失效评定图

做 BS 7910 断裂评定，多数人把注意力放在裂纹尺寸、应力和断裂韧性上，却容易忽略一个藏在材料里的开关：这块钢屈服的时候，是「顺滑地」过渡，还是「先卡一下、再一泻千里」？这个看似材料学的小细节，会让失效评定曲线在 $L_r=1$ 附近长出一道断崖——用错了，安全裕度就会被严重高估。本文讲清什么是屈服、连续与不连续屈服的区别，以及 Option 1 与 Option 2 各自如何处理它们。 如果你还不熟悉失效评定图（FAD）的横轴 $L_r$、纵轴 $K_r$ 和那条分界的失效评定曲线，建议先读《BS 7910 断裂评定简明教程》 ；想纵览三档评定选项怎么选，见《Clause 7 三档评定选项：Option 1 / 2 / 3 怎么选、差在哪》 。本文只聚焦一件事：材料的屈服行为，如何改变那条 FAL 曲线的画法。 一、先说屈服：材料从「弹」到「塑」的那道坎 拉一根金属棒，一开始它像弹簧——拉力撤掉就弹回原状，这是弹性变形。但拉力越过某个门槛后，棒子会留下永久伸长、卸载也回不去了，这就叫屈服（yielding）：材料从可恢复的弹性，跨进了不可恢复的塑性变形。那个门槛应力，就是屈服强度 $\sigma_Y$。 屈服强度具体怎么取，要看材料「屈服得干不干脆」： 有些材料屈服时有明显的上屈服点 $R_{eH}$（挣脱束缚前的最高应力）和下屈服强度 $R_{eL}$（随后应力回落并稳定下来的值）。这类材料工程上取下屈服强度 $R_{eL}$ 作屈服强度——它数值更稳定、偏于安全。 有些材料屈服是「渐进」的，压根没有清晰的屈服点。这类材料就人为规定：产生 $0.2\%$ 残余塑性应变时的应力，记作 $0.2\%$ 规定非比例延伸强度 $R_{p0.2}$，拿它当名义屈服强度（BS 7910:2019, §7.1.3）。 这两种「屈服得干不干脆」，正是本文的主角——连续屈服与不连续屈服。 二、两种屈服行为：连续 vs 不连续 把两类材料的应力-应变曲线画在一起，区别一目了然： 图1：两种屈服行为的应力-应变曲线对比（弹性段为示意、未按真实模量比例，以便看清屈服细节）。左：连续屈服——过了屈服区是一条光滑上升的曲线，没有平台，屈服强度以 0.2% 规定非比例延伸强度 R_p0.2 标定。右：不连续屈服——应力先冲到上屈服点 R_eH，随即回落到下屈服强度 R_eL，然后进入一段「应力几乎不增、应变却大幅增长」的吕德斯平台（长度 Δε），平台走完才开始应变硬化。 连续屈服（continuous yielding）：应力-应变曲线光滑过渡，屈服后应力随应变持续上升（应变硬化），中间没有停顿。 不连续屈服（discontinuous yielding）：应力冲到上屈服点后回落到下屈服强度，接着出现一段近乎水平的平台——应力几乎不涨，应变却哗啦啦地增长。这段平台叫屈服平台或吕德斯平台（Lüders plateau），平台上产生的那一大段应变叫吕德斯应变 $\Delta\varepsilon$；材料表面还会浮现出肉眼可见的斜向滑移带，即吕德斯带（Lüders band）。 为什么会有平台？ 用微观的话讲：低碳钢里的碳、氮原子喜欢挤在位错周围，像一把把小锁把位错「焊」住（这团原子叫柯氏气团 / Cottrell 气团）。刚开始要变形，得使很大劲把位错从锁里硬拽出来——对应那个偏高的上屈服点；可位错一旦挣脱，在晶格里滑动反而更省力，于是它们成群结队地滑，宏观上就是「力不用再加、棒子却一个劲变长」的屈服平台。等这批位错跑得差不多了，材料才重新进入需要加力的应变硬化阶段。 ...

