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(dòng)應(yīng)變的構(gòu)件中，一般說來，其最大應(yīng)力低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于材料的屈服點(diǎn)，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應(yīng)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(kuò)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(chǔ)上，利用斷裂力學(xué)原理著重分析疲勞裂紋的擴(kuò)展機(jī)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(shí)發(fā)生疲勞破壞傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)采用（

2、7-N曲線法確定疲勞強(qiáng)度。一、應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞1、應(yīng)力疲勞在低應(yīng)力、高循環(huán)、低擴(kuò)展速率的疲勞稱為應(yīng)力疲勞，也叫彈性疲勞。七特點(diǎn)是在應(yīng)力循環(huán)條件下，裂紋在彈性區(qū)內(nèi)擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展速率低。2、應(yīng)變疲勞在高應(yīng)力、低循環(huán)、高擴(kuò)展速率下的疲勞稱為應(yīng)變疲勞，也叫塑性疲勞。其特點(diǎn)是應(yīng)變幅值很高，最大應(yīng)變接近屈服應(yīng)變，故疲勞裂紋擴(kuò)展速率高（達(dá)每次循環(huán)10-2mm,壽命短（小于104周）。二、疲勞強(qiáng)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(yīng)力（T（crma為小于強(qiáng)度極限（Tb時(shí)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(dá)結(jié)構(gòu)破壞載荷6和所需加載次數(shù)N之間

3、的關(guān)系（t-N）即為烏勒（W?hler）疲勞曲線。（2）疲勞曲線在加載次數(shù)N很大時(shí)趨于水平，若以6一lgN表示則為兩段直線關(guān)系（3）圖示（略）2、疲勞強(qiáng)度（條件疲勞極限）（1）疲勞曲線上對應(yīng)于某一循環(huán)次數(shù)N的強(qiáng)度極限（7即為該循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度（7r）（2）（Tr=f（N）皿對應(yīng)（rmax,一般N<103、疲勞極限（1）結(jié)構(gòu)對應(yīng)于無限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的強(qiáng)度極限即疲勞極限（2）為（T-lgN疲勞圖中的水平漸近線三、應(yīng)力循環(huán)特性1、應(yīng)力循環(huán)中各參數(shù)及應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)(Tma應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力值，o-max=o-m+(ra6min應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力值，6min=6m-ao-m=(o-max+o

4、-min)/2-應(yīng)力循環(huán)中平均應(yīng)力值(ra=(6max-min)/2應(yīng)力循環(huán)中應(yīng)力振幅r=6min/max-應(yīng)力循環(huán)中應(yīng)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(qiáng)度(t-1(2) 脈動(dòng)載荷，r=0,疲勞強(qiáng)度(T0(3) 拉伸變載荷，0r1,疲勞強(qiáng)度(Tr拉伸變載荷(Tmin和max均為拉應(yīng)力，但大小不等，0丫1,其疲勞強(qiáng)度用r,腳標(biāo)丫用相應(yīng)的特性系數(shù)表示。圖5具有不同循環(huán)特征的變動(dòng)載荷四、疲勞強(qiáng)度表示法為了表達(dá)疲勞強(qiáng)度和循環(huán)特性之間關(guān)系，可繪出下列幾種形式的疲勞圖，從其圖中可得出各種循環(huán)特性下的疲勞強(qiáng)度，表示某種材料疲勞性能。1、疲勞圖概念表示在一定循環(huán)次數(shù)下疲勞強(qiáng)度

5、(7r與應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)r之間關(guān)系的曲線即疲勞圖，有四種表示法：0-maxr、o-max-o-m、ramaxmin。2、疲勞圖意義(1)工程上可用疲勞圖查找疲勞強(qiáng)度用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2)用于疲勞斷裂機(jī)理探討3、疲勞強(qiáng)度表示法已知應(yīng)力循環(huán)特性r要求會用疲勞圖求疲勞強(qiáng)度6r,并熟練掌握特殊循環(huán)特性的疲勞強(qiáng)度山、(70、(7-1。(1) 0-maxro-maxftr表示的疲勞圖(如圖6所示)，它能直榜的將o-maxftr的關(guān)系表示出來。(2) o-mao-m用(rmax和rm表示的疲勞圖如圖7所示，橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力o-m,縱坐標(biāo)表示應(yīng)力max和min,在與水平線成45角的方向繪一虛線，將振幅的數(shù)值a對

