焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂

1、Chapter 5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂 本章內(nèi)容本章內(nèi)容：1.焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的分類及危害 2.焊接疲勞斷裂的特征 3.焊接結(jié)構(gòu)疲勞的原因及影響因素 4.焊接結(jié)構(gòu)疲勞的防治措施l 疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。大量統(tǒng)計(jì)資料表明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90%。l 疲勞斷裂和脆性斷裂從性質(zhì)到形式都不一樣。兩者比較，斷裂時(shí)的變形都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載；結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢的，有時(shí)需要長達(dá)數(shù)年時(shí)間。l 此外，脆斷受溫度的影響特別顯著，隨著溫度的降低，脆斷的危險(xiǎn)性迅速增加，但疲勞強(qiáng)度卻受溫度的影響比較小。一、疲勞斷裂示

2、例l 1、疲勞斷裂的示例：l 疲勞事故最早發(fā)生在 19 世紀(jì)初期。疲勞一般從應(yīng)力集中開始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞又往往是從焊接接頭處產(chǎn)生，下圖 是幾個(gè)典型的焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例。l 下圖為直升飛機(jī)起落架的疲勞斷裂圖，裂紋是從應(yīng)力集中很高的角接板尖端開始，該機(jī)飛行著陸2118次后發(fā)生破壞，屬于低周疲勞。l 下圖為載貨汽車底架縱梁的疲勞斷裂，該梁板厚5mm，承受反復(fù)的彎曲應(yīng)力，在角鋼和縱梁的焊接處，因應(yīng)力集中很高而產(chǎn)生裂紋，該車破壞時(shí)已運(yùn)行30000Km。l 下圖表示空氣壓縮機(jī)法蘭盤和管道連接處，因采用應(yīng)力集中系數(shù)很高的角焊縫而導(dǎo)致疲勞斷裂，改為應(yīng)力集中較小的對接焊縫后，疲勞斷裂事故大大減少。l 下圖水

3、壓機(jī)疲勞斷裂事例，很明顯，疲勞裂紋是從設(shè)計(jì)不良的焊接接頭的應(yīng)力集中點(diǎn)產(chǎn)生的。l 焊接結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)（如鉚接結(jié)構(gòu)）更容易產(chǎn)生疲勞斷裂，這是因?yàn)椋簂 1）鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋發(fā)展遇到釘孔或板層間隔會受阻，焊接結(jié)構(gòu)由于其整體性，一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展不受阻止，直至整個(gè)構(gòu)件斷裂。 l2）焊接連接不可避免地存在著產(chǎn)生應(yīng)力集中的夾渣、氣孔、咬邊等缺陷。l3）焊縫區(qū)存在著很大的殘余拉應(yīng)力。 minmin002mr maxmax002mrminmax10mr 火車軸（彎曲）火車軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）曲軸（扭轉(zhuǎn)）齒輪齒根齒輪齒根（彎曲）（彎曲）球軸承球軸承（壓縮）（壓縮）00mr連桿連桿（小拉大壓）（小拉大壓）0

4、10mr缸蓋螺釘缸蓋螺釘（大拉小拉）（大拉小拉）00mr連桿連桿（小拉大壓）（小拉大壓）二、疲勞斷裂概念l2.疲勞破壞的概念疲勞破壞的概念 l 鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，其應(yīng)力雖然沒有達(dá)到抗拉強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度時(shí)，也可能發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。鋼材在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的脆性斷裂脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。 PPPP折鐵絲折鐵絲三、疲勞極限l3疲勞極限疲勞極限l 金屬材料可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限（強(qiáng)度）疲勞極限（強(qiáng)度）。它反映材料抗疲勞斷裂的能力，在一定條件下，當(dāng)應(yīng)力的最大值低于某一定值時(shí)，材料可

5、能經(jīng)受無限次循環(huán)仍然不會發(fā)生疲勞斷裂。這個(gè)最大應(yīng)力值，就叫金屬材料的疲勞強(qiáng)度。l 循環(huán)應(yīng)力只要不超過某個(gè)循環(huán)應(yīng)力只要不超過某個(gè)“最大限度最大限度”, ,構(gòu)件就可以構(gòu)件就可以經(jīng)歷無數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，這個(gè)限度值稱為經(jīng)歷無數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，這個(gè)限度值稱為“疲疲勞極限勞極限”，l鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:l -1 = (0.450.55)bl條件疲勞極限：鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 107 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 108 8陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；金屬材料疲勞強(qiáng)度較高；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好

