疲勞斷裂總結(jié)

1、第三部分疲勞斷裂疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要型式， 典型焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞事例表明疲勞斷裂幾率高， 具有廣泛研究意義。 疲勞破壞發(fā)生在承受交變或波動應變的構(gòu)件中，一般說來，其最大應力低于材料抗拉強度，甚至低于材料的屈服點，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應力斷裂。疲勞斷裂過程的研究表明， 疲勞壽命不是決定于裂紋產(chǎn)生， 而是決定于裂紋增大和擴展。因此， 本章將在介紹疲勞斷裂的基本特征和基本概念基礎上， 利用斷裂力學原理著重分析疲勞裂紋的擴展機理、規(guī)律、影響因素及疲勞壽命估算。 3-1 疲勞的基本概念在交變載荷作用下， 金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象稱為疲勞破壞。 為防止結(jié)構(gòu)在工作時發(fā)生疲勞破壞傳統(tǒng)疲勞

2、設計采用 N 曲線法確定疲勞強度。一、應力疲勞和應變疲勞1、應力疲勞在低應力、高循環(huán)、低擴展速率的疲勞稱為應力疲勞，也叫彈性疲勞。七特點是在應力循環(huán)條件下，裂紋在彈性區(qū)內(nèi)擴展，且裂紋擴展速率低。2、應變疲勞在高應力、低循環(huán)、高擴展速率下的疲勞稱為應變疲勞，也叫塑性疲勞。其特點是應變幅值很高，最大應變接近屈服應變，故疲勞裂紋擴展速率高 （達每次-24二、疲勞強度和疲勞極限1、烏勒（ W?hler）疲勞曲線（1）結(jié)構(gòu)在多次循環(huán)載荷作用下，在工作應力（max）小于強度極限b 時即破壞，在不同載荷下使結(jié)構(gòu)破壞所需的加載次數(shù) N 也不同，表達結(jié)構(gòu)破壞載荷和所需加載次數(shù) N之間的關系（ N）即為烏勒（ W

3、?hler）疲勞曲線。（2）疲勞曲線在加載次數(shù) N 很大時趨于水平，若以 lgN 表示則為兩段直線關系（3）圖示（略）2、疲勞強度（條件疲勞極限）（1） 疲勞曲線上對應于某一循環(huán)次數(shù) N的強度極限即為該循環(huán)下的疲勞強度（ r ）7（2） r =f （N）r 對應 max，一般 N103、疲勞極限（1）結(jié)構(gòu)對應于無限次應力循環(huán)而不破壞的強度極限即疲勞極限（2）為 lgN 疲勞圖中的水平漸近線1三、應力循環(huán)特性1、應力循環(huán)中各參數(shù)及應力循環(huán)特性系數(shù) max應力循環(huán)中最大應力值，max=m+ a min應力循環(huán)中最小應力值，min=m- a m=（ max+min）/2- 應力循環(huán)中平均應力值 a=

4、（ max-min）/2 應力循環(huán)中應力振幅 r= min/ max應力循環(huán)中應力循環(huán)特性系數(shù)2、特殊循環(huán)特性(1) 對稱交變載荷， r=-1 ，疲勞強度 -1(2) 脈動載荷， r=0 ，疲勞強度 0(3) 拉伸變載荷， 0r1 ，疲勞強度 r拉伸變載荷 min 和 max 均為拉應力，但大小不等， 00.7 ）。適當提高焊角尺寸可使疲勞斷裂發(fā)生在母材與焊縫趾端交界處， 在一定程度上提高疲勞強度；若開坡口并焊透使焊縫在焊趾處向母材平滑過渡，則其疲勞強度可明顯提高。搭接接頭僅有側(cè)面焊縫的搭接接頭疲勞強度最低，只達到基本金屬的 34。正面焊縫的焊腳為 1： 1、1：2、1：2( 表面機加工 )

5、、1：3.8( 表面機加工 ) 的搭接接頭疲勞強度分別為基本金屬的 40、49、51和 100。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是不合理的接頭形式， 試驗結(jié)果表明， 對接接頭加蓋板后疲勞強度只達到原對接接頭疲勞強度的一半。 一般應避免用搭接接頭， 若必須采用搭接接頭時要保證焊縫比例（ 1：2）并經(jīng)機械加工使其過渡平滑。2、缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。缺陷形狀：片狀缺陷 ( 如裂縫、未熔合、 未焊透 ) 比帶圓角的缺陷 ( 如氣孔等 ) 影響大。缺陷種類：表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大。缺陷方向：與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大。缺陷位置：位于

6、殘余拉應力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應力區(qū)內(nèi)的大； 位于應力集中區(qū)的缺陷 ( 如焊趾部裂紋 ) 的影響比在均勻應力場中同樣缺陷影響大。材料影響：缺陷對缺口敏感性強的材料的疲勞強度影響比對一般缺口敏感性6材料影響大，所以高強鋼強度高而實際疲勞強度并沒有提高很多。3、角變形和錯邊的影響1）余高或角變形過大使熔合線的應力集中增加, 即局部應力增大2）產(chǎn)生附加彎矩 , 出現(xiàn)彎曲應力3）角變形或錯邊處的材料韌性差4、表面粗糙度三、材質(zhì)純度與塑性和韌性材質(zhì)塑性和韌性影響裂紋的萌生和擴展。在實際焊接結(jié)構(gòu)中，如果熱影響區(qū)的尺寸不大，一般不會降低焊接接頭的疲勞強度 。四、殘余應力的影響1、理論分析從 a m的疲

