第4章焊接結構斷裂分析及控制金屬材料脆性斷裂與延性斷裂斷裂力學基礎焊接接頭的斷裂力學分析焊接結構脆斷的影響因素焊接結構的斷裂控制抗斷裂性能的試驗評定方法 1第4章焊接結構斷裂分析及控制14.1金屬材料脆性斷裂與延性斷裂斷裂過程：裂紋萌生、裂紋擴展和最終斷裂根據斷裂前塑性變形的大小，將斷裂分為：（1）脆性斷裂沒有明顯的塑性變形、瞬時擴展到結構整體、突然破壞、應力不高于結構的設計應力（2）延性斷裂（塑性斷裂或韌性斷裂）斷裂前有明顯塑性變形24.1金屬材料脆性斷裂與延性斷裂24.1.1脆性斷裂放射狀條紋人字形花樣34.1.1脆性斷裂3脆性斷裂的主要特征：（1）低應力脆性斷裂

工作應力<屈服極限或許用應力（2）低溫脆性斷裂（3）裂紋超過某個臨界尺寸，將迅速擴展，直至斷裂，具有突然性。（4）脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬中出現4脆性斷裂的主要特征：4脆性斷裂機制：解理斷裂和晶間斷裂5脆性斷裂機制：解理斷裂和晶間斷裂54.1.2延性斷裂（韌性斷裂）塑性材料的晶體→載荷作用下，彈性變形→載荷繼續增加，發生屈服，產生塑性變形→繼續變形，作用力增加（加工硬化）

→加大載荷，產生微裂口或微空隙→微空隙擴展匯合成宏觀裂紋→宏觀裂紋發展到一定尺寸→最終快速失穩斷裂64.1.2延性斷裂（韌性斷裂）6韌性斷口：微孔洞（韌窩）韌性斷裂的過程：微孔成核、微孔長大和微孔聚合三個階段。7韌性斷口：微孔洞（韌窩）74.1.3韌性―脆性轉變一、影響金屬材料斷裂的主要因素（1）應力狀態（2）溫度（3）加載速度（4）材料的內在因素化學成分、組織狀態三軸應力狀態的缺口效應84.1.3韌性―脆性轉變三軸應力狀態的缺口效應8二、韌性―脆性轉變溫度降低，塑性斷裂→脆性斷裂韌性―脆性轉變溫度9二、韌性―脆性轉變94.2斷裂力學基礎4.2.1含裂紋件的斷裂行為104.2斷裂力學基礎10剩余強度：將含裂紋結構在連續使用中任一時刻所具有的承載能力11剩余強度：將含裂紋結構在連續使用中任一時刻所具有的承載能力1含裂紋結構的斷裂力學分析應解決的主要問題：（1）結構的剩余強度與裂紋尺寸之間的函數關系；（2）在工作載荷作用下，結構中容許的裂紋尺寸，即臨界裂紋尺寸或裂紋容限；（3）結構中一定尺寸的初始裂紋擴展到臨界裂紋尺寸需要的時間；（4）結構在制造過程中容許的缺陷類型和尺寸；（5）結構在維修周期內，裂紋檢查的時間間隔。12含裂紋結構的斷裂力學分析應解決的主要問題：124.2.2線彈性斷裂力學一、裂紋類型根據裂紋體的受載和變形情況分為三種類型：134.2.2線彈性斷裂力學13（1）張開型（或稱拉伸型）裂紋（Ⅰ型裂紋）

外加正壓力垂直于裂紋面，在應力作用下裂紋尖端張開，擴展方向和正壓力方向垂直（2）滑開型（或稱剪切型）裂紋（Ⅱ型裂紋）

剪切應力平行于裂紋面，裂紋滑開擴展（3）撕開型裂紋（Ⅲ型裂紋）

在切應力作用下，一個裂紋面在另一裂紋面上滑動脫開。裂紋前緣平行于滑動方向大多數裂紋形式屬于Ⅰ型裂紋，最危險14（1）張開型（或稱拉伸型）裂紋（Ⅰ型裂紋）14二、裂紋尖端的應力場設一無限大平板中心含有一長度為2a的穿透裂紋Irwin離裂紋尖端（r，θ）的點15二、裂紋尖端的應力場15薄板平面應力狀態厚板平面應變狀態16薄板平面應力狀態16應力強度因子KI：衡量裂紋尖端區應力場強度的重要參數，下標Ⅰ代表Ⅰ型裂紋受單向均勻拉伸應力作用的無限大平板有長度為的中心裂紋的應力強度因子為KI取決于裂紋的形狀和尺寸，

