焊接接頭和結構的疲勞強度

1、焊接結構講義第6章 焊接接頭和結構的疲勞強度-12 -第6章焊接接頭和結構的疲勞強度§ 6-1 概述 定義結構在變動載荷下工作，雖然應力低于材料的但在較長時間工作后 仍發(fā)生斷裂的現(xiàn)象叫金屬的疲勞。疲勞斷裂金屬結構失效的一種主要形式，大量統(tǒng)計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構約占結構的 90%例如：直升飛機起落架，疲勞斷裂，裂紋從應力集中很高的角接板尖端開始，斷裂時飛機已起落 2118次。再如：載重汽車的縱梁的疲勞裂紋，該梁承受反復的彎曲應力，在角鋼和縱梁的焊接處，因應力集中很高而產生裂紋，開裂時該車運行3萬公里?？梢?，疲勞斷裂是在正常的工作應力作用下經較長時間后產生的， 也就是說疲勞

2、斷裂的結構是在應力低于許用應力的情況下產生的，這使 我們聯(lián)想到結構的低應力脆斷，疲勞和脆斷都是在低應力作用下產生的， 那么它們之間有什么相同點和不同點呢？二、疲勞和脆斷的比較疲勞和脆斷都是低應力情況下的破壞，那么它們之間有什么異同呢？相同點不同點疲勞脆斷低應力作用下破壞加載次數(shù)多次少次斷裂時變形很小裂紋擴展速率慢快斷裂都具有突然性，危害大溫度影響小大影響斷裂的因素大部分相同斷口疲勞輝紋結晶狀三、疲勞的類型根據(jù)構件所受應力的大小、應力交變頻率的高低，通?？梢园呀饘?的疲勞分為2類：一類為高速疲勞它是在應力低，應力交變頻率高的情況下產生的，也叫應力疲勞，即通常所說的疲勞；另一類為低周疲勞，它是在應

3、力高，工作應力近于或高于材料的屈服強度，應力交變頻率低斷裂時應力交變周次少（少于102105次）的情況下產生的疲勞，也叫應變疲勞。1、高速疲勞（應力疲勞）： 載荷?。☉π。?，頻率高，裂紋擴展 速率小。2、低周疲勞（應變疲勞）： 應力高，頻率低，裂紋擴展速率大。焊接結構的疲勞破壞大部分屬于第二類：低周疲勞。§ 6-2 疲勞限的常用表示方法 一變動載荷（掌握0max、omix、om、r概念）金屬的疲勞是在變動載荷下經過一定的循環(huán)周次后出現(xiàn)的，所以要 首先了解變動載荷的性質。變動載荷是指載荷的大小、方向或大小和方向都隨時間發(fā)生周期性 變化（或無規(guī)則變化）的一類載荷。變動載荷的變化是如此的

4、不同，那么該怎樣來描述它的特性呢？除 了無規(guī)則的變動載荷外，變動載荷的特性可用下列幾個參量表示：仃 max : 應力循環(huán)內的最大應力min ：應力循環(huán)內的最小應力下面介紹幾種典型的具有特殊 循環(huán)特性的變動載荷：國84疲勞試驗中的載荷參數(shù)二 m = （ : max + 二 min ）12 :平均應力 aa = （ ° max- ° min ） /2 :應力幅值 r =二 mix /二 max :應力循環(huán)特征系數(shù), r的變化范圍是oo+l1、對稱交變載荷應力波形如圖，由圖可見：這種變動載荷的仃min = 二 max應力循環(huán)特征系數(shù)r = 1。o'max、bmin、平均應

5、力 m = 0 ,應力幅值 a =二max2、脈動載荷應力波形如圖，由圖可見：仃min =0 r = 0； 仃max、仃min ;平均應力；：,m與應力幅值相等，都等于- max /2 m = ra =0 max /23、拉伸變載荷crmax> min均為拉應力，但大小不等，0 < r < 1由圖可見：crmax、amin、cm、 aa 由上面幾個波形圖中我們可以看出這 樣一個關系，即：仃max =仃m +仃a ；圖5-9具有不同循環(huán)梏征的交 動載荷仃min =仃m 仃a因此我們可以把任何變動載荷看作是某個不變的平均應力，也就是 靜載恒定部分和應力幅值即交變應力部分的組合。二