6、的抗疲勞性能。四、疲勞斷裂的類型l低周疲勞的特點(diǎn) 1、局部產(chǎn)生宏觀變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈非線性。 2、裂紋成核期短，有多個(gè)裂紋源。 3、斷口呈韌窩狀、輪胎花樣狀。 4、疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅。l多數(shù)零件按疲勞極限進(jìn)行設(shè)計(jì)；l有些零件承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)高于疲勞極限，用過載持久值進(jìn)行設(shè)計(jì)。l低周疲勞 N105l2、熱疲勞。工作過程中，受反復(fù)加熱和冷卻的元件，在反復(fù)加熱和冷卻的交變溫度下，元件內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，由于熱應(yīng)力反復(fù)作用而產(chǎn)生的破壞稱為熱疲勞。l例如，某電廠水冷壁下的集箱（15鋼）在長期運(yùn)行中受熱不均勻經(jīng)受較大的交變熱應(yīng)力，致使集箱產(chǎn)生熱疲勞破壞。l 1、基本概念 在循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作

7、用下，產(chǎn)生的疲勞稱為熱疲勞。l 熱疲勞屬低周疲勞（周期短；明顯塑性變形）。l 由溫度和機(jī)械應(yīng)力疊加引起的疲勞，稱為熱機(jī)械疲勞。l 2、熱應(yīng)力的產(chǎn)生 外部約束 不讓材料自由膨脹； 內(nèi)部約束 溫度梯度，相互約束，產(chǎn)生熱應(yīng)力。 熱應(yīng)變 導(dǎo)致裂紋的萌生，擴(kuò)展。l 3、衡量標(biāo)準(zhǔn) 一定溫度幅，產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)。l 4、提高熱疲勞壽命的途徑 材料 減小熱膨脹系數(shù)，提高，均勻性，高溫強(qiáng)度。 工件狀況 減小應(yīng)力集中。 使用 減小熱沖擊。l 3、接觸疲勞l 1、基本概念 對偶件（如軸承、齒輪等）在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，而在材料表面產(chǎn)生的疲勞損傷。 形貌：點(diǎn)蝕，淺層剝落和深層剝落。 （軸承、齒輪表

8、面、鋼軌等） 接觸疲勞曲線兩種 接N，接1/N。l 2、接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力） 兩物體接觸，表面上產(chǎn)生局部的壓應(yīng)力，稱為接觸應(yīng)力。 接觸處的接觸應(yīng)力為三向壓應(yīng)力。l 3、接觸疲勞破壞方式l （1）麻點(diǎn)剝落 局部塑性變形，產(chǎn)生裂紋、擴(kuò)展（滑移帶開裂） 潤滑劑氣蝕（高壓沖擊波） 剝落下一塊金屬而形成一凹坑l （2）淺層剝落 最大切應(yīng)力處，塑化變形最劇烈，非金屬夾雜物附近萌生裂紋。 表層、次表層產(chǎn)生了加工硬化。l （3）深層剝落 過渡區(qū)是薄弱區(qū)，萌生裂紋，先平行于表面擴(kuò)展，后垂直于表面擴(kuò)展，最后形成大的剝落坑。五、載荷的概念l 所謂靜荷載所謂靜荷載是指由零緩慢地增加到某一定值后保持不是指由零緩慢地增加

9、到某一定值后保持不變或變動很小的荷載。構(gòu)件受靜荷載作用時(shí)，體內(nèi)各點(diǎn)沒變或變動很小的荷載。構(gòu)件受靜荷載作用時(shí)，體內(nèi)各點(diǎn)沒有加速度，或加速度很小可忽略不計(jì)，此時(shí)構(gòu)件處于靜止有加速度，或加速度很小可忽略不計(jì)，此時(shí)構(gòu)件處于靜止或勻速直線運(yùn)動的平衡狀態(tài)?；騽蛩僦本€運(yùn)動的平衡狀態(tài)。l 在靜荷載作用下，構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力稱為在靜荷載作用下，構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力靜應(yīng)力。l 相反，若構(gòu)件在荷載作用下，體內(nèi)各點(diǎn)有明顯的加速度，相反，若構(gòu)件在荷載作用下，體內(nèi)各點(diǎn)有明顯的加速度，或者荷載隨時(shí)間有顯著的變化，這類荷載稱為或者荷載隨時(shí)間有顯著的變化，這類荷載稱為動荷載動荷載。 l 交變應(yīng)力交變應(yīng)力l 工程中的某些構(gòu)件