以及應力的大小17應力強度因子KI：衡量裂紋尖端區應力場強度的重要參數，下標Ⅰ三、裂紋尖端的塑性區當θ=0，切應力為零，正壓力最大當r→0時，應力趨于∞，表明裂紋尖端處應力場有r-1/2階奇異性（理論上）塑性區

18三、裂紋尖端的塑性區18Irwin考慮塑性區的影響，裂紋長度a→a+ry

ry為塑性區長度，Ⅰ型裂紋的ry為

（平面應力）

（平面應變）19Irwin考慮塑性區的影響，裂紋長度a→a+ry1將修正后的裂紋尺寸a+ry代入

（平面應力）

（平面應變）20將修正后的裂紋尺寸a+ry代入20四、斷裂分析的能量原理Griffith取一塊單位厚度的“無限”大平板彈性應變能釋放量U新表面吸收能量W，總能量變化為

設裂紋的單位表面吸收的表面能為γ

21四、斷裂分析的能量原理21系統能量與裂紋擴展的關系

裂紋擴展的臨界條件

能量釋放率（裂紋擴展的驅動力）裂紋擴展的阻力22系統能量與裂紋擴展的關系22裂紋自動擴展裂紋不能自動擴展若給定裂紋半長a，則裂紋擴展的臨界應力為若給定應力σ，則裂紋擴展的

臨界長度為玻璃、陶瓷等脆性材料23裂紋自動擴金屬材料裂紋尖端局部區域塑性變形Orowan設P為裂紋擴展單位面積所需的塑性變形能，以（P+γ）來代替γ，裂紋的臨界擴展條件為金屬材料塑性變形是阻止裂紋擴展的主要因素薄板（平面應力）24金屬材料裂紋尖端局部區域塑性變形24五、斷裂韌度和斷裂判據無限大平板長為2a的穿透裂紋應力強度因子KI與應變能釋放率G

（平面應力）（平面應變）斷裂韌度GC與KIC，斷裂準則

或KIC是材料常數KIC通過有關

標準試驗來獲得KIC的選取應保證平面應力的延性斷裂25五、斷裂韌度和斷裂判據254.2.3彈塑性斷裂力學一、裂紋張開位移（COD）1961年Wells

COD理論COD表征裂紋尖端附近的塑性變形程度COD判據：裂紋體承受載荷時，裂紋尖端張開位移δ達到極限值δC（mm）時，裂紋會起裂擴展，斷裂準則為δC為材料的裂紋擴展阻力，可通過標準試驗方法測定。COD判據是一個起裂判據264.2.3彈塑性斷裂力學26COD常用的定義方法圖a有明顯的物理意義，但試驗中不容易測得圖b便于測定，在大多數情況下有滿意的精度圖c直觀易懂，應用較廣圖d應用于中心穿透裂紋，便于有限元分析27COD常用的定義方法27COD是裂尖變形的直接量度，在材料發生整體屈服前均適用小范圍屈服時無限大平板中心裂紋受到單向拉伸

（平面應力）（平面應變）在大范圍屈服條件下工程應用的設計曲線28COD是裂尖變形的直接量度，在材料發生整體屈服前均適用28二、J積分1968年Rice設有一單位厚度的Ⅰ型裂紋體，J積分的定義為小范圍屈服條件下

（平面應力）

（平面應變）斷裂準則為JIC—彈塑性斷裂韌度29二、J積分294.2.4剩余強度以寬為W的中心裂紋板為例當時，結構發生斷裂，剩余強度為304.2.4剩余強度304.2.5動態裂紋擴展與止裂動態裂紋擴展通常有兩種情況：1）含靜止裂紋的結構承受迅速變化的動載荷作用引起的裂紋擴展；2）凈載荷或緩慢變化的載荷作用下的裂紋快速擴展在線彈性材料特性范圍內，第一類問題的裂紋起裂準則為

