IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学(工程师-1)教学文稿
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
动载焊接结构设计Ⅱ(疲劳强度)
⒊焊接接头和焊接结构的疲劳强度低温冲击载荷容易引起结构，特别是焊接结构的低应力脆性破坏，给人类的生产生活带来巨大的灾害。
疲劳破坏则是结构最普遍的破坏形式，约占结构破坏失效总量的80～90％。
⒊1 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点⒊⒈1 相同点⑴都属于低应力破坏破坏时的工作应力＜或＜＜bσ，sσ，甚至[]σ。
⑵破坏之前，结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，令人促不及防。
⑶都对应力集中很敏感起裂位置多半都存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。
⒊⒈2 不同点不同点脆性断裂疲劳断裂⑴载荷性质不同静载，冲击各种疲劳载荷⑵对温度敏感性很敏感，低温易脆断不敏感，高、低温均有疲劳⑶受载次数多少()pEa+≥γσπ422一次即可断裂需几十～几百万次才能断开⑷断裂经历时间()pEa+≥γσπ422瞬间扩展开裂需要许多天，年，世纪⑸断裂经历过程弹性能释放有余，连续自动开裂张开→闭合……再开→再闭⑹断裂机理机制扩展能()pEa+≥γσπ422需要能张开扩展，闭合硬化、锐化⑺宏观断口形貌沿薄弱环节扩展，错落交织的人字纹渐次扩展，带有辐射线的贝壳纹⑻微观断口形貌有错层，能反映扩展方向的河流纹能反映扩展过程的疲劳辉纹⒊2 疲劳强度的基本概念⒊⒉1 疲劳应力循环应力的五个基本参数m axσ、minσ、r、mσ、aσ如图18所示，知道其中的任意两个，即可算出其它三个：图15 由焊趾预制裂纹开始的拉压疲劳纹图13 疲劳裂纹的扩展a) 平板表面裂纹b) 焊趾裂纹图14 疲劳裂纹的扩展过程思考题3：脆性破坏与疲劳破坏有何异同点？⑴ 最大应力 r a m min max σσσσ=+= ；⑵ 最小应力 max min σσσσ⋅=-=r a m ； ⑶应力循环特征系数()()a m a m r σσσσσσ+-==max min ； 11≤≤-r⑷ 平均应力 ()()212max min max r m +⋅=+=σσσσ ； ⑸ 应力振幅 ()()212max min max r a -⋅=-=σσσσ。
第四章 焊接结构强度的基本理论
交变应力
工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化， 工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力 称为交变应力 交变应力。 称为交变应力。
三条焊缝空间交叉，刚度大， 三条焊缝空间交叉，刚度大， 应力集中严重。 应力集中严重。
把一块板切掉一角， 把一块板切掉一角，降低结构刚 度。
3 4
5、不可采用过厚截面
在大型焊接结构中，在满足工作应力的条件下， 在大型焊接结构中，在满足工作应力的条件下，尽量采用 薄板材。 薄板材。 在工作应力较大时，可采用多层板结构， 在工作应力较大时，可采用多层板结构，从而降低钢板的 脆性转变温度。 脆性转变温度。 不能用减低许用应力的办法来减小脆断倾向性， 不能用减低许用应力的办法来减小脆断倾向性，这样会使 板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。 板厚增大，断裂韧性下降，反而容易引起脆断事故。
第四章 焊接结构的脆性断裂
本章主要内容： 本章主要内容：
焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的特点、 一、焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的特点、 产生原因及影响因素； 产生原因及影响因素；
二、提高结构疲劳强度和防止脆性断裂的主 要措施。 要措施。
二战期间美国船只的脆性断裂
綦江彩虹桥垮塌案
綦江彩虹桥垮塌案
腐蚀介质
增加板厚
热影响区 热影响区
小
脆性断裂的特征 产生脆断的原因
