复习1脆性断裂
第四章焊接结构的脆性断裂
于压力窗口的大型化、厚截面或超厚截面压力窗口增多以及化
工、石油工业中低温压力容器的使用，使脆断事故迭有发生。
这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，
英、日本等国家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并
提出了工程结构脆断防止措施。
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（一）
压力容器脆性断裂
•
压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是脆性断裂更引人注意。
很多． • (3)焊接结构刚性大，破坏一旦发生，瞬时就能扩展到结构整
体，所以脆断事故难以事先发现且往往造成较严重的后果。
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脆性断裂的影响因素
• 综合研究分析认为，一般脆断事故原因与以下几方面因素有关。 • (1）结构在低温下工作，低温使材料的性质变脆。 • (2)结构中存有一些焊后漏检缺陷，或在使用中发生延迟裂纹。 • (3)在许多情况下，焊接残余应力起到不良的作用，焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降。
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应力腐蚀裂纹
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4.2 焊接结构脆断事故分析
•
•
焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。这些事故
无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。引起焊接结构脆断的
原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结
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脆性断裂的宏观断口
• 从下图可看出，脆性断裂的宏观断口分为三个区：纤维区、放射区、剪切唇。
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宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确
金属脆性断裂
➢ 4.2 脆性断裂失效现象及特征
➢ 4.3 脆性断裂的裂纹萌生与扩展 ➢ 4.4 脆性断裂失效原因分析 ➢ 4.5 防止脆性断裂失效的途径
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形 式，其中以断裂的危害最大。
对工程构件或机械零件而言其服役条件下可能 受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用，有时 只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或 三种负荷的同时作用。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不 一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一 回事。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移 面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为两类 ：
一类为滑断（又称切离或纯剪切断裂），纯金 属尤其是单晶体金属常发生这种断裂；
另一类为微孔聚集型断裂，钢铁等工程材料多 为这种断裂类型，如低碳钢拉伸所致的断裂即为 这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
这个判断方法对寻找脆性断裂源进而正确分 析失效原因是有实际意义的。
图4-2 锅炉钢板的解理断口
图4-3 爆炸破坏筒断口上出现的人字 形花样
2. 准解理断口
在某些脆性断口上，通过电子显微镜可看到 解理断裂的特征形貌，同时又伴随着有一定的 塑性变形痕迹，这种断口称为准解理断口。
断口中塑性变形痕迹所占比例就是划分解理 与准解理的大致依据。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既 可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以 是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断 裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、 夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能 是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、 磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶 断裂可以混合发生。
❖ 1962年7月澳大利亚金斯桥建成仅一年就突 然发生四根桥梁的脆性断毁； ❖ 1999年重庆綦江彩虹桥因焊接等质量问题 突然垮塌，造成40人丧生。 ❖ 1943年美国纽约的一个大型贮气罐在-12℃ 时发生脆断； ❖ 1944年美国俄亥俄洲煤气公司一台天然气 贮罐，在工作温度为-162℃下发生脆断； ❖ 1947年苏联几个大型石油贮罐在气温为43℃时发生脆断； ❖ 1972年波斯湾达斯岛的X-65级海底石油输 送管道使用几星期后就发生开裂；
焊接接头的脆性断裂
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四、预防焊接结构脆断的措施
1．正确选用材料
（1）原则：焊缝具有一定的抗开裂性能、母材具有一定的止 裂性能 （2）选择材料时要充分考虑工作环境的温度变化、载荷条件 （3）选择材料要综合考虑材料的强度、韧性，不能只追求高 强度，可按冲击韧性或断裂韧性选择材料，或按抗裂比 KIC/σs选择材料
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2．合理结构设计
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材料：LD7铝合金 工艺情况：工作温度为 50~270℃（进口低，出口高） 组织说明：疲劳条带形貌，条 带间距细密，应为高周疲劳断 裂特征
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2．疲劳断裂的类型
（1）高周疲劳：105以上 （ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）低周疲劳104～105以下 （3）热疲劳 （4）腐蚀疲劳 （5）接触疲劳
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3．疲劳强度：经无数次（107）循环不破坏的应力
第九章 焊接接头的脆性断裂 与疲劳断裂
Brittle fracture ＆ Fatigue fracture of Welded Joint
焊接结构脆性断裂、疲劳断裂事故时有发生，典型案例：
实例之一：二战期间，美国250艘全焊接战时标准船的断裂事 故，其中10艘在平静港湾突然一断为二。 实例之二一：泰坦尼克号的失事是低温引起材料焊接处脆断 实例之三：2001年11月7日，四川省宜宾市南门中承拱桥因吊 杆脆断造成大桥桥面坍塌 实例之四：1998年3月5日，西安液化石油气站2个400 m3球罐 发生特大爆炸事故。一只紧固螺栓的疲劳断裂
一、疲劳的基本概念
1．疲劳断裂的特征
（1）疲劳断裂的三个阶段：裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展 （2）断口特征：三个区
宏观断口呈脆性 裂纹多起源于表面的几何不 连续，应力集中部位，如焊趾、 弧坑、咬边、未焊透、角变形、 错边等位置。
第二章 材料的脆性断裂与强度
裂纹的三种扩展方式或类型 Ⅰ型（掰开型）张开或拉伸型，裂纹表面直 接分开。
Ⅱ型（错开型）滑开或面内剪切型，两个裂 纹表面在垂直于裂纹前缘的方向上相对滑动。 Ⅲ型（撕开型）外剪切型，两个裂纹表面在
平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。
裂纹长度与断裂应力的关系：
等有关的系数.
