在焊接过程中，材料经受应力和应变循环，同时 也受到焊接热循环的热作用而发生的应变时效
加热和塑变同时→ 脆化
图a 预弯曲量越大，转变温度越高 图b 不同温度下预弯曲的试件，其转变温度不同 焊后热处理消除时效影响
缺口弯曲试件预应变对脆断的影响 a) 预应变量的影响 b) 预应变温度的影响
六、角变形和错边的影响 角变形和错边降低结构的抗脆断能力 角变形和错边比较大的接头 → 承受拉应力，力线
> 转变温度 无不利影响， c ≥ s = 转变温度 c 急剧下降 < 转变温度 c很小， c < s
拉伸残余应力只限于焊缝附近部位，离开焊缝区 迅速减小，峰值残余应力有助于断裂的产生
平行焊接接头试样开裂路径和试件中纵向残余应力
三、焊接缺陷的影响
焊接缺陷对脆断的影响与缺陷产生的应力集中程 度和缺陷附近材料的性能有关
4.2.2 线弹性断裂力学 一、裂纹类型 根据裂纹体的受载和变形情况分为三种类型：
（1）张开型（或称拉伸型）裂纹（Ⅰ型裂纹）
外加正压力垂直于裂纹面，在应力作用下裂 纹尖端张开，扩展方向和正压力方向垂直
（2）滑开型（或称剪切型）裂纹（Ⅱ型裂纹）
剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展
（3）撕开型裂纹（Ⅲ型裂纹）
在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面 上滑动脱开。裂纹前缘平行于滑动方向 大多数裂纹形式属于Ⅰ型裂纹，最危险
二、裂纹尖端的应力场
设一无限大平板中心含有一长度为2a 的穿透裂纹 Irwin 离裂纹尖端（r，θ）的点
x y xy
KI
2
r
cos
2
1
sin
2
cos
3
2
KI
2
r
cos
4.1.1 脆性断裂
放射状条纹
人字形花样
脆性断裂的主要特征： （1）低应力脆性断裂
工作应力 < 屈服极限或许用应力 （2）低温脆性断裂 （3）裂纹超过某个临界尺寸，将迅速扩展， 直至断裂，具有突然性。 （4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金 属中出现
脆性断裂机制：解理断裂和晶间断裂
4.1.2 延性断裂（韧性断裂） 塑性材料的晶体→载荷作用下，弹性变形 →载荷继续增加，发生屈服，产生塑性变形 →继续变形，作用力增加（加工硬化） →加大载荷，产生微裂口或微空隙 →微空隙扩展汇合成宏观裂纹 →宏观裂纹发展到一定尺寸 →最终快速失稳断裂
2
1
sin
2
cos
3
2
KI sin cos cos 3 2 r 2 2 2
薄板平面应力状态
u 2 KI E
v 2 KI E
r
2
cos
2
1
sin
2
2
cos2
2
r
2
sin
2
1
sin
2
2Hale Waihona Puke cos22 厚板平面应变状态
u 21 KI
E
r
2
cos
2
2
2
cos2
2
v 2 KI E
COD常用的定义方法 图a 有明显的物理意义，但试验中不容易测得 图b 便于测定，在大多数情况下有满意的精度 图c 直观易懂，应用较广 图d 应用于中心穿透裂纹，便于有限元分析
COD是裂尖变形的直接量度，在材料发生整体屈 服前均适用
小范围屈服时无限大平板中心裂纹受到单向拉伸
4 KI （平面应力） E s
KIC是材料常数
KIC通过有关 标准试验来获得
K IC的选取应保证平面应力的延性断裂
4.2.3 弹塑性断裂力学
一、 裂纹张开位移（COD） 1961年 Wells COD理论 COD表征裂纹尖端附近的塑性变形程度 COD判据：裂纹体承受载荷时，裂纹尖端张开位
移δ达到极限值δC（mm）时，裂纹会起裂扩展， 断裂准则为 C δC为材料的裂纹扩展阻力，可通过标准试验方法 测定。COD判据是一个起裂判据
ag
1
s n
W
2
4.2.5动态裂纹扩展与止裂
动态裂纹扩展通常有两种情况：
1）含静止裂纹的结构承受迅速变化的动载荷作用引
起的裂纹扩展；
2）净载荷或缓慢变化的载荷作用下的裂纹快速扩展
在线弹性材料特性范围内，第一类问题的裂纹起
裂准则为
KI KId
式中， KI是动载荷下的应力强度因子 KId是动态应力强度因子
E
金属材料 P 塑性变形是阻止裂纹扩展的主要 因素
薄板（平面应力）
c
2EP
a
ac
2EP
2
五、断裂韧度和断裂判据
无限大平板长为2a的穿透裂纹应力强度因子KI与
