失效基础知识-第2章-删减版

1、第二章 失效分析基础知识一、金属构件中的常见缺陷二、力学计算基本概念及手段三、环境作用机理2022-2-2311.1 1.1 铸态金属组织缺陷铸态金属组织缺陷 铸态金属常见的组织缺陷有铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂缩孔、疏松、偏析、内裂纹、气泡和白点纹、气泡和白点等。等。(1)(1)缩孔与疏松缩孔与疏松2022-2-2321.1 1.1 铸态金属组织缺陷铸态金属组织缺陷2022-2-2331.1 1.1 铸态金属组织缺陷铸态金属组织缺陷(2)(2)偏析偏析 金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀化学成分不均匀现象称

2、为偏析。现象称为偏析。 在实际生产中的一般冷却条件下，扩散过程常落后于凝固和冷却过程。由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。这种偏析往往导致金属中树枝状组织的形成，故亦称枝晶偏析。 基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同。此外，在任何一种金属中，各个树枝状晶体之间最后凝固的部分，通常属于低熔点组成物和不可避免的杂质，它们与晶体本身的成分不同。上述这两种情况都属于晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。2022-2-2341.1 1.1 铸态金属组织缺陷铸态金属组织缺陷硫偏析硫偏析碳偏析碳偏析2022-2-2351.1 1.1 铸

3、态金属组织缺陷铸态金属组织缺陷(3)(3)气泡与白点气泡与白点 金属在熔融状态时的溶解大量的气体，在冷凝过程未能及时逸出，包金属在熔融状态时的溶解大量的气体，在冷凝过程未能及时逸出，包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔。这种气孔称为容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔。这种气孔称为气泡气泡。 如果钢液中氢含量较高，在冷却时氢以原子态析出，聚集在钢中空隙如果钢液中氢含量较高，在冷却时氢以原子态析出，聚集在钢中空隙处，结合成很难在钢中进行扩散的氢分子。在空隙处便形成巨大的局部压处，结合成很难在钢中进行扩散的氢分子。在空隙处便形成巨大的局部压力力( (可达数百个大气压可达数百个大气压)

4、 )，远远超过了钢的强度，因而产生裂缝。当出现这，远远超过了钢的强度，因而产生裂缝。当出现这种缺陷以后，在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状种缺陷以后，在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断口上会发现表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑点，裂缝；而在纵向断口上会发现表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为这种缺陷称为白点白点。白点白点2022-2-236气泡气泡1.2 1.2 金属锻造及轧制缺陷金属锻造及轧制缺陷(1)(1)内部组织缺陷内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织 在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶

5、界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形貌称为魏氏体组织。 魏氏体组织因其组织粗大而使材料脆性增加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体组织存在。2022-2-237b. b. 网络状碳化物及带状组织网络状碳化物及带状组织 对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。如果不是多方向锻造，和小的锻造比，锻件就存在碳化物碎化和分布均匀。如果不是多方向锻造，和小的锻造比，锻件就存在网络网络状或带状分布的碳化物状或带状分布的碳化物 由于网状和带状组织破坏了材料性能的均匀

6、性和连贯性，常成为工、模具由于网状和带状组织破坏了材料性能的均匀性和连贯性，常成为工、模具过早失效的内在因素。过早失效的内在因素。1.2 1.2 金属锻造及轧制缺陷金属锻造及轧制缺陷(1)(1)内部组织缺陷内部组织缺陷2022-2-238 c c. . 钢材表层脱碳钢材表层脱碳 钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现象钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现象称为脱碳，凡降低了碳量的表面层叫做脱碳层。一般的锻造和轧制是在大气中进行称为脱碳，凡降低了碳量的表面层叫做脱碳层。一般的锻造和轧制是在大气中进行的，加热及锻、轧过程中钢件表层会强烈烧损而出