k c c
1 2
k 是与材料、试件尺寸、形状、受力状态
在接近平衡位置 O 的区域，曲线可以用直线代替，服 从虎克定律：
x E E a
a 为原子间距 x 很小时 sin
因此，得：
2x
2x
th
E a
可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶 格距离等材料常数有关。 通常， 约为 aE ，这样，
E th 10
100
五．裂纹扩展的动力和阻力
1．裂纹扩展的动力 Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性 应变定义为应变能释放率或裂纹扩展力。 对于有内裂纹 2c 的薄板：
G
d we 2dc
c
E
2
其中 G为裂纹扩展的动力。
对于有内裂的薄板：
K
a c
临界状态：G c K c
E
2
（平面应力状态）
Inglis研究了具有孔洞的板的应力集中问题，得 到结论：孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度 和端部的曲率半径，而与孔洞的形状无关。 Griffith根据弹性理论求得孔洞端部的应力 A
A c a2 1 2 ， a c
c A 1 2
式中， 为外加应力。
K
3 xy 2r cos 2 sin 2 cos 2
模具寿命复习资料教材
第一章绪论一、1、模具成型工艺包括：普通模锻，挤压，拉拔，冲压，压铸，塑料成型。
2、模具的分类：（1）按模具加工材料的再结晶温度分,分为冷变形模具，热作模具，温变形模具。
（2）按模具加工坯料的工作温度分，热作模具，冷作模具，温作模具。
（3）按模具成形的材料分，金属成形模具，非金属成形模具。
（4）按模具的用途分，锻造模具，冲压模具，挤压模具，拉拔模具，压铸模具，塑料模具，橡胶模具，陶瓷模具，玻璃模具，其他模具。
3、模具寿命的基本概念：模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的件数。
4、模具失效：模具受到损坏, 不能通过修复而继续服役。
广义上讲，模具失效是指一套模具完全不能再用。
生产中一般指模具的主要工作零件不能再用。
5、模具失效形式：非正常失效（早期失效），正常失效。
非正常失效：模具末达到一定的工业技术水平下公认的寿命, 就不能服役。
早期失效的形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损。
正常失效：模具经大量的生产使用,因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役时，称模具的正常失效。
6、模具正常寿命：模具正常失效前, 生产出的合格产品的数目 , 称模具正常寿命，简称模具寿命S。
7、模具失效形式主义有三种：磨损，断裂，塑性变形。
磨损：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象。
磨损失效：当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使之不能继续服役。
8、模具成形坯料不同，使用状况不同，其磨损情况不同，但按磨损机理可分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损。
9、磨粒磨损：外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象。
工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损也叫磨粒磨损。
10、粘着磨损：工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象。
11、粘着磨损按照磨损严重程度分为：轻微粘着磨损，严重粘着磨损（涂抹，擦伤，胶合）。
第二章 焊接结构的脆性断裂
造成脆性断裂的原因
材料选用不当 起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低
二、金属材料脆性断裂的能量理论
（格里菲斯）Griffith裂纹理论
基点：材料中已存在裂纹 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理 论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 大量研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只 有它理论断裂强度的1/10~1/1000.
