第3章 焊接接頭與結(jié)構(gòu)的疲勞強度

1、1第第 3 章章 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強度疲勞強度2本章主要內(nèi)容和重點：本章主要內(nèi)容和重點： 3.1 焊接結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)構(gòu)的疲勞疲勞 3.1.1 疲勞斷裂疲勞斷裂事例事例 3.1.2 焊接結(jié)構(gòu)常見的疲勞類型焊接結(jié)構(gòu)常見的疲勞類型3.2 疲勞斷裂的疲勞斷裂的過程過程和和斷口特征斷口特征 3.3 疲勞載荷疲勞載荷及及表示法表示法 3.4 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)在疲勞裂紋擴展研究中的應(yīng)用在疲勞裂紋擴展研究中的應(yīng)用3.6 影響影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素因素 3.6.1 應(yīng)力集中應(yīng)力集中的影響的影響 3.6.2 近縫區(qū)近縫區(qū)金屬性能變化金屬性能變化的影響的影響 3.6.3 殘余

2、應(yīng)力殘余應(yīng)力的影響的影響 3.6.4 其他因素其他因素的影響的影響3.7 提高提高焊接接頭疲勞強度的焊接接頭疲勞強度的措施措施 3第第3章章 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強度焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強度3.1 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞焊接結(jié)構(gòu)的疲勞疲勞斷裂疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。l 工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)失效約失效約80以上是由疲勞引起的；以上是由疲勞引起的；l 在在某些工業(yè)部門某些工業(yè)部門，疲勞斷裂可占斷裂事件的，疲勞斷裂可占斷裂事件的8090；l 對于承受對于承受循環(huán)載荷循環(huán)載荷的焊接構(gòu)件有的焊接構(gòu)件有90以上的失效應(yīng)歸咎于疲以上的失效應(yīng)歸咎于疲勞破壞。勞破壞。 在我國，疲

3、勞失效也相當(dāng)普遍，在在我國，疲勞失效也相當(dāng)普遍，在能源、交通能源、交通等部門都等部門都很嚴(yán)重。而且隨著很嚴(yán)重。而且隨著新材料、新工藝新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，將會提出許的不斷出現(xiàn)，將會提出許多疲勞強度的多疲勞強度的新問題新問題需要研究解決。需要研究解決。 43.1.1 疲勞斷裂疲勞斷裂事例事例 疲勞斷裂事故最早發(fā)生在疲勞斷裂事故最早發(fā)生在19世紀(jì)初期世紀(jì)初期，隨著，隨著鐵路運輸鐵路運輸?shù)陌l(fā)的發(fā)展，展，機車車輛機車車輛的疲勞破壞成為工程上遇到的的疲勞破壞成為工程上遇到的第一個第一個疲勞強疲勞強度問題。度問題。 以后在以后在第二次世界大戰(zhàn)第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)生多起期間發(fā)生多起飛機疲勞失事飛機疲勞失

4、事事故。事故。 1954年年英國彗星噴氣客機英國彗星噴氣客機由于壓力艙構(gòu)件疲勞失效引起飛由于壓力艙構(gòu)件疲勞失效引起飛行失事，引起了人們的廣泛關(guān)注，并使行失事，引起了人們的廣泛關(guān)注，并使疲勞研究疲勞研究上升到上升到新新的高度的高度。 結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)由鉚接連接鉚接連接發(fā)展到發(fā)展到焊接連接焊接連接后，對疲勞的敏感性和產(chǎn)后，對疲勞的敏感性和產(chǎn)生裂紋的危險性更大。生裂紋的危險性更大。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞焊接結(jié)構(gòu)的疲勞往往是從往往是從焊接接頭焊接接頭處產(chǎn)生的。處產(chǎn)生的。 5疲勞斷裂的疲勞斷裂的事例事例圖圖3-1，直升飛機起落架的裂，直升飛機起落架的裂紋是從紋是從應(yīng)力集中應(yīng)力集中很高的很高的角接板角接板尖端尖端開始的

5、，該機飛行著陸開始的，該機飛行著陸2118次后發(fā)生破壞。次后發(fā)生破壞。圖圖3-2，汽車底架縱梁的該梁板厚，汽車底架縱梁的該梁板厚5mm，承受反復(fù)，承受反復(fù)彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力，在角，在角鋼和縱梁的鋼和縱梁的焊接處焊接處，因，因應(yīng)力集中應(yīng)力集中很高而產(chǎn)生裂紋。該車破壞時已很高而產(chǎn)生裂紋。該車破壞時已運行運行30000km。6 水壓機水壓機的疲勞裂紋的疲勞裂紋是從是從設(shè)計不良設(shè)計不良的的焊焊接接頭接接頭的的應(yīng)力集中應(yīng)力集中點點產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 7角焊縫角焊縫改為改為對接焊縫對接焊縫降低疲勞破壞降低疲勞破壞如果在設(shè)計中，將易導(dǎo)致疲勞如果在設(shè)計中，將易導(dǎo)致疲勞破壞的應(yīng)力集中系數(shù)高的破壞的應(yīng)力集中系數(shù)高的角

6、焊角焊縫縫改為應(yīng)力集中較小的改為應(yīng)力集中較小的對接焊對接焊縫縫，疲勞事故就可大大減少。，疲勞事故就可大大減少。 圖圖3-4b用用鍛造法蘭鍛造法蘭代替圖代替圖a原法蘭，將原法蘭，將角焊縫角焊縫改為改為對接焊對接焊縫縫大大改善抗疲勞能力。大大改善抗疲勞能力。8原因原因：裂紋部位裂紋部位有有較高的應(yīng)力集中較高的應(yīng)力集中所致。所致。措施：措施：采用采用合理的接頭設(shè)計合理的接頭設(shè)計，提高焊縫質(zhì)量，消除焊接缺陷。，提高焊縫質(zhì)量，消除焊接缺陷。圖圖3-5，美國幾座橋美國幾座橋發(fā)生在靠近焊縫端部發(fā)生在靠近焊縫端部焊趾部位焊趾部位的疲勞裂紋。的疲勞裂紋。93.1.2 焊接結(jié)構(gòu)常見的焊接結(jié)構(gòu)常見的疲勞類型疲勞類型

7、 疲勞定義疲勞定義：在在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積局部永久性累積損傷損傷，經(jīng)，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生的后產(chǎn)生的裂紋裂紋或或突然突然發(fā)生發(fā)生完全斷裂完全斷裂的過的過程稱為疲勞。疲勞可分為程稱為疲勞。疲勞可分為高周疲勞高周疲勞和和低周疲勞低周疲勞。 高周疲勞高周疲勞：是指材料在是指材料在低于低于屈服點屈服點的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng) 以上以上循環(huán)次數(shù)而產(chǎn)生的疲勞。高周疲勞受循環(huán)次數(shù)而產(chǎn)生的疲勞。高周疲勞受應(yīng)力幅應(yīng)力幅控制，故又稱控制，故又稱應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞。 低周疲勞低周疲勞：是材料在是材料在接近或超過接近或超

8、過其其屈服點屈服點的循環(huán)應(yīng)力作用下的循環(huán)應(yīng)力作用下,經(jīng)經(jīng)低于低于 次塑性應(yīng)變循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞。低周疲勞受次塑性應(yīng)變循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞。低周疲勞受應(yīng)變幅應(yīng)變幅控制，故又稱控制，故又稱應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞。510510 一般焊接結(jié)構(gòu)如一般焊接結(jié)構(gòu)如壓力容器的接管、管結(jié)構(gòu)的頂壓力容器的接管、管結(jié)構(gòu)的頂點和鞍點、飛機起落架點和鞍點、飛機起落架等，由于循環(huán)載荷的作用，在等，由于循環(huán)載荷的作用，在應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力水平很高應(yīng)力水平很高，峰值應(yīng)力進入到塑性區(qū)，峰值應(yīng)力進入到塑性區(qū)，疲勞壽命低，是典型的，疲勞壽命低，是典型的低周疲勞低周疲勞。 疲勞的分類疲勞的分類： 在不同的工作環(huán)境下，疲勞還可分為在不同

