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1、动载焊接结构的强度及其设计 哈尔滨工业大学 杨建国( IWE-T/3.3)2009.03断 裂 力 学 ( IWE-3.6)1 概述自从焊接结构得到广泛应用以来，发现 以承受动载为主的焊接结构，在远没有达到 其设计寿命时就出现破坏现象，通常发生脆 性断裂和疲劳断裂两大类破坏事故。脆性断裂事故的焊接结构数量与安全工 作的焊接结构数量相比虽然是很少。但是， 由于这种事故具有突发性，不易预防的特点 ，其后果往往是十分严重的，甚至是灾难性 的，所以引起人们高度重视。IWE-T/3.3-1/291 概述例子： 第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特 (Albert)运河上建造了约50 座全焊接拱形空腹式
2、桁架 钢桥。材料为比利时9t42 转炉钢。 (1)其中跨度为48.78m 的长里华大桥在-14时脆 断。 (2)1938 年3月，比利时哈瑟尔特全焊拱形空腹式 钢桥在交付使用1 年后，当一辆电车和几个行人通过 时，突然断裂为三段，坠人阿尔贝特运河。该桥跨 度74.5m，该桥第一条裂缝由下弦开始并发生巨响， 6min 后垮塌,当时桥上荷载很小,气温较低,为-20。IWE-T/3.3-1/291 概述(3)跨度60.98m 的亥伦脱尔一奥兰(Herenthals-Olen) 大桥在1940 年1 月19 日破坏，当时的气温为-14， 其中有一条裂缝长达2.1m，宽为25mm，但此桥未坍 落，且在开
3、裂后5h，当一列火车通过时此桥竟平安 无事。据统计，自1938 年至1950 年在比利时共有14 座 大桥断裂，其中有6 座桥梁属负温下冷脆断裂，大部 分在下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限 状态。归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中 、残余应力、低温和冲击韧性值k 太小。IWE-T/3.3-1/291 概述国内典型例子 1995年1月8日发生在黑龙江省某地的糖厂， 该糖厂一台使用了20年的直径为24m、高16m 的圆筒形糖蜜贮罐在凌晨五点左右突然开裂 ，导致4000吨糖蜜倾泻而出，造成人员和巨 大经济损失。事故原因为低应力脆断。IWE-T/3.3-1/291 概述IWE-T/3.3-
4、1/29布局 焊缝1 概述IWE-T/3.3-1/291 概述IWE-T/3.3-1/291 概述q在工程上，按照断裂前塑性变形大小，将断裂 分为延性断裂（亦称为塑性断裂和韧性断裂）和 脆性断裂两种。延性断裂在断裂前有较大的塑性 变形；脆性断裂前没有或只有少量塑性变形，断 裂突然发生并快速发展（裂纹扩展速率高达1500 2000m/s）。同一材料在不同条件下也会出现 不同断裂形式，例如低碳钢通常认为是塑性很高 ，被广泛应用于各种焊接结构中。但是在一定条 件下，低碳钢构件也会发生脆性断裂。IWE-T/3.3-1/291 概述脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变 形能不足所致。大量脆断事故研究表明
5、，造成 焊接脆断的原因是多方面的：主要是材料选用 不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完 善等。IWE-T/3.3-1/291 概述脆性断裂的特点为：(1) 脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没 有显著的塑性变形的情况下发生。(2) 脆断往往从应力集中处开始，即构件内存在缺 陷，尤其焊接裂缝等。(3) 脆断往往发生在低温下，厚截面构件和高应变 速度（即动载作用下）的情况下。 (4) 塑性材料也发生脆性断裂。 脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变形能不 足所致。大量脆断事故研究表明，造成焊接脆断的 原因是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合 理和制造工艺及检验技术不完善等。 IWE-T/
