1、第四章 防断裂设计与应用,第一节 设计思想与分类 第二节 几种主要的防脆断设计方法 第三节 应用举例,第一节 设计思想与分类,1）设计思想 防止脆性断裂工程方法是以线弹性断裂力学理论为基础的。以含裂纹结构应力强度因子的弹性解，结合实验测得的材料断裂韧性与温度的关系曲线，来判断结构是否会发生脆断，确定临界裂纹尺寸的大小，评定许用缺陷尺寸，按工程要求、使用环境及条件设计结构，使其满足nKI KIC，并按裂纹扩展规律设计产品和定出服役产品的检验周期，使其在服役期内满足式上述要求，以确保产品安全。 由于在线弹性范围内，JIC、COD和KIC的一致性，也可按JIC和C来设计防脆断结构。,2） 分 类 （
2、1）按断裂判据分：有K判据法、COD法、J积分法、应变能密度因子法等。 （2）按许用缺陷尺寸设计分（多用于评定焊接结构的缺陷尺寸）：有当量裂纹尺寸法、临界裂纹尺寸法。 （3）按脆性转变温度设计分：有裂纹分析图法、确定能量水平法等。 （4）按设计要求分：有压力容器的“先漏后破”(LBB)准则等。 （5）按半经验方法：有寻找断裂韧性与常规性能指标的关系，并按经验给出常规性能指标（如夏比能）的限制等方法。,第二节 几种主要的防脆断设计方法,1) 基于KIC的设计方法 该法基于线弹性断裂力学的原理，使构件的应力强度因子小于构件材料的断裂韧性下限值。其基本要求如下： (1) 测定材料的断裂韧性，并确定参
3、考临界应力强度因子值KIC 。 (2) 测定材料的参考零延性转变温度。 用落锤试验决定的材料零延性转变温度NDT，再附加夏比冲击试验的要求后确定的温度。 (3) 作参考临界应力强度因子值KIC与参考温度参数（T-RTNDT）的曲线（T为工作环境温度）,(4) 确定最大缺陷尺寸 对于已生产出的产品，可以通过探伤确定最大缺陷尺寸。 但在多数情况下，设计时并无产品，因此只能根据以往的经验假定一缺陷进行设计。 ASME规范中假定在结构上存在一个最大缺陷，此缺陷垂直于最大应力方向，为尖锐的表面缺陷。当截面厚度为102305mm时，则假设缺陷深度为1/4截面厚度，长度为1.5倍截面厚度。当截面厚度大于30
4、5mm时，缺陷按305mm厚度时的假定缺陷计算；而对截面厚度小于102mm时，缺陷保守的假定为深25.4mm。,(5) 计算应力强度因子 计算要包括结构承受的各种载荷所引起的应力强度因子，一般采用 计算，F为几何参数的修正因子。 (6) 选取安全系数 在计算主要应力强度因子时，必须乘以安全系数n(12)。 (7) 许用载荷条件 各种载荷所引起的应力强度因子的总和要小于构件材料的断裂韧性的下限值。,2）许用缺陷尺寸设计方法 产品在制造或使用中，经检查发现有缺陷存在，则需对缺陷进行评定，以确定是否容许其存在。该法主要用于评定焊接结构中存在的焊接缺陷。设计要点如下： （1）缺陷尺寸的标准化 对于单个
5、缺陷，可简化成圆形或椭圆型单个裂纹，然后决定缺陷尺寸a及l，最后根据缺陷离自由表面之距离s，确定是表面裂纹，还是深埋裂纹（若s a，为深埋裂纹； s a ，为表面裂纹。若缺陷对两个自由表面都是s a ，或者a/t0.5，则视为穿透裂纹）。 相邻有多个缺陷时，如果缺陷相互干涉，则复合为一个缺陷；若互不干涉，则按单个缺陷评定。,（2）决定缺陷的特征尺寸 将第一步决定的简化缺陷尺寸a及l，化为统一的等效穿透缺陷，并以穿透裂纹的半长 作为特征尺寸。对于穿透裂纹： = a ；而对于深埋裂纹和表面裂纹，则需查阅有关图表来决定。 等效换算原理是把二维裂纹的应力强度因子等效换算成二维穿透裂纹。 （3）缺陷处在
6、无缺陷时的作用应力或应变值的决定。 （4）允许裂纹尺寸参数 的确定 （5）评定,将无损检测的缺陷尺寸a与允许裂纹尺寸 比较。 当 时，合格，结构不会发生脆断； 时，不合格，缺陷不能被接受。 因此，可确定出缺陷的标准。 3）压力容器的缺陷评定 我国于1984年制定了“压力容器缺陷评定规范（CVDA-1984）”。该规范为钢制压力容器（壁厚t 10mm，材料 ）的缺陷评定提供了一个合乎使用要求，防止脆性和疲劳破坏的工程方法。 该法的评定步骤如下：,（1）根据无损检验结果和其他方法，求得缺陷几何形状和计算尺寸； （2）确定缺陷部位的应力和应变； （3）确定缺陷部位有关材料的性能参数； （4）计算最大
7、容许缺陷尺寸； （5）判定评定的缺陷是否允许。 4）压力容器的“先漏后破”（LBB）设计方法 为防止脆断事故的发生，在压力容器方面常采用断裂前渗漏的设计方法，即“先漏后破”（Leak Before Break）设计准则，要求临界裂纹尺寸大于压力容器的壁厚。这样裂纹会稳定扩展直至穿透壁厚发生泄漏，而泄漏是可以检验的，从而可以避免突然发生的脆断事故。,LBB准则是ESSO公司首先提出的。该法假设一个半圆形表面裂纹，由于疲劳而扩展，当扩展穿透壁厚（t）时，裂纹深为壁厚t，长为2t，并要求材料的断裂韧性相对该尺寸的裂纹，在应力=s时也不会发生脆断破坏，而是首先泄漏。具体计算方法如下： （1）选择合适的