6、稱地繪在斜線兩側(cè)，兩曲線相交于C點(diǎn)表示振幅(ra=0,其疲勞強(qiáng)度為靜載強(qiáng)度(7b,線段ON表示對稱循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度(7-1,此時(shí)erm等于零，線段QN1表示脈動(dòng)循環(huán)時(shí)疲勞強(qiáng)度(700從該疲勞圖上可以用作圖法求出任何循環(huán)特性系數(shù)(r)下的疲勞強(qiáng)度，自0點(diǎn)作一與水平線成a角的直線，使tga=max/m=2o-max/(rmax+(Tmin)=2/(1+r)則直線與圖形上部曲線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是r循環(huán)特性下的疲勞強(qiáng)度err。(3) aamm用era和erm表小的疲勞圖如圖8所小。橫坐標(biāo)為erm縱坐標(biāo)為aa,曲線上各點(diǎn)疲勞強(qiáng)度(Tr=(Ta+(Tnr縱坐標(biāo)A交點(diǎn)為對稱循環(huán)時(shí)疲勞強(qiáng)度，橫坐標(biāo)B交點(diǎn)為靜載強(qiáng)

7、度erb,從0作45射線與曲線交點(diǎn)C表示脈動(dòng)循環(huán)，其疲勞強(qiáng)度(T0=(Ta+(Tm=2(ra=2(rm=若自0點(diǎn)作a角射線與曲線相交，并使tga=(Ta/(rm=(1-r)/(1+r),則交點(diǎn)的o-a+o-m=o-r,即為r時(shí)的疲勞強(qiáng)度。(4) o-maxo-min用max和min表示的疲勞圖如圖9所示，由原點(diǎn)0出發(fā)的每條射線代表一種循環(huán)特性，如原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)成45°的直線表示交變載荷，r=(rmim/(rmax=-1,它與曲線交于B點(diǎn)，BB1即為(t-1；向右與橫坐標(biāo)成45的直線表示靜載r=l,它與曲線交于D點(diǎn)DD1即為靜載強(qiáng)度(7b,而縱坐標(biāo)本身又表示脈動(dòng)載荷r=0,CC1即為

8、(70。圖6用bmax和r表示的疲勞圖圖7用bmax和(Tm表示的疲勞圖圖8用ba和bm表示的疲勞圖圖9用bmax和o-min表示的疲勞圖(5)實(shí)例圖10為max(Tmin疲勞圖應(yīng)用實(shí)例。該鋼種的靜載強(qiáng)度為60kgf/mm2(588Mpa),200萬次脈沖循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為3lkgf/mm2(304Mpa),而其交變載荷r=-1的疲勞強(qiáng)度為20kgf/mm2(196Mpa)。對于r=1/2疲勞強(qiáng)度，根據(jù)ADEC線的交點(diǎn)即可找出為42kgf/mm2等。同樣在圖上也可找出n=100萬次的各種循環(huán)特性的疲勞強(qiáng)度值。圖100-mak0-min疲勞圖圖3-1Laird-Smith模型§3-2疲勞

9、裂紋擴(kuò)展過程及疲勞破壞的基本特征一、疲勞裂紋擴(kuò)展過程整個(gè)疲勞斷裂過程分為三個(gè)階段：微裂紋產(chǎn)生一疲勞裂紋擴(kuò)展一斷裂1、初始微裂紋產(chǎn)生（1）位置：疲勞裂紋在應(yīng)力最高強(qiáng)度最低的基體上產(chǎn)生，焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋的時(shí)間很短。（2）標(biāo)準(zhǔn)：疲勞機(jī)理標(biāo)準(zhǔn)：電鏡1000?工程實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)：金相顯微鏡：10X2、穩(wěn)定擴(kuò)展階段（1）穩(wěn)定擴(kuò)展階段疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)間即認(rèn)為是結(jié)構(gòu)的使用壽命。（2）塑性鈍化模型：每經(jīng)過一次加載循環(huán)，疲勞裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化一鈍化一再銳化過程，裂紋擴(kuò)展一段距離，疲勞斷口表面產(chǎn)生一條輝紋（Laird-Smith模型）。a）未加載荷裂紋閉合形態(tài)；b）在加載段拉應(yīng)力作用下，裂紋張開，裂紋尖端兩個(gè)小切口使之