10、工作時(shí)，其力往往隨時(shí)間作周期性變化，工程中的某些構(gòu)件工作時(shí)，其力往往隨時(shí)間作周期性變化，這種應(yīng)力稱為這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力交變應(yīng)力。三、三、應(yīng)力幅應(yīng)力幅：2minmaxa二、二、平均應(yīng)力平均應(yīng)力：2minmaxm 曲線稱為應(yīng)力譜應(yīng)力譜。應(yīng)力重復(fù)變化一次的過程，稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù) ，稱為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)。t四、幾種特殊的交變應(yīng)力四、幾種特殊的交變應(yīng)力：1 .1 . 對 稱 循 環(huán) ：對 稱 循 環(huán) ：1maxminr0m mt min aT t 0maxminr2maxma3. .靜循環(huán)：靜循環(huán)：1maxminr0a五、穩(wěn)定交變應(yīng)力：循環(huán)五、穩(wěn)定交變應(yīng)力：循環(huán)特征特征及及周期

11、周期不變。不變。 at ml2.脈動循環(huán)：脈動循環(huán)：交變載荷：載荷大小和方向交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時(shí)間工作而發(fā)生下經(jīng)過長時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。最大應(yīng)力最大應(yīng)力 max最小應(yīng)力最小應(yīng)力 min幅應(yīng)力幅應(yīng)力 a平均應(yīng)力平均應(yīng)力 m應(yīng)力比應(yīng)力比 rmaxminmaxminminmax22amrl 1、變動載荷 大小、方向或者大小和方向均隨時(shí)間而變化。 變化分為周期性，無規(guī)則性。相對應(yīng)的應(yīng)力，稱為變動應(yīng)力。l 2、循環(huán)應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力的波形一般近似為正弦波

12、、矩形波和三角形波等。 （1）循環(huán)應(yīng)力的描敘 平均應(yīng)力 m=1/2（max+min） 應(yīng)力幅 a=1/2（max-min） 應(yīng)力比 =min/max （2）循環(huán)應(yīng)力的種類（See Fig 52/P108） 對稱交變；脈動；波動；不對稱交變應(yīng)力。l 反復(fù)作用的荷載值不隨時(shí)間變化，則在所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅將保持常量，稱為常幅疲勞。l 若反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化，則稱為變幅疲勞。其循環(huán)應(yīng)力譜如圖2和圖3所示。0 0=min=1max= 0maxminminmaxminmax0minmax= -1maxmin圖2 常幅應(yīng)力循環(huán)的譜(b)(b)脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)(a)(a)完全對稱

13、循環(huán)完全對稱循環(huán)(c)(c)不完全對稱循環(huán)不完全對稱循環(huán)(d)(d)不完全對稱循環(huán)不完全對稱循環(huán)圖3 變幅應(yīng)力循環(huán)的譜l 反復(fù)荷載引起的應(yīng)力循環(huán)形式有同號應(yīng)力循環(huán)和異號應(yīng)力循環(huán)兩種類型。 l 循環(huán)中絕對值最小的峰值應(yīng)力與絕對值最大的峰值之比稱為應(yīng)力循環(huán)特征值，當(dāng)為拉應(yīng)力時(shí)，或取正號；當(dāng)為壓應(yīng)力時(shí)，或取負(fù)號。 l最大應(yīng)力和最小應(yīng)力符號相反而其絕對值相等，即p=-1（圖1a），稱為對稱循環(huán)。當(dāng)最大應(yīng)力為拉應(yīng)力而最小應(yīng)力為零時(shí)，（圖19-5c），稱為脈沖循環(huán)。例如齒輪上任一齒的齒根處例如齒輪上任一齒的齒根處A點(diǎn)的應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力(圖圖(a)），在傳動過程中，軸每轉(zhuǎn)一周該齒嚙），在傳動過程中，軸每轉(zhuǎn)一周該