6、、疲勞強度和疲勞極限1、疲勞曲線（疲勞強度和疲勞極限）在金屬構件的實際應用中，如果載荷的數(shù)值和方向變化頻繁時，即 使載荷的數(shù)值比靜載強度小得多，甚至比材料的屈服強度小的多構件仍 可能破壞，破壞前載荷的循環(huán)次數(shù)與變動載荷的大小和特性是有關系的，N和仃及r有關，這個關系通常用疲勞曲線來描述。多年來，人們對疲勞的研究發(fā)現(xiàn)，金屬承受的最大交變應力0max越大,髓阡歡芭入則斷裂時應力交變的次數(shù)N越少，即：仃max T N J ,反之 mmax J N T , 對試樣用不同載荷進行反復多次加載試 驗，即可測得在不同載荷下使試樣破壞所需 要的加載循環(huán)次數(shù) N,將破壞應力與加載循 環(huán)次數(shù)N之間的關系繪成曲線就

7、叫疲勞曲 線。如圖：該曲線的意義是：構件在變動載荷著用下所能承受的最大應力循環(huán) 次數(shù)，或：與各循環(huán)次數(shù)相對應的不破壞的最大應力。疲勞曲線隨著應力循環(huán)次數(shù) N的增大而降低，當N很大時曲線趨于 水平。曲線上對應于某一應力循環(huán)次數(shù) N的不破壞的最大應力為該循環(huán) 次數(shù)下的疲勞強度；曲線的水平漸近線為疲勞極限。 、/、4、1、廣 注息：疲勞強度是與循環(huán)次數(shù)N相關的破壞應力；疲勞極限是與循環(huán)次數(shù) N無關的，也就是說構件經無限多次應力循 環(huán)而不破壞的最大應力。通常在構件的疲勞設計中，出于減輕重量及經濟性考慮，并不把構 件設計成永不破壞的，而是根據(jù)使用年限得出循環(huán)次數(shù)N,再根據(jù)循環(huán)次數(shù)N和疲勞強度來設計構件。

8、但是有些構件如：核電站，一經使用中途是不能停下來更換零部件 的，這時就因根據(jù)永不破壞的原則，按疲勞極限來設計。疲勞極限與疲 勞強度的區(qū)別就在于疲勞強度是進行有限壽命設計時使用的，而疲勞極 限是進行無限壽命設計時使用的。陽曲號英型能處曲履行 期接材科 b）都看一卷材科鄴牛告合等1由于疲勞斷裂時的循環(huán)周次很多，所以疲勞曲線的 橫坐標通常取對數(shù)坐標，如 右圖：不同材料的疲勞曲線形狀不同，大致可分為 2 類，一類是具有應變時效現(xiàn)象的合金，如常溫下的鋼鐵材料，其疲勞曲線就是我們上面所講的，曲 線上有明顯的水平部分，疲勞極限有明顯的物理意義，即：無限多應力 循環(huán)不破壞的最大應力。而對于沒有應變時效現(xiàn)象的金

9、屬合金，如部分有色金屬合金，在高 溫下或腐蝕介質中工作的鋼，它們的疲勞曲線上沒有水平部分，如右圖： 這時就規(guī)定某一 No值所對應的應力作為“條件疲勞極限”或“有限疲勞 極限”，No稱為循環(huán)基數(shù)，對于實際構件來講，No值是根據(jù)構件的工作條件和使用壽命來定的。2、疲勞圖上面講的疲勞曲線是對應于某一應力循環(huán)特征系數(shù) r測定的，當改 變時，曲線上各數(shù)值的大小也將改變。實驗發(fā)現(xiàn)在最大應力相同的情況下，應力循環(huán)的不對稱度越大，即 平均應力越高（rT、仃mT）,金屬斷裂前所能承受的應力循環(huán)次數(shù)越多。 即：amax相叵I日寸，DmTNT ,這是因為0' m T使得仃a J這是因為材料的疲勞損傷（不均勻