式中，

KI是動載荷下的應力強度因子KId是動態應力強度因子314.2.5動態裂紋擴展與止裂31一、動態裂紋擴展（G-R）的大小決定了裂紋擴展速度的大小若裂紋擴展在恒應力下進行，G與裂紋擴展速度無關，且材料的裂紋擴展阻力R為常值，裂紋擴展速度為32一、動態裂紋擴展32當裂紋快速擴展時，K(V)為動態應力強度因子，K(0)是同一載荷及當前裂紋長度下的靜態應力強度因子，k(V)是裂紋擴展速度的函數瞬時能量釋放率與應力強度因子的關系

A(V)是裂紋擴展速度的函數動態裂紋能量釋放率與靜態裂紋能量釋放率之間的關系G(V)為動態應力強度因子，g(V)是裂紋擴展速度的函數，G(0)是靜態應力強度因子33當裂紋快速擴展時，33二、裂紋止裂的基本原理利用能量平衡原理進行研究如果G稍微降到R以下，裂紋止裂34二、裂紋止裂的基本原理344.3焊接接頭的斷裂力學分析4.3.1含裂紋焊接接頭的斷裂模式影響因素：接頭強度失配比、裂紋尺寸、應變硬化性能等相互影響

低匹配高匹配354.3焊接接頭的斷裂力學分析35臨界裂紋尺寸焊接接頭發生全面屈服的最大裂紋尺寸ag焊接接頭母材發生屈服并斷裂的最大裂紋尺寸abg在高匹配條件下，焊縫發生小范圍屈服而母材發生屈服斷裂的最大裂紋尺寸anσnB—母材的極限強度KCW—焊縫的斷裂韌度36臨界裂紋尺寸σnB—母材的極限強度364.3.2失配性對焊縫裂紋驅動力的影響高匹配焊縫中心裂紋寬板（CCT試件）橫向拉伸2H/B和W一定，當a≤

ac1（臨界裂紋尺寸）時，“凍結”現象匹配因子M的

增大，COD―ε曲線

將會降低374.3.2失配性對焊縫裂紋驅動力的影響37裂紋驅動力：低匹配低估

高匹配高估充分考慮非匹配因素的影響38裂紋驅動力：低匹配低估384.4焊接結構的斷裂控制4.4.1影響焊接結構脆斷的主要因素一、焊接結構特點的影響焊接結構剛性大、整體性強、對應力集中敏感“自由”輪甲板艙口設計對比a)原始設計b)改進后設計394.4焊接結構的斷裂控制“自由”輪甲板艙口設計對比39二、焊接殘余應力的影響

>韌脆轉變溫度對脆斷影響不大

<韌脆轉變溫度使斷裂應力顯著減小拉伸殘余應力將和工作應力迭加共同作用，在外載很低時，發生脆性破壞－低應力破壞寬板試驗研究殘余應力的影響

1）無殘余應力的試件（PQDG曲線）破壞強度

c≥材料的屈服極限

s

2）有殘余應力的試件（PQDER曲線）

>轉變溫度無不利影響，

c≥

s

=轉變溫度

c

急劇下降

<轉變溫度

c很小，

c<

s

40二、焊接殘余應力的影響40拉伸殘余應力只限于焊縫附近部位，離開焊縫區迅速減小，峰值殘余應力有助于斷裂的產生平行焊接接頭試樣開裂路徑和試件中縱向殘余應力41拉伸殘余應力只限于焊縫附近部位，離開焊縫區迅速減小，峰值殘余三、焊接缺陷的影響焊接缺陷對脆斷的影響與缺陷產生的應力集中程度和缺陷附近材料的性能有關（1）平面缺陷－如裂紋、分層和未焊透等，其影響取決于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖銳程度（2）非平面缺陷－如氣孔、夾渣等，其影響程度一般低于平面缺陷40%的脆斷事故是從焊接缺陷處開始的，各種缺陷中以裂紋對脆斷的影響最大42三、焊接缺陷的影響42四、金相組織改變對脆性的影響熱影響區是焊接接頭的薄弱環節之一熱影響區的金相組織主要取決于鋼材的原始組織、化學成分、焊接方法和焊接線能量