在 BS 7910 断裂评定里，横轴 $L_r$、纵轴 $K_r$、还有那条把「安全 / 不安全」分开的失效评定曲线（FAL）——评定点怎么算、判据怎么读，《BS 7910 断裂评定简明教程》 已经讲透。本文只聚焦一件事：那条 FAL 曲线，Clause 7 给了三种画法（Option 1 / 2 / 3）。它们所需的材料数据、计算精度与保守裕度层层递进，理解它们的差别，是把断裂评定「做对、做省」的关键一步。 一、同一张 FAD，三条画法 先厘清一个最容易被忽略的事实：三个 Option 改变的只是失效评定曲线 $f(L_r)$ 的画法，而评定点 $(L_r,\,K_r)$ 的算法三档完全一致。 也就是说，无论你选哪一档： 横坐标载荷比 $L_r = \dfrac{P}{P_L(a,\sigma_Y)} = \dfrac{\sigma_{ref}}{\sigma_Y}$ 照样只由一次载荷算出（BS 7910:2019, §7.3.7, 式(7.40)）； 纵坐标断裂比 $K_r$ 照样按下式装配一次应力 $K_I^{\,p}$、二次应力 $K_I^{\,s}$ 与塑性交互修正（BS 7910:2019, §7.3.6, 式(7.39)）： $$K_r = \frac{K_I^{\,p} + K_I^{\,s}}{K_{mat}} + \rho$$三档之间唯一的区别，是那条 FAL 曲线 $f(L_r)$ 长什么样。 换句话说，选 Option 就是选「用多少材料数据去描摹这条边界」——数据越多，边界越贴合材料的真实行为。 在动手比较之前，还有一条三档共用的硬边界要先立起来。 塑性截断 $L_{r,\max}$：三条曲线共同的右墙 无论哪个 Option，横轴都有一条上限 $L_{r,\max}$。一旦 $L_r$ 达到它，即便断裂韧性再高，结构也会因含缺陷截面整体塑性流动而失效，此时 $f(L_r)$ 直接取零（BS 7910:2019, §7.3.2, 式(7.25)）： ...

这是 [[FITNET|FITNET]] FAD 算例全集里的第二个算例（§13.2.6，SSTP10）。它和[[bs7910-a533b-residual-stress-fad|第一个 A533B 算例]]的看点不同：这次是一块含穿透裂纹的不锈钢焊接大板，做延性撕裂（裂纹随载荷稳定扩展）的 FAD 评定。本文照[[bs7910-a533b-residual-kis-annexm|老规矩]]——在 mechCalc 的 BS 7910 Clause 7 断裂评定计算器里实算、读图，再与 FITNET 文献逐点对照。 算例出处：[[FITNET|FITNET]] FFS Procedure MK7 (2006), Vol. II §13.2.6（SSTP10 stainless-steel wide plate, through-thickness crack, ductile tearing）。试验为焊缝含穿透裂纹的大板单调拉伸，记录起裂（4 MN）到失稳（10.83 MN）的延性撕裂全程。 🧮 在线计算器：《BS 7910 Clause 7 断裂评定计算器》 — 本文实算所用引擎：编排 Annex M（K_I）+ Annex P（σ_ref）+ Option 1 FAD，可在线复跑。 1. 这道题在评什么 一块 820 mm 宽、61.2 mm 厚的不锈钢大板，焊缝中心有一条贯穿板厚的穿透裂纹（疲劳预制后总长 273 mm）。单调拉伸下，裂纹不是一下子脆断，而是延性撕裂：载荷升高、裂纹稳定地长一点（Δa），直到失稳。FITNET 记录了三个关键点——起裂（4 MN）、撕裂中（10.35 MN）、失稳（10.83 MN）。 被评定对象是含这条穿透裂纹的大板能否继续承载。FAD 评定把每个载荷点画成一个坐标 $(L_r,\ K_r)$，看它落在失效评定曲线（FAL）的里侧还是外侧。 图1：SSTP10 不锈钢宽板的几何与载荷示意。820 mm 宽、61.2 mm 厚的大板，焊缝中心一条横向穿透裂纹（全长 2a=273 mm，红色）；上下端施加单调拉伸，膜应力 σ_m=P/(W·B)。右侧侧视图表明裂纹贯穿整个板厚（穿透）——故无最深点，只在单一前缘评定。 ...

