291概述例子：其次次世界大戰(zhàn)前夕，在比利時(shí)的阿爾貝特(Albert)水道上建筑了約50座全焊接拱形空腹式桁架鋼橋。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)一輛電車和幾個(gè)行人通過時(shí)，突然斷裂為三段，墜人阿爾貝特水道。該橋跨度74.5m，該橋第一條裂縫由下弦開頭并發(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，且在開裂后5h，當(dāng)一列火車通過時(shí)此橋竟平安無事。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，大局部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)大橋斷裂的緣由主要有四點(diǎn)：應(yīng)力集中、剩余應(yīng)力、低溫存沖擊韌性值αk太小。

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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，該糖廠一臺(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。事故緣由為低應(yīng)力脆斷。IWE-T/3.3-1/29

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IWE-T/3.3-1/29布局焊縫

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1概述

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1概述在工程上，依據(jù)斷裂前塑性變形大小，將斷裂分為延性斷裂〔亦稱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；脆性斷裂前沒有或只有少量塑性變形，斷裂突然發(fā)生并快速進(jìn)展〔裂紋擴(kuò)展速率高達(dá)1500～2023m/s〕。同一材料在不同條件下也會(huì)消逝不同斷裂形式，例如低碳鋼通常認(rèn)為是塑性很高，被廣泛應(yīng)用于各種焊接構(gòu)造中。但是在確定條件下，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緣由是材料局部處塑性變形能缺乏所致。大量脆斷事故爭(zhēng)論說明，造成焊接脆斷的緣由是多方面的：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)力不高于構(gòu)造的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形的狀況下發(fā)生。(2)

脆斷往往從應(yīng)力集中處開頭，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〕的狀況下。(4)塑性材料也發(fā)生脆性斷裂。脆性斷裂根本之緣由是材料局部處塑性變形能缺乏所致。大量脆斷事故爭(zhēng)論說明，造成焊接脆斷的緣由是多方面的：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。爭(zhēng)論說明，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。這就是說在確定的溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度下，材料假設(shè)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。

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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?。這是由于隨溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危急性增大，材料將消逝塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變溫度稱為材料轉(zhuǎn)變溫度，此溫度越高，材料的脆斷可能性增加。

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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，只在特殊狀況下，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σ和剪切應(yīng)力τ，其中必有一個(gè)最大正應(yīng)力σmax和最大切應(yīng)力τmax。σmax和τmax及其比值與加載方式有關(guān)。

α稱為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，與加載方式和構(gòu)件外形有關(guān)。α↑的應(yīng)力狀態(tài)有利塑性變形切應(yīng)力的韌性斷裂，而α↓則有利正應(yīng)力的脆性斷裂。IWE-T/3.3-1/291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)，α=1/2第四章脆斷-5/451概述在實(shí)際構(gòu)造中三軸應(yīng)力可能由三軸載荷產(chǎn)生，但更多的狀況下是由于構(gòu)造幾何不連續(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。這說明白為什么脆斷事故一般都起源于具有嚴(yán)峻應(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〕加載速度的影響爭(zhēng)論說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，構(gòu)造中有缺口時(shí)，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)加倍的不利的影響，由于此時(shí)應(yīng)力集中大大降低了材料的局部塑性。

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1概述〔4〕材料狀態(tài)影響：1〕板厚度的影響:首先厚板在缺口處簡(jiǎn)潔形成三向應(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。

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1概述疲乏斷裂疲乏斷裂是金屬構(gòu)造在動(dòng)載作用下失效的一種主要形式，統(tǒng)計(jì)資料說明，由于疲乏而失效的金屬構(gòu)造，約占失效構(gòu)造的90%，這種構(gòu)造的斷裂形式與脆性斷裂形式不一樣。疲乏斷裂與脆性斷裂相比較：一樣點(diǎn)：二者斷裂時(shí)形變都很小，并都在動(dòng)載作用下斷裂，

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1概述

第四章脆斷-8/45

1概述不同點(diǎn)：〔1〕載荷：疲乏斷裂需要屢次加載，而脆斷一般不需要屢次加載；〔2〕時(shí)間：脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲乏裂縫的擴(kuò)展則是緩慢的，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間?！?〕溫度：對(duì)脆斷來說，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆斷的危急性快速增加。但疲乏強(qiáng)度卻不是這樣?！?〕斷口：疲乏斷裂和脆性斷裂相比較還有不同的斷口特征等。IWE-T/3.3-1/29