10、向45o角滑移；c）拉應(yīng)力達(dá)最大值時(shí)，裂紋因變形使應(yīng)力集中效應(yīng)消失，裂紋尖端滑移帶變寬，裂紋前端鈍化，呈半圓狀（即是所謂的泊松效應(yīng)），此時(shí)產(chǎn)生新的表面，裂紋向前擴(kuò)展；以上三個(gè)階段為塑性鈍化階段。d）去載拉應(yīng)力下降，沿滑移帶向相反方向滑移；e）加載后半周處于壓應(yīng)力，形成新表面被壓向裂紋平面，形成新的切口，結(jié)果造成新的疲勞紋，其間距為c,即為輝紋寬度，該理論認(rèn)為每一次循環(huán)加載，就產(chǎn)生一道輝紋。以上二個(gè)階段為塑性銳化階段。(3)該階段裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，擴(kuò)展速度較低，受溫度影響較小。3、失穩(wěn)擴(kuò)展階段(1)當(dāng)裂紋尺寸足夠大結(jié)構(gòu)有效受力截面小到不足以承受所加載荷時(shí)，即為斷裂階段。該階段可為延性斷裂也可為脆性斷

11、裂。(2)斷裂階段標(biāo)準(zhǔn)：承載構(gòu)件：不能再承受工作載荷壓力容器：產(chǎn)生泄漏二、疲勞破壞的基本特征1、疲勞破壞是經(jīng)多次交變載荷作用形成的，裂紋擴(kuò)展緩慢；2、結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力集中關(guān)系密切，對應(yīng)力集中十分敏感，與溫度的關(guān)系不大；3、疲勞破壞時(shí)變形小；4、疲勞破壞的斷口特征。(1)宏觀上有輻射狀的疲勞紋，呈“年輪狀”花樣，具輻射條紋的起點(diǎn)就是裂紋的起源點(diǎn)(2)微觀上有疲勞擴(kuò)展的輝紋，呈“海灘狀”花樣。(3)疲勞裂紋擴(kuò)展斷面為細(xì)晶區(qū)，較為平滑，由于空氣及介質(zhì)的氧化或腐蝕作用，使其顏色較深，而凸起部分則因擴(kuò)展過程的摩擦和擠壓作用逐漸被磨光,出現(xiàn)條紋(貝殼)狀的光滑表面，即所謂的“海灘狀”、“年輪狀”花樣。(

12、3)瞬時(shí)斷裂區(qū)為粗晶區(qū)，顏色較灰暗圖卜7必出短可察牧開始的值行覬閨5-導(dǎo)旗卿融1*總段的躥奴§3-3疲勞破壞的影響因素一、結(jié)構(gòu)構(gòu)造剛?cè)嵯酀?jì)重點(diǎn)注意提高結(jié)構(gòu)相互連接接頭的平滑、圓潤、柔韌程度。二、應(yīng)力集中的影響1、結(jié)構(gòu)表面形狀突然變化對接接頭對接接頭形狀變化不大，應(yīng)力集中比其他形式接頭小，一般焊縫余高過大、過渡角過大會使接頭疲勞強(qiáng)度下降。若保證焊透并使焊縫向母材平滑過渡或經(jīng)機(jī)械加工使其過渡平滑，則其疲勞強(qiáng)度可接近或達(dá)到母材強(qiáng)度。丁字和十字接頭丁字和十字接頭焊縫向母材基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)比對接接頭的高，因此其疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對接接頭。未開坡口的角焊縫的十字接頭，危

13、險(xiǎn)截面有兩個(gè)：母材與焊縫趾端交界處、焊縫根部。當(dāng)焊縫承受工作應(yīng)力（垂直于焊縫方向）時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫（a/S00.60.7）的薄弱環(huán)節(jié)或母材與焊縫趾端交界處（a/6>0.7）。適當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度最低，只達(dá)到基本金屬的34%o正面焊縫的焊腳為1:1、1:2、1:2（表面機(jī)加工）、1:3.8（表面機(jī)加工）的搭接接頭疲勞強(qiáng)度分別為基本金屬的40%、49%、51%和100%。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對接接頭是不合理的接頭形式，