9、的工作環(huán)境下，疲勞還可分為高溫疲勞、高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和隨機疲勞低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和隨機疲勞等。等。疲勞斷裂分析過程疲勞斷裂分析過程 葉片疲勞斷口形貌葉片疲勞斷口形貌 拍攝設(shè)備：Leica S440掃描電子顯微鏡 宏觀觀察表明宏觀觀察表明：葉片的斷裂部位在距葉根2/3處。斷口具有疲勞斷裂的典型特征，葉片的排氣邊和中部區(qū)域為疲勞區(qū)，葉片進氣邊一側(cè)為瞬斷區(qū)，疲勞區(qū)面積占到整個斷口面積的70 %。微觀觀察表明微觀觀察表明：疲勞源區(qū)位于葉盆面一側(cè)距排氣邊5mm 處亞表面，放射棱線和疲勞弧線均源于該處(圖1) 。源區(qū)有一塊長約58m、寬約37m 的夾雜物。經(jīng)能譜儀成份分析判定,

10、該塊狀夾雜物含氧和硅，夾雜物距葉盆面表面23m。圖2 為疲勞擴展區(qū)的疲勞條帶。 發(fā)動機工作時，作用在壓氣機轉(zhuǎn)子葉片上的力主要有葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心拉應(yīng)力、作用在葉片上的彎曲應(yīng)力和振動應(yīng)力。而葉片的排氣邊是總應(yīng)力最大的點之一。 由源區(qū)、疲勞擴展區(qū)、瞬斷區(qū)三個特征區(qū)可說明葉片斷口是典型的機械疲勞斷口。源區(qū)位于葉盆面一側(cè)，疲勞源是一個的塊狀夾雜物，其成份主要含氧和硅，屬于氧化硅夾雜。經(jīng)分析，源區(qū)非金屬夾雜物氧化硅可能是原材料冶煉時帶入的。該類型的夾雜物屬于脆性夾雜物，這種夾雜與基體的聯(lián)系很差，在材料變形過程中或使用狀態(tài)下與基體界面易產(chǎn)生微裂紋或夾雜物本身破碎開裂，成為疲勞裂紋源；當(dāng)發(fā)動機工作時，葉

11、片的微裂紋在交變應(yīng)力作用下疲勞擴展，最終葉片因承載面積不斷減少而瞬時折斷。 133.2 疲勞斷裂的過程和斷口特征疲勞斷裂的過程和斷口特征3.2.1疲勞斷裂的疲勞斷裂的過程過程 疲勞斷裂一般由疲勞裂紋的疲勞斷裂一般由疲勞裂紋的形成、擴展、斷裂形成、擴展、斷裂三個階段組成。三個階段組成。 材料在循環(huán)載荷作用下，材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞裂紋疲勞裂紋總是在總是在應(yīng)力最高、強度最弱的部位應(yīng)力最高、強度最弱的部位上上形成形成。對于承受。對于承受循環(huán)載荷循環(huán)載荷作用的金屬材料，由于作用的金屬材料，由于晶粒取向晶粒取向不同，以及存在不同，以及存在各種各種宏觀或微觀缺陷宏觀或微觀缺陷等原因，每個等原因，每個晶

12、粒的強度晶粒的強度在相同的受力方向上是在相同的受力方向上是各不相各不相同同的；當(dāng)整體金屬還處于的；當(dāng)整體金屬還處于彈性狀態(tài)彈性狀態(tài)時，時，個別薄弱晶粒個別薄弱晶粒已進入已進入塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變狀態(tài)，狀態(tài)，這些這些首先屈服的晶粒首先屈服的晶粒可以看成是可以看成是應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力集中區(qū)。一般認(rèn)為，具有與。一般認(rèn)為，具有與最大切應(yīng)力最大切應(yīng)力面相一致的滑移面面相一致的滑移面的的晶粒晶粒首先開始首先開始屈服屈服，出現(xiàn)，出現(xiàn)滑移滑移。 隨著隨著循環(huán)加載循環(huán)加載的不斷進行，的不斷進行，滑移線滑移線的量的量加大成為加大成為滑移帶滑移帶，并不斷加寬、加深形成，并不斷加寬、加深形成“擠出擠出”和和“擠入擠入”現(xiàn)象，

13、現(xiàn)象，擠入部分?jǐn)D入部分向滑移向滑移帶的帶的縱深發(fā)展縱深發(fā)展，形成，形成疲勞微裂紋疲勞微裂紋(圖圖3-6)。 這些微裂紋沿著和這些微裂紋沿著和拉應(yīng)力拉應(yīng)力成成45的的最大最大切應(yīng)力切應(yīng)力方向傳播，這是方向傳播，這是疲勞裂紋擴展的第疲勞裂紋擴展的第1階段階段。裂紋擴展速率很慢，每一次應(yīng)力循環(huán)。裂紋擴展速率很慢，每一次應(yīng)力循環(huán)大約只有大約只有0.lm （微米）（微米）數(shù)量級，擴展深度數(shù)量級，擴展深度約為約為25個晶粒。個晶粒。裂紋擴展的裂紋擴展的第第階段階段 當(dāng)當(dāng)?shù)诘?階段擴展的裂紋階段擴展的裂紋遇到遇到晶界晶界時便逐漸時便逐漸改變方向改變方向轉(zhuǎn)到與轉(zhuǎn)到與最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力相垂直的方向生長，此時即

14、進入到裂紋擴展的相垂直的方向生長，此時即進入到裂紋擴展的第第階段階段，如圖，如圖3-7。 在該階段內(nèi)，裂紋擴展的途徑是在該階段內(nèi)，裂紋擴展的途徑是穿晶穿晶的，其擴展速率較快，的，其擴展速率較快，每一次應(yīng)每一次應(yīng)力循環(huán)力循環(huán)大約擴展大約擴展m數(shù)量級數(shù)量級，在電子，在電子顯微鏡下觀察到的顯微鏡下觀察到的疲勞條紋疲勞條紋主要是在主要是在這一階段內(nèi)形成的。這一階段內(nèi)形成的。 第第3階段：階段：在在循環(huán)加載循環(huán)加載下下裂紋繼續(xù)裂紋繼續(xù)擴展擴展，承受載荷的，承受載荷的橫截面面積繼續(xù)減橫截面面積繼續(xù)減小小，直到剩余有效面積小到不能承受，直到剩余有效面積小到不能承受施加的載荷時，構(gòu)件就到達最終施加的載荷時，構(gòu)

15、件就到達最終斷裂斷裂階段階段。1415裂紋擴展機理裂紋擴展機理-塑性鈍化模型塑性鈍化模型 整個疲勞過程中的整個疲勞過程中的主要時間主要時間是屬于是屬于疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展階段階段，即，即第第階段階段，也稱亞臨界裂紋擴展階段。，也稱亞臨界裂紋擴展階段。 目前廣泛流行的模型是目前廣泛流行的模型是塑性鈍化模型塑性鈍化模型（圖（圖3-8）。）。 當(dāng)當(dāng)卸載卸載時，裂紋閉合，其尖端處于時，裂紋閉合，其尖端處于尖銳狀態(tài)尖銳狀態(tài)。 開始加載開始加載時，在時，在切應(yīng)力切應(yīng)力下，下，裂紋尖端裂紋尖端上下兩側(cè)上下兩側(cè)沿沿45方向產(chǎn)生方向產(chǎn)生滑移滑移，使，使裂紋尖端變鈍裂紋尖端變鈍，當(dāng)拉應(yīng)力達到，當(dāng)拉應(yīng)力達到最高