10、滑移）是由交變應力長期作用形 成的，應力循環(huán)不對稱度越大也就是r越大，就表示應力交變幅度占最大 應力的比例越小，疲勞損傷就小，因此達到斷裂時的應力循環(huán)次數(shù)就多。 疲勞壽命就長?？梢姴牧系钠趶姸扰c應力循環(huán)特征系數(shù) r、平均應力仃m都有關系, 但是我們怎樣表示這個關系呢？表示這個關系的最常用的方法就是疲勞 圖，從疲勞圖中我們可以得出各種循環(huán)特性下的疲勞強度，疲勞圖常用 的主要有以下幾種：（1）用。max與r表示的疲勞圖它直接反映Qmax與r關系，可以明確的看/出r上升，疲勞強度也上升，疲勞強度用 仃rF表示，角標r表示0 r是對應于該應力特征循T ' ° 旬一環(huán)系數(shù)下的疲勞強度

11、。用"，F(xiàn) . 1. I.的從圖中我們可以看出：對稱交變載荷下的疲勞強度仃-1、脈動循環(huán)下的疲勞強度仃°。當r=1時是靜載強度。(2)用仃max與口 m表示的疲勞圖(已知r如何求果)此圖以。max和。mix為縱坐標，m為橫坐標，過原點作一直線與坐標 軸成45度角，再將震幅的數(shù)值對稱地繪再該斜線的的上下兩側，則該斜 線及上下線所表示的應力為平均應力及在其上疊加的對稱交變應力。當仃m =0時，表示對稱應力循環(huán)，故縱軸上 ON表示仃-1； 線段O / N/表示脈動循環(huán)時的疲勞強度 仃0 ;當仃m =a b時，相當于靜拉伸強度, 故仃a = 0 。該疲勞圖告訴我們，在不同的 平均應

12、力%下，材料所能承受的 最大交變應力仃max及應力幅值仃a, 它直接表示的是疲勞強度二與平 均應力：m的關系，也就是說已知 平均應力仃m,就可以從該圖上求得 二r。這時材料已不能再承受交變應力,圖89用和表示的疲勞圖用作圖法，自0點作一與水平線成口角的直線，角根據(jù)下式確定:tg 二二 2 二max 二 J max-0-1mmax mix但是如果我們知道 r怎樣求 二r,也就是說怎樣從該圖上求某種 循環(huán)系數(shù)r下的疲勞強度呢？可武漢理工大學金屬成型加工系姜劍寧2019/3/12第-18 -頁該直線與圖形上部曲線的交點的縱坐標就是該r下的疲勞強度。,(3)用仃a與。m表示的疲勞圖(已知 r如何求仃r

13、)圖用".和。吊表示的疲勞圖圖中橫坐標為平均應力m m, 縱坐標為應力幅值仃a,曲線上各 點的疲勞強度% =。m +。a ,使用 時只要知道平均應力 二m查出對 應的應力幅值仃a,或已知應力幅 值仃a,查出對應的平均應力am, 把它們的縱橫坐標加起來就是疲 勞強度。r。曲線與縱軸交點A的縱坐標 就是對稱循環(huán)的疲勞強度仃-1,曲線與橫軸交點B的橫坐標就是靜載強度仃b,此時仃a = 0、r = 1。若僅僅已知循環(huán)特征系數(shù)r,怎樣求疲勞強度呢？仍然用作圖法，自 。點作一與水平軸成口角的直線與曲線相交，并使口角滿足下式：1 一二 mix二 atg 二二m_ - max - - mix _-

14、max _ 1 - rmax 1 mix , 、- mix1 ' r二 max則交點的縱橫坐標之和仃m +仃a =。.，即為循環(huán)系數(shù)為r時的疲勞強度 二r。例如：求脈動循環(huán)r=0的疲勞強度，把r=0代入上式，得tg% = 1、 % =450 ,所以過原點作一條45°的射線，與曲線相交，交點的縱橫坐標 之和就是脈動循環(huán)的疲勞強度。(4)用仃max與仃mix表示的疲勞圖(已知 r如何求。r)圖中縱坐標表示循環(huán)中的最大應力 仃max,橫坐標表示最小應力仃mix 由原點發(fā)出的每一條射線代表一種循環(huán)特性，因為這些射線的斜率的倒數(shù)就是應力循環(huán)特征系數(shù)r （=仃mix 例如：由原點向左與橫