这是 A533B-1 焊接平板四道题的压轴。它是第三题 [[bs7910-a533b-hlaw-fad-walkthrough|HLAW]] 的对照件，把整组试验里 PWHT 的威力推到最显眼的地方。 四道题的共同背景与方法见总览文 [[bs7910-a533b-residual-stress-fad|《残余应力会把评定点推到哪里去？》]]。 这道题问什么 HLHT = High-$L_r$ + Heat-Treated：做了 PWHT、评定温度 −30 ℃、高载荷比。它与 HLAW 同温同区，区别还是那一件事——焊后热处理。但在 −30 ℃ 这个温度上，PWHT 带来的是双重收益： 松残余：残余 $K_I^S$ 从焊态的 46 掉到 5 MPa·m$^{0.5}$； 恢复韧性：−30 ℃ 已接近韧脆转变区，PWHT 让焊缝韧性脱离下平台、数量级回升——$K_{mat}$ 从 HLAW 的 62 跳到 321 MPa·m$^{0.5}$。 两条路径叠加，纵坐标 $K_r$ 会被大幅拉低。但结论会因此翻盘吗？这正是压轴题的看点。 原理：纵坐标暴跌，但横坐标仍可能越界 评定仍是 BS 7910:2019 §7.3.3 Option 1。$K_r$ 的两项分子都变小了（残余更小、$K_{mat}$ 更大），纵坐标必然大幅下降。但要记住 FAD 是二维判据：除了纵轴 $K_r$ 要在失效评定曲线之下，横轴还必须满足 $L_r < L_{r,max}$（塑性截断，§7.3.2）： $$ L_{r,max} = \frac{\sigma_Y + \sigma_U}{2\sigma_Y} \approx 1.15 \quad (\sigma_Y=520,\ \sigma_U=677) $$韧性再高，也救不了一个已经净截面屈服（$L_r \ge L_{r,max}$）的截面。 ...

这是 A533B-1 焊接平板四道题的第三题。前两题都在低载荷比的脆断区里比残余应力；这道题换一个战场——高载荷比、大塑性区。 四道题的共同背景与方法见总览文 [[bs7910-a533b-residual-stress-fad|《残余应力会把评定点推到哪里去？》]]。 这道题问什么 HLAW = High-$L_r$ + as-Welded：焊态、评定温度升到 −30 ℃、加大载荷进入高载荷比区。升温让断裂韧性从下平台爬起来一些（$K_{mat}=62\ \mathrm{MPa\cdot m^{0.5}}$），载荷则加大到失效载荷 5.10 MN。残余应力仍是焊态的那一套（$K_I^S=46$）。 问题变成：到了塑性大量发展的高 $L_r$ 区，那条在低温区呼风唤雨的残余应力，还说了算吗？ 原理：$L_r$ 越过截断值，评定改由塑性失稳主导 评定仍是 BS 7910:2019 §7.3.3 Option 1，但这道题会触发 FAD 的塑性截断机制。BS 7910:2019 §7.3.2 定义了一个截断值，防止净截面在断裂之前先塑性失稳： $$ L_{r,max} = \frac{\sigma_Y + \sigma_U}{2\sigma_Y} $$当评定点的横坐标 $L_r \ge L_{r,max}$ 时，失效评定曲线取 $f(L_r)=0$（§7.3.3 Eq. 7.28）——意味着无论纵坐标多低，含裂纹结构都因塑性失稳 / 净截面屈服而判不可接受。本题 $\sigma_Y=520$、$\sigma_U=677$，算得 $L_{r,max}\approx 1.15$。 另外，BS 7910 Annex R 给出的塑性交互 $\rho$ 只在 $L_r \le L_{r,max}$ 内有定义；越过截断后 $\rho$ 取 0。 输入一览 参数 值 说明 裂纹深度 $a_0$ / 半长 $c_0$ 19.0 / 87 mm 全长 $2c_0=174$ mm 板厚 $B=t$ / 宽 $W$ 70 / 600 mm 一次膜 $P_m$ / 弯 $P_b$ 0 / 1015 MPa 纯弯（断裂载荷 5.10 MN 弹性折算） 屈服 $\sigma_Y$ / 抗拉 $\sigma_U$ 520 / 677 MPa $L_{r,max}\approx 1.15$ 断裂韧性 $K_{mat}$ 62 MPa·m$^{0.5}$ 焊态焊缝 @ −30 ℃ 残余 $K_I^S$（直输） 46 MPa·m$^{0.5}$ 与 LLAW 同（焊态） 在计算器里怎么填 步骤与前两题一致（顶部先选 Option 1，再按卡片填）。本题把数值换成 HLAW：板厚 70、一次弯曲 $P_b=1015$、屈服 520、抗拉 677、$K_{mat}=62$、二次 $K_I^S$ 直输 46。$\rho$ 仍用 Annex R 自算（引擎会因越过截断自动给 0）。 ...