16、值時，裂紋停止擴展。最高值時，裂紋停止擴展。 開始卸載開始卸載時，裂紋尖端的金屬又沿時，裂紋尖端的金屬又沿45 繼續(xù)卸載時，繼續(xù)卸載時，裂紋尖端處由逐漸閉合到全部閉合，裂紋尖端處由逐漸閉合到全部閉合，裂紋銳化裂紋銳化。 這樣每經(jīng)過一個這樣每經(jīng)過一個加載、卸載循環(huán)加載、卸載循環(huán)，裂紋由，裂紋由鈍化到鈍化到銳化銳化并向前擴展一段長度并向前擴展一段長度*。在斷口表面上就會遺。在斷口表面上就會遺留下一條留下一條痕跡痕跡，這就是在金相斷口圖上通?？吹降?，這就是在金相斷口圖上通?？吹降钠Ｆ跅l紋勞條紋或稱或稱疲勞輝紋疲勞輝紋。 綜上所述，亞臨界裂紋擴展過程就是綜上所述，亞臨界裂紋擴展過程就是裂紋裂紋反復(fù)反

17、復(fù)銳銳化和鈍化化和鈍化的過程的過程。163.2.2 疲勞斷口的特征疲勞斷口的特征 疲勞斷口的疲勞斷口的宏觀斷口宏觀斷口分成三個區(qū)：分成三個區(qū)： 疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)。這三個。這三個區(qū)與區(qū)與疲勞裂紋疲勞裂紋的的形成、擴展和瞬時斷裂形成、擴展和瞬時斷裂三個階段相對應(yīng)。三個階段相對應(yīng)。圖3-9疲勞斷口上三個特征區(qū)的示意圖 a)圓形試件b)角接接頭 1疲勞裂紋源區(qū) 2疲勞裂紋擴展區(qū)3疲勞裂紋加速擴展區(qū) 4瞬時斷裂區(qū)17 疲勞裂紋源區(qū)：疲勞裂紋源區(qū)： 它是疲勞裂紋的它是疲勞裂紋的形成過程形成過程在斷口上留下的真實記錄。疲勞在斷口上留下的真實記錄

18、。疲勞裂紋源區(qū)裂紋源區(qū)一般很小一般很小，宏觀上，宏觀上難以難以分辨疲勞裂紋源區(qū)的分辨疲勞裂紋源區(qū)的斷面特斷面特征征。疲勞裂紋源一般總是發(fā)生在。疲勞裂紋源一般總是發(fā)生在表面表面；但如果構(gòu)件；但如果構(gòu)件內(nèi)部存在內(nèi)部存在缺陷缺陷（如脆性夾雜物等），也可在（如脆性夾雜物等），也可在構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生。產(chǎn)生。 疲勞源數(shù)目有時疲勞源數(shù)目有時不止一個不止一個，而有，而有兩個甚至兩個以上兩個甚至兩個以上。對于。對于低周疲勞低周疲勞，由于其，由于其應(yīng)變幅值較大應(yīng)變幅值較大，斷口上常有，斷口上常有幾個幾個不同位置不同位置的的疲勞源疲勞源。 疲勞裂紋擴展區(qū)：疲勞裂紋擴展區(qū)： 它是疲勞斷口上它是疲勞斷口上最重要最重

19、要的特征區(qū)域。的特征區(qū)域。宏觀形貌宏觀形貌為為貝殼狀貝殼狀或或海灘波紋狀條紋海灘波紋狀條紋，而且條紋推進線一般是從裂紋源開始向四，而且條紋推進線一般是從裂紋源開始向四周推進呈周推進呈弧形線條弧形線條，并且，并且垂直于垂直于疲勞裂紋的擴展方向。這些疲勞裂紋的擴展方向。這些貝殼狀的貝殼狀的推進線推進線是在使用過程中是在使用過程中循環(huán)應(yīng)力振幅變化或載荷大循環(huán)應(yīng)力振幅變化或載荷大小改變小改變等原因所遺留的痕跡。等原因所遺留的痕跡。 在在實驗室實驗室作作恒應(yīng)力或恒應(yīng)變實驗恒應(yīng)力或恒應(yīng)變實驗時，斷口一般無此特征，時，斷口一般無此特征，疲勞斷口疲勞斷口光滑呈細(xì)晶狀光滑呈細(xì)晶狀，有時光潔得尤如瓷質(zhì)狀，對于，有

20、時光潔得尤如瓷質(zhì)狀，對于低周低周疲勞疲勞往往往往觀察不到觀察不到這種貝殼狀的這種貝殼狀的推進線推進線。 18 瞬時破裂區(qū)瞬時破裂區(qū)（或稱最終破斷區(qū)）：（或稱最終破斷區(qū)）： 它是它是疲勞裂紋擴展到疲勞裂紋擴展到臨界尺寸之后臨界尺寸之后發(fā)生的發(fā)生的快速破斷快速破斷。其特征與其特征與靜載拉伸斷口靜載拉伸斷口中快速破壞的中快速破壞的放射區(qū)及剪切唇放射區(qū)及剪切唇相同。相同。非常脆的材料非常脆的材料，該區(qū)為，該區(qū)為結(jié)晶狀的脆性斷口結(jié)晶狀的脆性斷口。 19疲勞輝紋疲勞輝紋的形貌的形貌 疲勞輝紋疲勞輝紋與與宏觀斷口宏觀斷口上看到的上看到的貝殼狀條紋貝殼狀條紋是不是是不是一回事？一回事？ 疲勞輝紋疲勞輝紋是一次

21、應(yīng)力循環(huán)中裂紋尖端塑性鈍化塑性鈍化（ * ）形成的痕跡，貝殼狀條紋貝殼狀條紋是循環(huán)應(yīng)力振幅變化或載荷變化形成的宏觀特征。相鄰的貝紋線之間可能有成千上萬條輝紋。有時在宏觀斷口上看不到貝殼紋，但在電鏡下仍可看到疲勞輝紋疲勞輝紋。 另外一些構(gòu)件，尤其是薄板件薄板件，其宏觀斷口宏觀斷口上沒有明顯的貝殼狀花紋，卻有明顯的疲勞臺階疲勞臺階。疲勞臺階是在一個獨立的疲勞區(qū)內(nèi)，兩個疲勞源向前擴展相遇形成的。疲勞臺階疲勞臺階也是疲勞裂紋也是疲勞裂紋擴展區(qū)的一個特征擴展區(qū)的一個特征。3-10 裂紋疲勞擴展的輝紋 疲勞輝紋疲勞輝紋是疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展第二階段第二階段的的微觀特征微觀特征。通常是明暗交替的有規(guī)則相

22、互平行的條紋，一般每一條紋代表一次載荷循環(huán)。疲勞條紋的間距在0.l0.4m之間。 面心立方金屬面心立方金屬(如鋁及鋁合金、不銹鋼)的疲勞條紋比較清晰、明顯清晰、明顯。體心立方金體心立方金屬、密排六方金屬屬、密排六方金屬的疲勞條紋不如前者明顯（如鋼，疲勞條紋短而不連續(xù)，輪廓不明顯）。 一般焊接結(jié)構(gòu)一般焊接結(jié)構(gòu)所承受的疲勞載荷是一種所承受的疲勞載荷是一種隨機載荷隨機載荷。實驗室實驗室多用多用正弦正弦應(yīng)力或應(yīng)力或應(yīng)變應(yīng)變進行加載。以進行加載。以正弦波正弦波加載來說明加載來說明平均應(yīng)力平均應(yīng)力m、應(yīng)力幅應(yīng)力幅a和和應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍的定義，以及的定義，以及應(yīng)力比應(yīng)力比R的關(guān)系為：的關(guān)系為： 式中，式中，