15、軸傾斜45°的直線，其斜率的倒數(shù)為負1, 即r=-1 ,所以它表示交變載荷， 它與曲線交點B的縱坐標BB即為 交變載荷的疲勞強度仃-1。向右與橫軸傾斜45°的直線，其斜率的倒數(shù)為1,即r=1 ,所以 它表示靜載情況，它與曲線交于D 點，則DD即為靜載強度?？v軸本身又表示脈動載荷 r=0 , CC即為仃0。§ 5-3 疲勞斷裂過程和斷口特征一、裂紋核心的形成二、疲勞裂紋的擴展三、斷口特征§ 5-4 焊接接頭的疲勞強度計算（教材162頁）§ 5-5 斷裂力學在疲勞裂紋擴展中的應用一、疲勞裂紋擴展速率疲勞裂紋擴展速率：da/dn=f （。、a、C）P

16、aris公式、Morman公式、華格公式 門檻值 Kth :疲勞裂紋不擴展的臨界值。二、疲勞壽命估計（了解）§ 5-6影響焊接接頭疲勞強度的因素影響基本金屬疲勞強度的因素同樣對焊接結構的疲勞強度有影響， 此外焊接結構本身的一些特點也會對結構的疲勞強度產生影響，下面我 們分別探討一下。一、應力集中的影響（對接接頭，十字接頭，搭接接頭）應力集中的大小不同、產生原因不同對疲勞強度的影響程度也不同對接焊縫：對接焊縫由于形狀變化不大，應力集中 比其它接頭形式要小，雖然如此，但要注意:加厚高上升，疲勞強度下降。r ；焊縫向母材的過渡角上升，疲勞強度下降 。r；過渡圓弧半徑上升，疲勞強度上升仃r

17、T機械加工焊縫表面， 應力集中下降，疲勞強度上升 仃rT。但無封底焊或有嚴重缺陷的機械加工無意義。十字接頭：十字接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應力 集中要比對接接頭大，因此疲勞強度遠低于對接接頭，增大焊角只能有限的提高疲勞強度 仃r f合金鋼對應力集中敏感，所以采用合金鋼對提高疲勞強度沒有優(yōu)越 性。十字接頭提高疲勞強度的措施：1）開坡口焊接；2）加工焊縫過渡區(qū)，使之圓滑過渡。搭接接頭搭接接頭的疲勞強度是很低的，實驗表明：側面焊縫，c-r最低，34%正面焊縫，焊角1: 1 , j略有提高。40%正面焊縫，焊角1: 2,r 1： 1 ,效果不大。 49%機械加工，效果也不顯著，

18、57%正面焊縫，焊角1:3.8蓋板加厚一倍，并機械加工，。r最高，100% 這時已失去搭接接頭簡單易行的特點。加蓋板的對接接頭極不合理，蓋板幫倒忙。49%100%圖6-W低碳鋼搭接接頭的疲勞強度對比二、近縫區(qū)金屬性能變化的影響低碳鋼近縫區(qū)性能變化對疲勞強度影響較小，低合金鋼近縫區(qū)性能 變化對疲勞強度影響不大，對高強鋼若用高組配接頭，則無影響；若用低組配接頭，則取決于夾層厚度。當h/d>0.75時接頭的疲勞強度取決與軟層的，比母材低；當h/d<0.75時接頭的疲勞強度仃.隨比值h/d的減小而提高。三、殘余應力的影響對沒有內應力的結構施加一個變動載荷，那么這個載荷在構件內部 產生的應力

