焊接工程师培训-断裂力学课件.ppt

1、断裂力学断裂力学Introduction to fracture mechanics 焊接接头和焊接结构的疲劳强度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，给人类生产生活带来巨大的灾害。应力脆性破坏，给人类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坏失效总量的8090。1.1相同点相同点 都属于低应力破坏都属于低应力破坏 破坏时的工作应力或材破坏时的工作应力或材料的强度料的强度 破坏之前，结构都没有明显的征兆或外观变形，突破

2、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。发性强，令人促不及防。都对应力集中很敏感都对应力集中很敏感 起裂位置多半都存在原始缺起裂位置多半都存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。陷，或起裂于应力集中点。1 脆性破坏与疲劳破坏脆性破坏与疲劳破坏 的相同点与不同点的相同点与不同点1.2不同点不同点 载荷性质不同载荷性质不同对温度敏感性对温度敏感性受载次数多少受载次数多少断裂经历时间断裂经历时间断裂经历过程断裂经历过程 断裂机理机制断裂机理机制 宏观断口形貌宏观断口形貌 微观断口形貌微观断口形貌 疲劳裂纹的扩展过程疲劳裂纹的扩展过程2.1 疲劳应力循环应力的五个基本参数疲劳应力循环

3、应力的五个基本参数maxminrma2疲劳强度的基本概念疲劳强度的基本概念2.2应力循环的基本类型应力循环的基本类型2.3疲劳强度和疲劳极限疲劳强度和疲劳极限2.4疲劳强度在焊接结构中的常用表示方法疲劳强度在焊接结构中的常用表示方法3.1影响载荷、环境效应的因素（外因）影响载荷、环境效应的因素（外因）疲劳载荷的性质和大小疲劳载荷的性质和大小在计算疲劳应力时，除了计算常规疲劳载荷的作用在计算疲劳应力时，除了计算常规疲劳载荷的作用之外，还须考虑随机载荷、结构之间的拘束应力、温之外，还须考虑随机载荷、结构之间的拘束应力、温差应力、焊接残余应力、应力集中、环境介质的腐蚀差应力、焊接残余应力、应力集中、

4、环境介质的腐蚀作用作用等因素对疲劳强度的影响。等因素对疲劳强度的影响。环境因素环境因素 腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展速率，降低疲劳寿命。速率，降低疲劳寿命。3影响焊接接头疲劳强度的因素影响焊接接头疲劳强度的因素3.2影响结构抗力的因素（内因）影响结构抗力的因素（内因）结构构造刚柔相济的程度结构构造刚柔相济的程度结构的整体刚度、强度是结构承载的根基；提高结结构的整体刚度、强度是结构承载的根基；提高结构相互连接接头的平滑、圆滑、柔韧程度，是降低应构相互连接接头的平滑、圆滑、柔韧程度，是降低应力集中敏感程度的重要手段。疲劳和低应力脆断都对力集中敏感程度的重要手

5、段。疲劳和低应力脆断都对应力集中很敏感，这一点，二者的情况是一样的。应力集中很敏感，这一点，二者的情况是一样的。结构上，特别是接头上的各种应力集中现象结构上，特别是接头上的各种应力集中现象1)结构表面形状的突然变化；结构表面形状的突然变化；2)各种缺陷及孔洞等；各种缺陷及孔洞等；3)焊接变形：错边、角变形等；焊接变形：错边、角变形等；4)金属表面的粗糙度等。金属表面的粗糙度等。材质的纯度与材料的塑性和韧度材质的纯度与材料的塑性和韧度 塑性和韧度对延缓裂纹的萌生和扩展，对延长疲劳塑性和韧度对延缓裂纹的萌生和扩展，对延长疲劳寿命和提高疲劳强度有明显作用。寿命和提高疲劳强度有明显作用。结构残余拉应力

6、结构残余拉应力 残余拉应力能提高疲劳循环的平均应力，加大应力残余拉应力能提高疲劳循环的平均应力，加大应力集中的影响，加速疲劳破坏。残余压应力可以阻止，集中的影响，加速疲劳破坏。残余压应力可以阻止，或减缓疲劳裂纹的萌生和扩展。或减缓疲劳裂纹的萌生和扩展。结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素。预防、减小应力集中的工作，应该贯穿主要因素。预防、减小应力集中的工作，应该贯穿于产品设计、制造和使用的整个过程当中。于产品设计、制造和使用的整个过程当中。4提高焊接结构疲劳强度的措施提高焊接结构疲劳强度的措施4.1设计措施设计措施设计常分为整体设计和细部

7、设计两个阶段：设计常分为整体设计和细部设计两个阶段：整体设计主要是功能设计和结构设计，在选择整体整体设计主要是功能设计和结构设计，在选择整体结构形式时，既要满足产品的总体功能要求和整体强度、结构形式时，既要满足产品的总体功能要求和整体强度、刚度要求，又要注意从宏观角度分散集中载荷，减小应刚度要求，又要注意从宏观角度分散集中载荷，减小应力集中。做到刚柔相济，才有利于提高疲劳强度，也有力集中。做到刚柔相济，才有利于提高疲劳强度，也有利于防止低应力脆性破坏。利于防止低应力脆性破坏。细部设计的重要任务在于通过细部的具体尺寸形状，细部设计的重要任务在于通过细部的具体尺寸形状，做到粗细、厚薄、宽窄不同截面

8、之间的圆滑过渡，从每做到粗细、厚薄、宽窄不同截面之间的圆滑过渡，从每个具体位置着眼，注意减小应力集中。个具体位置着眼，注意减小应力集中。在产品或结构两部分互相连接的区域，应当尽量在产品或结构两部分互相连接的区域，应当尽量采用平缓圆滑或刚柔相济的结构和接头形式，尽量避采用平缓圆滑或刚柔相济的结构和接头形式，尽量避免陡然过渡。免陡然过渡。低碳钢搭接接头疲劳强度对比低碳钢搭接接头疲劳强度对比4.2工艺措施工艺措施易产生裂纹的缺口部位，可预制残余压应力，能改易产生裂纹的缺口部位，可预制残余压应力，能改善，甚至消除焊接残余应力的不利影响；善，甚至消除焊接残余应力的不利影响；措施：措施：首先按严格的工艺要

9、求，焊好结构的纵向首先按严格的工艺要求，焊好结构的纵向主焊缝，并采用尖锤或风镐及时捶击焊缝，将残余拉主焊缝，并采用尖锤或风镐及时捶击焊缝，将残余拉应力变为压应力；应力变为压应力；随后焊接筋板焊缝时，先在焊缝随后焊接筋板焊缝时，先在焊缝交叉点外引弧，焊到顶点后，回程重熔焊道，消除引交叉点外引弧，焊到顶点后，回程重熔焊道，消除引弧点的焊接缺陷，并及时捶击焊缝，消除焊接应力。弧点的焊接缺陷，并及时捶击焊缝，消除焊接应力。4.3使用中的维护措施使用中的维护措施 妥善维护结构，覆盖涂层，喷洒涂料，防止腐蚀妥善维护结构，覆盖涂层，喷洒涂料，防止腐蚀介质环境的不利影响。介质环境的不利影响。小结小结 脆性断裂特点及影响因素脆性断裂特点及影响因素 断裂力学及在焊接中的应用断裂力学及在焊接中的应用 疲劳和脆性断裂比较疲劳和脆性断裂比较 疲劳强度及影响因素疲劳强度及影响因素