23、拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值。 R -l 時，為時，為對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞極限或疲勞強度用，其疲勞極限或疲勞強度用-1表示；表示； R 0 時，為時，為脈動循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力，其疲勞極限或疲勞強度用，其疲勞極限或疲勞強度用0表示；表示； Rl 時，其各種循環(huán)應(yīng)力，統(tǒng)稱為時，其各種循環(huán)應(yīng)力，統(tǒng)稱為不對稱循環(huán)應(yīng)力不對稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞極限或疲勞，其疲勞極限或疲勞 強度用強度用R表示。表示。203.3 疲勞載荷及表示法疲勞載荷及表示法3.3.1 疲勞強度與疲勞圖疲勞強度與疲勞圖1疲勞載荷疲勞載荷及及應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)特征的特征的表示方法表示方法ammax2minm

24、axm2minmaxamaxminRamminminmaxR=(-1R1)mamaxmin0 以循環(huán)應(yīng)力中的以循環(huán)應(yīng)力中的最大應(yīng)力最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，斷裂循環(huán)次數(shù)斷裂循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)，根據(jù)為橫坐標(biāo)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪出試驗數(shù)據(jù)繪出-N曲線曲線 。-N曲線和曲線和-N曲線統(tǒng)稱為曲線統(tǒng)稱為S-N曲線曲線。 疲勞極限疲勞極限：曲線的曲線的水平段水平段表示材料經(jīng)表示材料經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)無限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞，與而不破壞，與此相對應(yīng)的此相對應(yīng)的最大應(yīng)力最大應(yīng)力則表示光滑試樣在則表示光滑試樣在對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力下的下的疲勞極限疲勞極限 。疲勞極限的下標(biāo)為疲勞極限的下標(biāo)為應(yīng)力比應(yīng)力比R的數(shù)值表示

25、。的數(shù)值表示。 例如：例如：R = -l 時的疲勞極限為時的疲勞極限為 ，R=0時為時為 ，應(yīng)力比為任意，應(yīng)力比為任意R值時值時為為 。21 2S-N曲線曲線 1R10223疲勞圖疲勞圖 S-N曲線可由曲線可由對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力的試驗得到，也可由的試驗得到，也可由不對稱循環(huán)應(yīng)力不對稱循環(huán)應(yīng)力得到；得到；當(dāng)當(dāng)應(yīng)力比應(yīng)力比R改變改變時，所得的時，所得的S-N曲線也改變曲線也改變。于是，在規(guī)定的破壞循環(huán)壽命。于是，在規(guī)定的破壞循環(huán)壽命下，可以根據(jù)下，可以根據(jù)不同的應(yīng)力比不同的應(yīng)力比R得到得到疲勞極限疲勞極限，畫出的疲勞極限曲線圖，簡稱，畫出的疲勞極限曲線圖，簡稱疲勞圖疲勞圖。 （1） a -m

26、圖圖(應(yīng)力幅應(yīng)力幅-平均應(yīng)力平均應(yīng)力) 圖圖3-14，其縱、橫坐標(biāo)分別代表，其縱、橫坐標(biāo)分別代表a和和m。曲線曲線ACB為疲勞極限圖限為疲勞極限圖限，即在曲線，即在曲線ACB以內(nèi)以內(nèi)的任意點，表示的任意點，表示不發(fā)生疲勞破壞不發(fā)生疲勞破壞；在這條曲線；在這條曲線以外以外的點，表示經(jīng)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后即的點，表示經(jīng)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后即發(fā)發(fā)生疲勞破壞生疲勞破壞。圖中。圖中A點點是是對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力下發(fā)生下發(fā)生疲勞破壞的臨界點，該點的縱坐標(biāo)值為對稱循疲勞破壞的臨界點，該點的縱坐標(biāo)值為對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限-1。B點點為為靜載強度靜載強度破壞破壞的點，其橫坐標(biāo)值為抗拉強

27、度的點，其橫坐標(biāo)值為抗拉強度b。 C點點，因，因OD=DC，又因，又因max =m +a，則則 ： 02ODDC0-脈動循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限的疲勞極限(2) max(min) -m圖圖 (3) max min圖圖 -自學(xué)自學(xué)mamaxmin0234應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍及其在及其在焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度研究中的疲勞強度研究中的作作用用 由于焊接結(jié)構(gòu)由于焊接結(jié)構(gòu)焊縫及其附近焊縫及其附近有有達到或接近屈服點達到或接近屈服點的的殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力，因此在，因此在接頭施加接頭施加常幅應(yīng)力循環(huán)常幅應(yīng)力循環(huán)，焊縫附近所承受的，焊縫附近所承受的實際循環(huán)應(yīng)力實際循環(huán)應(yīng)力將是由材料的屈將是由材料的屈服應(yīng)力服

28、應(yīng)力(或接近屈服應(yīng)力或接近屈服應(yīng)力)向下變化，而向下變化，而不管其原始作用的應(yīng)力比不管其原始作用的應(yīng)力比如何。如何。 例如：若例如：若名義應(yīng)力名義應(yīng)力循環(huán)為循環(huán)為+1到到-2 ，則其應(yīng)力范圍為，則其應(yīng)力范圍為1 +2 。但實際。但實際焊接接頭焊接接頭中的中的實際應(yīng)力實際應(yīng)力范圍將是由范圍將是由s變到變到s-(1 + 2 )。 這在研究焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度時很重要，它導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)這在研究焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度時很重要，它導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計疲勞強度設(shè)計規(guī)范規(guī)范以以應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍代替代替應(yīng)力比應(yīng)力比R。 名義應(yīng)力：名義應(yīng)力：是一種整體的等效應(yīng)力，并不是實際作用于結(jié)構(gòu)的局部的力。是一種整體的等效應(yīng)力，并

29、不是實際作用于結(jié)構(gòu)的局部的力。 例如：壓力下的例如：壓力下的蜂窩或泡沫結(jié)構(gòu)的材料蜂窩或泡沫結(jié)構(gòu)的材料，他們的，他們的名義應(yīng)力名義應(yīng)力等于力除以面積等于力除以面積（等效為連續(xù)體），但是（等效為連續(xù)體），但是實際結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力實際結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力應(yīng)該等于力除以應(yīng)該等于力除以截面上的材截面上的材料面積料面積。在有。在有應(yīng)力集中應(yīng)力集中的疲勞計算，的疲勞計算，實際應(yīng)力實際應(yīng)力則為則為名義應(yīng)力名義應(yīng)力應(yīng)力集中系應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)。 maxmin2a應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍：24應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍在焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度研究中的作用在焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度研究中的作用-續(xù)續(xù) （1）脈動循環(huán)載荷）脈動循環(huán)載荷R=0 (圖圖3-18a)

30、 假定材料的假定材料的屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力為為300MPa，其，其應(yīng)力范圍為應(yīng)力范圍為0100MPa，則其，則其實際應(yīng)力范實際應(yīng)力范圍圍上限值為屈服應(yīng)力上限值為屈服應(yīng)力300MPa，下限為，下限為300MPa-(100+0)MPa=200MPa，因此其，因此其實際應(yīng)力范圍實際應(yīng)力范圍為：為：200300MPa。 （2）交變循環(huán)載荷）交變循環(huán)載荷R=-l (圖圖b) 其其應(yīng)力范圍為應(yīng)力范圍為50MPa，同樣，其實，同樣，其實際應(yīng)力范圍上限仍為際應(yīng)力范圍上限仍為300MPa，下限為，下限為300-(50+50)=200MPa，因此，因此實際應(yīng)力范實際應(yīng)力范圍圍仍為：仍為：200300MPa。 這說明：