19、波形圖是這樣的：圖 6-38 a 。密6-3«用接那為對應力循環(huán)的期響如果這個結構內部預先有一個拉伸應力的話，那么這個變動載荷產 生的應力波形就必須疊加在這個正的內應力之上，構件內部的應力波形 圖將變?yōu)檫@樣的，圖6-38 b 。最大應力和平均應力都有所上升，這個變 化將對結構的疲勞強度產生什么影響呢?表示的疲勞圖來分析這一變化,讓我們通過仃m和仃圖中曲線ACB表示不同平均 應力時的極限應力振幅。a,當構件 中應力振幅大于極限幅值時，將發(fā) 生疲勞破壞，小于極限幅值則是安 全的。當結構沒有內應力時，它承受 載荷的平均應力為仃m,與此對應 的極限應力幅值為二a。當結構中存在正的內應力時，

20、它和外載荷疊加，使結構的平均應 力提高到。ml,這時從疲勞圖中可 以看出，起極限應力幅值二a降低 了，構件的疲勞強度也隨之降低。當結構中存在負的內應力時，它將使整個應力循環(huán)降低，平均應力 也降到仃m2 ,在疲勞圖上其對應的極限應力幅值將增加到 仃a2 ,構件的 疲勞強度也隨之提高。在上述分析中沒有考慮內應力在載荷作用下的變化，實際上當應力循環(huán)中的最大應力。max達到。s時，亦即仃m與a a之和達到。s時，內應力將因全面屈服而消除，為了考慮這一因素，在 仃m和仃a表示的疲勞圖 中作出仃m +仃a =仃s的軌跡線，也就是與兩個坐標的截距都是 仃s的直 線，該直線與極限應力幅值二- a曲線相交于C點

21、，在此直線之上，所有點 的仃m與a a之和均達到仃s ,因此，當外加變動載荷的平均應力大于等于 C點所對應的數(shù)值時，那么該變動載荷的最大應力。max =。m +仃a必然大 于等于材料的 圻s ,這時內應力將全面消除。所以平均應力大于C點的變動載荷，在最初的幾次循環(huán)中就將消除 殘余應力，因此在這種情況下，內應力對結構的疲勞強度沒有影響。當平均應力小于C點數(shù)值時，仃m越小則加卸載過程中殘余應力消除 的也就越少，所以內應力的影響也就越顯著。最后的結論是拉伸殘余應力降低疲勞強度；壓縮殘余應力提高疲勞 強度；變動載荷的仃m大于C點應力時殘余應力對結構的疲勞強度沒有影 響。小于C點數(shù)值時，圻m越小，內應力

22、的影響也就越顯著。以上是內應力影響。的理論分析，下面再用幾個具體的試驗數(shù)據(jù)來 高，殘余應力大的，二低。說明焊接殘余應力對仃r的影響。 用2組焊接試件做疲勞試驗；A組：先焊縱縫，后焊橫縫，B組： 先焊橫縫，后焊縱縫， 實驗結果見圖6-39, A組的二-r殘余應力小 仃r高殘余應力大仃r低>B組的仃r,可見殘余應力小的，仃r利用不同坤核次序滿整試嶂瑞展應力的偵勞驕度對比出題結果該實驗由于沒有采用熱處理消除內應力，排除了熱處理對材料性能 的影響，比較明確的說明了內應力的作用。四、焊接缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度有很大的影響，影響程度與缺陷的種類，尺寸, 方向，所在位置有關。片狀缺陷比圓角的影響

23、大；表面缺陷比內部的影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷比其他方向的影響大；拉應力場中的缺陷比壓應力場中的影響大；應力集中區(qū)的缺陷比均勻應力場中的影響大。§ 5-7提高接頭疲勞強度的措施 一、降低應力集中1、采用合理的結構形式，減少應力集中(圖6-46)(1)避免三向交叉焊縫(2)焊縫離開受力最大的位置(3)不用單邊角焊縫(4)盡量減少剛度(5)尖角改圓角(6)不用加蓋板對接(7)采用中間夾板用間斷焊和塞焊代替連續(xù)焊2、盡量采用對接接頭(1)采用復合結構把角焊縫改為對接焊縫(圖 6-47,圖6-48);(2)注意：對接焊縫只有在截面沒有突然改變的情況下傳力才是合 理的。不合理的對接焊縫實例，(圖6-49)推停力求津曼(3)機械打磨焊縫過渡區(qū)是可采用的方法，但應順著力線的方向, 垂直力