8、KIC 压力容器穿透裂纹的应力强度因子为 ，当应力达到屈服应力时，则 。考虑塑性修正，则 。在平面应力状态下：,将其代入KI，并将裂纹尺寸a用壁厚t代入，则： 因此，选用材料的断裂韧性使其满足： 则可使带缺陷容器先泄漏而后破裂。 （2）选择合适的相对塑性区尺寸参量c、 d 平面应力状态下塑性区尺寸r0为：,（1）,如果r0=t，则意味着整个壁厚都进入塑性，因而可保证是全塑性的平面应力断裂，因此有： 式中， c、d 分别为静态和动态相对塑性区尺寸参量； Kc、Kd 分别为平面应力的静态和动态断裂韧性。 如果满足（2）式，则为平面应力的延性断裂，而不是脆断，容器将先漏后破，该法称为c的2准则。,（
9、2）,将式（1）代入c式，同时令设计应力 ，则： 令 ，则式（3）可改写为： 根据式（4），就可由材料的KIC、KC求出相对塑性区尺寸参量，再求出满足LBB准则的相对工作应力y1。也可反过来由应力L求c 、IC ，再求KIC、KId 。,（4）,（3）,（1）,（3）选择满足“先漏后破”要求的COD 由Wells公式知： 为无因次COD。根据不同的热处理状态，可将表示为： 经焊后热处理： 焊接状态： 或 当裂纹穿透时： 因此，当 时，就可先泄漏后破环。,（5）,（7）,（6）,（8）,5）按脆性转变温度设计的方法 （1）规定某一定量水平对应的温度为转变温度，并使它与使用温度联系起来的方法。 （
10、2）以无延性转变温度NDT为脆性转变温度的方法。 （3）按50%纤维断口确定断裂转变温度，即形貌转变温度（FATT）法 。 6）小 结 防脆断设计的方法主要基于线弹性断裂力学原理，要求裂纹尖端的塑性区尺寸相对裂纹深度很小，因此应用本章介绍的方法时，应注意其适用范围。,在一般的工程设计中，用近似解就可给出一般合乎要求的结果。如具有贯穿裂纹的无限大板受均匀拉伸作用力，当r/a=0.1时，与精确解的相对误差约为7%。 对平面应变情况： 可求出： 对平面应力情况：,（9）,可求出： 因此工程中，对应力 （平面应变状态）及 （平面应变力状态），可采用线弹性断裂力学方法；超过此范围则需应用弹塑性断裂力学理
11、论。,（10）,第三节 应用举例,1） 已知由某种材料制作的大型厚板结构（属平面应变），承受的工作应力为=560MPa，板中心有一穿透裂纹（ ），裂纹长度为2a=6mm，材料的性能如下表所示：试求： a）该构件在哪个温度点使用时是安全的？b）该构件在0和50时的塑性区大小R。c）用作图法求出该材料的低温脆性转变温度TK。,解：已知=560MPa 裂纹长度为2a=6mm，于是a=0.003m 构件为大型厚板结构， 属平面应变。 a) 在-50下， /s=5601000=0.5630.0 MPa*m1/2 因此在-50下是不安全的. 在-30下， /s =560900=0.620.6，于是有： =
12、56.32 MPa*m1/250 MPa*m1/2 因此在-30下是不安全的.,在0下， /s=5608000.700.6，于是有： 56.88 MPa*m1/20.6，于是有： 57.78 MPa*m1/20.6，于是有： 66.07 MPa*m1/20.6，于是有： 65.6 MPa*m1/269.8 MPa*m1/2 因此选用3号钢材是安全的。 对4号钢材, S1400MPa1120 MPa，而 80014000.5754.3 MPa*m1/2 因此选4号钢材是不安全的。,对5号钢材, S 1500MPa1120 MPa，而 80015000.5346.5 MPa*m1/2 因此选5号钢
13、材是不安全的。 所以设计构件时，可选择2、3号钢材。 b） 因n=1.7，根据材料力学的设计依据，于是对给定的构件工作应力=800MPa，材料的屈服强度应为 1360MPa。 因此,1、2、3号钢材不合适。,对4号钢材, S1400MPa1360 MPa，而 80014000.5754.3 MPa*m1/2 因此选4号钢材是不安全的。 对5号钢材, S1500MPa1360 MPa，而 80015000.5346.5 MPa*m1/2 因此选5号钢材是不安全的。所以设计构件时，给定的五种钢材都不合适。,作 业 有一大型厚板构件制造时，出现了中心穿透裂纹，若2a2mm，在工作应力1000MPa下工作，应该选什么材料的0.2与KIC配合比较合适? 已知构件材料经不同热处理后的0.2与KIC值列于下表：,