31、這說明：實際應(yīng)力范圍實際應(yīng)力范圍和與其相關(guān)的和與其相關(guān)的疲勞循環(huán)次數(shù)、疲勞強度疲勞循環(huán)次數(shù)、疲勞強度，只與，只與施加的應(yīng)施加的應(yīng)力范圍力范圍有關(guān)，而與最大、最小循環(huán)應(yīng)力值有關(guān)，而與最大、最小循環(huán)應(yīng)力值以及應(yīng)力以及應(yīng)力R比無關(guān)。即比無關(guān)。即焊接接頭焊接接頭的的疲勞性疲勞性能能只能用只能用應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍概念來表達。概念來表達。 注意：注意：在在沒有焊接殘余應(yīng)力沒有焊接殘余應(yīng)力存在時，例如對于消除應(yīng)力試樣，假如在試樣缺口尖端存在時，例如對于消除應(yīng)力試樣，假如在試樣缺口尖端的應(yīng)力也的應(yīng)力也低于屈服點低于屈服點，即，即未產(chǎn)生塑性變形未產(chǎn)生塑性變形，則，則名義應(yīng)力比名義應(yīng)力比R同樣也是同樣也是實際應(yīng)力循

32、環(huán)特實際應(yīng)力循環(huán)特征征，這時，這時應(yīng)力比應(yīng)力比R仍是決定試樣仍是決定試樣(構(gòu)件構(gòu)件)的疲勞強度重要參量。的疲勞強度重要參量。疲勞設(shè)計疲勞設(shè)計 對于承受對于承受疲勞載荷疲勞載荷的結(jié)構(gòu)，的結(jié)構(gòu)，疲勞設(shè)計疲勞設(shè)計是在對結(jié)構(gòu)是在對結(jié)構(gòu)進行進行強度設(shè)計強度設(shè)計并確定了各構(gòu)件并確定了各構(gòu)件截面尺寸和連接細(xì)節(jié)截面尺寸和連接細(xì)節(jié)后后,為了為了避免疲勞破壞避免疲勞破壞而需進行的工作。而需進行的工作。 實踐證明，實踐證明，正確的疲勞設(shè)計和制造正確的疲勞設(shè)計和制造是防止疲勞破壞的是防止疲勞破壞的最有效措施最有效措施。 疲勞設(shè)計方法有疲勞設(shè)計方法有容許應(yīng)力設(shè)計法容許應(yīng)力設(shè)計法、疲勞極限狀態(tài)疲勞極限狀態(tài)設(shè)計法設(shè)計法等。

33、等。 下面介紹兩種設(shè)計方法：下面介紹兩種設(shè)計方法： 1容許應(yīng)力容許應(yīng)力設(shè)計法設(shè)計法 2. 按按考慮細(xì)節(jié)類型考慮細(xì)節(jié)類型的焊接結(jié)構(gòu)的疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計設(shè)計 2526 它是把各種構(gòu)件和接頭的它是把各種構(gòu)件和接頭的試驗疲勞強度試驗疲勞強度除以除以一個一個安全系數(shù)安全系數(shù)(n1)作為作為容許容許應(yīng)力應(yīng)力 ，使，使設(shè)計載荷設(shè)計載荷引起的引起的最大應(yīng)力最大應(yīng)力容許應(yīng)力容許應(yīng)力。從而確定構(gòu)件。從而確定構(gòu)件斷面斷面尺寸尺寸的設(shè)計方法。的設(shè)計方法。 （1）常幅疲勞）常幅疲勞 常幅疲勞常幅疲勞是所有應(yīng)力循環(huán)的是所有應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍保持保持常量常量的疲勞的疲勞，按下式計算： 式中式中 對于對于焊接結(jié)

34、構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力范圍，應(yīng)力范圍 =max -min ； 對于對于非焊接結(jié)構(gòu)非焊接結(jié)構(gòu)為折算應(yīng)力范圍，為折算應(yīng)力范圍，=max - 0.7min； 容許應(yīng)力范圍容許應(yīng)力范圍(MPa)。 的計算的計算（根據(jù)表3-1的連接形式類別）： 式中 n 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)； C， 根據(jù)表3-2構(gòu)件和連接的類別，查表3-1確定的系數(shù)。 1容許應(yīng)力設(shè)計法容許應(yīng)力設(shè)計法/1nC(3-1)(3-2)查表3-1和表3-2，確定C，。2728 （2）變幅疲勞）變幅疲勞： 它是應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的它是應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍隨機變化隨機變化的疲勞。若能預(yù)測結(jié)構(gòu)在的疲勞。若能預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種荷載的頻率分布、應(yīng)力范圍水平以及

35、頻次分使用壽命期間各種荷載的頻率分布、應(yīng)力范圍水平以及頻次分布布總和總和所構(gòu)成的所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜設(shè)計應(yīng)力譜，可將其，可將其折算折算為為等效常幅疲勞等效常幅疲勞，按，按下式進行計算：下式進行計算： 式中式中 e變幅疲勞的等效應(yīng)力范圍變幅疲勞的等效應(yīng)力范圍，按下式確定：，按下式確定： 式中式中 ni以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命； ni預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力范圍水平達到預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力范圍水平達到i的的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 容許應(yīng)力范圍容許應(yīng)力范圍與常幅疲勞的與常幅疲勞的相同。相同。 1ieniine (3-4)極限狀態(tài)極限狀態(tài)設(shè)計法設(shè)計法 容許應(yīng)力設(shè)計方法

36、容許應(yīng)力設(shè)計方法是建立在大量的是建立在大量的試驗資料試驗資料和和多年經(jīng)驗多年經(jīng)驗基礎(chǔ)基礎(chǔ)上的設(shè)計方法，當(dāng)疲勞載荷引起的上的設(shè)計方法，當(dāng)疲勞載荷引起的應(yīng)力偏差很大應(yīng)力偏差很大時，她往往時，她往往是是不經(jīng)濟不經(jīng)濟的。目前工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計的的。目前工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計的總趨勢總趨勢是由是由容許應(yīng)力設(shè)容許應(yīng)力設(shè)計法計法向向極限狀態(tài)設(shè)計法極限狀態(tài)設(shè)計法過渡。過渡。 極限狀態(tài)設(shè)計法極限狀態(tài)設(shè)計法是以是以可靠理論可靠理論為基礎(chǔ)，把為基礎(chǔ)，把疲勞載荷疲勞載荷和各種和各種接頭的接頭的疲勞強度疲勞強度看作為按一定概率密度函數(shù)分布的看作為按一定概率密度函數(shù)分布的變量變量，根，根據(jù)這兩個變量的期望值和可能的變異性計算出結(jié)構(gòu)設(shè)

37、計壽命據(jù)這兩個變量的期望值和可能的變異性計算出結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命終止時的終止時的存活概率存活概率，據(jù)此來決定，據(jù)此來決定構(gòu)件的斷面尺寸構(gòu)件的斷面尺寸。 這種方法這種方法并不意味著并不意味著結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命終了時結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命終了時結(jié)構(gòu)立即報廢立即報廢，而，而是反映是反映結(jié)構(gòu)抗疲勞的安全水平結(jié)構(gòu)抗疲勞的安全水平。30 2. 按按考慮細(xì)節(jié)類型考慮細(xì)節(jié)類型的焊接結(jié)構(gòu)件及接頭的的焊接結(jié)構(gòu)件及接頭的疲勞強度設(shè)計曲線疲勞強度設(shè)計曲線進行循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的進行循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計設(shè)計 （1）疲勞強度設(shè)計曲線）疲勞強度設(shè)計曲線：一般的焊接結(jié)構(gòu)通常采用一般的焊接結(jié)構(gòu)通常采用細(xì)節(jié)分類法細(xì)節(jié)分類法進行疲進行疲勞評定。

