动载焊接结构的强度及其设计    断   裂   力   学       1  概述                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。 1  概述 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℃。  1  概述 (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。        1  概述 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        1  概述        1  概述        1  概述 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。  1  概述     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   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。 (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。   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。                 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 （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 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   （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。                     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          力学状态图  1  概述 单轴拉伸时， α =1/2       1  概述 在实际结构中三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多的情况下是由于结构几何不连续性引起的。在三轴拉伸时，最大应力就超出单轴拉伸时的屈服应力，形成很高的局部应力而材料尚未发生屈服，结果降低了材料塑性，使该处材料变脆。这说明了为什么脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处，而在试验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为。  1  概述 （3）加载速度的影响            研究表明提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。         还应指出，在同样加载速度下，结构中有缺口时，应变速率可呈现加倍的不利的影响，因为此时应力集中大大降低了材料的局部塑性。            1  概述 （4）材料状态影响：         1）板厚度的影响: 首先厚板在缺口处容易形成三向应力的平面应变状态，另外板厚轧制次数少，组织疏松，内外性能不均：         2）晶粒影响: 晶粒度对脆性转变温度有很大影响，晶粒越细，其转变温度降低；         3）化学成分影响: 钢中C、N、O、H、S、P增加钢中的脆性。            1  概述  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     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。          1  概述         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
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