《断裂力学》PPT课件.ppt

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1、3/3.10-11断裂力学Introduction to fracture mechanics,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,1.1载荷的分类与破坏形式 结构承受载荷的性质、大小、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化过大、过速（冲击）的情况都属于动载。,1概述,疲劳是结构失效的基本形式，约占结构失效总量的8090。冲击载荷容易造成结构的脆性破坏。造成脆性破坏，或加速疲劳破坏的原因可能是结构形式不佳（如应力集中严重）或结构工作环境的恶化（如环境温度变得过低，使材料材质变脆；或环境介质腐蚀性强

2、，使结构缺陷加深增大）等。疲劳破坏和脆性破坏都属于低应力破坏，发生破坏时的工作应力可能只有结构材料屈服极限的1/2，1/5，1/10，甚至没有外载荷。,1.2结构脆性断裂的特点 名义工作应力低:只有材料的1/31/10，甚至外载荷等于零。断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂。低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。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。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

3、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。,表示能量的需要释放，不能自动扩展即，表示结构处于临界状态表示释放的能量需要，裂纹自动扩展，多余的能量以声、光、热等形式释放出来，造成灾难。,两点结论：由能量原理可以看出，拉应力（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。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）内在抗力因素 材质因素 根据上述理论，金属结构的延性或塑性变形

4、是裂纹扩展的主要障碍。金属的化学成分及其晶粒度增韧元素：Mn、Ni、Cr、Mo、V等,有提高强度，细化晶粒，增加韧性的作用。致脆元素：C、S、P、H、O、N等，容易偏析，降低强度，有脆化作用。,延/脆 转变温度高（如图），容易发生脆性断裂。化学成分和晶粒度，对转变温度的高低影响较大。材质缺陷（气孔、疏松、偏析、夹杂、夹渣、夹层、裂纹、伤痕、咬肉等）是产生应力集中的根源；缺陷较多、较大或处在拉应力区，则影响较大；垂直拉应力的片状缺陷，特别裂纹影响最大。,结构因素：结构形体、尺寸等影响应力大小、分布的因素；结构表面形状的突变较大，则应力集中严重；突变处的局部刚度过大，则使结构对应力集中敏感等。这些

5、都是促成结构脆性破坏的重要原因。内部应力：焊接内应力、构件之间的拘束应力、温差应力、各种冷热加工应力等在结构中造成过大的拉伸内应力。这与过大的外载荷一样，均能促成结构的脆性破坏。,外在客观因素 应力状态 物体承载时，在包含分析点的单元体上，三个正应力和三个剪应力的大小，会因单元体方向的变化而变化。不同加载方式的应力状态,结构表面形状突变和金属内部缺陷，特别是垂直主应力方向的片状缺陷、裂纹等，在裂纹尖端或在应力集中点，会形成三向拉伸的应力状态。内因、外因结合，造成名义工作应力很低时，发生脆性破坏。其实低应力脆性断裂，裂纹尖端应力并不低。,材料的塑性较好，即材料D1的屈服点与材料的正断抗力的比值较

6、小时，材料容易发生塑性变形。这有三点好处：一可以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，减小残余内应力的大小和影响；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。,否则，如果材料的塑性较差，如D2，在外力增大时，就会在金属缺陷部位，逐渐积累起较大的弹性变形能，一旦条件成熟，裂纹扩展，积累起来的弹性变形能释放出来，就会成为裂纹失稳扩展的动力，形成瞬间发生的脆性断裂。以上三点中，是加载方式，属外因；、反映结构抗力，属内因；是否脆断，须综合分析。,环境温度 低温会降低金属材料抗脆断的能力。温度较高会增大金属原子的活力，容易发生塑性变形，

7、不易产生脆性断裂。低温会使金属材料变脆，发生（延/脆）转变，脆断多发生在低温时。加载速率 正应力反映金属内部弹性变形的大小。正应力以声速（高度）在金属介质（钢）中传播，而塑性变形只能以比较缓慢的速度传播。以冲击等高速加载方式加载时，常常来不及产生塑性变形，而发生脆性断裂了。注意，表面形状突变、缺陷、裂纹等造成应力集中，同样具有增大加载、应变速率作用。所以，应力集中是促成脆性断裂重要因素。,1.5预防脆性断裂的措施造成低应力脆性断裂的主要原因，可概括为两点：材料在工作条件下的韧性不足；缺陷的存在和过大的拉应力（包括工作应力、残余应力、附加应力和应力集中等）。针对这两点，预防措施有四条：,正确选择