1概述眾多焊接構(gòu)造的疲乏斷裂事故中，可以清晰的看到焊接接頭的重要影響，疲乏破壞一般都是從應(yīng)力集中處開頭，而焊接構(gòu)造的疲乏裂縫又往往從焊接接頭的應(yīng)力集中處產(chǎn)生。高周疲乏：應(yīng)力低〔遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度〕、頻率高；低周疲乏：應(yīng)力高〔接近屈服強(qiáng)度〕、頻率低。

IWE-T/3.3-1/292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)算方法是以材料為根底，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σs、σb和安全系數(shù)n反映構(gòu)造安全牢靠性，它與破壞過程均無直接聯(lián)系。斷裂力學(xué)：為了探究缺陷對(duì)材料強(qiáng)度的影響，爭(zhēng)論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，爭(zhēng)論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/3.3-1/292斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用〔一〕斷裂力學(xué)爭(zhēng)論任務(wù)通過爭(zhēng)論裂紋尖端局部區(qū)域的應(yīng)力和變外形況，把握裂紋在外載荷作用下擴(kuò)展規(guī)律，了解帶裂紋構(gòu)件的承載力氣，從而提出抗斷設(shè)計(jì)的方法，保證構(gòu)件的安全工作。爭(zhēng)論說明，實(shí)際構(gòu)造的破壞，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，使構(gòu)造在低應(yīng)力下，由宏觀裂紋源的擴(kuò)展而引起破壞。IWE-T/3.3-2/292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〔又稱亞臨界擴(kuò)展〕和失穩(wěn)擴(kuò)展〔不穩(wěn)定擴(kuò)展〕：裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展：是裂紋在不斷承受外界能量狀況才會(huì)擴(kuò)展。疲乏裂紋擴(kuò)展屬于此類擴(kuò)展。裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展：是指裂紋在不需要外界連續(xù)供給能量狀況下裂紋就擴(kuò)展，低應(yīng)力脆斷時(shí)裂紋擴(kuò)展屬于此種。IWE-T/3.3-2/292斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用不穩(wěn)定擴(kuò)展的主要緣由：〔1)裂紋很鋒利，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)展的根本能源；〔4〕在確定應(yīng)力水平下，裂紋尺寸在確定大小以上，由于放出能量造成裂紋擴(kuò)展，這尺寸稱為裂紋擴(kuò)展的臨界尺寸。小于臨界尺寸裂紋稱亞臨界裂紋，不會(huì)自行擴(kuò)展。IWE-T/3.3-2/292斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用〔二〕斷裂力學(xué)爭(zhēng)論對(duì)象1、線彈性斷裂力學(xué)將材料當(dāng)作抱負(fù)線彈性體來爭(zhēng)論斷裂機(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)生小范圍屈服的爭(zhēng)論，在工程實(shí)踐中應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼、厚截面中強(qiáng)度鋼構(gòu)造，塑性變形小和對(duì)中低強(qiáng)度鋼的構(gòu)造。2、非線性斷裂力學(xué)用有關(guān)彈塑性線性理論，來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/3.3-2/292斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用斷裂力學(xué)的任務(wù)：①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；②建立裂紋尺寸和破壞應(yīng)力之間的關(guān)系。它對(duì)焊接構(gòu)造安全設(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/3.3-2/292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:線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料脆性斷裂前根本上是彈性變形，其中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性關(guān)系，在這樣條件下，就可用材料力學(xué)來分析裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。用彈性力學(xué)理論分析圖1所示，在裂紋尖端四周任一點(diǎn)P各應(yīng)力重量為：r2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)力重量均有一個(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)，裂紋尖端四周應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱。它的大小就確定裂紋尖端四周各點(diǎn)應(yīng)力大小。其應(yīng)力不僅與名義應(yīng)力σ有關(guān)，而且與裂紋大小有關(guān)。因此，K1表示尖端四周應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的因子，簡(jiǎn)稱應(yīng)力強(qiáng)度因子：