焊接接頭不同部位的韌性43四、金相組織改變對脆性的影響焊接接頭不同部位的韌性4五、應變時效對脆斷的影響兩種應變時效：

（1）應變時效

鋼材被剪切、冷作和彎曲成形之后，若在150～450℃范圍內加熱，材料的性能就會發生脆化現象塑性變形（剪切、冷作矯形）→加熱（150~400℃）→脆化（2）動應變時效（熱應變時效）在焊接過程中，材料經受應力和應變循環，同時也受到焊接熱循環的熱作用而發生的應變時效

加熱和塑變同時→脆化44五、應變時效對脆斷的影響44

圖a預彎曲量越大，轉變溫度越高圖b不同溫度下預彎曲的試件，其轉變溫度不同焊后熱處理消除時效影響

缺口彎曲試件預應變對脆斷的影響

a)預應變量的影響b)預應變溫度的影響45圖a預彎曲量越大，轉變溫度越高六、角變形和錯邊的影響角變形和錯邊降低結構的抗脆斷能力角變形和錯邊比較大的接頭→承受拉應力，力線不通過中心，產生附加彎矩→低應力破壞焊縫加厚高在熔合線處的應力集中將其更加嚴重可加焊防裂焊縫，消除咬肉，整形焊縫，改變熔合線方向，改善焊縫的受力條件46六、角變形和錯邊的影響464.4.2焊接結構的斷裂控制一、正確選材基本原則：安全性經濟效益應使所選用的鋼材和焊接充填金屬保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性選材方法：（1）用缺口韌性評定

（2）用斷裂韌性評定（斷裂韌度與屈服點之比）二、采用合理的焊接結構設計（1）盡量減少結構和焊接接頭部位的應力集中474.4.2焊接結構的斷裂控制471）構件截面改變的地方，設計成平緩過渡，不要形成尖角2）盡量采用應力集中系數小的對接接頭

a）設計不合理，在使用中曾多次出現焊縫破壞現象

b）應力集中程度↓↓，結構的承載能力↑↑481）構件截面改變的地方，設計成平緩過渡，不要形成尖3）不同厚度的對接接頭應采用圓滑過渡

b最好焊縫部位應力集中最小

a和c雖將厚板減薄，但焊接部位應力集中相當大4）將焊縫設計布置在便于焊接和檢驗的地方有效避免焊接缺陷產生493）不同厚度的對接接頭應采用圓滑過渡495）避免焊縫密集防止焊接部位材質性能變壞和復雜的殘余應力場505）避免焊縫密集50（2）盡量減少結構的剛度b設計極不合理，施焊對接焊縫時產生較大應力，易引起焊接缺陷－脆斷起源

c立桿的翼板和弦桿的翼板之間不焊接，避免產生高拘束應力

為減小焊接部位的剛性，開“緩和槽”以減小拘束度（3）不采用過厚的截面51（2）盡量減少結構的剛度51（4）對次要焊縫的設計，應與主要焊縫一樣給予足夠重視。不在受力構件上隨意加焊附件。（5）減少和消除焊接殘余拉應力的不利影響52（4）對次要焊縫的設計，應與主要焊縫一樣給予足夠重視。不在受4.4.3焊接結構斷裂性能的試驗評定方法一、脆斷過程及焊接結構的兩種設計原則脆斷過程由兩各階段組成：第一階段

裂紋的產生階段或引發階段（即裂紋起源、生核和緩慢擴展階段）第二階段裂紋的失穩擴展階段焊接結構防止脆性破壞的兩種設計原則：（1）防止裂紋引發原則，即抗裂原則。（2）止裂原則焊接接頭的抗開裂性能和母材的止裂性能534.4.3焊接結構斷裂性能的試驗評定方法53二、轉變溫度的試驗評定方法（1）沖擊試驗常用的是夏比V形缺口和U形缺口沖擊試驗等