结
无明显塑性变形的低应力破坏，突然性强。 无明显塑性变形的低应力破坏，突然性强。 ⑴ 使用温度低于脆性转变温度使塑性材料变脆； 使用温度低于脆性转变温度使塑性材料变脆； 焊接热循环容易使热影响区组织粗大，塑性下降; ⑵ 焊接热循环容易使热影响区组织粗大，塑性下降; ⑶ 焊接残余应力使焊接接头强度下降并且接头处易产生应力集 中； 焊接缺陷使结构的实际承载面积减小，并可能引起微裂纹； ⑷ 焊接缺陷使结构的实际承载面积减小，并可能引起微裂纹； 备料及成形加工时容易引入缺陷和降低材料塑性； ⑸ 备料及成形加工时容易引入缺陷和降低材料塑性； 焊接结构刚度大，焊接应力难消除， ⑹ 焊接结构刚度大，焊接应力难消除，裂纹在构件之间扩展容 易。
第3章焊接结构断裂性能
具有冷脆现象金属的晶格特征：
研究表明：具有冷脆现象的金属多为： 体心立方晶格或密排六方晶格结构。 大多面心立方晶格的金属，如： 铝、铜等金属则没有冷脆现象。
所以，低温环境的压力容器往往选择含镍量较高的面心 立方晶格的金属。
这类金属材料具有较高的低温韧性！
不同材料冲击韧性与温度关系曲线
用力学状态图解释温度降低对脆断的影响
一般体心立方金属韧性-脆性转变温度高，而面心立方金 属一般没有这种温度效应。
3.2.2 影响金属脆断的主要因素
1)引起脆断的外部三要素：
应力状态、温度条件、加载速度。 深入理解：
温度条件是引发金属脆断的前提——促成脆性转变！ 应力状态是决定断裂性质的天平——基于载荷形式！ 加载速度则是促成脆断的导火索——胜似雪上加霜！
3.1.2 脆性断裂的特征
➢ 几乎没有塑性变形，具有突然破坏的性质； ➢ 脆断时所需能量小，破坏应力往往低于材料的屈服强度， 属于低应力破坏； ➢ 裂纹扩展速度快，瞬时扩展到结构大部分或全体，直至断 裂。断裂不易发现和预防。 ➢ 脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；通常在较 低温度下发生。
本节提要：
弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发 生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强 度。
•沿晶断裂的原因大致有： ①晶界存在连续分布的脆性第二相
②微量有害杂质元素在晶界上偏聚
③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、 应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。
晶界断裂的特征
宏观特征：无塑性变形 颗粒状或粗瓷状 色泽较灰暗 断口表面平齐 边缘有剪切唇
焊接结构 第三章 焊接结构断裂性能
知识要点
金属材料脆 性断裂
焊接结构脆 性断裂
国际焊接工程师技术员培训教教材01
焊枪/工件 填充材料 工件的
的送进
的送进
移动
手工
手工
手工
半机械化 焊接 t
三
机械化焊 接v
手工
机械化
手工
机械化
机械化
手工
自动化焊 接a
机械化
机械化 机械化
注：m—手工焊
t—半机械化焊接
v—机械化焊接
a—自动化焊接
哈尔滨焊接技术培训中心 WTI Harbin
维 我国于 2000 年得到 IIW 的授权，开始在全国实施和推广焊接培训国际认证体系。为满足
我国国际焊接工程师（IWE）、国际焊接技术员（IWT）培训及认证的需求，根据国际焊接学 会（IIW）和 IIW 授权（中国）焊接培训与资格认证委员会（CANB）的相关规程规定，组织 编写了国际焊接资质人员系列培训教程。IWE、IWT 理论培训教程由基础理论部分和主课程 两部分构成，基础理论部分分为焊接工艺及设备、材料及材料的焊接行为、焊接结构与设计 三门课程，主课程部分分为焊接工艺及设备、材料及材料的焊接行为、焊接结构与设计、焊
——强度和韧性
——具有较强耐高温和低温能力
——耐腐蚀和磨损能力
——对气体、蒸汽、压力或真空等条件下的密封性能
如果考虑到不同母材（钢和有色金属），母材的不同形式（板、管和异型材，厚度 0.001-1000mm），焊接
设备以及焊接填充材料（焊条、焊丝、保护气体等等）这些因素，目前已使用 50 种以上的焊接方法。如果在
编写人员（按姓氏笔画排序）：
三 邓义刚、王 林、吕同辉、吕适强、陈 宇、张宇光、张 岩、