Y裂紋外形因子，是一個(gè)無量綱的系數(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〕張開型：在垂直裂紋面的拉應(yīng)力作用下，使裂紋張開而擴(kuò)展。〔最危急，著重爭(zhēng)論〕〔2〕滑移型：在平行于裂紋外表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：在平行于裂紋外表且平行于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋撕開而擴(kuò)展。2、裂紋擴(kuò)展形式裂紋類型：穿透裂紋、外表裂紋和內(nèi)部裂紋三種。2斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用IWE-T/3.3-3/29張開型是最常見又最危急，裂紋簡(jiǎn)潔擴(kuò)展，因此通常爭(zhēng)論這種類型低應(yīng)力脆斷問題2斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用IWE-T/3.3-3/293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)變都是三向空間問題，但在工程實(shí)際中有時(shí)往往可以簡(jiǎn)化為平面問題，如當(dāng)σz=0,則就處于σx、σy平面應(yīng)力狀態(tài).應(yīng)力：應(yīng)變：由上式可見平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)是三向應(yīng)變問題。

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)假設(shè)在Z方向把受力物體加以固定，不能收縮，即εx=0，這時(shí)就相當(dāng)于在Z方向加一個(gè)應(yīng)力σz，此時(shí)彈性內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變稱為平面應(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)變一樣處:只要求出σx,σy,σxy就可知σz平面應(yīng)力與平面應(yīng)變不同處:平面應(yīng)力狀態(tài)σz=0,相當(dāng)構(gòu)件厚度很小：平面應(yīng)變狀態(tài)σz=μ(σx+σy),εz=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，其塑性變形削減，向平面應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)展，簡(jiǎn)潔引起三向應(yīng)力的斷裂。2斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用IWE-T/3.3-4/294、應(yīng)力強(qiáng)度因子及其斷裂判據(jù)KⅠ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)參數(shù)。當(dāng)有裂紋的構(gòu)件在外力作用漸漸增大，裂紋漸漸擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ也隨之漸漸增加，當(dāng)KⅠ到達(dá)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KⅠ的臨界值，稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，它就是材料的斷裂韌性。用KⅠc表示。它反映了材料反抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，即反抗脆性斷裂的力氣，所以平面應(yīng)變條件下的脆性斷裂判據(jù)為KⅠ≥KⅠc2斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用IWE-T/3.3-4/29KⅠc稱為材料的斷裂韌性，由試驗(yàn)得出，表示材料抗裂力氣的力學(xué)性能指標(biāo)。KⅠc與試件的幾何外形〔板厚〕、受力狀況、試驗(yàn)環(huán)境〔溫度〕等因素有關(guān)。張開型裂紋在平面應(yīng)力狀態(tài)下，最簡(jiǎn)潔產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展，通常KⅠc都是在厚板下用張開型裂紋下進(jìn)展試驗(yàn)，求得平面應(yīng)變下平面應(yīng)變斷裂韌性KⅠc2斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用IWE-T/3.3-4/295、線彈性斷裂力學(xué)在小塑性區(qū)的應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)只適用于線彈性體，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)較裂紋尺寸小〔稱為小范圍屈服〕狀況下，仍可按線彈性斷裂力學(xué)的近似地估量出真實(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到達(dá)同一數(shù)量級(jí)時(shí)，發(fā)生所謂大范圍屈服的狀況〔這在中、低強(qiáng)度材料中是常見的〕，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)度因子描述，要用彈塑性斷裂力學(xué)來解決。目前裂紋張開位移〔所謂COD〕和形變功差率〔所謂J積分〕來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/3.3-4/291、裂紋尖端張開位移CODCOD就是材料受載后裂紋尖端的張開位移，一般用δ表示，它是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的一個(gè)參量。當(dāng)裂紋開裂時(shí)的臨界值δc作為材料斷裂韌性指標(biāo)。用δ≥δc作為斷裂判據(jù)來估量材料屈服破壞時(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/3.3-5/292、J積分：J積分是承受圍繞裂紋尖端任意回路的能量線積分，也就是用能量觀點(diǎn)來爭(zhēng)論斷裂判據(jù)，這樣它就適用于裂紋尖端前有較大塑性區(qū)的材料斷裂問題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)根本特點(diǎn)，其一，試樣需預(yù)制疲乏裂紋，其二，試樣應(yīng)具有足夠的厚度，以保證裂紋尖端四周處于平面應(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/3.3-5/292斷裂力學(xué)及在焊接中的應(yīng)用IWE-T/3.3-5/292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)在脆性破壞問題中的應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)是承受K1≥K1C斷裂判據(jù)來解決斷裂問題，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：依據(jù)給定的載荷和構(gòu)造形式，查閱應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)，按確定的方法進(jìn)展計(jì)算。2、測(cè)定材料的斷裂韌性K1C：承受三點(diǎn)彎曲試樣或緊湊拉伸試樣等試驗(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/3.3-1/293、應(yīng)用斷裂判據(jù)K1≥K1C，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〕在構(gòu)件上工作應(yīng)力σ下確定臨界裂紋尺寸αc,考慮確定安全系數(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)?！?〕構(gòu)件上裂紋長(zhǎng)度α，確定臨界工作應(yīng)力σc,得到容許應(yīng)力