38、勞評定。細(xì)節(jié)類型的劃分細(xì)節(jié)類型的劃分考慮考慮接頭的形式接頭的形式以及以及構(gòu)造細(xì)節(jié)構(gòu)造細(xì)節(jié)（局部應(yīng)力集中、受（局部應(yīng)力集中、受力方向、冶金效應(yīng)、殘余應(yīng)力、疲勞裂紋形狀力方向、冶金效應(yīng)、殘余應(yīng)力、疲勞裂紋形狀），在某些情況下還考慮，在某些情況下還考慮焊接焊接工藝和焊后的改進措施工藝和焊后的改進措施。 此處此處“疲勞強度疲勞強度” ：指給定一：指給定一定循環(huán)次數(shù)定循環(huán)次數(shù)(如如200萬次萬次)的的應(yīng)力應(yīng)力范圍范圍。疲勞級別疲勞級別FAT：它它指出在指出在200萬萬次次(2l06次次)循環(huán)次數(shù)下循環(huán)次數(shù)下特定的特定的疲勞強度疲勞強度。 如如S-N曲線的曲線的125表示其在表示其在2106循環(huán)次數(shù)下的以

39、循環(huán)次數(shù)下的以應(yīng)力范應(yīng)力范圍圍(最大最大-最小應(yīng)力之差最小應(yīng)力之差)表征表征的的疲勞強度為疲勞強度為125MPa，112則表則表示在相同應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下的疲示在相同應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下的疲勞強度為勞強度為112MPa等。等。31鋁結(jié)構(gòu)件鋁結(jié)構(gòu)件的疲勞強度的疲勞強度添加了添加了鋁合金鋁合金的不同接頭的的不同接頭的S-N曲線分類曲線分類(圖圖3-20)。各條。各條S-N曲線具有曲線具有相同相同的的m值值（即相同的斜率），（即相同的斜率），m與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系可用統(tǒng)一疲勞方程表與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系可用統(tǒng)一疲勞方程表示為：示為：式中，式中，C為常數(shù)，它決定為常數(shù)，它決定S-N曲線的位置。曲線的位置。 mCN

40、(3-5)32（2）細(xì)節(jié)類別）細(xì)節(jié)類別 具體的具體的不同鋼結(jié)構(gòu)件的不同鋼結(jié)構(gòu)件的FAT值值（見（見表表3-3 - P118頁頁）。）。表中表中FAT值是根據(jù)值是根據(jù)實驗研究實驗研究定出的，包括以下事實和影響：定出的，包括以下事實和影響： 焊接結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)：焊縫形狀所引起的：焊縫形狀所引起的局部應(yīng)力集中局部應(yīng)力集中；一定；一定范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的焊縫尺寸和形狀偏差焊縫尺寸和形狀偏差；應(yīng)力方向應(yīng)力方向；殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力；冶金狀冶金狀態(tài)態(tài)；焊接過程和隨后的焊縫改善處理焊接過程和隨后的焊縫改善處理。 如果構(gòu)件和接頭中還存在如果構(gòu)件和接頭中還存在其他原因其他原因所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的應(yīng)力集中應(yīng)力集中，

41、由，由于表于表3-3的的FAT并未考慮之，因此在并未考慮之，因此在疲勞載荷計算疲勞載荷計算中要中要乘以乘以該該應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)，或?qū)?yīng)的，或?qū)?yīng)的FAT值值除以除以該該應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)。333.4 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)在疲勞裂紋擴展研究中的應(yīng)用在疲勞裂紋擴展研究中的應(yīng)用 傳統(tǒng)傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計方法的疲勞設(shè)計方法：假定材料是：假定材料是無裂紋無裂紋的的連續(xù)體連續(xù)體，經(jīng)過一定，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，由于的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，由于疲勞累積損傷疲勞累積損傷而而形成裂紋形成裂紋，再經(jīng)，再經(jīng)裂裂紋擴展階段紋擴展階段直到直到斷裂斷裂。 常規(guī)的疲勞計算常規(guī)的疲勞計算就是在就是在疲勞試驗疲勞試驗的大

42、量統(tǒng)計結(jié)果上，獲得的大量統(tǒng)計結(jié)果上，獲得應(yīng)力應(yīng)力-壽命即壽命即S-N曲線曲線，然后在此基礎(chǔ)上利用，然后在此基礎(chǔ)上利用疲勞圖疲勞圖并給以一并給以一定的定的安全系數(shù)安全系數(shù)進行進行設(shè)計和選材設(shè)計和選材。 應(yīng)用斷裂力學(xué)應(yīng)用斷裂力學(xué)的疲勞設(shè)計方法的疲勞設(shè)計方法：實際構(gòu)件實際構(gòu)件由于各種原因由于各種原因(如焊如焊接、鑄造、鍛造等接、鑄造、鍛造等)往往不可避免地會產(chǎn)生各種往往不可避免地會產(chǎn)生各種缺陷及裂紋缺陷及裂紋。帶有裂紋的構(gòu)件，在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，裂紋可能帶有裂紋的構(gòu)件，在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，裂紋可能逐漸逐漸擴展擴展。 應(yīng)用斷裂力學(xué)應(yīng)用斷裂力學(xué)把疲勞設(shè)計建立在構(gòu)件把疲勞設(shè)計建立在構(gòu)件本身存在裂紋

43、本身存在裂紋這一這一客客觀事實觀事實的基礎(chǔ)上，按照裂紋在循環(huán)載荷下的的基礎(chǔ)上，按照裂紋在循環(huán)載荷下的擴展規(guī)律擴展規(guī)律，估算估算結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的壽命。壽命。這是保證構(gòu)件安全工作的重要途徑，同時也是這是保證構(gòu)件安全工作的重要途徑，同時也是對對傳統(tǒng)疲勞試驗和分析方法傳統(tǒng)疲勞試驗和分析方法的一個的一個重要補充和發(fā)展重要補充和發(fā)展。 343.4.1 裂紋的裂紋的亞臨界擴展亞臨界擴展 假若構(gòu)件承受一個假若構(gòu)件承受一個低于低于c但但又足夠大又足夠大的的循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力，那么，那么這個這個初始裂紋初始裂紋0便會發(fā)生便會發(fā)生緩緩慢擴展慢擴展，當(dāng)達到，當(dāng)達到臨界裂紋尺臨界裂紋尺寸寸c時，會使構(gòu)件發(fā)生時，會使構(gòu)件發(fā)生破

44、壞破壞。裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下，由裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下，由初始值初始值0到臨界值到臨界值c這一段這一段擴展過程就是疲勞裂紋的擴展過程就是疲勞裂紋的亞亞臨界擴展階段臨界擴展階段。圖3-22 亞臨界裂紋擴展與臨界裂紋尺寸0一個含有一個含有初始裂紋初始裂紋a0的構(gòu)件，當(dāng)承受的構(gòu)件，當(dāng)承受靜載荷靜載荷時，只有在應(yīng)力水平時，只有在應(yīng)力水平達到達到臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力c時時(圖圖3-22)，即：當(dāng)其裂紋尖端的，即：當(dāng)其裂紋尖端的應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子達到達到臨界值臨界值KIC(KC)時，才會發(fā)生時，才會發(fā)生失穩(wěn)破壞失穩(wěn)破壞。35疲勞裂紋疲勞裂紋擴展速率擴展速率 式中 K應(yīng)力強度因子范圍(K=Kmax-Kmin

45、)； KIC 應(yīng)力強度因子的臨界值； C、m由材料決定的常數(shù)； R平均應(yīng)力的應(yīng)力比。 疲勞裂紋擴展的疲勞裂紋擴展的壽命估算壽命估算00m0ddCNKCN）（mKCdNd)(KKRIC)1 (K)C(dNdmd)(100cmcKCKKR）（或帕瑞斯帕瑞斯（Paris）半經(jīng)驗定律半經(jīng)驗定律：應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子K既然能夠表示裂紋尖端的既然能夠表示裂紋尖端的應(yīng)力場強度應(yīng)力場強度，那么就可以認(rèn)為，那么就可以認(rèn)為K值是控制值是控制裂紋擴展速率裂紋擴展速率的重要參量。的重要參量。帕瑞斯帕瑞斯（Paris）規(guī)律公式：福爾曼福爾曼（Forman）修正公式：3.5 應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞 前面討論是在前面討論是在

