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第四章 防断裂设计与应用 第一节 设计思想与分类 第二节 几种主要的防脆断设计方法 第三节 应用举例 第一节 设计思想与分类 1）设计思想 防止脆性断裂工程方法是以线弹性断裂力学理论为基础的。以含裂纹结构应力强度因子的弹性解，结合实验测得的材料断裂韧性与温度的关系曲线，来判断结构是否会发生脆断，确定临界裂纹尺寸的大小，评定许用缺陷尺寸，按工程要求、使用环境及条件设计结构，使其满足nKI ＜KIC，并按裂纹扩展规律设计产品和定出服役产品的检验周期，使其在服役期内满足式上述要求，以确保产品安全。 由于在线弹性范围内，JIC、COD和KIC的一致性，也可按JIC和δC来设计防脆断结构。 2） 分 类 （1）按断裂判据分：有K判据法、COD法、J积分法、应变能密度因子法等。 （2）按许用缺陷尺寸设计分（多用于评定焊接结构的缺陷尺寸）：有当量裂纹尺寸法、临界裂纹尺寸法。 （3）按脆性转变温度设计分：有裂纹分析图法、确定能量水平法等。 （4）按设计要求分：有压力容器的“先漏后破”(LBB)准则等。 （5）按半经验方法：有寻找断裂韧性与常规性能指标的关系，并按经验给出常规性能指标（如夏比能）的限制等方法。 第二节 几种主要的防脆断设计方法 1) 基于KIC的设计方法 该法基于线弹性断裂力学的原理，使构件的应力强度因子小于构件材料的断裂韧性下限值。其基本要求如下： (1) 测定材料的断裂韧性，并确定参考临界应力强度因子值KIC 。 (2) 测定材料的参考零延性转变温度。 用落锤试验决定的材料零延性转变温度NDT，再附加夏比冲击试验的要求后确定的温度。 (3) 作参考临界应力强度因子值KIC与参考温度参数（T-RTNDT）的曲线（T为工作环境温度） (4) 确定最大缺陷尺寸 对于已生产出的产品，可以通过探伤确定最大缺陷尺寸。 但在多数情况下，设计时并无产品，因此只能根据以往的经验假定一缺陷进行设计。 ASME规范中假定在结构上存在一个最大缺陷，此缺陷垂直于最大应力方向，为尖锐的表面缺陷。当截面厚度为102~305mm时，则假设缺陷深度为1/4截面厚度，长度为1.5倍截面厚度。当截面厚度大于305mm时，缺陷按305mm厚度时的假定缺陷计算；而对截面厚度小于102mm时，缺陷保守的假定为深25.4mm。 (5) 计算应力强度因子 计算要包括结构承受的各种载荷所引起的应力强度因子，一般采用 计算，F为几何参数的修正因子。 (6) 选取安全系数 在计算主要应力强度因子时，必须乘以安全系数n(1~2)。 (7) 许用载荷条件 各种载荷所引起的应力强度因子的总和要小于构件材料的断裂韧性的下限值。 2）许用缺陷尺寸设计方法 产品在制造或使用中，经检查发现有缺陷存在，则需对缺陷进行评定，以确定是否容许其存在。该法主要用于评定焊接结构中存在的焊接缺陷。设计要点如下： （1）缺陷尺寸的标准化 对于单个缺陷，可简化成圆形或椭圆型单个裂纹，然后决定缺陷尺寸a及l，最后根据缺陷离自由表面之距离s’，确定是表面裂纹，还是深埋裂纹（若s’ ＞a，为深埋裂纹； s’ ＜a ，为表面裂纹。若缺陷对两个自由表面都是s’ ＜a ，或者a/t0.5，则视为穿透裂纹）。 相邻有多个缺陷时，如果缺陷相互干涉，则复合为一个缺陷；若互不干涉，则按单个缺陷评定。 （2）决定缺陷的特征尺寸 将第一步决定的简化缺陷尺寸a及l，化为统一的等效穿透缺陷，并以穿透裂纹的半长 作为特征尺寸。对于穿透裂纹： = a ；而对于深埋裂纹和表面裂纹，则需查阅有关图表来决定。 等效换算原理是把二维裂纹的应力强度因子等效换算成二维穿透裂纹。 （3）缺陷处在无缺陷时的作用应力或应变值的决定。 （4）允许裂纹尺寸参数 的确定 （5）评定 将无损检测的缺陷尺寸a与允许裂纹尺寸 比较。 当 时，合格，结构不会发生脆断； 时，不合格，缺陷不能被接受。 因此，可确定出缺陷的标准。 3）压力容器的缺陷评定 我国于1984年制定了“压力容器缺陷评定