华东理工大学-压力容器设计课件第9章.pdf

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1、压力容器设计课程相关讲座第九章失效分析的理论与实践华东理工大学机械与动力工程学院潘家祯1．断裂表面形貌在焊接结构中，疲劳和脆性断裂是两种最重要的在役断裂形式。疲劳断裂占断裂事故的90％，脆性断裂虽然它的比例不高，但是它会造成灾难性的事故。11．断裂表面形貌•疲劳是由交变应力引起的结构失效的一种形式。•它发生在总体应力低于材料屈服应力的情况下。•它发生在结构中的应力集中的部位。•在焊接结构中，作为焊缝外部几何形状的结果，或者以焊接缺陷形式的内部不连续，都会增加应力集中。21．断裂表面形貌这里收集了一套断

2、裂表面复型，展示这两种断裂表面的形貌。31．断裂表面形貌•下面收集了四种疲劳断裂形貌，其中包括了在焊接结构中经常会出现的应力集中。•其中两种断裂形貌与设计有关，另外两种与内部缺陷有关。•与设计有关的两种情况是：－不能承载的角焊缝；－对接焊缝；4断裂形貌1：填角焊缝根部萌生的裂纹经向焊缝这是不承载的角焊缝。疲劳发生在不承载的填角焊缝的根部。不可能设计不带焊缝根部的应力集中处焊缝根部填角焊缝的复杂焊接结构。横向焊缝由于它的形状，在焊缝根部存在微焊缝根部的小缺陷。5应力集中处断裂形貌1：填角焊缝根部萌生的裂纹经向

3、焊缝微小缺陷构成了严重的应力集中，不论应力垂直或者平行于焊缝。许多焊缝结构的疲劳强度受无法避焊缝根部的免的填角焊缝的支应力集中处焊缝根部配。断裂表面呈现了横向焊缝典型的通常观察到的不能承载的填角焊缝根部的焊缝的形貌。6应力集中处断裂形貌1：填角焊缝根部萌生的裂纹最小应力为零疲劳周期图2表示了从系列实验得到的S－N曲线。箭头所指是本试样的数据点。7断裂形貌1：填角焊缝根部萌生的裂纹从断裂表面上可以看出，疲劳在焊缝根部产生。8断裂形貌1：填角焊缝根部萌生的裂纹9从断裂表面上可以看出，疲劳在焊缝根部产生，断裂形貌

4、1：填角焊缝根部萌生的裂纹最后断最后断裂处裂处10在焊缝根部分别萌生的疲劳裂纹逐渐扩展、连接、贯穿截面断裂形貌2：对接焊缝边缘萌生的裂纹•高质量的对接焊缝它们的表面是平齐的，应力集中的影响很小。•但实际上有过量的金属堆积在焊缝上，横向对接焊缝的疲劳强度依赖于断面的形貌。•在2百万疲劳周期下的疲劳强度可以从75～190MPa它们的形貌可以通过研磨来改善，但是成本很高。•下图是一条对接焊缝，采用埋弧焊自动焊接。11断裂形貌2：对接焊缝边缘萌生的裂纹自动焊得到了十分均匀的焊缝根部形貌。观察断裂表面，疲劳裂纹萌生在

5、整个焊缝上，由于焊缝根部均匀的性质，裂纹几乎萌生在一个平面上。也有少量的台阶，但是它比前面说的采用手工焊接的填角焊缝引起的台阶要小得多。12断裂形貌2：对接焊缝边缘萌生的裂纹下限应力＝0焊缝根部的应力集中疲劳周期13断裂形貌2：对接焊缝边缘萌生的裂纹该试样施加的应力范围小于该材料屈服应力的一半，所以在发生断裂前，疲劳裂纹可以扩展到几乎整个截面，只形成很小的剪切唇(D)。断裂表面上其它感兴趣的特征是，杂质(E,F)在疲劳裂纹末端沿板材轧制面处，在最后断裂之前开裂。14这一分层现象是由于裂纹尖端的应变引起，并不

6、局限于疲劳断裂。断裂形貌3：由埋藏的电渣焊杂质引起的疲劳失效用射线探伤或超声波探伤发现的内部缺陷引起检验者和制造者的注意。目前的研究工作已经说明，从疲劳的观点来看，与标准设计的填角焊缝和对接焊缝比较，内部缺陷的危害性没有它们大。一个例子是从38mm厚的对接焊缝的系列试验中来，它含有6mm长电渣焊杂质。(A,B和C处,它们均引发了疲劳裂纹。)15断裂形貌3：由埋藏的电渣焊杂质引起的疲劳失效疲劳裂纹以圆形向外扩展。它与断裂力学的预测是一致的。它说明在无限大介质中，沿着扩展的裂纹前沿的应变是均匀的，它们的形状是一

7、个圆。在实际结构中有限尺寸的边缘影响会稍微改变它的形状。16断裂形貌3：由埋藏的电渣焊杂质引起的疲劳失效注意剪切台阶D和E在裂纹间不同的杂质点上萌生裂纹，在它们早期扩展阶段呈现了平坦的性质。在断裂前的疲劳裂纹末端，可以看出径向扩展的特征。它说明在高的局部应变时，强迫裂纹沿着微观结构最弱的方向扩展。17断裂形貌3：由埋藏的电渣焊杂质引起的疲劳失效感兴趣的是，该有缺陷的对接焊缝在140MPa下可经受2百万次疲劳循环，尽管已经有了6mm长的初始裂纹。18断裂形貌3：由埋藏的电渣焊杂质引起的疲劳失效而以前说的填角焊

8、缝在没有缺陷时只能在125MPa下经受2百万次疲劳载荷。19断裂形貌3：由埋藏的电渣焊杂质引起的疲劳失效它说明了填角焊缝的结构，与含有缺陷的对接焊缝相比，更容易从填角焊缝处破坏。因此，对这类结构，对缺陷不一定要进行返修。对这类结构的研究可以对承受疲劳载荷的结构中的焊接缺陷提出一个可以接受的标准。20断裂形貌4：焊接轴引起的疲劳当曲柄或推进器的轴磨损后，通常的方法是焊上一层材料，再经机加工到原有的直径。因为这些轴通