46、應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)條件下裂紋在條件下裂紋在彈性區(qū)范圍彈性區(qū)范圍內(nèi)的擴展規(guī)律內(nèi)的擴展規(guī)律。這些規(guī)律的適用范圍是低應(yīng)力、高循環(huán)壽命、低擴展速率。這些規(guī)律的適用范圍是低應(yīng)力、高循環(huán)壽命、低擴展速率。在上述條件下獲得在上述條件下獲得dadN與與K之間的之間的指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系，反映金屬，反映金屬材料疲勞裂紋擴展的材料疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律一般規(guī)律。 -高周疲勞高周疲勞 但是，但是，指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律不能用來表征不能用來表征高應(yīng)變循環(huán)高應(yīng)變循環(huán)條件下的裂紋擴條件下的裂紋擴展規(guī)律。展規(guī)律。 -低周疲勞低周疲勞 3.5.1 應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán) 應(yīng)力循環(huán)疲勞應(yīng)力循環(huán)疲勞即即高周疲勞高周疲勞，它是控制，它是

47、控制應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍 ； 應(yīng)變循環(huán)疲勞應(yīng)變循環(huán)疲勞也稱為也稱為低周疲勞低周疲勞，它是控制，它是控制應(yīng)變范圍應(yīng)變范圍 。其中，其中，低周疲勞低周疲勞是材料在是材料在接近或超過其屈服點接近或超過其屈服點的循環(huán)應(yīng)力，經(jīng)的循環(huán)應(yīng)力，經(jīng)低于低于 次次塑性應(yīng)變循環(huán)塑性應(yīng)變循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞。而產(chǎn)生的疲勞。5103.5.1 應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)-續(xù)續(xù) 圖圖3-27為循環(huán)載荷條件下為循環(huán)載荷條件下可能發(fā)生可能發(fā)生的的應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)在關(guān)系。當(dāng)在完全完全彈性范圍彈性范圍內(nèi)變化時，如圖內(nèi)變化時，如圖 a；當(dāng)交變載荷；當(dāng)交變載荷包含塑性區(qū)包含塑性區(qū)時，圖時，圖b，在每個循環(huán)中應(yīng)力在每個循環(huán)中應(yīng)力-應(yīng)

48、變關(guān)系不再是線性的，而是按應(yīng)變關(guān)系不再是線性的，而是按滯后曲線滯后曲線BCDEB變化。變化。 是總應(yīng)力范圍，是總應(yīng)力范圍， 是是總應(yīng)變范圍總應(yīng)變范圍，它包括兩部，它包括兩部分：分：控制應(yīng)變控制應(yīng)變疲勞試驗可分為：疲勞試驗可分為：控制總應(yīng)變幅控制總應(yīng)變幅和和控制塑性應(yīng)控制塑性應(yīng)變幅變幅兩種。兩種。 一般認(rèn)為，一般認(rèn)為，塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅產(chǎn)生疲勞損傷。用產(chǎn)生疲勞損傷。用控制塑性控制塑性應(yīng)變幅應(yīng)變幅試驗所得的試驗數(shù)據(jù)試驗所得的試驗數(shù)據(jù)，更能揭示，更能揭示低周疲勞低周疲勞破壞的破壞的實質(zhì)。所以一般都采用實質(zhì)。所以一般都采用控制控制塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅。 ep 彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變3.5.

49、2 S-N曲線曲線 對對塑性材料塑性材料作一系列的作一系列的對稱循環(huán)試驗對稱循環(huán)試驗，用，用雙對數(shù)坐標(biāo)雙對數(shù)坐標(biāo)作作塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅 與與壽命壽命Nc關(guān)系曲線，得圖關(guān)系曲線，得圖3-28直線直線1。 在疲勞強度試驗中，因為在在疲勞強度試驗中，因為在彈性范圍彈性范圍內(nèi)，可以用內(nèi)，可以用-N直接表示。為了與直線直接表示。為了與直線相比較，將相比較，將應(yīng)力幅應(yīng)力幅 用用 的關(guān)系換成的關(guān)系換成應(yīng)變幅應(yīng)變幅，如圖中的，如圖中的直線直線2。 進一步分析，圖進一步分析，圖3-28曲線曲線1是是塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅與與NC的關(guān)系曲線，即的關(guān)系曲線，即低周疲勞低周疲勞的的S-N曲線；曲線；曲線曲線2是在是在

50、彈性范圍彈性范圍內(nèi)由應(yīng)力幅與內(nèi)由應(yīng)力幅與NC的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)化而來的，的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)化而來的，是是高周疲勞高周疲勞的的S-N曲線。這兩線的曲線。這兩線的交點交點P，表示，表示低周疲勞低周疲勞與與高周疲勞的分界高周疲勞的分界點點（過渡壽命點）。在（過渡壽命點）。在P點的點的右側(cè)右側(cè)，彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，在起主導(dǎo)作用，在P點的點的左側(cè)左側(cè)塑性塑性應(yīng)變應(yīng)變起主導(dǎo)?；蛘哒f，起主導(dǎo)?；蛘哒f，P點的右側(cè)為點的右側(cè)為高周疲勞區(qū)高周疲勞區(qū)，P點的左側(cè)是點的左側(cè)是低周疲勞區(qū)低周疲勞區(qū)。 圖圖3-28中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出曲線曲線3：總應(yīng)變幅總應(yīng)變幅2(彈性應(yīng)變幅彈性應(yīng)變幅與與塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變幅之

51、和幅之和)與與NC的關(guān)系。由圖可看出：在的關(guān)系。由圖可看出：在P點左側(cè)點左側(cè)，曲線，曲線3與與低周疲勞的直線低周疲勞的直線1逼近逼近；在在P點的右側(cè)點的右側(cè)，曲線，曲線3與與高周疲勞的直線高周疲勞的直線2逼近逼近。 當(dāng)材料當(dāng)材料強度強度提高時，提高時，P點左移；材料點左移；材料的的韌度韌度提高時，提高時，P點右移。點右移。a2p2eaE塑性彈性高周疲勞區(qū)低周疲勞區(qū)應(yīng)變疲勞壽命應(yīng)變疲勞壽命 低周疲勞低周疲勞的的科芬科芬-曼森曼森(coffin-Manson)公式：公式： 式中式中 塑性應(yīng)變范圍；塑性應(yīng)變范圍； Nc 材料達到疲勞斷裂時的循環(huán)數(shù)，即疲勞壽命；材料達到疲勞斷裂時的循環(huán)數(shù)，即疲勞壽命；

52、 材料的塑性指數(shù)，材料的塑性指數(shù)，=0.30.8； C與靜拉伸斷裂應(yīng)變有關(guān)的常數(shù)。與靜拉伸斷裂應(yīng)變有關(guān)的常數(shù)。 上式若參量上式若參量a及及C已知，能畫出材料的已知，能畫出材料的滯回線滯回線，由圖，由圖3-27b可求得可求得 ，即可得到，即可得到疲勞壽命疲勞壽命N。CNacp（3-13）pp403.6 影響影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素因素影響因素影響因素1.2.3.接接頭頭形形式式應(yīng)應(yīng)力力集集中中焊焊接接工工藝藝缺缺陷陷母母材材的的因因素素截截面面尺尺寸寸表表面面狀狀態(tài)態(tài)加加載載情情況況焊焊接接接接頭頭因因素素（近近縫縫區(qū)區(qū)金金屬屬性性能能變變化化）材材料料性性質(zhì)質(zhì)（低低碳碳鋼鋼