林伯山、俞韶华、徐林刚、高 欣、高洪明、钱 强、常凤华、 曹红梅、解应龙、潘 孚、黎 明、戴万福。
断裂力学
断裂力学概述摘要：断裂力学是固体力学中研究带裂纹材料强度的一门学科。
它在生产中有着重要的应用价值，近年来在国内外发展很快。
材料在生产加工过程以及在随后的使用过程中中，不可避免的会产生缺陷和裂纹，会发生低应力脆性破坏。
断裂力学主要研究裂纹周围材料的形状断裂力学是传统力学的补充和发展。
本文介绍了断裂力学中的格里菲斯能量理论、COD准则、J积分理论等，并就简单介绍了其在疲劳断裂中的应用。
关键词：断裂力学，格里菲斯能量理论，COD准则，J积分理论；1 引言断裂力学是近几十年才发展起来的一支新兴学科，它应用力学成就研究含缺陷材料和结构的破坏问题。
由于它与材料或结构的安全问题直接相关，因此它虽然起步晚但实验与理论均发展迅速，并在工程上得到了应用，在材料评估、结构设计及至标准的交货条件中均已涉及使用了一些断裂力学参数。
世界上主要工业发达国家也先后颁布了断裂力学标准，其中以美国在此方面的工作领先。
随着现代生产的发展，新材料、新产品、新工艺不断涌现，在机械、结构等运行使用中经常发生脆断破坏事故。
例如:1947年前苏联4500m的大型石油储罐底部和下部壳连接处，在气温降到一43O℃时破断。
1969年美国F一n飞机在执行训练飞行途中作投弹恢复动作时，左翼脱落，导致飞机附毁。
当时飞机速度、总重量和过载等指标远低于设计指标。
今天，我们还能从新闻中听到某大桥或商业大厦突然断裂或坍塌。
这些器械或结构是在负载“还远低于传统的设计强度指标时发生断裂的。
用材料力学的传统设计思想是解释不了这类现象的。
从事故后的分析来看，上述脆断均是由宏观裂纹引起的[1]。
早在本世纪20年代英国人格里菲斯试想解释玻璃的实际强度远低于理论强度的原因时，以材料内部存在缺陷的观点提出在一定条件下，微小缺陷或裂纹将失稳扩展，从而导致材料或结构的破坏。
格里菲斯推测玻璃内部的细小缺陷或裂纹引起应力集中，使断裂在较低的名义应力下发生。
进而，他从能量观点出发提出裂纹失稳扩展条件:如果裂纹扩展释放的弹性应变能，克服了材料阻力所作的功，则裂纹失稳扩展。
IWE焊接结构
IWE焊接结构设计复习提纲 结构设计基础部分 安全校核（强度校核、稳定性校核、刚度校核） 1RSdd Sd 作用力（结构设计基础、强度理论基础） Rd 抵抗力（强度理论基础）
1、例 材料：S235
问题1：简支梁的结构构成？ 由杆件（承受弯矩）、和支座（将载荷传递到地基）组成。 支座包括： 固定支座（提供两个支座反力）——应用在此结构 活动支座（提供一个支座反力）——应用在此结构 紧固支座（提供三个支座反力）——未应用
问题2：此结构体系是否属于静定系统？ n=a+z-3·s＝3＋0－3·1＝0 静定系统
问题3：简支梁受哪几种内力作用？如何分布？ 内力是指物体内部各质点之间的相互作用，物体不受外力时，其内部各质点之间也存在内力，它使质点间相对位置保持不变。当物体受外力作用而发生变形时，物体所受内力发生变化，产生了“附加内力”，称为
A B 内力。 内力包括： 水平方向力 N（物体水平方向所受内力） ——构件不承受 垂直方向力 V（物体垂直方向所受内力） ——构件承受 弯 矩 M（物体所受力矩） ——构件承受
其分布趋势见上图，计算过程如下： Av支座A的垂直方向支座反力 Bv支座B的垂直方向支座反力 AH支座A的水平方向支座反力 MA力矩 1）Fd＝Q·l＝292.5·8＝2340kN
2) 支座反力计算： 平衡条件（∑H=0, ∑V=0，∑M=0）
3)内力计算： 平衡条件（∑H=0, ∑V=0，∑M=0） ——水平方向力 N
——垂直方向力 V 横向内力V（Q）的确定，设A，B点之间任取一点距A点为x
——弯 矩 M 截面弯矩M的确定，设A，B之间任取一点至A点距离为x：
问题4：计算梁的截面参量惯性距Iy和翼板截面参量静距Sy？ Iy惯性矩cm4（弯曲和剪切引起的应力，弯曲所产生的变形） Sy 静矩cm3 （剪切时的应力）
Sy＝2zAsteg
kNFBAFBlBlFMFBABAFVANNAHdvvdvvdAdvvvvdHH1170220200000
IWE动载结构及设计314-15
n=2时，疲劳裂纹扩展寿命为：
NNf N 0C 1(1)n1na a0 c
2020/5/29