54二、轉變溫度的試驗評定方法54二、轉變溫度的試驗評定方法（1）沖擊試驗1）能量標準（圖a）

按某一固定沖擊能量確定TK2）斷口標準（圖b）

一般按斷口晶粒狀斷面百分率達到某一百分數（例如50％）的溫度作為TK3）延性標準（圖c）一般側面膨脹率為3.8%時的溫度作為TK55二、轉變溫度的試驗評定方法55（2）爆炸膨脹試驗和落錘試驗1）爆炸膨脹試驗全厚度355mm×355mm正方形鋼板56（2）爆炸膨脹試驗和落錘試驗56無延性轉變溫度，簡稱NDT彈性斷裂轉變溫度，簡稱FTE延性斷裂轉變溫度，簡稱FTP對于25cm厚的低強度鋼板FTE=NDT+33℃FTP=FTE+33℃=NDT+66℃57無延性轉變溫度，簡稱NDT572）落錘試驗標準試件有3種尺寸：

P1型：25mm×90mm×360mm

P2型：19mm×51mm×127mmP3型：16mm×51mm×127mm582）落錘試驗58佩里尼斷裂分析圖（FractureAnalysisDiagram)FAD表明了溫度、缺陷尺寸和斷裂強度三者之間的關系（3）靜載試驗（略）59佩里尼斷裂分析圖（FractureAnalysisDia三、焊接結構抗開裂性能試驗（1）韋爾斯（Wells）寬板試驗特點：1）在實驗室內重現實際焊接結構的脆斷；2）可在板厚、殘余應力、焊接熱循環等方面模擬實際焊接結構；用途：研究斷裂機理；選材，確定材料的開裂臨界溫度；試件：910×910×δ60三、焊接結構抗開裂性能試驗6061616262（2）斷裂韌性試驗（略）（3）尼伯林克試驗63（2）斷裂韌性試驗（略）63四、焊接結構止裂試驗（1）羅伯遜止裂試驗64四、焊接結構止裂試驗64（2）雙重拉伸試驗65（2）雙重拉伸試驗65個人觀點供參考，歡迎討論個人觀點供參考，歡迎討論第4章焊接結構斷裂分析及控制金屬材料脆性斷裂與延性斷裂斷裂力學基礎焊接接頭的斷裂力學分析焊接結構脆斷的影響因素焊接結構的斷裂控制抗斷裂性能的試驗評定方法 67第4章焊接結構斷裂分析及控制14.1金屬材料脆性斷裂與延性斷裂斷裂過程：裂紋萌生、裂紋擴展和最終斷裂根據斷裂前塑性變形的大小，將斷裂分為：（1）脆性斷裂沒有明顯的塑性變形、瞬時擴展到結構整體、突然破壞、應力不高于結構的設計應力（2）延性斷裂（塑性斷裂或韌性斷裂）斷裂前有明顯塑性變形684.1金屬材料脆性斷裂與延性斷裂24.1.1脆性斷裂放射狀條紋人字形花樣694.1.1脆性斷裂3脆性斷裂的主要特征：（1）低應力脆性斷裂

工作應力<屈服極限或許用應力（2）低溫脆性斷裂（3）裂紋超過某個臨界尺寸，將迅速擴展，直至斷裂，具有突然性。（4）脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬中出現70脆性斷裂的主要特征：4脆性斷裂機制：解理斷裂和晶間斷裂71脆性斷裂機制：解理斷裂和晶間斷裂54.1.2延性斷裂（韌性斷裂）塑性材料的晶體→載荷作用下，彈性變形→載荷繼續增加，發生屈服，產生塑性變形→繼續變形，作用力增加（加工硬化）