53、、高高強強度度鋼鋼等等）其其他他因因素素結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)尺尺寸寸（截截面面尺尺寸寸）3. 殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力的影響4.413.6.1 應(yīng)力集中應(yīng)力集中的影響的影響 不合理的設(shè)計不合理的設(shè)計、接頭形式接頭形式和焊接過程中產(chǎn)生的和焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷各種缺陷（未焊透、咬邊等）是產(chǎn)生（未焊透、咬邊等）是產(chǎn)生應(yīng)力集中應(yīng)力集中的主要原因。的主要原因。1. 各種接頭各種接頭對疲勞強度的影響對疲勞強度的影響（1）對接接頭）對接接頭 疲勞強度最高疲勞強度最高。因這種接因這種接頭頭形狀的變化形狀的變化程度較小，程度較小，應(yīng)力集應(yīng)力集中中系數(shù)系數(shù)最低最低。 其其疲勞強度疲勞強度主要取決于主要取決于焊縫焊縫向基本金

54、屬過渡的形狀向基本金屬過渡的形狀。過大的。過大的余高余高和過大的基本金屬與焊縫金和過大的基本金屬與焊縫金屬間的屬間的過渡角過渡角都會增加都會增加應(yīng)力集中應(yīng)力集中，使接頭的疲勞極限下降。，使接頭的疲勞極限下降。圖3-29 過渡角口以及過渡圓弧半徑R對 對接接頭疲勞極限的影響43機械加工機械加工對焊接接頭疲勞性能的影響對焊接接頭疲勞性能的影響 對焊縫表面進行對焊縫表面進行機械機械加工加工，應(yīng)力集中應(yīng)力集中程度程度大大大大降低降低，從而使對，從而使對接接頭的接接頭的疲勞極限相疲勞極限相應(yīng)提高應(yīng)提高。 但是這種表面機但是這種表面機械加工的械加工的成本很高成本很高，在在一般情況一般情況下，是下，是沒沒有

55、必要有必要的。的。尤其是帶有尤其是帶有嚴(yán)重缺陷嚴(yán)重缺陷和和不用封底焊不用封底焊的的焊縫焊縫，其，其缺陷處缺陷處或或焊縫根部焊縫根部的的應(yīng)力集中應(yīng)力集中要比要比焊縫表面焊縫表面嚴(yán)重得多嚴(yán)重得多。所以在這種情況下焊縫表面。所以在這種情況下焊縫表面的的機械加工沒有意義機械加工沒有意義。44 （2）T形和十字接頭形和十字接頭 在焊縫向基本金屬過渡處有在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化明顯的截面變化，其，其應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)比比對接接頭對接接頭的的高高。因此。因此疲勞極限疲勞極限低于低于對接接頭。對接接頭。 表表3-7結(jié)果表明：結(jié)果表明：不開坡口的十字接頭不開坡口的十字接頭由于在由于在焊縫根部

56、焊縫根部形形成嚴(yán)重的成嚴(yán)重的應(yīng)力集中應(yīng)力集中，破壞從，破壞從焊縫根部開始焊縫根部開始，破壞面破壞面通過通過焊縫焊縫，其其疲勞極限值最低疲勞極限值最低。 構(gòu)件構(gòu)件開坡口開坡口可以改善接頭中的應(yīng)力分布條件，可以改善接頭中的應(yīng)力分布條件，降低降低接頭中接頭中的的應(yīng)力集中應(yīng)力集中。這種接頭的疲勞極限值比不開坡口時高，破壞時。這種接頭的疲勞極限值比不開坡口時高，破壞時一般是由一般是由焊縫焊縫向基本金屬過渡處向基本金屬過渡處-焊趾部位焊趾部位開始。開始。 如果在焊趾部位處如果在焊趾部位處進行加工進行加工，使其為圓滑過渡，接頭的疲，使其為圓滑過渡，接頭的疲勞極限勞極限進一步提高進一步提高，并與基本金屬相當(dāng)。

57、，并與基本金屬相當(dāng)。（3）搭接接頭）搭接接頭 疲勞極限是疲勞極限是最低的最低的。僅有。僅有側(cè)面焊縫搭接接頭側(cè)面焊縫搭接接頭的疲勞極限的疲勞極限最最低低，只達到基本金屬的，只達到基本金屬的34。 注意：采用所謂注意：采用所謂“加強加強”蓋板蓋板的的對接接頭對接接頭是是極不合理極不合理的。的。原來疲勞極限較高的對接接頭被原來疲勞極限較高的對接接頭被大大削弱大大削弱。452焊接工藝缺陷焊接工藝缺陷對疲勞強度的影響對疲勞強度的影響 焊接時產(chǎn)生的焊接時產(chǎn)生的各種缺陷各種缺陷，將在構(gòu)件中引起很大的，將在構(gòu)件中引起很大的應(yīng)力集中應(yīng)力集中。在循環(huán)載荷下，有在循環(huán)載荷下，有缺陷的焊縫區(qū)缺陷的焊縫區(qū)常常是結(jié)構(gòu)破壞

58、的常常是結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)源地發(fā)源地。 各種缺陷各種缺陷對接頭疲勞強度影響：對接頭疲勞強度影響： （1）平面形狀缺陷平面形狀缺陷(如裂紋、未焊透如裂紋、未焊透)比比立體形狀缺陷立體形狀缺陷(如氣孔、夾如氣孔、夾 渣渣)影響大；影響大； （2）表面缺陷表面缺陷比比內(nèi)部缺陷內(nèi)部缺陷影響大；影響大； （3）與作用力方向垂直的平面狀缺陷與作用力方向垂直的平面狀缺陷的的影響比影響比不垂直不垂直方向的大；方向的大； （4）位于）位于殘余殘余拉應(yīng)力場拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷內(nèi)的缺陷比在比在殘殘余余壓應(yīng)力場壓應(yīng)力場內(nèi)的缺陷影響大；內(nèi)的缺陷影響大； （5）位于）位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊趾裂紋如焊趾裂紋)比在

59、比在均勻應(yīng)力場均勻應(yīng)力場中同樣缺陷的影響大。中同樣缺陷的影響大。 （6）隨著）隨著未焊透的增加未焊透的增加，疲勞極限迅速，疲勞極限迅速下降（圖下降（圖3-34）。）。46 典型的焊接缺陷，典型的焊接缺陷，A組的影響組的影響比比B組組的影響大。的影響大。 典型缺陷典型缺陷在在不同位置不同位置和和不同載荷不同載荷下對疲勞強度的影響下對疲勞強度的影響473.6.2 近縫區(qū)近縫區(qū)金屬性能變化金屬性能變化的影響的影響低碳鋼低碳鋼焊接接頭焊接接頭：（1）在在常用的熱輸入常用的熱輸入下焊接，下焊接，低碳鋼低碳鋼近縫區(qū)金屬近縫區(qū)金屬力學(xué)性能的力學(xué)性能的變化變化對接頭的疲勞強度對接頭的疲勞強度影響較小影響較小。

60、（2）只要在）只要在非常高的熱輸入非常高的熱輸入下下焊接焊接(在生產(chǎn)實際中很少采用在生產(chǎn)實際中很少采用)，才能使焊接熱影響區(qū)對應(yīng)力集中才能使焊接熱影響區(qū)對應(yīng)力集中的敏感性下降，其的敏感性下降，其疲勞極限疲勞極限可比可比母材高得多母材高得多。 (圖圖3-35)低合金鋼低合金鋼焊接接頭焊接接頭： 低合金鋼低合金鋼的情況比較復(fù)雜。在熱循環(huán)下，熱影響區(qū)的的情況比較復(fù)雜。在熱循環(huán)下，熱影響區(qū)的力學(xué)性能力學(xué)性能變化比低碳鋼大。變化比低碳鋼大。 試驗說明：試驗說明：低合金鋼低合金鋼的的化學(xué)成化學(xué)成分分、金相組織和力金相組織和力學(xué)性能學(xué)性能的的不一致性不一致性，在，在有應(yīng)力集中有應(yīng)力集中或或無應(yīng)力集中無應(yīng)力集