7、现脱碳层。的，加热及锻、轧过程中钢件表层会强烈烧损而出现脱碳层。1.2 1.2 金属锻造及轧制缺陷金属锻造及轧制缺陷(1)(1)内部组织缺陷内部组织缺陷表面脱碳组织形貌2022-2-2391.2 1.2 金属锻造及轧制缺陷金属锻造及轧制缺陷(2)(2)钢材表面缺陷钢材表面缺陷最常见钢材的表面缺陷有折叠、划痕、结疤、分层、表面裂纹等。低碳铬钼钢管内壁的折叠低碳铬钼钢管内壁的折叠和结疤和结疤钢板分层2022-2-23101.3 1.3 金属夹杂物金属夹杂物(1)(1)脆性夹杂物脆性夹杂物 脆性夹杂物一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物(如A12O3、Cr2O3、ZrO2等)、双氧化物(如FeO

8、A12O3、MgA12O3、CaO6 A12O3等)、氮化物如TiN、Ti(CN)、AlN、VN等和不变形的球状(或点状)夹杂物(如球状铝酸钙和含SO2较高的硅酸盐等)。 2022-2-23111.3 1.3 金属夹杂物金属夹杂物(1)(1)脆性夹杂物脆性夹杂物2022-2-2312 塑性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的塑性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物有含流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物有含SOSO2 2量较低的铁锰硅酸盐、硫化量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰锰(MnS)(MnS)、(Fe(Fe，Mn

9、)SMn)S等。等。1.3 1.3 金属夹杂物金属夹杂物(2)(2)塑性夹杂物塑性夹杂物 珠光体带的高倍组织珠光体带的高倍组织 珠光体带内条状的硫化物夹杂珠光体带内条状的硫化物夹杂2022-2-23131.3 1.3 金属夹杂物金属夹杂物(3)(3)半塑性夹杂物半塑性夹杂物 半塑性变形的夹杂物一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物(如铝酸钙、尖晶石型的双氧化物等)不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由

10、延伸。复合夹杂物的变形行为复合夹杂物的变形行为2022-2-23141.3 1.3 金属夹杂物金属夹杂物夹杂物对钢性能的影响 大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。其危害程度又随钢的强度的增高而增加。（1 1）变形性能）变形性能 由于夹杂物与钢基体之间的物理性质和变形性方面存在着由于夹杂物与钢基体之间的物理性质和变形性方面存在着较大的差异，在加工变形过程中，钢基体的均匀连续性受到破坏，引起应力较大的差异，在加工变形过程中，钢基体的均匀连续性受到破坏，引起应力集中。集中。（2

11、 2）应力集中）应力集中 由于夹杂物和金属的弹塑性性质不同，非金属夹杂物可使由于夹杂物和金属的弹塑性性质不同，非金属夹杂物可使金属中发生应力再分配，引起应力集中，成为材料中的薄弱环节。金属中发生应力再分配，引起应力集中，成为材料中的薄弱环节。（3 3）裂纹诱因）裂纹诱因 夹杂物本身产生断裂或夹杂物与基体交界面产生断裂而成夹杂物本身产生断裂或夹杂物与基体交界面产生断裂而成为裂源。为裂源。2022-2-23151.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷（1 1）焊接区无论是结构应力，还是热应力都是很复杂；）焊接区无论是结构应力，还是热应力都是很复杂；（2 2）组织转变的不均匀性以及不平衡的结

12、晶凝固引起的物理的与化学的不均）组织转变的不均匀性以及不平衡的结晶凝固引起的物理的与化学的不均匀性匀性（3 3）容易产生工艺缺陷）容易产生工艺缺陷金属焊接的特点 金属的焊接是在不平衡的热力学条件下进行的，加热与冷却速度大。在大的结构件上，焊接接头金属只是一个微小部分，它的加热与冷却又是在相当大的刚性拘束下进行的，因此焊接接头具有如下特点：2022-2-23161.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷(1)焊接接头的形成与区域特征焊接接头的宏观区域结构焊接接头的宏观区域结构2022-2-23171.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷(2)焊接裂纹a热裂纹 在高温下产生，而且都是