6、3.3-1/291 概述q影响金属脆性断裂的因素：同一种材料在不同受力条件下，可以显 示出不同破坏形式。研究表明，其最重要的 影响因素是温度，其次为应力状态、加载速 度。这就是说在一定的温度、应力状态和加 载速度下，材料如果是塑性破坏，而在另外 条件下，材料可呈脆性破坏。此外晶粒度及其显微组织对材料破坏倾 向也有很大影响。IWE-T/3.3-1/291 概述（1）温度的影响 温度对材料的破坏方式影响最大，降低 温度就可以使破坏方式由塑性破坏转变为脆 性破坏。这是因为随温度的降低，发生解理 断裂的危险性增大，材料将出现塑性到脆性 断裂的转变。塑性到脆性断裂的转变温度称为材料转 变温度，此温度越高
7、，材料的脆断可能性增 加。 IWE-T/3.3-1/291 概述由于解理断裂通常发生在体心立方和密集六 方点阵的金属和合金中，只在特殊情况下， 如应力腐蚀条件下，才在面心立方点阵的金 属中发生，因此面心立方点阵的金属（如奥 氏不锈钢），可以在很低温度下工作而不发 生脆性断裂。第四章 脆断-4/451 概述（2）应力状态的影响 物体在受外载时，在不同的截面上产生 不同的正应力和剪切应力，其中必有一个 最大正应力max和最大切应力max。 max和 max及其比值 与加载方式有关。 称为应力状态系数，与加载方式和构 件形状有关。的应力状态有利塑性变形切 应力的韧性断裂，而则有利正应力的脆性 断裂。
8、IWE-T/3.3-1/291 概述力学状态图 第四章 脆断-5/45正断抗力剪切屈服剪切抗力1 概述单轴拉伸时， =1/2第四章 脆断-5/451 概述在实际结构中三轴应力可能由三轴载荷产生 ，但更多的情况下是由于结构几何不连续性引 起的。在三轴拉伸时，最大应力就超出单轴拉 伸时的屈服应力，形成很高的局部应力而材料 尚未发生屈服，结果降低了材料塑性，使该处 材料变脆。这说明了为什么脆断事故一般都起 源于具有严重应力集中效应的缺口处，而在试 验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为 。第四章 脆断-5/451 概述（3）加载速度的影响 研究表明提高加载 速度能促使材料脆性破坏 ，其作用相当于降
9、低温度 。还应指出，在同样 加载速度下，结构中有缺 口时，应变速率可呈现加 倍的不利的影响，因为此 时应力集中大大降低了材 料的局部塑性。 IWE-T/3.3-1/291 概述（4）材料状态影响：1）板厚度的影响: 首先厚板在缺口处容 易形成三向应力的平面应变状态，另外板厚 轧制次数少，组织疏松，内外性能不均：2）晶粒影响: 晶粒度对脆性转变温度有 很大影响，晶粒越细，其转变温度降低；3）化学成分影响: 钢中C、N、O、H、 S、P增加钢中的脆性。IWE-T/3.3-1/291 概述q 疲劳断裂疲劳断裂是金属结构在动载作用下失效 的一种主要形式，统计资料表明，由于疲劳 而失效的金属结构，约占失
10、效结构的90%， 这种结构的断裂形式与脆性断裂形式不一样 。疲劳断裂与脆性断裂相比较：相同点：二者断裂时形变都很小，并都在动载作 用下断裂， IWE-T/3.3-1/291 概述第四章 脆断-8/451 概述不同点： （1）载荷：疲劳断裂需要多次加载，而脆断 一般不需要多次加载； （2）时间：脆断是瞬时完成的，而疲劳裂缝 的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年的时间 。 （3）温度：对脆断来说，温度的影响是极其 重要的，随着温度的降低，脆断的危险性迅速 增加。但疲劳强度却不是这样。 （4）断口：疲劳断裂和脆性断裂相比较还有 不同的断口特征等。 IWE-T/3.3-1/291 概述众多焊接结构的疲劳
11、断裂事故中，可以 清楚的看到焊接接头的重要影响，疲劳破坏 一般都是从应力集中处开始，而焊接结构的 疲劳裂缝又往往从焊接接头的应力集中处产 生。高周疲劳：应力低（远小于屈服强度） 、频率高；低周疲劳：应力高（接近屈服强度）、 频率低。IWE-T/3.3-1/292 断裂力学及在焊接中的应用一、断裂力学 经典力学：常规的强度计算方法是以材料为基 础，把材料抽象为均匀、连续和各向同性的，未 考虑材料的内部缺陷，用s、b和安全系数n反 映结构安全可靠性，它与破坏过程均无直接联系 。 断裂力学：为了探索缺陷对材料强度的影响， 研究材料抗断裂性能指标，建立破坏条件，提出 具有缺陷构件的强度计算方法，研究含