这是 A533B-1 焊接平板四道题的第二题，是第一题 [[bs7910-a533b-llaw-fad-walkthrough|LLAW]] 的对照件。两题的设计就是为了做单变量对比： 四道题的共同背景与方法见总览文 [[bs7910-a533b-residual-stress-fad|《残余应力会把评定点推到哪里去？》]]。 这道题问什么 LLHT = Low-$L_r$ + Heat-Treated：做了焊后热处理（PWHT）、评定温度 −120 ℃、低载荷比。它和 LLAW 同温、同区、用的是同一组实测残余应力廓线——唯一的变量就是 PWHT。热处理把焊接残余应力松弛掉了至少一个数量级，残余 $K_I^S$ 从焊态的 46 掉到 5 MPa·m$^{0.5}$。承载力随之从 LLAW 的 1.27 MN 升到 2.19 MN（约 1.7 倍）。 这道题要回答的是对照问题：把残余应力松掉，评定点会回落多少？ 原理：同一把尺子，只动残余这一项 评定仍走 BS 7910:2019 §7.3.3 Option 1，坐标定义与第一题完全相同： $$ K_r = \frac{K_I^P + K_I^S}{K_{mat}} + \rho, \qquad L_r = \frac{\sigma_{ref}}{\sigma_Y} $$残余应力作为二次应力，只进 $K_r$、不进 $L_r$（§7.3.6）。所以这道对照题真正改变的，只有 $K_r$ 分子里的 $K_I^S$ 这一项：从 46 变成 5。 输入一览 参数 值 与 LLAW 之差 裂纹深度 $a_0$ / 半长 $c_0$ 18.6 / 87 mm 几乎相同 板厚 $B=t$ / 宽 $W$ 71 / 600 mm 相同 一次膜 $P_m$ / 弯 $P_b$ 0 / 424 MPa 载荷更高（断裂载荷 2.19 MN） 屈服 $\sigma_Y$ / 抗拉 $\sigma_U$ 596 / 772 MPa 相近 断裂韧性 $K_{mat}$ 46 MPa·m$^{0.5}$ PWHT 焊缝 @ −120 ℃ 残余 $K_I^S$（直输） 5 MPa·m$^{0.5}$ 46 → 5（松弛一个数量级） 在计算器里怎么填 输入步骤与第一题相同（先在顶部「Assessment Option (FAD)」选 Option 1，再按卡片填几何、应力、材料、韧性）。本题只需把三处数值换成 LLHT 的：一次弯曲 $P_b=424$、断裂韧性 $K_{mat}=46$、二次 $K_I^S$ 直输 5。塑性交互 $\rho$ 仍用默认的 Annex R 自算。 ...