防止结构发生脆性破坏的两个设计准则
①
开裂控制（防止裂纹产生准则）
设计要求在焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头 处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力。
②
扩展控制（止裂性能准则）
设计要求如果在这些部位产生了脆性小裂纹，其 周围材料应具有将其迅速止住的能力。
（二）断裂评定方法
金属材料的断裂除与材料本质特征有关外，还与 结构所处于的温度、加载速度、应力状态等外加因 素有关，其中温度是个主要因素。 对于一种材料有两个临界温度即开裂温度和 止裂温度。开裂、止裂温度的高低可以用来衡量材 料的抗裂性能和止裂性能。且开裂、止裂的温度越 低，材料的抗开裂性能和止裂性能就越好。
1、冷应变时效：材料经历切割、冷热成形（剪切、弯
曲、矫正）等工序使材料发生应变时效导致材料变脆。
2、热应变时效：在焊接时，近缝区某些加工时留下的刻
槽，即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附 近，金属受到热循环和热塑变循环的作用，产生焊接应力-应 变集中，导致较大的塑性变形，引起应变时效。 解决措施：焊后经过550～650℃热处理可以消除两类应变时 效对低碳钢和一些合金结构钢的影响，恢复其韧性。
工程材料力学性能各章节复习知识点
工程材料力学性能各个章节主要复习知识点第一章弹性比功：又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。
应力、应变；真应力，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断口形貌特征？①韧性断裂：断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。
用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。
其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。
人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产生前会有明显的塑性变形，过程比较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生，突然发生，难以发现征兆拉伸断口三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺口试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪几种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效方式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越大，形变强化增强效果越大退火态金属增强效果比冷加工态是好，且随金属强度等级降低而增加。
在某些合金中，增强效果随合金元素含量的增加而下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提高。
第二章应力状态软性系数：材料某一应力状态，τmax和σmax的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，比为α，α=τmaxσmax缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度σbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示缺口敏感度，即为NSR=σbnσb第三章低温脆性：在实验温度低于某一温度t2时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显降低，断裂机理由微孔聚集性变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
材料的脆性断裂与强度
材料的脆性断裂与强度§2．1 脆性断裂现象⼀、弹、粘、塑性形变在第⼀章中已阐述的⼀些基本概念。
1．弹性形变正应⼒作⽤下产⽣弹性形变，剪彩应⼒作⽤下产⽣弹性畸变。
随着外⼒的移去，这两种形变都会完全恢复。
2．塑性形变是由于晶粒内部的位错滑移产⽣。
晶体部分将选择最易滑移的系统(当然，对陶瓷材料来说，这些系统为数不多)，出现晶粒内部的位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
3．粘性形变⽆机材料中的晶界⾮晶相，以及玻璃、有机⾼分⼦材料则会产⽣另⼀种变形，称为粘性流动。
塑性形变和粘性形变是不可恢复的永久形变。
4．蠕变：当材料长期受载，尤其在⾼温环境中受载，塑性形变及粘性形变将随时间⽽具有不同的速率，这就是材料的蠕变。
蠕变的后当剪应⼒降低(或温度降低)时，此塑性形变及粘性流动减缓甚⾄终⽌。
蠕变的最终结果：①蠕变终⽌；②蠕变断裂。
⼆．脆性断裂⾏为断裂是材料的主要破坏形式。
韧性是材料抵抗断裂的能⼒。
材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。
1．脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产⽣明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发⽣的快速断裂过程，因⽽具有很⼤的危险性。
因此，防⽌脆断⼀直是⼈们研究的重点。
2．韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产⽣明显宏观塑性变形的断裂过程。
韧性断裂时⼀般裂纹扩展过程较慢，⽽且要消耗⼤量塑性变形能。
⼀些塑性较好的⾦属材料及⾼分⼦材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。
3．脆性断裂的原因在外⼒作⽤下，任意⼀个结构单元上主应⼒⾯的拉应⼒⾜够⼤时，尤其在那些⾼度应⼒集中的特征点(例如内部和表⾯的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应⼒为平均应⼒的数倍时，此过分集中的拉应⼒如果超过材料的临界拉应⼒值时，将会产⽣裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
虽然与此同时，由于外⼒引起的平均剪应⼒尚⼩于临界值，不⾜以产⽣明显的塑性变形或粘性流动。
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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
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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。
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1.4 影响金属结构延、脆性断裂的主要因素
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
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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
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• 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
断裂力学与动载焊接结构设计
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• • • • •
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
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• （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。
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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。
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⑶ 加载速率
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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
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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
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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。
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– 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
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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。
（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
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பைடு நூலகம்⑵ 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。
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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。
• 应力状态指标 软性系数——tgα • tgα=τmax/σmax
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• 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
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塑性变形三点好处：
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。
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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