8、材料 按照使用要求，对材料的强度要求较高时，对其塑性韧性的要求也较高。但实际结构材料及其生产制造工艺所能达到情况却与需求相反，材料强度较低时，常有较大的塑性储备，而材料强度较高时，塑性韧性却明显不足。,焊接接头难免有焊接缺陷。低强材料的焊接接头，采用高组配，是高强度组配，承载后母材屈服时，焊缝的变形仍然很小，不易发生径缩，虽然焊缝中可能有缺陷，仍能保证接头与母材等强度。,高强材料的焊接接头采用低组配，这实际上，是高韧性组配，焊缝材料化学成分纯度高，杂质少，韧性好，接头承载时，焊缝金属和母材相比，有一定的塑性变形能力，有利于减小缺陷或应力集中的影响，促使应力均匀化，推迟裂纹的萌生，减缓裂纹的扩展

9、。另外，高韧性，低组配的焊接接头，工艺性好，焊接缺陷少。焊缝宽度较窄时（窄间隙焊接），高韧性，低组配的焊接接头能与母材等强度。,正确设计 尽量采用合理的结构形式去提高结构的强度、刚度等承载能力，盲目加厚、加大构件尺寸，并非明智之举。厚度大，则冶金缺陷较多，容易引起三向应力和应力集中。,尽量减小结构和焊接接头部位的应力集中 尽量采用应力集中系数较小的对接接头，并注意开缓和槽，做到圆滑过渡，必要时可以修磨平滑。,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。注意结构中次要元件的质量。次要附件的结构形式不好或焊接质量不好，也可能引起主干结构的破坏。,原设计 改进后的方案,合理安排结构制

10、造工艺 合理选择焊接材料、焊接方法和焊接工艺参量控制焊接线能量，尽量减少、减小工艺缺陷。严格生产管理和产品检验制度，把工艺缺陷（引弧、息弧弧坑、夹渣、咬肉等）消灭在生产过程中。不可随意在工件上焊附件，去掉时要磨平。采用过载拉伸、热处理等适当的措施，消除或改善结构的残余应力分布。妥善保管产品成品、半成品，避免造成附加应力，温度应力等。,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。,2.1断裂力学的概念、任务及研究对象 常规的强度计算方法中，以b、s来衡量材料的抗断能力，并把材料抽象为均质、连续和各向同性的，不计算材料内部缺陷、内应力、表面应力集中

11、的作用，而以安全系数统筹考虑它们的影响。近代高强合金材料大量涌现，强度越来越高，结构越来越轻巧，但材料的塑性储备越来越小，对缺陷、应力集中、内应力的影响越来越敏感，低应力脆性破坏事故屡屡发生，给人类造成巨大损失，断裂力学应运而生。,2断裂力学及其在焊接中的应用,断裂力学的概念和任务 断裂力学即裂纹体力学，是专门研究裂纹体中，裂纹在萌生、扩展中的力学理论及其应用问题的科学。这里所指的裂纹是广义的，材料中的微小缺陷，也被视作微裂纹。研究表明，结构的脆性破坏，与名义工作应力关系不大，直接取决于临近缺陷位置的局部应力和应力集中程度。结构的低（工作）应力破坏是由宏观裂纹的扩展而引发的。断裂力学通过研究裂

12、纹尖端局部区域的应力、应变（方向、大小、分布）情况，了解裂纹在应力作用下的扩展规律，以确定带裂纹构件（即裂纹体）的承载能力或使用寿命，保证构件安全工作。,裂纹扩展有稳定扩展（又称亚临界扩展）和不稳定扩展（失稳扩展）两种：裂纹只有不断接受外界能量，才会扩展的情况，如疲劳裂纹扩展，称为稳定扩展；勿须外界提供能量，裂纹就能快速扩展的情况（如低应力脆性断裂）称为失稳扩展。,裂纹失稳扩展的原因：裂纹较长，裂纹尖端应力集中严重，裂尖区域成为三向拉伸的脆性应力状态；裂纹扩展中释放的弹性应变能随裂纹长度递增，形成失稳状态，并放出多余能量。临界裂纹尺寸的大小随裂纹体的应力水平，或随裂尖区域应力场场强的增大而减小

