焊接结构的失效分析

式的左边被称为能量的释放率(G)，。它表示裂纹扩展单位面积系统所释 放的弹性能，即单位裂纹表面积的弹性能。右边表示表面能的增加，它 被称为裂纹扩展阻力（ R ）。由此可知，裂纹要发生失稳扩展，G必须 至少等于 R 。如果 R 为常数，则意味着‘必须超过某一临界值（GC）。 因此，当 发生断裂。当G≥GC被称为裂 纹失稳扩展的能量准则，简称‘准则或‘判据。
cr
2E0 ( e p )
a
裂纹扩展必须满足Griffith-Orowan能量条件
cr
2 E0 ( e p ) 2E0 P a
该方法属于断裂力学的线弹性力学方法，包括金属 材料断裂的能量理论法和应力强度法。
金属材料断裂的能量理论法

格里菲斯取一块厚度为单位 l 的“无限”大平板为研究模型， 先使平板在无穷远处受到单向 均匀拉伸应力作用，如图 ，然 后将其两端固定，以杜绝外部 能源。设想在这块平板上中心 区域出现一个垂直于拉应力， 方向长度为 2a 穿透板厚的裂 纹。切开裂纹后，平板内贮存 的弹性应变能将有一部分被释 放出来，其释放量设为 U 。又 由于裂纹出现后有新的表面形 成，要吸收能量，设其值为 W ，则其能量的总改变量 E 。
（1）按照止裂原则，当所设计的结构在可能出现的最低温度下工作时，必须 能阻止脆性裂纹的自由扩展。根据这一要求，设计者可以用阻止脆性裂纹扩展 的相应 临界转变温度来选择合适的结构材料。 通常能够发生止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，而且处于较高的应 力场中。当裂纹扩展进入韧性区和较低应力场中时，已经裂开的裂纹长度如果 小于新区域中裂纹失稳断裂的临界长度，则裂纹将受到阻止。
（2）对于只承受静载或压力变化缓慢的焊接压力容器和其他结构，一般适 用开裂原则是只要结构能防止裂纹发生，即可认为结构不会脆断，整个设备 是安全可靠的。由于影响材料脆性开裂的因素十分复杂，多年来选择钢材和 制造工艺都以经验为主。
3.防止结构脆断的试验研究方法
冲击试验 落锤试验 逻伯逊试验和 Esso ( soD ）试验 Wells宽板试验
15.2金属材料和焊接结构断裂评定方法 15.2.1转变温度法
1.临界转变温度和判据
温度对脆性断裂有重要影响，高加载速度相当于降低转 变温度，低温下的缺口、大厚度、焊接缺陷、残余应力对脆 断有明显影响。 为防止脆断，在采用各种预制缺口、不同温度下对不同尺 寸的构件进行试验得到不同的转变温度。
2.防止裂纹发生和阻止裂纹扩展的原则
焊接结构设计 第十五章焊接结构脆性断裂
授课教师：侯军才
15.1.2影响金属材料断裂的主要因素
1.应力状态的影响
实验证明，许多材料处于单轴或双 轴拉伸应力下，呈现塑性，当处于 三轴拉伸应力下，因不易发生塑性 变形，呈现脆 性。
2.温度的影响


对于一定的加载方式（应力状态）， 当温度降至某一临界值时，将出现 由延性到脆性断裂的转变，这个温 度称之为韧脆转变温度。转变温度 随最大切应力与最大正应力之比值 的降低而提高。带缺口的试样的比 值比光滑试样低，拉伸试样的比值 比扭转试样低，因此转变温度前者 比后者高。 由于解理断裂通常发生在体心立方 和密集六方点阵的金属和合金中， 只在特殊情况下，如应力腐蚀条件 下，才在面心立方点阵金属中发生， 因此面心立方点阵金属（如奥氏体 不锈钢），可以在很低温度下工作 而不发生脆性断裂。
a 2
E
2 P
EC U W
cr
2 E0 e a

应当指出，格里菲斯是根据玻璃、陶瓷等脆性材料推导能最公式的。 在金属材料中，当裂纹扩展时，裂纹前端局部区域要发生一定的塑 性变形，裂纹尖端也因期性变形而钝化，此时格里菲斯理论失效。 X 射线分析证实了金属断裂表面有塑性变形的薄层。根据试骏结果， p e 塑性变形能 比 大得多，因此 可忽略不计，此时修正后的 e 金属材料中裂纹扩展的临界条件可写成

15.2.2断裂力学方法
一、线弹性力学评价法
1.断裂韧度判据
工程上的断裂事故，总是从存在的宏观缺欠或裂纹为 “源”而开始的。在这样的研究基础上新兴了一门学 科“断裂力学”。材料中存在的裂纹或缺欠，是否能 扩展，扩展有多快，以及断裂强度下降有多快，研究 其估算方法并进行估算，就成为断裂力学的任务。不 同材料对裂纹的扩展具有不同的阻力，从而提出了断 裂韧度的概念。金属断裂有延性断裂与脆性断裂之分。 断裂可以分为三个阶段：裂纹形核、裂纹扩展、断裂。
4.组织状态的影响

化学成分的影响
金属材料（特别是钢）除了基本成分外，还含有各种合金元素、杂 质、气体和夹杂物，这些对金属材料的性能和断裂都产生重大影响。 钢中所含气体主要是氢、氮和氧，它们对钢的性能都是有害的。 氢：氢能使钢中产生白点，造成氢脆。材料强度越高，结构尺寸越大， 则氢的危害性也越严重。 氮：钢中的氮能使钢材丧失塑性。 硫：除了氧的夹杂物而外，硫化物也是一种很有害的夹杂物。 MnS 通 常会使热轧钢板的横向塑性降低，使钢板不适于制造焊接结构。 夹杂物：一般钢中的夹杂物都是脆性相，夹杂物的含量越多，则钢的塑 性越差。
3.加载速度的影响


提高加裁速度能促使材料脆性 破坏，其作用相当于降低温度。 原因是钢的剪切屈服限不仅取 决于温度，而且取决于加载速 率，或者说还取决于应变速率。 在同样的加载速率下，结构试 样有缺口时，此时有应力集中 的影响，应变速率会加倍增加。 应变速率比无缺口结构高的多， 从而大大降低了材料的局部塑 性，这也说明了为什么结构钢 一旦开始脆性断裂，就很容易 产生扩展现象。韧脆转变温度 与应变速率的关系如图 15 一 5 所示。
组织和状态
组织和状态金属材料（特别是钢）的组织和状态对材料的性能有重 大影响。 实验证明，金属材料晶粒度的增大能使其脆性解理断裂的危险性增 加。目前大量应用的结构钢，在一般条件下可以证明其断裂强度决定于 晶粒大小。
板厚影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
断裂力学的研究表明，加大板厚将使其塑性约束加大， 断裂将从塑性向脆性转变，并由平面应力状态向平面应 变状态转变。