这是 A533B-1 焊接平板四道题的第一题。四道题的共同背景、公共方法与残余应力廓线，已在总览文里交代清楚： 总览与方法见 [[bs7910-a533b-residual-stress-fad|《残余应力会把评定点推到哪里去？——A533B-1 大型焊接平板断裂试验的 FAD 复算》]]。本文聚焦其中一件，把它在计算器里从输入到读图走一遍。 这道题问什么 LLAW = Low-$L_r$ + as-Welded：焊态（未做焊后热处理）、评定温度 −120 ℃、低载荷比。四个试件里，它在最低的载荷（1.27 MN）就断了，断后还出现止裂。低温让断裂韧性掉到下平台（$K_{mat}=37\ \mathrm{MPa\cdot m^{0.5}}$），而焊缝里那一整套未被松弛的焊接残余应力还原封不动地压在裂纹上。 这道题就是要把一句定性的话——“焊接残余应力危害很大”——在失效评定图（FAD）上算成一个具体的纵坐标增量。 原理速览：残余应力只进 $K_r$、不进 $L_r$ 四道题都走 BS 7910:2019 §7.3.3 的 Option 1（标准）失效评定图。评定点坐标： $$ K_r = \frac{K_I^P + K_I^S}{K_{mat}} + \rho, \qquad L_r = \frac{\sigma_{ref}}{\sigma_Y} $$失效评定曲线（FAL）： $$ f(L_r) = \begin{cases} \left(1 + \tfrac{1}{2}L_r^2\right)^{-1/2}\left[0.3 + 0.7\,e^{-\mu L_r^6}\right], & L_r \le 1 \\ f(L_r{=}1)\,L_r^{(N-1)/(2N)}, & 1 < L_r < L_{r,\max} \\ 0, & L_r \ge L_{r,\max} \end{cases} $$$$ \mu = \min\!\left(0.001\tfrac{E}{\sigma_Y},\ 0.6\right), \quad N = 0.3\left(1 - \tfrac{\sigma_Y}{\sigma_U}\right), \quad L_{r,\max} = \frac{\sigma_Y + \sigma_U}{2\sigma_Y} $$三段分别对应 BS 7910:2019 §7.3.3 的 Eq. 7.26（$L_r \le 1$，脆断主导段）、Eq. 7.27（$1 < L_r < L_{r,\max}$，弹塑性过渡段，曲线随应变硬化指数 $N$ 下弯）、Eq. 7.28（$L_r \ge L_{r,\max}$，塑性截断，曲线归零）；截断点 $L_{r,\max}$ 见 Eq. 7.25。本题评定点横坐标 $L_r=0.367$ 落在第一段内，下面的判定只用到 Eq. 7.26。 ...

在断裂力学与合于使用评价（Fitness-for-Service, FFS）的文献里，FITNET 是个绕不开的名字。很多大型构件的断裂试验算例、很多被引来交叉印证的评定结果，都标着"出自 FITNET"。它到底是什么、从哪来、又为什么权威？本文按公开资料把这件事讲清楚。 1. 一句话：FITNET 是什么 FITNET（European Fitness-for-Service Network，欧洲合于使用评价网络）是一个由欧盟资助的科研协作网络。它的目标只有一句话：为含缺陷的金属结构（焊接与非焊接）建立一套统一、经过验证的合于使用评价规程——也就是后来的 FITNET FFS Procedure。 合于使用评价回答的核心问题是：一个已经发现缺陷（裂纹、壁厚减薄、损伤）的在役结构，还能不能继续安全服役？这正是 mechCalc 这一系列断裂评定计算器要解决的问题。 2. 背景：欧洲为什么要"统一" 到上世纪末，欧洲各国在缺陷评定上各有一套：英国电力工业的 R6 规程、与之同源的 BS 7910 谱系、各行业各自沉淀的做法……方法林立、彼此不完全兼容。结果是跨国的工程协作、设计认证和事故评定都要在多套规程之间来回换算，成本高、口径乱。 与此同时，大西洋对岸的美国已经把油气与承压设备行业的评定经验整理成 API 579（即今天的 API 579-1 / ASME FFS-1）。欧洲需要一套属于自己的、口径统一的合于使用评价规程，既整合各国既有方法，又经得起算例验证——这就是 FITNET 立项的初衷。 3. 谱系：从 SINTAP 到 FITNET 统一的努力并非从零开始。早在 1996–1999 年，欧盟第四框架计划（FP4）资助的 SINTAP（Structural INTegrity Assessment Procedures for European Industry，欧洲工业结构完整性评定规程）项目，就把分散的断裂评定方法——以 R6 的**失效评定图（Failure Assessment Diagram, FAD）**为骨架——整理成了一套统一程序，并于 1999 年完成。 FITNET 正是 SINTAP 的延续与扩展：它在 SINTAP 断裂评定方法的基础上，进一步把疲劳、蠕变、腐蚀也纳进来，并补做大量算例验证。所以谈 FITNET 的断裂模块，本质上谈的就是 R6 / SINTAP 这一脉的 FAD 方法。 ...