13、沿奥氏体晶界开裂。根据产生热裂纹的形态、机理和温度区间等因素不同，热裂纹又分为结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹三类结晶裂纹结晶裂纹 焊缝在结晶过程中，固相线附近由于凝固金属收缩时，残余液相不足，致使沿晶界开裂，故称结晶裂纹。 这种裂纹在显微镜下观察时，可以发现具有晶间破坏的特征，多数情况下在焊缝的断面上发现有氧化的色彩，说明这种裂纹是在高温下产生的。焊缝中的结晶裂纹焊缝中的结晶裂纹1(母材母材20号钢；焊丝号钢；焊丝H08A)2022-2-23181.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷(2)焊接裂纹高温液化裂纹高温液化裂纹 在焊接热循环峰值温度作用下，母材近缝区和多层焊缝的层间金属

14、中，由于含有低熔共晶组成物(如硫、磷、硅、镍等)而被重新熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。 焊缝中的高温液化裂纹焊缝中的高温液化裂纹 焊缝中的多边化裂纹焊缝中的多边化裂纹多边化裂纹多边化裂纹 焊接时焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界，即“多边化边界”，组织疏松，高温时的强度和塑性都很低，易沿着多边化的边界开裂，产生多边化裂纹，又称高温塑性裂纹。2022-2-23191.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷(2)焊接裂纹b再热裂纹 厚板结构焊后再进行消除应力热处理，其目的是消除焊后的残余应力，改善焊接接头的金相组织和力学性能。但对于

15、某些钢种(含有沉淀强化元素的)在进行消除应力热处理的过程中，在焊接热影响区的粗晶部位产生裂纹。这种裂纹是在重新加热(热处理)过程中产生的，故称“再热裂纹”，又称“消除应力处理裂纹”，国外简称“SR裂纹”(Stress Relief Cracking)。 再热裂纹与热裂纹虽然都是沿晶界开裂，但是再热裂纹产生的本质与热裂纹根本不同，再热裂纹只在一定的温度区间(约550650)敏感，而热裂纹是发生在固相线附近。焊缝中的再热裂纹焊缝中的再热裂纹82022-2-23201.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷(2)焊接裂纹c冷裂纹 在相当低的温度，大约在钢的马氏体转变温度(即Ms点)附近，由于拘

16、束应力、淬硬组织和氢的作用下，在焊接接头产生的裂纹属冷裂纹。冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的热影响区，个别情况下，如焊接超高强钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝上。主要分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。焊缝中的延迟裂纹焊缝中的延迟裂纹5淬硬脆化裂纹形貌淬硬脆化裂纹形貌2022-2-23211.4 1.4 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷(2)焊接裂纹d层状撕裂 焊接结构的层状撕裂是属低温开裂，常用的低合金高强钢，撕裂温度不超过400。层状撕裂与一般的冷裂纹不同，它主要是由于轧制钢材的内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物)和在焊接时产生的垂直轧制方向的应力，致使焊接

17、热影响区附近或稍远的地方产生呈“台阶”状的层状开裂，并具有穿晶发展。层状撕裂常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难以修复的结构破坏，甚至造成灾难性事故。 。2022-2-23221.5 1.5 热处理产生的组织缺陷热处理产生的组织缺陷 钢铁零件在热处理时出现废品是平常事，其原因是零件在加热和冷却过程中不可避免产生内应力。内应力来源有两个方面。一方面由于冷却过程中零件表面与中心冷却速度不同，其体积收缩在表面与中心也就不一样。这种由于温度差而产生体积收缩量不同所引起的内应力称做“热应力”。另一方面，钢件在组织转变时比体积发生变化，比如奥氏体转变为马氏体时比体积增大。由于零件断面上各处转变的先后不

18、同，其体积变化各处不同，由此引起的内应力称做“组织应力”。 热处理时出现的缺陷，主要是淬裂现象。2022-2-23232.1 2.1 传统强度理论及适用范围传统强度理论及适用范围破坏形式分类破坏形式分类 脆性断裂脆性断裂塑性屈服塑性屈服a最大拉应力理论(第一强度理论) 破坏原因：破坏原因：1 （最大拉应力）（最大拉应力） 破坏条件：破坏条件： 1 = = o o （ b b） 强度条件：强度条件： 适用范围适用范围: : 脆性材料拉、扭；一般材料三向拉；脆性材料拉、扭；一般材料三向拉； b1n2022-2-2324b最大拉应变理论(第二强度理论) 破坏原因：破坏原因：1 （最大拉应变）（最大拉

