演示文稿2教材

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1、 焊接结构的疲劳裂纹 形成寿命预测 +构件的疲劳寿命通常可以分为裂纹的形成寿命和裂纹的扩 展寿命，工程上所指的疲劳裂纹形成阶段，常指疲劳裂纹 成核并扩展到工程上可检长度的阶段，预测构件疲劳裂纹 形成寿命的主要方法就是局部应力应变法，而裂纹的扩展 寿命可以用断裂力学方法来计算。 +局部应力应变法预测构件的疲劳裂纹构成寿命的基本思想 ：据顶构件疲劳裂纹形成寿命的关键是构件局部应力应变 集中区的最大局部应力应变。只要最大局部应力应变相同 ，疲劳寿命也就相同。因此，只要知道光滑材料试件的疲 劳寿命曲线，也就可以把存在应力集中的构件的最大局部 应力应变与其对应，从而 计算出构件的疲劳裂纹形成寿命 。 +

2、1.单调应力-应变曲线 +断裂力学是研究带裂纹体的一个固体力学分支。 它在承认零件或材料的表层或内部存在裂纹的基 础上，在材料的力学性能、零件和裂纹的几何尺 寸、零件所受的载荷三者之间建立了定量关系， 目的在于根据小试样的断裂力学实验数据，推断 零件的抗断裂能力。断裂力学是建立在对裂纹尖 端的力学分析基础之上的。 +工程结构断裂力学分析的一个重要方面，是测定 裂纹扩展速度，并在已知初始裂纹尺寸的前提下 ，估算裂纹扩展到断裂的寿命，这是疲劳强度设 计中的一个重要内容。 +按裂纹的几何特征分： 穿透裂纹：贯穿构件厚度的裂纹称为穿透裂纹。 表面裂纹：裂纹位于构件表面，或裂纹深度相对 构件厚度比较小九

3、作为表面裂纹处理。对于表面 裂纹通常简化为办椭圆形裂纹。 深埋裂纹：裂纹位于构件内部，常简化为椭圆片 状裂纹或圆片裂纹。 +按裂纹的力学特征分: 张开型裂纹：裂纹受垂直于裂纹面的拉应力，使 裂纹表面产生张开位移。 滑开型裂纹：裂纹受平行与裂纹面，并且垂直与 裂纹千元的剪应力，使裂纹在平面内相对滑开。 撕开型裂纹：裂纹受平行与裂纹面，并且平行于 裂纹千元的剪应力，使裂纹相对错开。 +Irwin通过裂纹尖端附近应力力场的研究提出了一个新参 量应力强度因子，并建立了断裂判据，这一判据在工 程上得到了广泛的应用。 +I型裂纹尖端的应力场合位移场的表达式如下： 平面应变状态 平面应力状态 平面应变 平面

4、应力 平面应变 平面应力 主要是通过弹性力学的平衡微分方程，几何方程和物理 方程通过Westergard函数代入计算得到。 疲劳裂纹扩展方程式 许多结构因冷加工、淬火、装配及焊接过程中都有可能 产生裂纹，因此，研究带裂纹构件的安全性问题显得十 分重要。断裂力学为解决这一类问题提供了理论基础。 对于如图8.1所示中心有长为2a的穿透裂纹的无限大薄 板，在无穷远处受均匀应力作用。根据线弹性理论，裂 纹尖端附近任意一点的应力状态分量可用（8.1）式表 示。 其中张开型应力强度因子 是描述裂纹尖端应力强度的主导参量。 对于一些其它裂纹体的应力强度因子通常可用下式表示： +由上述裂纹尖端应力场可知，如给

5、定裂纹尖端某点的位置 时，裂纹尖端某点的应力、位移和应变完全由K1决定，如 将应力写成一般通式 +即可更清楚地看出，裂纹尖端应力应变场的强弱程度完全 由K1决定，因此把K1称为应力强度因子。应力强度因子K1 决定于裂 纹的形状和尺寸，也决定于应力的大小。如对无 限大平板内中心含有穿透K1= ,由此可知线弹性断 裂力学并不象传统力学那样，单纯用应力大小来描述裂 纹 尖端的应力场，而是同时考虑应力与裂纹形状及尺寸的综 合影响。 + 由公式可知，当 时 ，此时裂纹尖端处的应力 趋于无穷大，这表明裂纹尖端处应力是奇点，应力 场具有 r-1/2阶奇异性。有公式还可看出，当 =0，即在裂纹的 延长线上 这

6、表明裂纹在xoy平面时，切应力为零，而拉应力最大， 所以裂纹容易沿着该平面扩展。K1的国际单位为 ， 英制单位为 ,其间的换算为1 =1.099 。 +断裂韧性Kc和K1c + 对于受载的裂纹体，应力强度因子K1是 描写裂纹尖端应力场 强弱程度的力学参量， 可以推断当应力增大时，K1也 逐渐增 加，当K1达到某一临界值时，带裂纹的构件就断裂了。这一临 界值便称为断裂韧性Kc或K1c。 应当注意，K1和Kc或K1c是不同 的。 + K1是受外界条件影响的反映裂纹尖端 应力场强弱程度的力学 度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹 的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性