若以福曼公式为例，则： da C(K)n
dN (1r)KIC K
用⊿Kf表示对应于临界裂纹尺寸ac时的应力强度因子幅值，有：
Kf (1r)KIC
对于无限大板中心穿透裂纹的情况：
当 n2且 n3时N N f N 0 C ( 2 ) 2 n K 2 f K 1 0 n 2 K 1 fn 2 n 1 3 K 1 0 n 3 K 1 fn 3
2. 优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；
3. 采用角焊缝时最好用双面角焊缝，避免使用单面焊缝；
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动载焊接结构的设计ⅠⅡ
IWE-3/3.14-15
4. 采用带有搭接盖板的搭接接头，尽可能不用 偏心搭接；
5. 使焊缝（特别是焊趾、焊缝根部和焊缝端部） 位于低应力区（例如弯曲时中性带、承受小弯
③ 没有考虑千变万化的不确定因素。过去把这
些不确定因素的影响，涵盖在安全系数里，加以考虑。
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三、 焊接结构的疲劳寿命设计 IWE-3/3.14-15
3.1疲劳裂纹的亚临界扩展
一个初始裂纹 a 0的构件，只 有载荷应力达到临界值时 C （图1），亦即当裂纹尖端 的应力强度因子 K 1达到临界 值 K1C 时，才会失稳破坏。
具体可用下式表达：
NCRm
loN g lo C g m lo g R
式中的 ΔσR可由表５查出。
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3 动载焊接结构的设计ⅠⅡ
IWE-3/3.14-15
要说明的是：
第一： 表中的细节类型号（如160,140…） 是与表寿4命-6为的N细=节2×类1型06次号相应呼力应循；环另时外Δσ把R的图值１。８中它 的常幅疲劳极限定义为寿命为5×106次应力循
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
国内典型例子
1995年1月8日发生在黑龙江省某地的糖厂， 该 糖 厂 一 台 使 用 了 20 年 的 直 径 为 24m 、 高 16m的圆筒形糖蜜贮罐在凌晨五点左右突然 开裂，导致4000吨糖蜜倾泻而出，造成人员 和巨大经济损失。事故原因为低应力脆断。
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
自从焊接结构得到广泛应用以来，发现以 承受动载为主的焊接结构，在远没有达到其 设计寿命时就出现破坏现象，通常发生脆性 断裂和疲劳断裂两大类破坏事故。
脆性断裂事故的焊接结构数量与安全工作 的焊接结构数量相比虽然是很少。但是，由 于这种事故具有突发性，不易预防的特点， 其后果往往是十分严重的，甚至是灾难性的 ，所以引起人们高度重视。
在筒体与锻件埋弧焊时，锻体偏析
合成氨用大型压力容器，内径 1.7 m 厚149-150 mm 美国
（Mn-Cr-Mo-V 钢制），在锻件一侧热影响区有 裂纹，焊后未进行恰当的消除应力热处理
由升降连接杆气割火口裂纹引发脆断，平台整 “海宝”号钻井船椿腿 英国北海油田 个坍塌
球形容器
使用 =29mm，80 公斤级高强钢，补焊热输入
美国以外建造的商船 直 径 4.57 m ， 水 坝 内 全 焊 管 道 ， 美 国
板梁式钢桥 加拿大 魁北克
大 型 油 船 “世 界 协 和 号 ”美 国 制 造
损坏的情况及主要原因
安全系数不足、超应力引起，在人孔附近起裂
气候骤冷时，罐底与罐壁的温差引起脆性裂纹 由于严重应力集中，残余应力高，钢材性能差， 气候骤冷，焊接裂纹引起脆断
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
1962 1962 1965.12 1965 1968 1974.12
Kings 桥，焊制钢梁 澳大利亚墨尔本
支承钢筋混凝土桥面的四根板腹主梁发生脆 裂，裂纹从角焊缝热影响区扩展到母材中
原子能电站压力容器 法国Chinon
厚100 m m锰钼钢的制成，环焊缝热处理不当 导致开裂