19、应变） 破坏条件：破坏条件： 1 = = o o （ b b） 强度条件：强度条件： 适用范围适用范围: :石、混凝土压。石、混凝土压。 123 2.1 2.1 传统强度理论及适用范围传统强度理论及适用范围2022-2-2325c最大切应力理论(第三强度理论) 2.1 2.1 传统强度理论及适用范围传统强度理论及适用范围 破坏原因：破坏原因：1 （最大切应力）（最大切应力） 破坏条件：破坏条件： 1 = = o o （ s/2 ） 强度条件：强度条件： 适用范围适用范围: :塑性材料屈服破坏；一般材料三向压。塑性材料屈服破坏；一般材料三向压。 132022-2-2326d形状改变比能理论(第四

20、强度理论) 2.1 2.1 传统强度理论及适用范围传统强度理论及适用范围 破坏原因：破坏原因： uf （形状改变必能）（形状改变必能） 破坏条件：破坏条件： 强度条件：强度条件： 适用范围适用范围: : 塑性材料屈服；一般材料三向压。塑性材料屈服；一般材料三向压。22212233112s 222122331122022-2-2327强度理论的名称及分类强度理论的名称及分类相应应力表达式相应应力表达式第一类强第一类强度理论度理论（断裂失（断裂失效的理论）效的理论）第一强度理论第一强度理论最大拉应力最大拉应力理论理论第二强度理论第二强度理论最大拉应变最大拉应变理论理论第二类强第二类强度理论度理论（

21、屈服失（屈服失效的理论）效的理论）第一强度理论第一强度理论最大切应力最大切应力理论理论第一强度理论第一强度理论形状改变比形状改变比能理论能理论 1 123 13 22212233112四个强度理论的相当应力表达式2.1 2.1 传统强度理论及适用范围传统强度理论及适用范围2022-2-23282.1 2.1 传统强度理论及适用范围传统强度理论及适用范围（1）在材料力学传统的强度理论的基础上建立的一整套有关结构强度设计的计算方法，被称为传统的强度计算方法。到目前为止，传统的强度计算方法仍对工程实践起着很大的指导作用。（GB150和ASME code）（2）传统的强度计算方法简单易行，但不够准确，

22、因为假设材料为均匀连续、无损伤的前提，与材料的实际情况是有区别的。任何原材料都存在微裂纹、微孔洞、剪切带以及各种损伤基元的组合。为了保证构件的安全，传统强度计算方法采用了较高的安全系数。安全系数既包容了材料的实际情况与均匀连续无损伤假设的差异，也包容了真实变形体与受力假设模型的差异，甚至包容了制造、使用等过程产生的变化与理论假设的差异在内，是一个无知程度系数。（3）船舶折断、桥梁倒塌、车轴断裂、飞机坠毁多是构件材料裂纹扩展引起的。人们对裂纹萌生、长大及失稳过程的规律及对构件承载能力削弱的程度研究，促进了断裂力学的蓬勃发展。对传统强度理论的评论The comments on traditiona

23、l strength theories 2022-2-23292.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念 断裂力学研究带有宏观裂纹断裂力学研究带有宏观裂纹( (大于等于大于等于0.1mm) )的均匀连续基体的力学行为，的均匀连续基体的力学行为，认为引起构件断裂失效的主要原因是构件材料存在宏观裂纹的成长及其失稳扩展。认为引起构件断裂失效的主要原因是构件材料存在宏观裂纹的成长及其失稳扩展。主要研究两个问题：主要研究两个问题：（1 1）裂纹体在裂端区应力强度的表征及变化规律）裂纹体在裂端区应力强度的表征及变化规律外力作用下裂纹失稳扩展外力作用下裂纹失稳扩展的能力；的能力；（2 2）是裂纹体

