IWE动载焊接结构的强度及其设计-断裂力学(工程师-1)

德国汉茨 美国建造
EC2（自由轮）货船
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 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
1954
大型油船“世界协和号”美国制造
1 概述
IWE-T/3.3-1/29
2 断裂力学及在焊接中的应用
IWE-T/3.3-2/29
（一）断裂力学研究任务 通过研究裂纹尖端局部区域的应力和变形 情况，掌握裂纹在外载荷作用下扩展规律， 了解带裂纹构件的承载能力，从而提出抗断 设计的方法，保证构件的安全工作。 研究表明，实际结构的破坏，不取决于平 均应力，而取决于缺陷邻近的局部应力和应 力集中程度，使结构在低应力下，由宏观裂 纹源的扩展而引起破坏。
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。
1 概述
IWE-T/3.3-1/29
脆性断裂的特点为： (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。
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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 补焊处产生裂纹 设计不当，材料性能差 应力集中、残余应力、钢材脆性（半镇静钢） 为双层容器，内筒采用含 3.5%镍合金钢制成， 由于材料选用不当， 有大量裂纹， 在-162℃低温 下爆炸 钢材选择不当，韧性低 由环焊缝不规则焊波向四周扩展的小裂纹引发 材料为不合格的沸腾钢，因出现裂纹曾局部修 补过 钢材缺口韧性差。断裂发生在船中部，即纵梁 与隔舱板中段的两端处引发裂纹然后裂纹从船 底沿船两侧向上发展，并穿过甲板。断裂时有 大风浪。
1 概述
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众多焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清 楚的看到焊接接头的重要影响，疲劳破坏一 般都是从应力集中处开始，而焊接结构的疲 劳裂缝又往往从焊接接头的应力集中处产生。 高周疲劳：应力低（远小于屈服强度）、 频率高； 低周疲劳：应力高（接近屈服强度）、频 率低。
2 断裂力学及在焊接中的应用
1962 1962
Kings 桥，焊制钢梁 澳大利亚墨尔本 原子能电站压力容器 法国 Chinon
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 厚 100 m m 锰钼钢的制成，环焊缝热处理不当 导致开裂 在筒体与锻件埋弧焊时，锻体偏析 （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 个坍塌 使用 =29mm，80 公斤级高强钢，补焊热输入 量过大，导致开裂 用厚 12mm，60 公斤级钢焊制，在环状边板与 罐壁拐角处产生裂纹扩展 13m，大量石油外流。
max
α称为应力状态系数，与加载方式和构件 形状有关。α↑的应力状态有利塑性变形切应 力的韧性断裂，而α↓则有利正应力的脆性断 裂。
1 概述
剪切抗力
第四章 脆断-5/45
剪切屈服
正断抗力
力学状态图
1 概述
单轴拉伸时， α =1/2
第四章 脆断-5/45
1 3
2
，则
而三轴拉伸时，当主应力为 1 , 2 , 3 ( 1 2 3 ) 且 3 0 ，则 max = 1 ， max =
1 概述
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疲劳断裂 疲劳断裂是金属结构在动载作用下失效的 一种主要形式，统计资料表明，由于疲劳而 失效的金属结构，约占失效结构的90%，这 种结构的断裂形式与脆性断裂形式不一样。 疲劳断裂与脆性断裂相比较： 相同点： 二者断裂时形变都很小，并都在动载作用 下断裂，
1 概述
1 概述
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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。
1 概述
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动载焊接结构的强度及其设计
( IWE-T/3.3)
哈尔滨工业大学 杨建国
2009.03
断 裂 力 学
( IWE-3.6)
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。
第四章 脆断-8/45
1 概述
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不同点： （1）载荷：疲劳断裂需要多次加载，而脆断一 般不需要多次加载； （2）时间：脆断是瞬时完成的，而疲劳裂缝的 扩展则是缓慢的，有时需要长达数年的时间。 （3）温度：对脆断来说，温度的影响是极其重 要的，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增 加。但疲劳强度却不是这样。 （4）断口：疲劳断裂和脆性断裂相比较还有不 同的断口特征等。
此外晶粒度及其显微组织对材料破坏倾向 也有很大影响。
1 概述
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（1）温度的影响 温度对材料的破坏方式影响最大，降低温 度就可以使破坏方式由塑性破坏转变为脆性 破坏。这是因为随温度的降低，发生解理断 裂的危险性增大，材料将出现塑性到脆性断 裂的转变。 塑性到脆性断裂的转变温度称为材料转变 温度，此温度越高，材料的脆断可能性增加。
1 概述
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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℃。
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一、断裂力学 • 经典力学：常规的强度计算方法是以材料为基础， 把材料抽象为均匀、连续和各向同性的，未考虑 材料的内部缺陷，用σs、σb 和安全系数n反映结 构安全可靠性，它与破坏过程均无直接联系。 • 断裂力学：为了探索缺陷对材料强度的影响，研 究材料抗断裂性能指标，建立破坏条件，提出具 有缺陷构件的强度计算方法，研究含有缺陷宏观 裂纹构件的安全性，而建立起断裂力学。
1 概述
第四章 脆断-4/45
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，才在面心立方点阵的金属 中发生，因此面心立方点阵的金属（如奥氏 不锈钢），可以在很低温度下工作而不发生 脆性断裂。
1 概述
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（2）应力状态的影响 物体在受外载时，在不同的截面上产生不 同的正应力σ和剪切应力τ，其中必有一个最 大正应力σmax 和最大切应力τmax。 σmax 和τmax 及其比值 与加载方式有关。 max
1965.12
合成氨用大型压力容器，内径 1.7 m 厚 149-150 m m 美国 “海宝”号钻井船椿腿 英国北海油田
1965 1968 1974.12
球形容器 日本 圆筒形石油贮罐 日本
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 概述
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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。
2 断裂力学及在焊接中的应用
IWE-T/3.3-2/29
裂纹的扩展可分为稳定扩展（又称亚临界 扩展）和失稳扩展（不稳定扩展）： 裂纹的稳定扩展：是裂纹在不断接受外界 能量情况才会扩展。疲劳裂纹扩展属于此类 扩展。 裂纹不稳定扩展：是指裂纹在不需要外界 继续提供能量情况下裂纹就扩展，低应力脆 断时裂纹扩展属于此种。
(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 和制造工艺及检验技术不完善等。
IWE-T/3.3-1/29 1 概述 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。
1 概述
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(3)跨度60.98m 的亥伦脱尔一奥兰(Herenthals-Olen)大桥 在1940 年1 月19 日破坏，当时的气温为-14℃，其中 有一条裂缝长达2.1m，宽为25mm，但此桥未坍落， 且在开裂后5h，当一列火车通过时此桥竟平安无事。 据统计，自1938 年至1950 年在比利时共有14 座大桥 断裂，其中有6 座桥梁属负温下冷脆断裂，大部分在 下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限状态。 归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中、残余 应力、低温和冲击韧性值αk 太小。