7、能 无关。而断裂韧性 Kc和K1c则是反映材料阻止裂纹扩展的能力 ，因此是材料本身的特性。Kc和K1c不 同点在于,Kc是平面应力 状态下的断裂韧性，它和板材或试样厚度有关，而当板材厚度 增加到达到平面应变状态时断裂韧性就趋于一稳定 的最低值， 这时便与板材或试样的厚度无关了，我们称为K1c，或平面应变 的断裂韧性，它才真正是一材料常数，反映了材料阻止裂纹扩 展的能力。 + 我们通常测定的材料断裂韧性，就是平面应变的断裂韧性K1c 。而建立的断裂判据也是以K1c为标准的，因为 它反映了最危 险的平面应变断裂情况。从平面应力向平面应变过渡的板材厚 度取决 于材料的强度，材料的屈服强度越高，达到平

8、面应变状 态的板材厚度越小。 在裂纹的延长线上（即X轴上），=0，最大主应力 ，它就是y。y随 坐标而变化越小，y越大， 当=0时 ，从而 时，材料就屈服。 由此可定出屈服区在X 轴上的尺寸0为： 平面应力 对于I性裂纹，平面应变的情况下，塑性区尺寸为 可见平面应变的屈服区尺寸远小于平面应力的。 如果我们用Mises判据，将I型裂纹代入主应力式可得： 平面应变 平面应力（3=0） 平面应变3=（1+2） 塑性区边界方程为： 平面应力 平面应变 我们看到，若=0，就得到裂纹延长线上的塑性 区尺寸0，与式（1-34）相同，只是所得到的屈服 形状不同。 若不考虑屈服，I型裂纹前端应力分布为 随而变化

9、，一旦屈服，则屈服区内的最大主应力恒 (不考虑加工硬化)。因此在屈服区内( )多出的那部分应力(积分应力：等于图4中阴线画出的面积ABD) 区域内松弛掉的应力传给的区域， 前方局部区域的应力升高，从 升到等于 ，从而使这部分区域也发生屈服。这就是说，屈服区内 扩大到R。 等于屈服应力 就要松弛掉。 应力松弛的结果将导致屈服区进一步扩大，从 它使 平面应力 平面应变 即 在裂纹失稳扩展的临界状态， 因而最大塑性区尺寸为上式所计算的结果。 ，应力松弛后塑性区增大了一倍。 疲劳裂纹扩展的超载效应 实际结构的受载往往是很复杂的，有时在恒幅载荷上突然 出现一高应力的过载峰，如图（8.4）所示 这时构件的

10、疲劳性能与常幅疲劳有较大差别。大量的试验 表明，当裂纹体在超载作用下，其裂纹的扩展速率会受 到明显影响。一般来说，适当的超载会产生超载效应， 是疲劳裂纹扩展停滞或延缓。当裂纹体超载时，裂纹附 近产生较大的塑性区，应力强度因子幅值由变为时，实 际上是一卸载过程，因而该塑性变形将引起压应力，使 裂纹过早产生闭合，这时裂纹尖端的实际应力强度因子 幅值比恒幅载荷时的要小，从而使裂纹扩展将发生延缓 和停滞。 存在超载效应时，其实际应 力强度因子幅为 ： 式中 为有效应力强度因子范围； 为应力强度因子最大值； 为裂纹尖端完全张开时的应力强度因子， 可由试验或有关模型计算来确定。 疲劳寿命预测的两阶段法 焊

11、接结构的疲劳寿命包括两个阶段的寿命， 即裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命。因此，又： 式中 为总寿命； 为裂纹形成寿命； 裂纹形成寿命可以采用局部应力应变求得，而裂纹扩展寿命 可以按断裂力学方法计算得到，这种预测焊 接结构疲劳寿命 的方法，我们不妨称它为两阶段法。 为裂纹扩展寿命。 本 章 所 规定的评定方法，依据评定对象的缺陷类型和评定 准则的不同，分为下列类型: 平 面缺陷的简化评定(简称简化评定); 平 面缺陷的常规评定(简称常规评定) 凹 坑缺陷的评定(简称凹坑评定); 气 孔和夹渣缺陷的评定(简称气孔夹渣评定)。 对 于 平 面缺陷，可采用简化评定或常规评定方法进行，当 二者的评定结果发生矛盾时，以常规评定结果为准。 若 缺 陷 沿壳体表面方向的实测最大长度为l，沿板厚方 向的实测最大深度为h，则: 当h0. 7 B时，规则化为长2a=l+2h的穿透裂纹; 当h0.7B时: a) h l/2时，对于断裂评定，规则化为c=a=h的半圆形表 面裂纹; 对疲劳评定，规则 化 为 c= l /2 ,a =h的半椭圆表面裂纹 。 表面缺陷所在区域的应力线性化图例 对于图8.5所示十字型焊接板接头，有一长度为 的裂纹，我们采用Paris公式描述裂纹的扩展规律。 我们可以采用下面介绍的二种方法来预测其疲劳裂纹扩展寿命。