→加大載荷，產生微裂口或微空隙→微空隙擴展匯合成宏觀裂紋→宏觀裂紋發展到一定尺寸→最終快速失穩斷裂724.1.2延性斷裂（韌性斷裂）6韌性斷口：微孔洞（韌窩）韌性斷裂的過程：微孔成核、微孔長大和微孔聚合三個階段。73韌性斷口：微孔洞（韌窩）74.1.3韌性―脆性轉變一、影響金屬材料斷裂的主要因素（1）應力狀態（2）溫度（3）加載速度（4）材料的內在因素化學成分、組織狀態三軸應力狀態的缺口效應744.1.3韌性―脆性轉變三軸應力狀態的缺口效應8二、韌性―脆性轉變溫度降低，塑性斷裂→脆性斷裂韌性―脆性轉變溫度75二、韌性―脆性轉變94.2斷裂力學基礎4.2.1含裂紋件的斷裂行為764.2斷裂力學基礎10剩余強度：將含裂紋結構在連續使用中任一時刻所具有的承載能力77剩余強度：將含裂紋結構在連續使用中任一時刻所具有的承載能力1含裂紋結構的斷裂力學分析應解決的主要問題：（1）結構的剩余強度與裂紋尺寸之間的函數關系；（2）在工作載荷作用下，結構中容許的裂紋尺寸，即臨界裂紋尺寸或裂紋容限；（3）結構中一定尺寸的初始裂紋擴展到臨界裂紋尺寸需要的時間；（4）結構在制造過程中容許的缺陷類型和尺寸；（5）結構在維修周期內，裂紋檢查的時間間隔。78含裂紋結構的斷裂力學分析應解決的主要問題：124.2.2線彈性斷裂力學一、裂紋類型根據裂紋體的受載和變形情況分為三種類型：794.2.2線彈性斷裂力學13（1）張開型（或稱拉伸型）裂紋（Ⅰ型裂紋）

外加正壓力垂直于裂紋面，在應力作用下裂紋尖端張開，擴展方向和正壓力方向垂直（2）滑開型（或稱剪切型）裂紋（Ⅱ型裂紋）

剪切應力平行于裂紋面，裂紋滑開擴展（3）撕開型裂紋（Ⅲ型裂紋）

在切應力作用下，一個裂紋面在另一裂紋面上滑動脫開。裂紋前緣平行于滑動方向大多數裂紋形式屬于Ⅰ型裂紋，最危險80（1）張開型（或稱拉伸型）裂紋（Ⅰ型裂紋）14二、裂紋尖端的應力場設一無限大平板中心含有一長度為2a的穿透裂紋Irwin離裂紋尖端（r，θ）的點81二、裂紋尖端的應力場15薄板平面應力狀態厚板平面應變狀態82薄板平面應力狀態16應力強度因子KI：衡量裂紋尖端區應力場強度的重要參數，下標Ⅰ代表Ⅰ型裂紋受單向均勻拉伸應力作用的無限大平板有長度為的中心裂紋的應力強度因子為KI取決于裂紋的形狀和尺寸，

以及應力的大小83應力強度因子KI：衡量裂紋尖端區應力場強度的重要參數，下標Ⅰ三、裂紋尖端的塑性區當θ=0，切應力為零，正壓力最大當r→0時，應力趨于∞，表明裂紋尖端處應力場有r-1/2階奇異性（理論上）塑性區

84三、裂紋尖端的塑性區18Irwin考慮塑性區的影響，裂紋長度a→a+ry

ry為塑性區長度，Ⅰ型裂紋的ry為

（平面應力）

（平面應變）85Irwin考慮塑性區的影響，裂紋長度a→a+ry1將修正后的裂紋尺寸a+ry代入

（平面應力）

（平面應變）86將修正后的裂紋尺寸a+ry代入20四、斷裂分析的能量原理Griffith取一塊單位厚度的“無限”大平板彈性應變能釋放量U新表面吸收能量W，總能量變化為

設裂紋的單位表面吸收的表面能為γ

87四、斷裂分析的能量原理21系統能量與裂紋擴展的關系

裂紋擴展的臨界條件

能量釋放率（裂紋擴展的驅動力）裂紋擴展的阻力88系統能量與裂紋擴展的關系22裂紋自動擴展裂紋不能自動擴展若給定裂紋半長a，則裂紋擴展的臨界應力為若給定應力σ，則裂紋擴展的

臨界長度為玻璃、陶瓷等脆性材料89裂紋自動擴金屬材料裂紋尖端局部區域塑性變形Orowan設P為裂紋擴展單位面積所需的塑性變形能，以（P+γ）來代替γ，裂紋的臨界擴展條件為金屬材料塑性變形是阻止裂紋擴展的主要因素薄板（平面應力）90金屬材料裂紋尖端局部區域塑性變形24五、斷裂韌度和斷裂判據無限大平板長為2a的穿透裂紋應力強度因子KI與應變能釋放率G