3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-5/29焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-5/29疲乏斷裂是焊接金屬構(gòu)造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，一般說來，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)，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應(yīng)力斷裂。疲乏斷裂過程的爭(zhēng)論說明，疲乏壽命不是準(zhǔn)備于裂紋產(chǎn)生，而是準(zhǔn)備裂紋增大和擴(kuò)展。從疲乏的斷口，可以看出在疲乏核心四周存在特殊光滑，特殊細(xì)潔，貝紋線不明顯的狹小區(qū)域，從本質(zhì)上看就是疲乏裂紋擴(kuò)展區(qū)。下面以疲乏斷裂過程予以說明。3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-5/29一、疲乏斷裂的過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的塑性形變，這種塑性變形阻礙破斷的快速進(jìn)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)展到最終斷裂區(qū)域。就會(huì)引起裂開，由此可見疲乏斷裂過程一般有仨個(gè)階段所組成：〔1〕在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲乏裂紋源：通常把裂紋長(zhǎng)到1000埃之前定義為裂紋產(chǎn)生階段，在焊接接頭中疲乏裂紋產(chǎn)生階段之占整個(gè)疲乏過程中的一個(gè)短的時(shí)間。3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-5/29〔2〕疲乏裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展過程：在這過程中,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)將在斷裂外表產(chǎn)生一道輝紋，即每經(jīng)過一次加載循環(huán)，在裂紋尖端即經(jīng)受一次銳化——鈍化——在銳化的過程，裂紋就擴(kuò)展一距離。〔3〕疲乏斷裂：裂紋在循環(huán)載荷作用下，不斷向前擴(kuò)展，但擴(kuò)展至確定程度，構(gòu)造即進(jìn)入最終斷裂階段。

3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-5/29在焊接接頭中，產(chǎn)生疲乏裂紋一般要比其他聯(lián)接型式的循環(huán)次數(shù)少。這是由于焊接接頭中不僅有應(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，剩余焊接應(yīng)力也比較高。疲乏斷口從宏觀檢查來看，由疲乏裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)，和最終斷裂區(qū)，斷裂開頭點(diǎn)向四周輻射出類似貝殼紋的疲乏紋。3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-6/29疲乏裂紋擴(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，裂紋張開，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)消逝，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)生新的外表，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，形成新外表被壓向裂紋平面，形成新的切口，結(jié)果造成新的疲乏紋，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焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-6/29二、在焊接構(gòu)造中疲乏強(qiáng)度的常用表示法〔一〕根本概念1、疲乏強(qiáng)度和疲乏極限〔1〕疲乏曲線指某一材料試樣用不同載荷進(jìn)展屢次反復(fù)加載試驗(yàn)，測(cè)得不同載荷下使試樣破壞所需加載循環(huán)次數(shù)所繪制成σ-N疲乏曲線3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-6/29〔2〕疲乏強(qiáng)度為在某一N循環(huán)次數(shù)下破壞應(yīng)力，稱為在該N循環(huán)下的疲乏強(qiáng)度?！?〕疲乏極限是指在N次以后其強(qiáng)度不再下降到達(dá)飽和極限，如以下圖水平線代表疲乏極限的數(shù)值。3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-6/292、應(yīng)力循環(huán)特性疲乏強(qiáng)度的數(shù)值與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)，應(yīng)力循環(huán)特性主要用以下參量表示：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σmaxσmin應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力γ的變化范圍為-∞~+1由上式可見σmax=σm+σa,σmin=σm-σa,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)力局部〕和應(yīng)力振幅〔交變應(yīng)力局部〕的組合。3焊接接頭和構(gòu)造的疲乏強(qiáng)度IWE-T/3.3-7/293、特殊循環(huán)特性變動(dòng)載荷如圖7所示。(1)對(duì)稱交變載荷σmin=-σmax而γ=-1，其疲乏強(qiáng)度用σ