iwe动载焊接结构的强度及其设计(工程师-1)

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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刘雪松(IWE-T/3.3)2007.03.10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

2、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。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/3.3-1/291概述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

3、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，材料的脆断可能性增加。IWE-T/3.3-1/291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σ和剪切应力τ，其中必有一个最大正应力σmax和最大切应力τmax。σmax和τmax及其比值与加载方式有关。α称为应力状态系数，与加载方式和构件形状有关。α

4、↑的应力状态有利塑性变形切应力的韧性断裂，而α↓则有利正应力的脆性断裂。IWE-T/3.3-1/291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

5、、S、P增加钢中的脆性。IWE-T/3.3-1/291概述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

6、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σs、σb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。

7、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.