7、勞圖可以看出有殘余拉應力（R 0 ）時，有：max=m+R+a當應力循環(huán)中最大應力max到達 s 時，殘余應力因應力全面達到屈服而消除，所以當m達到一定數(shù)值 ( m+a= s) ，即應力循環(huán)特性 r0 時，殘余應力對疲勞 a m疲勞圖強度將沒有影響；當 m小于此值，應力循環(huán)特性 r0 時，則殘余拉應力會使疲勞強度降低，m越小，內(nèi)應力的影響愈顯著。2、試驗證明（ 1）光滑堆焊試件試驗結(jié)果該種試件應力集中較小（ KT ?。┰嚰峡v向、橫向堆焊焊縫各一條，殘余拉應力不同（依堆焊順序），先縱后橫 x 小 , 先橫后縱則 x 大, 在對稱交變載荷下實驗（ r=-1 ），殘余拉應力（ R）越大則疲勞強度越

8、低。（2）十字（對接加縱向堆焊）焊縫熱處理消應力該種試件應力集中較?。↘T ?。┰谌N循環(huán)特性 (r=-1 、0、0.3) 下分別對焊態(tài)試件和熱處理去應力試件進行7疲勞試驗 , 結(jié)果平均應力低的試件 (r0) 熱處理反而使疲勞強度降低。（3）帶有縱向短筋板試件疲勞試驗該種試件應力集中大（ KT 大）在循環(huán)特性 (r=0) 下對焊態(tài)試件和熱處理去應力試件進行疲勞試驗 , 結(jié)果表明熱處理可明顯提高疲勞強度。應力集中越嚴重，疲勞強度提高越明顯。2、結(jié)論焊接接頭的疲勞強度試驗結(jié)果表明焊接殘余應力對疲勞強度的影響與應力集中情況（應力集中系數(shù)KT）、殘余應力（ R）性質(zhì)及大小、應力循環(huán)特征系數(shù)r 有關。

9、KT 越大、 R 越大、 r 越小 ( 負數(shù) ) ，殘余應力（ R）使疲勞強度降低越嚴重，這時可通過熱處理提高疲勞強度。若殘余應力（R）為壓應力或應力循環(huán)特征系數(shù) r 大且應力集中系數(shù)KT 小則不需要熱處理消應力。83-4 疲勞破壞的預防措施結(jié)構(gòu)中的應力集中是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的最主要因素， 在結(jié)構(gòu)設計中減少應力集中甚至比確定疲勞設計應力還重要。只有當焊接接頭和結(jié)構(gòu)設計合理，焊接工藝完善， 焊縫金屬質(zhì)量良好時， 才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有較高的疲勞強度，一般可以采取下列措施：一、設計措施1、整體設計時注意采用合理的結(jié)構(gòu)形式，分散集中載荷，減小應力集中。關注要點：使焊縫易于施焊、焊縫間距離不能

10、過近、避免焊縫交叉、不同厚度板對接時合理設計接頭形式、有角焊縫時合理選擇角（搭）接板（包括坡口）形狀、盡量使焊縫遠離高工作應力區(qū)、 盡量使焊縫遠離高應力集中區(qū)、 考慮次要焊縫。2、選擇合理接頭形式焊接接頭疲勞斷裂的危險性依次為對接接頭、十字街頭（開坡口焊透） 、十字接頭（未開坡口）、側(cè)面搭接接頭和正面搭接接頭。優(yōu)先采用應力集中系數(shù)小的對接接頭，盡量少采用角焊縫； 焊縫形狀應過渡平緩， 連續(xù)焊縫比斷續(xù)焊縫有利。3、減小接頭局部剛度如在焊縫附近開緩和槽可減小接頭局部剛度，減小開裂危險性。接頭設計方案示例1：接頭方案；局部剛度9接頭設計方案示例2：改進接頭形式；接頭設計方案示例3：焊縫布置接頭設計方案示例4：接頭及焊縫平滑過渡10接頭設計方案示例3：注意減小接頭剛性二、工藝措施1、在工藝上應正確選擇焊接規(guī)范，保證焊縫良好成形和內(nèi)、外部沒有缺陷；當采用角焊縫時須采取綜合措施： 機械加工焊縫端部，保證焊縫根部焊透。2、 用表面機械加工的方法消除焊縫及其附近的各種刻槽降低接頭應力集中程度。3、TIG 電弧整形，可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強度；4、調(diào)整殘余應力場，消除接頭的應力集中處的焊接殘余應力或使該處產(chǎn)生殘余壓應力均可以提高接頭的疲勞強度，其方法可以分為兩類：整體處理，包