12、有缺陷宏 观裂纹构件的安全性，而建立起断裂力学。IWE-T/3.3-1/292 断裂力学及在焊接中的应用（一）断裂力学研究任务通过研究裂纹尖端局部区域的应力和变 形情况，掌握裂纹在外载荷作用下扩展规律 ，了解带裂纹构件的承载能力，从而提出抗 断设计的方法，保证构件的安全工作。研究表明，实际结构的破坏，不取决于 平均应力，而取决于缺陷邻近的局部应力和 应力集中程度，使结构在低应力下，由宏观 裂纹源的扩展而引起破坏。IWE-T/3.3-2/292 断裂力学及在焊接中的应用裂纹的扩展可分为稳定扩展（又称亚临 界扩展）和失稳扩展（不稳定扩展）：裂纹的稳定扩展：是裂纹在不断接受外 界能量情况才会扩展。疲
13、劳裂纹扩展属于此 类扩展。裂纹不稳定扩展：是指裂纹在不需要外 界继续提供能量情况下裂纹就扩展，低应力 脆断时裂纹扩展属于此种。IWE-T/3.3-2/292 断裂力学及在焊接中的应用不稳定扩展的主要原因： （1) 裂纹很尖锐，造成高度的应力集中； （2) 裂纹很深，裂纹尖端区域造成充分的三 向应力状态； （3）裂纹的扩展会释放出大量的弹性应变 能，这是失稳扩展的基本能源； （4）在一定应力水平下，裂纹尺寸在一定 大小以上，由于放出能量造成裂纹扩展，这 尺寸称为裂纹扩展的临界尺寸。小于临界尺 寸裂纹称亚临界裂纹，不会自行扩展。IWE-T/3.3-2/292 断裂力学及在焊接中的应用（二） 断裂力
14、学研究对象 1、 线弹性断裂力学将材料当作理想线弹性体来研究断裂机 理，即含有裂纹材料的应力应变状态和裂纹扩 展规律。用于裂纹尖端产生小范围屈服的研究 ，在工程实践中应用于超高强度钢、厚截面中 强度钢结构，塑性变形小和对中低强度钢的结 构。 2、非线性断裂力学用有关弹塑性线性理论，来分析裂纹尖 端存在塑性变形区及其断裂破坏机理，用于中 、低强度具有较大韧性的材料。IWE-T/3.3-2/292 断裂力学及在焊接中的应用断裂力学的任务： 宏观裂纹源在什么条件下会导致失稳 扩展以致断裂； 建立裂纹尺寸和破坏应力之间的关系 。它对焊接结构安全设计、合理选材、改 进材质和施工工艺以及制定科学的概念标准
15、 等都有重要意义。IWE-T/3.3-2/292 断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-2/29二 裂纹尖端应力强度因子1、应力强度因子: 线弹 性断裂力学认为，材料脆 性断裂前基本上是弹性变 形，其中应力应变关系是 线性关系，在这样条件下 ，就可用材料力学来分析 裂纹扩展的规律。用弹性 力学理论分析图1所示，在 裂纹尖端附近任一点P各 应力分量为：r2 断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-2/29从上面式中看出，各应力分量均有一个 共同的因子，它表示裂纹在名义应力作用下 处于弹性平衡状态，裂纹尖端附近应力场的 强弱。它的大小就确定裂纹尖端附近各点应 力大小。其应力不仅与名义应力
16、有关，而且 与裂纹大小有关。因此，K1表示尖端附近应 力场强弱的因子，简称应力强度因子： Y裂纹形状因子，是一个无量纲的系数，2a 裂纹长度。2 断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/29裂纹扩展方式：（1）张开型：在垂直裂纹面的拉应力作用下， 使裂纹张开而扩展。（最危险，着重研究）（2 ）滑移型：在平行于裂纹表面且垂直于裂纹前缘 剪应力作用下，使裂纹滑动而扩展。 （3）撕裂型：在平行于裂纹表面且平行于裂纹 前缘剪应力作用下，使裂纹撕开而扩展。2、裂纹扩展形式裂纹类型：穿透裂纹 、表面裂纹和内部裂纹 三种。2 断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/29张开型是最常见又最危险，裂纹容易扩展， 因此通常研究这种类型低应力脆断问题 2 断裂力学及在焊接中的应用IWE-T/3.3-3/