应变能释放率G
G
K
2 I
（平面应力）
E
G
1
K
2 I
（平面应变）
E
断裂韧度 GC与K IC，断裂准则
KI KIC 或
GI GIC
4.2 断裂力学基础 4.2.1 含裂纹件的断裂行为
剩余强度：将含裂纹结构在连续使用中任一时 刻所具有的承载能力
含裂纹结构的断裂力学分析应解决的主要问题： （1）结构的剩余强度与裂纹尺寸之间的函数关系； （2）在工作载荷作用下，结构中容许的裂纹尺寸， 即临界裂纹尺寸或裂纹容限； （3）结构中一定尺寸的初始裂纹扩展到临界裂纹尺 寸需要的时间； （4）结构在制造过程中容许的缺陷类型和尺寸； （5）结构在维修周期内，裂纹检查的时间间隔。
E
（平面应力）
J GI
12
E
K
2 I
（平面应变）
断裂准则为 J JIC JIC —弹塑性断裂韧度
4.2.4 剩余强度
以宽为W的中心裂纹板为例
当 KI a KIC 时，结构发生断裂，剩余强度为
C
K IC
a
W 2an s W
W
an
1
s
2
W 2ag n W s
4.3 焊接接头的断裂力学分析
4.3.1 含裂纹焊接接头的断裂模式
影响因素：接头强度失配比、裂纹尺寸、应变硬化
性能等相互影响
低匹配
高匹配
临界裂纹尺寸
焊接接头发生全面屈服的最大裂纹尺寸ag
W 2ag
W n
W
B s
ag
1
B s
W n
W
2
1
1 M
W s
W n
W
2
焊接接头母材发生屈服并断裂的最大裂纹尺寸abg
势能释放率 G U a
表面能/单位扩展 4 W a
a*
裂纹长度 a
a 2 2
E
a 2 2
E
裂纹自动扩展 裂纹不能自动扩展
若给定裂纹半长a，则裂纹扩 +
展的临界应力为
c
2E a
能量
若给定应力σ，则裂纹扩展的 －
a)
临界长度为
2E
ac 2
释放率 G
玻璃、陶瓷等脆性材料
b)
表面能 W 4a
一、动态裂纹扩展
（G - R）的大小决定了裂纹扩展速度的大小
若裂纹扩展在恒应力下进行，G与裂纹扩展速度
无关，且材料的裂纹扩展阻力R为常值，裂纹扩展
速度为
V
0.38C0 (1
ac a
)
当裂纹快速扩展时，
K V k V K 0
K(V)为动态应力强度因子，K(0)是同一载荷及当前裂纹 长度下的静态应力强度因子，k(V)是裂纹扩展速度的函数
W 2abg
W s
W
B n
abg
1
B n
W s
W
2
1
1 M
B n
B s
W
2
在高匹配条件下，焊缝发生小范围屈服而母材发
生屈服断裂的最大裂纹尺寸an
aW
1
KCW
B n
σnB —母材的极限强度 KCW —焊缝的断裂韧度
4.3.2 失配性对焊缝裂纹驱动力的影响
高匹配焊缝中心裂纹宽板（CCT试件）横向拉伸 2H/B和W一定，当a ≤ ac1（临界裂纹尺寸）时，
“冻结”现象
匹配因子M的 增大，COD―ε曲线 将会降低
裂纹驱动力：低匹配 低估 高匹配 高估
充分考虑非匹配因素的影响
4.4 焊接结构的断裂控制 4.4.1影响焊接结构脆断的主要因素
一、焊接结构特点的影响 焊接结构刚性大、整体性强、对应力集中敏感
“自由”轮甲板舱口设计对比 a) 原始设计 b) 改进后设计
（1）平面缺陷－如裂纹、分层和未焊透等，其影响 取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐 程度
（2）非平面缺陷－如气孔、夹渣等，其影响程度一 般低于平面缺陷
40%的脆断事故是从焊接缺陷处开始的，各种缺 陷中以裂纹对脆断的影响最大
四、金相组织改变对脆性的影响 热影响区是焊接接头的薄弱环节之一 热影响区的金相组织主要取决于钢材的原始组织、
化学成分、焊接方法和焊接线能量
焊接接头不同部位的韧性
五、应变时效对脆断的影响
两种应变时效： （1）应变时效 钢材被剪切、冷作和弯曲成形之 后，若在150～450℃范围内加热，材料的性能就会 发生脆化现象
塑性变形（剪切、冷作矫形）→ 加热（150~400℃） → 脆化 （2）动应变时效（热应变时效）
瞬时能量释放率与应力强度因子的关系
G AV K 2
E
A(V)是裂纹扩展速度的函数
动态裂纹能量释放率与静态裂纹能量释放率之间
的关系
G V g V G 0
G(V)为动态应力强度因子，g(V)是裂纹扩展速度的函数， G(0)是静态应力强度因子
二、 裂纹止裂的基本原理 利用能量平衡原理进行研究 如果G稍微降到R以下，裂纹止裂