24、发生失稳扩展的临界值）是裂纹体发生失稳扩展的临界值材料抵抗裂纹扩展的能力。材料抵抗裂纹扩展的能力。图2-27裂纹开口的三种基本类型2022-2-23302.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念2022-2-23311. 1. 应力场表达式应力场表达式IK a定义应力强度因子K线弹性断裂力学的应力强度因子理论线弹性断裂力学的应力强度因子理论3cos1 sinsin2223cos1 sinsin22223cossinsin222xyxyar 2022-2-23322.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念线弹性断裂力学的应力强度因子理论线弹性断裂力学的应力强度因子理论2. 2

25、. 应力强度因子应力强度因子 裂纹端部应力和裂纹端部应力和K K有关，有关，对于裂纹端部任意一点对于裂纹端部任意一点A( A( r r， ) )，该点的应，该点的应力分量完全由力分量完全由K K决定，决定，控制了应力的大小，故称为应力场强度因子，下标控制了应力的大小，故称为应力场强度因子，下标表表示示型裂纹型裂纹( (张开型裂纹张开型裂纹) )。针对无限大板中心贯穿裂纹推导出来的。对于其他。针对无限大板中心贯穿裂纹推导出来的。对于其他裂纹状态的张开型裂纹，裂纹状态的张开型裂纹，K K的表达式为的表达式为IKY a其中，其中，Y Y是一个和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式以及试样几何形状有关是一

26、个和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式以及试样几何形状有关的量，称为几何因子或形状因子。裂纹尖端应力场具有奇异性，应力场强度因的量，称为几何因子或形状因子。裂纹尖端应力场具有奇异性，应力场强度因子就是用来描述这种奇异性的力学参量。子就是用来描述这种奇异性的力学参量。 2022-2-23332.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念线弹性断裂力学的应力强度因子理论线弹性断裂力学的应力强度因子理论2. 2. 临界应力强度因子临界应力强度因子 由KI的表达式可见，随着应力的增大，KI值也随之增加。因此可以推断，当应力增大到某一临界值时，构件发生破坏即裂纹发生扩展。此时，裂纹应力强度因子KI达

27、到一个临界值KIC，称之为临界应力强度因子。是材料断裂韧度之一，表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的物理参量，由试验测定。 对于带裂纹的构件来说，因裂纹扩展引起构件破坏的判据（简称断裂判据）应该是：3. 3. K K- -判据判据KIKIC K KI I 是裂纹扩展的推动力是裂纹扩展的推动力 ，它取决于裂纹尺寸和所受载荷（应力）而与材，它取决于裂纹尺寸和所受载荷（应力）而与材料性能无关，只要材料性能符合线弹性的胡克定律。料性能无关，只要材料性能符合线弹性的胡克定律。 K KICIC 是材料的断裂韧性度，可根据标准测试出来，属于材料的力学性能是材料的断裂韧性度，可根据标准测试出来，属于材料的力学性能之

28、一，表征材料的韧性优劣。之一，表征材料的韧性优劣。线弹性断裂力学的历史功绩：线弹性断裂力学的历史功绩： 第一次建立了缺陷尺寸第一次建立了缺陷尺寸应力应力材料韧度三者之间的关系，从而材料韧度三者之间的关系，从而构建了构建了“结构完整性结构完整性”理论、理论、“合乎使用合乎使用”准则。准则。线弹性断裂力学的不足之处：线弹性断裂力学的不足之处： “线弹性线弹性”假设未能充分考虑裂尖的塑性变形的影响，不能适用假设未能充分考虑裂尖的塑性变形的影响，不能适用于裂尖大范围屈服甚至结构的局部区域（如应力集中区）全面屈服状于裂尖大范围屈服甚至结构的局部区域（如应力集中区）全面屈服状况下裂纹的断裂问题。况下裂纹的

29、断裂问题。 于是出现了弹塑性甚至全塑性条件下的断裂力学：于是出现了弹塑性甚至全塑性条件下的断裂力学： COD理论理论裂纹尖端张开位移理论裂纹尖端张开位移理论 J积分理论积分理论2022-2-23342.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念线弹性断裂力学的应力强度因子理论线弹性断裂力学的应力强度因子理论2022-2-2335（即COD）2.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念裂纹尖端张开位移（裂纹尖端张开位移（COD）理论）理论eLeL2secln8REaR对于无限板中心穿透裂纹，利用弹塑性力学对于无限板中心穿透裂纹，利用弹塑性力学可以导出裂尖的张开位移（可以导出裂尖的张

