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断裂力学与动载焊接结构设计 3/3.10-11断裂力学ⅠⅡ 3/3.12-13断裂力学ⅢⅣ 3/3.14-15动载焊接结构的设计ⅠⅡ 3/3.16动载焊接结构的设计Ⅲ 3/3.17动载焊接结构的设计Ⅳ 断裂力学ⅠⅡ ⅢⅣ主要内容 疲劳和脆性断裂 线弹性断裂力学 断裂力学的应用 疲劳强度的基本概念 影响焊接接头疲劳强度的因素 提高焊接结构疲劳强度的措施 1.2.2 脆性断裂的断口特征 断面形状： 解理断裂：断口平齐，有放射状撕裂棱形，即人字纹，其尖锋指向裂纹源 晶界断裂：表面平齐，呈颗粒状或粗瓷状，边缘有剪切唇 微观形态： ①解理断裂：河流花样，舌状花样，扇形花样 ②晶界断裂：岩石状花样，冰糖状花样，为不同程度的晶粒多面体 1.4.2外在客观因素 ⑴ 应力状态 力学状态图 材料力学性能，包括 正断抗力——SoT 剪切屈服极限——tT 剪断抗力——tK 应力状态指标 软性系数——tgα tgα=τmax/σmax 有尖锐缺口的厚板即使在单向应力作用下也会出现三向拉应力状态，使应力状态指标tgα提高，增加了脆断的可能性 这些都是促成结构脆性破坏的重要原因。 IIW Authorized Training Body 国际焊接学会授权的培训机构 哈尔滨焊接技术培训中心 Harbin Welding Training Institute 国际焊接工程师培训课程 Training Course for International Welding Engineer IIW Authorised Training Body 1.2结构脆性断裂的特点及断口特征 1.2.1 脆性断裂的特点 ⑴ 名义工作应力低: 只有材料的1/3～1/10，甚至外载荷等于零。 ⑵ 断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂，速度快。 ⑶ 低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。 1.2.1 脆性断裂的特点 ⑷ 发生低应力脆性断裂的结构内，多半存在着较大的内应力，有较高的内能。 ⑸ 发生低应力脆性断裂的结构上，必有裂源或应力集中点存在。脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感。 前三个特点，让人猝不及防，容易造成严重危害;后两个特点，反映了低应力脆性断裂的必然性。 1.3结构发生脆性断裂的原因和条件 （金属结构脆性断裂的能量理论） 固体内部的裂纹和缺陷，导致其发生低应力脆性断裂。使材料的实际断裂强度只有其理论强度的1/10 ～ 1/1000。 金属材料单位面积局部 塑性变形能为——P 裂纹失稳扩展条件为 πaσ2/E≥2P 两点结论： ① 由能量原理可以看出，拉应力σ（可能包括外载引起的拉应力和内部残余拉应力）是裂纹产生和扩展的动力，拉应力及缺陷的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度。 ② 阻止裂纹扩展的主要因素是压应力和材料的塑性变形。 1.4 影响金属结构延、脆性断裂的主要因素（产生脆性断裂的原因） 1.4.1内在抗力因素 ⑴ 材质因素 ① 金属的化学成分及其晶粒度 ② 延/脆转变温度 ③ 材质缺陷 ⑵ 结构因素： ①结构形体、尺寸等影响应力大小、分布的因素； ②结构表面形状的突变较大，则应力集中严重； ③突变处的局部刚度过大，则使结构对应力集中敏感…等。 ⑶ 内部应力： 焊接内应力 构件之间的拘束应力 温差应力 各种冷热加工应力 塑性变形三点好处： （一）促使应力集中点的应力均匀化，降低应力集中的作用； （二）可使内应力重新分布，减小残余应力的大小和影响； （三）可通过一定的塑性变形位移，使外力做功，消耗一部分内能，减小脆性破坏的危险性。 ⑵ 环境温度 温度较高会增大金属原子的活力，容易发生塑性变形，不易产生脆性断裂。 低温会使金属材料变脆，发生（延/脆）转变。 ⑶ 加载速率 1.5预防脆性断裂的措施 1.5.1正确选择材料 选材原则 满足强度要求，满足韧性要求，满足经济效益要求 1.5.2正确设计 ⑴ 尽量采用合理的结构形式 ⑵ 尽量减小结构和焊接接头部位的应力集中 ⑶ 尽量避免接头区局部刚度过大，局部刚度越大，对应力集中越敏感。 ⑷ 注意结构中次要元件的质量。 1.5.3合理安排结构制造工艺 合理选择焊接材料，焊接方法及工艺参数 消除焊接缺陷 改善焊接残余应力分布 避免附加应力等 1.5.4正确使用，精心维护 注意工作环境防腐，防止环境温差造成内应力，防止结构重要部位受到急冷的袭击。 脆性断裂；线弹性断裂力学基础；疲劳断裂；动载结构设计——规则及标准；铁路桥梁（按DS804标准）；吊车及吊车轨道 备注：后三条非3/3.10-11断裂力学ⅠⅡ内容，是3/3.12-13断裂力学ⅢⅣ 每种材料都有一个力学状态图，在力学状态图中应力状态可用斜率为tgα的直线表示，该斜率即为应力状态指标，等于最大