（平面應力）（平面應變）斷裂韌度GC與KIC，斷裂準則

或KIC是材料常數KIC通過有關

標準試驗來獲得KIC的選取應保證平面應力的延性斷裂91五、斷裂韌度和斷裂判據254.2.3彈塑性斷裂力學一、裂紋張開位移（COD）1961年Wells

COD理論COD表征裂紋尖端附近的塑性變形程度COD判據：裂紋體承受載荷時，裂紋尖端張開位移δ達到極限值δC（mm）時，裂紋會起裂擴展，斷裂準則為δC為材料的裂紋擴展阻力，可通過標準試驗方法測定。COD判據是一個起裂判據924.2.3彈塑性斷裂力學26COD常用的定義方法圖a有明顯的物理意義，但試驗中不容易測得圖b便于測定，在大多數情況下有滿意的精度圖c直觀易懂，應用較廣圖d應用于中心穿透裂紋，便于有限元分析93COD常用的定義方法27COD是裂尖變形的直接量度，在材料發生整體屈服前均適用小范圍屈服時無限大平板中心裂紋受到單向拉伸

（平面應力）（平面應變）在大范圍屈服條件下工程應用的設計曲線94COD是裂尖變形的直接量度，在材料發生整體屈服前均適用28二、J積分1968年Rice設有一單位厚度的Ⅰ型裂紋體，J積分的定義為小范圍屈服條件下

（平面應力）

（平面應變）斷裂準則為JIC—彈塑性斷裂韌度95二、J積分294.2.4剩余強度以寬為W的中心裂紋板為例當時，結構發生斷裂，剩余強度為964.2.4剩余強度304.2.5動態裂紋擴展與止裂動態裂紋擴展通常有兩種情況：1）含靜止裂紋的結構承受迅速變化的動載荷作用引起的裂紋擴展；2）凈載荷或緩慢變化的載荷作用下的裂紋快速擴展在線彈性材料特性范圍內，第一類問題的裂紋起裂準則為

式中，

KI是動載荷下的應力強度因子KId是動態應力強度因子974.2.5動態裂紋擴展與止裂31一、動態裂紋擴展（G-R）的大小決定了裂紋擴展速度的大小若裂紋擴展在恒應力下進行，G與裂紋擴展速度無關，且材料的裂紋擴展阻力R為常值，裂紋擴展速度為98一、動態裂紋擴展32當裂紋快速擴展時，K(V)為動態應力強度因子，K(0)是同一載荷及當前裂紋長度下的靜態應力強度因子，k(V)是裂紋擴展速度的函數瞬時能量釋放率與應力強度因子的關系

A(V)是裂紋擴展速度的函數動態裂紋能量釋放率與靜態裂紋能量釋放率之間的關系G(V)為動態應力強度因子，g(V)是裂紋擴展速度的函數，G(0)是靜態應力強度因子99當裂紋快速擴展時，33二、裂紋止裂的基本原理利用能量平衡原理進行研究如果G稍微降到R以下，裂紋止裂100二、裂紋止裂的基本原理344.3焊接接頭的斷裂力學分析4.3.1含裂紋焊接接頭的斷裂模式影響因素：接頭強度失配比、裂紋尺寸、應變硬化性能等相互影響

低匹配高匹配1014.3焊接接頭的斷裂力學分析35臨界裂紋尺寸焊接接頭發生全面屈服的最大裂紋尺寸ag焊接接頭母材發生屈服并斷裂的最大裂紋尺寸abg在高匹配條件下，焊縫發生小范圍屈服而母材發生屈服斷裂的最大裂紋尺寸anσnB—母材的極限強度KCW—焊縫的斷裂韌度102臨界裂紋尺寸σnB—母材的極限強度364.3.2失配性對焊縫裂紋驅動力的影響高匹配焊縫中心裂紋寬板（CCT試件）橫向拉伸2H/B和W一定，當a≤

ac1（臨界裂紋尺寸）時，“凍結”現象匹配因子M的

增大，COD―ε曲線

將會降低1034.3.2失配性對焊縫裂紋驅動力的影響37裂紋驅動力：低匹配低估

高匹配高估充分考慮非匹配因素的影響104裂紋驅動力：低匹配低估384.4焊接結構的斷裂控制4.4.1影響焊接結構脆斷的主要因素一、焊接結構特點的影響焊接結構剛性大、整體性強、對應力集中敏感“自由”輪甲板艙口設計對比a)原始設計b)改進后設計1054.4焊接結構的斷裂控制“自由”輪甲板艙口設計對比39二、焊接殘余應力的影響