30、开位移（D-MD-M模型）：模型）： ReL 材料的屈服强度2 1EEE（平面应力） （平面应变）2022-2-23362.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念裂纹尖端张开位移（裂纹尖端张开位移（COD）理论）理论 COD判据如下：当裂纹尖端张开位移判据如下：当裂纹尖端张开位移达到临界值达到临界值C时，裂纹将要时，裂纹将要开裂，即开裂，即 =C 是裂纹的临界状态；当是裂纹的临界状态；当稍大于稍大于C时，裂纹开裂；当时，裂纹开裂；当小于小于C时，裂纹不时，裂纹不开裂。开裂。（1）裂纹尖端张开位移，可用直接观察法与蚀刻条纹法等实验方法测定，也可用有限元法与公式计算求出。（2）C是材料弹

31、塑性断裂韧度的指标，是材料常数，由实验测得。2022-2-23372.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念裂纹尖端张开位移（裂纹尖端张开位移（COD）理论）理论优点优点 断裂判据应用到焊接结构和压力容器的断裂安全分析非常有效，而断裂判据应用到焊接结构和压力容器的断裂安全分析非常有效，而且简单可行，加上且简单可行，加上C的测量方法也比较简单，因此，在的测量方法也比较简单，因此，在20世纪中后期，世纪中后期，断裂判据在工程上应用比较普遍。断裂判据在工程上应用比较普遍。缺点缺点（1）断裂判据的理论基础薄弱，断裂判据的理论基础薄弱，公式是根据公式是根据M-D模型推出的，将裂纹尖端塑模型推出

32、的，将裂纹尖端塑性区简化为窄条形，与真实情况（鱼尾形状）不符合。性区简化为窄条形，与真实情况（鱼尾形状）不符合。（2）裂纹尖端张开位移临界值）裂纹尖端张开位移临界值C的规定有困难。如果以开裂点的规定有困难。如果以开裂点i的值规定的值规定C，尺寸影响较小，比较稳定，适合作为材料常数，但是用于设计，则偏于保守；如尺寸影响较小，比较稳定，适合作为材料常数，但是用于设计，则偏于保守；如果以失稳点果以失稳点max的值规定的值规定C，尺寸影响较大，数值不稳定，不适合作为材料常数，尺寸影响较大，数值不稳定，不适合作为材料常数，但是与断裂的实际情况较符合。但是与断裂的实际情况较符合。（3）M-D模型仅适用穿透

33、裂纹，而工程中遇到的多数是表面裂纹。对于表面裂模型仅适用穿透裂纹，而工程中遇到的多数是表面裂纹。对于表面裂纹还没有相应的模型，只能工程方法近似确定。纹还没有相应的模型，只能工程方法近似确定。Rice导出围绕裂纹的一种线积分是一个与所取导出围绕裂纹的一种线积分是一个与所取积分回路的路线无关的常量：积分回路的路线无关的常量：w 裂纹体各处的应变能密度裂纹体各处的应变能密度J积分的物理意义是表征裂纹体在载荷积分的物理意义是表征裂纹体在载荷作用下由应力应变构成的一种形变能作用下由应力应变构成的一种形变能量量当当J积分值达到临界值积分值达到临界值JIC时，裂纹发时，裂纹发生开裂生开裂dsxuTwdJy2022-2-23382.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念J-积分理论积分理论2022-2-23392.2 2.2 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念J-积分理论积分理论J-积分断裂判据与裂纹尖端张开位移积分断裂判据与裂纹尖端张开位移断裂判据等比较，其优点是：断裂判据等比较，其优点是：理论根据严谨，定义明确；用有限元法能够计算不同受力情况与各理论根据严谨，定义明确；用有限元法能够计算不同受力情况与各种