含焊缝的承压结构在做合于使用评价（Fitness-for-Service, FFS）时，焊接残余应力几乎是绕不开的一道坎。它是典型的二次应力（self-balancing 自平衡场），既不参与静力平衡、又会实实在在地抬高裂纹尖端的驱动力。一个长期被追问的工程问题是：在失效评定图（Failure Assessment Diagram, FAD）上，残余应力到底会把评定点推到哪里去？焊后热处理（Post-Weld Heat Treatment, PWHT）又能把它拉回来多少？ 要回答这个问题，最有说服力的不是公式推导，而是一组有真实断裂载荷、有实测残余应力廓线的大型构件试验。本文复盘的正是这样一组算例——A533B-1 钢大型焊接平板四点弯曲断裂试验。下文先交代背景与公共方法，再把四个试件拆成四道题逐件评定，并用 mechCalc 的 BS 7910 Clause 7 断裂评定计算 独立复算，与原始文献的评定结果逐点对照。 算例出处：[[FITNET|FITNET]] 项目的 Case Studies for Fracture 中的「A533B-1 Steel Residual Stress Experiments」算例；试验原始报告 C C France, J K Sharples, C Wignall, AEA Technology Report AEAT-4236, SINTAP/TASK4/AEAT18 (1998)。FITNET 是欧洲统一的结构完整性评定规程，其断裂模块与 BS 7910:2019 一脉同源（R6/SINTAP 谱系），故适合作 BS 7910 断裂评定的文献交叉锚。 🧮 在线计算器：《BS 7910 Clause 7 断裂评定计算器》 — 本文复算所用的失效评定图（FAD）计算：编排 Annex M（K_I）+ Annex P（σ_ref）+ Option 1 FAD，可在线复跑下面四道题。 1. 背景：为什么专门做一组"残余应力"试验 A533B-1 是核电反应堆压力容器（RPV）的典型低合金钢。这类承压设备的焊缝一旦发现埋藏或表面缺陷，评定时必须如实计入焊接残余应力——可残余应力既难测、又随焊后热处理大幅变化，工程上长期缺乏用足尺构件标定过的依据。 ...

在役压力容器、管道和结构件在使用过程中难免出现裂纹、腐蚀、减薄等缺陷。 当检测人员发现这些缺陷时，工程师面临一个核心问题： 这台设备还能不能继续服役？如果能，还能用多久？ 这正是合于使用评价（Fitness-for-Service，FFS）要回答的问题。 传统方法的局限 传统的设计规范（如 ASME、GB 150）针对新设备制定，以"无缺陷"为假设前提。 一旦发现缺陷，规范往往要求"超标即停机修复或报废"。 但现实中，并非所有超出制造公差的缺陷都会导致失效。 过于保守的判断会带来两个问题： 不必要的停机——损失生产时间和修复费用； 错误的安全感——修复本身可能引入新缺陷。 FFS 评定提供了一套科学的方法，用断裂力学和材料科学替代经验保守性，给出有据可查的服役判断。 核心工具：失效评定图（FAD） FFS 评定最常用的工具是失效评定图（Failure Assessment Diagram，FAD）。 FAD 的两个坐标轴分别量化两种失效模式： 纵轴 $K_r$（断裂比）：裂纹驱动力与材料断裂韧性之比，衡量脆性断裂的风险； 横轴 $L_r$（载荷比）：实际载荷与极限载荷之比，衡量塑性失稳（垮塌）的风险。 将含缺陷结构的评定点 $(L_r, K_r)$ 标在图上： 点在失效评定曲线（FAL）内：缺陷可接受，设备可继续服役； 点在 FAL 上或之外：缺陷不可接受，需要修复或退役。 $$ K_r = \frac{K_I^P + K_I^S}{K_{mat}} + \rho \leq f(L_r) $$其中 $K_I^P$ 为一次应力强度因子，$K_I^S$ 为二次应力（如残余应力）的贡献，$K_{mat}$ 为材料断裂韧性，$\rho$ 为塑性修正项。 主要评定规范 目前国际上广泛使用的 FFS 规范有三套： 规范 适用场景 BS 7910 焊接结构、压力容器（英国/国际通用） API 579-1 / ASME FFS-1 炼化行业压力设备（美国/全球） ASME XI 核电站压力边界（美国核工业） 三套规范的评定方法在原理上一致，均基于 FAD 框架，但在选项分级、公式细节和适用范围上有所不同。 ...