13、。断裂力学的任务在于：研究宏观裂纹在什么条件下，才会导致失稳扩展，引发脆性断裂；建立裂纹尺寸与破坏应力之间的关系。这对结构安全设计、合理选材、改进材质和施工工艺，以及制定裂纹体力学的概念标准等都有重要意义。,断裂力学按研究对象分类 理想弹性材料 线弹性断裂力学，首先将材料当作理想的线弹性体来研究断裂机理，即研究裂纹体的应力应变状态和裂纹扩展规律。对此研究结果稍作修整，可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、厚截面的中强度钢结构，其塑性变形小；对中低强度钢的结构，作修改后，可作近似估计。弹塑性材料 非线性断裂力学，用弹塑性线性理论，来分析裂纹尖端存在塑性变形的区域，并分

14、析其断裂破坏机理，可用于中、低强度，并具有较大韧性的材料。,2.2线弹性断裂力学简介应力强度因子 超高强度钢或较厚的高强度材料，断裂前的变形基本上是弹性变形，没有明显的塑性变形发生，一般称这些材料为脆性材料或称其应力状态为脆性应力状态。线弹性断裂力学认为：材料脆性断裂之前基本上是弹性变形，应力和应变之间是线性关系，在这样的条件下，可以用材料力学、弹性力学来分析裂纹扩展规律。,在名义正应力作用下，处于弹性平衡状态时，反映裂纹尖端附近应力场强度的力学参量，称为应力强度因子，裂纹扩展类型属型I，故用K1表示。,裂纹扩展类型,裂纹是引发结构脆性断裂的主要因素，常见裂纹可分为：穿透裂纹、表面裂纹、内部裂

15、纹三种。张开型裂纹容易扩展，最常见，又最危险，这种类型的低应力脆断问题研究的较多。,简化断裂力学计算的两种特殊情况 平面应力状态：任何弹性物体受力时，都存在三维应力、应变问题。若无限大薄板，板面外没有施力物体，则表面；薄板厚度方向拘束很小，内部，基本属于平面应力状态。,平面应变状态：沿大厚度板板面方向，作用拉伸载荷，板面内（即X、Y方向）的应力及其弹性应变是主要的；厚板中层，厚度Z方向的拘束不能忽略，即,形成三向拉伸状态，很难产生塑性变形小，近乎平面应变状态；,断裂力学假定把受力的弹性裂纹体上、下表面（Z方向）固定起来，使Z方向不能收缩，即的情况称为平面应变状态。,线弹性断裂力学的应用方法张开

16、型裂纹在平面应变条件下，最容易产生失稳扩展。现在重点分析张开型裂纹尖端的应力强度因子1。1与应力大小成正比，是反映裂尖区域应力场强度的力学参数。构件中的裂纹，在外力作用下，逐渐长大。与此同时，构件裂尖应力强度因子1也随之逐渐增大。当1达到临界之后。构件中的裂纹将突然失稳扩展。应力强度因子的这个临界值，称为临界应力强度因子，用1c表示，它就是材料的断裂韧性，它反映材料抵抗脆性断裂，或裂纹失稳扩展的能力。平面应变条件下，材料抵抗脆性断裂的判据是：,材料断裂韧性的值KIC，通过试验求得，K1C与试件的几何尺寸（板厚）形状、受力情况、环境温度等因素有关。,线弹性断裂力学的应用范围及其在小塑性区的近似应

17、用线弹性断裂力学只适用于线弹性体，而实际金属材料在裂纹尖端区总有小量塑性变形，原则上不适于线弹性断裂力学。但当裂尖塑性区尺寸，远小于裂纹长度（称小范围屈服）的情况下，仍可按线弹性断裂力学，近似估算其真实性能。,2.3非线性（弹塑性）断裂力学简介中低强度材料，裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度，可以达到同一数量级，发生所谓大范围屈服的情况。裂纹尖端发生塑性变形的过程中，应力缓缓增加，裂尖应力场强度变化不大，应力强度因子不能反映裂尖区域金属不断硬化变脆的危险情况，须用弹塑性断裂力学的方法来解决这类问题，用裂纹尖端张开位移（COD）和形变功率(J积分)等来描述大范围屈服裂纹尖端的力学状态。,2.4断裂力学的应用在研究和处理脆性破坏问题时，应用断裂力学，可以解决以下一些问题：应用断裂力学的理论和方法，检测工程结构的安全可靠性；根据断裂力学的原则和判据，进行安全设计；按照断裂力学的指导思想，合理选择结构材料和施工工艺，发展新材料，新工艺，或寻找适宜的代用材料；对发生的低应力破坏事故，进行合理的调查分析，总结教训，提出改进措施。,实际应用标准欧洲工业结构完整性评定方法（SINTAP）英国含缺陷结构完整性评定标准（6）BS 7910金属结构中缺陷验收评定方法导则API 579推荐用于合乎使用的实施办法 GB19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定,