14、試驗(yàn)結(jié)果表明，對接接頭加蓋板后疲勞強(qiáng)度只達(dá)到原對接接頭疲勞強(qiáng)度的一半。一般應(yīng)避免用搭接接頭，若必須采用搭接接頭時(shí)要保證焊縫比例（1:2）并經(jīng)機(jī)械加工使其過渡平滑。2、缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。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：位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷影響大。材料影響：缺陷對缺口敏感性強(qiáng)的材料的疲勞強(qiáng)度影響比

15、對一般缺口敏感性材料影響大，所以高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高而實(shí)際疲勞強(qiáng)度并沒有提高很多3、角變形和錯(cuò)邊的影響1）余高或角變形過大使熔合線的應(yīng)力集中增加，即局部應(yīng)力增大2）產(chǎn)生附加彎矩，出現(xiàn)彎曲應(yīng)力3）角變形或錯(cuò)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(kuò)展。在實(shí)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(qiáng)度。四、殘余應(yīng)力的影響1、 理論分析從（ra<rm的疲勞圖可以看出有殘余拉應(yīng)力（”>0）時(shí)，有：0-max=o-m+o-葉a當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力0-max到達(dá)（TS時(shí)，殘余應(yīng)力因應(yīng)力全面達(dá)到屈服而消除，所以當(dāng)erm達(dá)到一定數(shù)值（o-

16、m+o-a=o-s）,即應(yīng)力循環(huán)特性r>0時(shí)，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度將沒有影響；當(dāng)erm小于此值，應(yīng)力循環(huán)特性r<0時(shí)，則殘余拉應(yīng)力會使疲勞強(qiáng)度降低，（7m越小，內(nèi)應(yīng)力的影響愈顯著。2、 試驗(yàn)證明（1）光滑堆焊試件試驗(yàn)結(jié)果該種試件應(yīng)力集中較?。↘t?。┰嚰峡v向、橫向堆焊焊縫各一條，殘余拉應(yīng)力不同（依堆焊順序），先縱后橫（TX小，先橫后縱則（TX大，在對稱交變載荷下實(shí)驗(yàn)（r=-1）,殘余拉應(yīng)力（TR）越大則疲勞強(qiáng)度越低。（2）十字（對接加縱向堆焊）焊縫熱處理消應(yīng)力該種試件應(yīng)力集中較小（Kt小）在三種循環(huán)特性（r=-1、0、0.3）下分別對焊態(tài)試件和熱處理去應(yīng)力試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果平均

17、應(yīng)力低的試件（r<0）熱處理可提高疲勞強(qiáng)度，而平均應(yīng)力高的試件（r>0）熱處理反而使疲勞強(qiáng)度降低。（3）帶有縱向短筋板試件疲勞試驗(yàn)該種試件應(yīng)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(yīng)力試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明熱處理可明顯提高疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度提高越明顯。2、結(jié)論焊接接頭的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響與應(yīng)力集中情況（應(yīng)力集中系數(shù)Kt）、殘余應(yīng)力（7R）性質(zhì)及大小、應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r有關(guān)。Kt越大、（TR越大、r越?。ㄘ?fù)數(shù)），殘余應(yīng)力（7R）使疲勞強(qiáng)度降低越嚴(yán)重，這時(shí)可通過熱處理提高疲勞強(qiáng)度。若殘余應(yīng)力（7R）為壓應(yīng)力或應(yīng)力循環(huán)

18、特征系數(shù)r大且應(yīng)力集中系數(shù)Kt小則不需要熱處理消應(yīng)力。§3-4疲勞破壞的預(yù)防措施結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的最主要因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少應(yīng)力集中甚至比確定疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)力還重要。只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質(zhì)量良好時(shí)，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有較高的疲勞強(qiáng)度，一般可以采取下列措施：一、設(shè)計(jì)措施1、 整體設(shè)計(jì)時(shí)注意采用合理的結(jié)構(gòu)形式，分散集中載荷，減小應(yīng)力集中。關(guān)注要點(diǎn)：使焊縫易于施焊、焊縫間距離不能過近、避免焊縫交叉、不同厚度板對接時(shí)合理設(shè)計(jì)接頭形式、有角焊縫時(shí)合理選擇角（搭）接板（包括坡口）形狀、盡量使焊縫遠(yuǎn)離高工作應(yīng)力區(qū)、盡量使焊縫遠(yuǎn)離高應(yīng)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(xiǎn)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(yīng)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(yīng)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(xiǎn)性。接頭設(shè)計(jì)方案示