>韌脆轉變溫度對脆斷影響不大

<韌脆轉變溫度使斷裂應力顯著減小拉伸殘余應力將和工作應力迭加共同作用，在外載很低時，發生脆性破壞－低應力破壞寬板試驗研究殘余應力的影響

1）無殘余應力的試件（PQDG曲線）破壞強度

c≥材料的屈服極限

s

2）有殘余應力的試件（PQDER曲線）

>轉變溫度無不利影響，

c≥

s

=轉變溫度

c

急劇下降

<轉變溫度

c很小，

c<

s

106二、焊接殘余應力的影響40拉伸殘余應力只限于焊縫附近部位，離開焊縫區迅速減小，峰值殘余應力有助于斷裂的產生平行焊接接頭試樣開裂路徑和試件中縱向殘余應力107拉伸殘余應力只限于焊縫附近部位，離開焊縫區迅速減小，峰值殘余三、焊接缺陷的影響焊接缺陷對脆斷的影響與缺陷產生的應力集中程度和缺陷附近材料的性能有關（1）平面缺陷－如裂紋、分層和未焊透等，其影響取決于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖銳程度（2）非平面缺陷－如氣孔、夾渣等，其影響程度一般低于平面缺陷40%的脆斷事故是從焊接缺陷處開始的，各種缺陷中以裂紋對脆斷的影響最大108三、焊接缺陷的影響42四、金相組織改變對脆性的影響熱影響區是焊接接頭的薄弱環節之一熱影響區的金相組織主要取決于鋼材的原始組織、化學成分、焊接方法和焊接線能量

焊接接頭不同部位的韌性109四、金相組織改變對脆性的影響焊接接頭不同部位的韌性4五、應變時效對脆斷的影響兩種應變時效：

（1）應變時效

鋼材被剪切、冷作和彎曲成形之后，若在150～450℃范圍內加熱，材料的性能就會發生脆化現象塑性變形（剪切、冷作矯形）→加熱（150~400℃）→脆化（2）動應變時效（熱應變時效）在焊接過程中，材料經受應力和應變循環，同時也受到焊接熱循環的熱作用而發生的應變時效

加熱和塑變同時→脆化110五、應變時效對脆斷的影響44

圖a預彎曲量越大，轉變溫度越高圖b不同溫度下預彎曲的試件，其轉變溫度不同焊后熱處理消除時效影響

缺口彎曲試件預應變對脆斷的影響

a)預應變量的影響b)預應變溫度的影響111圖a預彎曲量越大，轉變溫度越高六、角變形和錯邊的影響角變形和錯邊降低結構的抗脆斷能力角變形和錯邊比較大的接頭→承受拉應力，力線不通過中心，產生附加彎矩→低應力破壞焊縫加厚高在熔合線處的應力集中將其更加嚴重可加焊防裂焊縫，消除咬肉，整形焊縫，改變熔合線方向，改善焊縫的受力條件112六、角變形和錯邊的影響464.4.2焊接結構的斷裂控制一、正確選材基本原則：安全性經濟效益應使所選用的鋼材和焊接充填金屬保證在使用溫度下具有合格的缺口韌性選材方法：（1）用缺口韌性評定

（2）用斷裂韌性評定（斷裂韌度與屈服點之比）二、采用合理的焊接結構設計（1）盡量減少結構和焊接接頭部位的應力集中1134.4.2焊接結構的斷裂控制471）構件截面改變的地方，設計成平緩過渡，不要形成尖角2）盡量采用應力集中系數小的對接接頭

a）設計不合理，在使用中曾多次出現焊縫破壞現象

b）應力集中程度↓↓，結構的承載能力↑↑1141）構件截面改變的地方，設計成平緩過渡，不要形成尖3）不同厚度的