(1) 脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没有显 著的塑性变形的情况下发生。
(2) 脆断往往从应力集中处开始，即构件内存在缺陷， 尤其焊接裂缝等。
(3) 脆断往往发生在低温下，厚截面构件和高应变速度 （即动载作用下）的情况下。
(4) 塑性材料也发生脆性断裂。
▪ 脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变形能不足 所致。大量脆断事故研究表明，造成焊接脆断的原 因是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合理
2020/5/11
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
布局
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焊缝
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
损坏日期 1919 1934
1938-1940 1942
1942-1946 1943.2
1944.10
1949-1963 1950
1949-1951
1954
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焊接结构断裂的典型事例
结构种类、特点地点 糖 蜜 罐 （ 铆 接 ） 高 14m， 直 径 30 m
美国波士波 油罐 美国
威廉德式桥 比利时
油罐 德国汉茨 EC2（ 自 由 轮 ） 货 船 美 国 建 造 球 形 氧 罐 ， 直 径 13m 美 国 纽 约 液 化 天 然 气 圆 筒 形 容 器 ，直 径 24 m，高 13 米 ， 美 国 俄 亥 俄
和制造工艺及检验技术不完善等。
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
影响金属脆性断裂的因素：
同一种材料在不同受力条件下，可以显示
出不同破坏形式。研究表明，其最重要的影 响因素是温度，其次为应力状态、加载速度 。
这就是说在一定的温度、应力状态和加载
速度下，材料如果是塑性破坏，而在另外条 件下，材料可呈脆性破坏。
2020/5/11
3
1 概述
IWE-T/3.3-1/29
例子：
• 第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特(Albert) 运河上建造了约50 座全焊接拱形空腹式桁架钢桥。 材料为比利时9t42 转炉钢。
(1)其中跨度为48.78m 的长里华大桥在-14℃时脆断。
(2)1938 年3月，比利时哈瑟尔特全焊拱形空腹式钢桥 在交付使用1 年后，当一辆电车和几个行人通过时 ，突然断裂为三段，坠人阿尔贝特运河。该桥跨度 74.5m，该桥第一条裂缝由下弦开始并发生巨响， 6min 后垮塌,当时桥上荷载很小,气温较低,为-20℃。
2020/5/11
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变形能
不足所致。大量脆断事故研究表明，造成焊接 脆断的原因是多方面的：主要是材料选用不当 ，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等 。
2020/5Байду номын сангаас11
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
脆性断裂的特点为：
日本
量过大，导致开裂
圆筒形石油贮罐
用厚 12mm，60 公斤级钢焊制，在环状边板与
日本
罐壁拐角处产生裂纹扩展13m，大量石油外流。
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
在工程上，按照断裂前塑性变形大小，将断裂分 为延性断裂（亦称为塑性断裂和韧性断裂）和脆 性断裂两种。延性断裂在断裂前有较大的塑性变 形；脆性断裂前没有或只有少量塑性变形，断裂 突然发生并快速发展（裂纹扩展速率高达1500 ～2000m/s）。同一材料在不同条件下也会出现 不同断裂形式，例如低碳钢通常认为是塑性很高 ，被广泛应用于各种焊接结构中。但是在一定条 件下，低碳钢构件也会发生脆性断裂。