14、齒嚙合一次，合一次，A點(diǎn)的彎曲正應(yīng)力就由零變到最大點(diǎn)的彎曲正應(yīng)力就由零變到最大值，然后再回到零。齒輪不停地轉(zhuǎn)動，應(yīng)值，然后再回到零。齒輪不停地轉(zhuǎn)動，應(yīng)力就不斷地作周期性變化，如圖力就不斷地作周期性變化，如圖(b)所示。所示。 結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的破壞，稱為結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的破壞，稱為疲勞破壞疲勞破壞。六、疲勞破壞的特點(diǎn)及特征l 疲勞破壞的特點(diǎn)疲勞破壞的特點(diǎn)l （1） 交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力，一般低于交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強(qiáng)度極限，有時(shí)甚至低于屈服極限（靜荷載作用的強(qiáng)度極限，有時(shí)甚至低于屈服極限（低應(yīng)力低應(yīng)力破壞破壞）。）。l （2） 無論是脆

15、性材料還是塑性材料，在交變應(yīng)力作用下，無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應(yīng)力作用下，均表現(xiàn)為均表現(xiàn)為脆性斷裂脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形沒有明顯的塑性變形。l （3） 材料發(fā)生破壞時(shí)，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大材料發(fā)生破壞時(shí)，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，小有關(guān)，應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少。l （4） 斷裂面上有裂紋的起源點(diǎn)和兩個(gè)明顯不同的區(qū)域，斷裂面上有裂紋的起源點(diǎn)和兩個(gè)明顯不同的區(qū)域，即即光滑區(qū)域光滑區(qū)域和和粗糙區(qū)域粗糙區(qū)域，如圖所示。，如圖所示。 疲勞斷裂是損傷的積累，它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，直至余下

16、的未裂開的截面積不足以承受外荷載時(shí)，零件就突然斷裂。l疲勞斷口的特征疲勞斷口疲勞斷口（a） （b）圖圖8-8 疲勞斷口疲勞斷口（a）疲勞斷口宏觀形貌 （b）疲勞條紋的微觀圖象疲勞源 l 1、疲勞源 裂紋的萌生地；裂紋處在亞穩(wěn)擴(kuò)展過程中。 由于應(yīng)力交變，斷面摩擦而光亮。 加工硬化。 隨應(yīng)力狀態(tài)及其大小的不同，可有一個(gè)或幾個(gè)疲勞源。l 2、疲勞區(qū)（貝紋區(qū)） 斷面比較光滑，并分布有貝紋線。 循環(huán)應(yīng)力低，材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細(xì)、明顯。 有時(shí)在疲勞區(qū)的后部，還可看到沿?cái)U(kuò)展方向的疲勞臺階l （高應(yīng)力作用）。l 3、瞬斷區(qū) 一般在疲勞源的對側(cè)。 脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料有放射狀紋理；邊緣為剪切

17、唇。 返回返回零件所用材料的內(nèi)部缺陷、加工缺陷、設(shè)計(jì)欠缺等引起局部應(yīng)力集中，這些局部區(qū)域成為裂紋的產(chǎn)生地，即疲勞裂紋源區(qū)。疲勞源區(qū)疲勞源區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋形成后，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋口不斷張開和閉合，裂紋表面相互摩擦，裂紋向前擴(kuò)展的同時(shí)留下一條條光亮的弧線，稱疲勞線。疲勞線呈“貝殼狀”或“海灘狀”，這是疲勞斷裂的重要特征。最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū)隨著裂紋的擴(kuò)展，有效承載面積減小，應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生快速斷裂。此區(qū)同靜載脆斷斷口，呈放射狀。疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌一個(gè)疲一個(gè)疲勞源勞源兩個(gè)疲兩個(gè)疲勞源勞源微裂紋

18、微裂紋疲勞疲勞條紋條紋疲疲勞勞裂裂紋紋擴(kuò)擴(kuò)展展區(qū)區(qū)疲疲勞勞源源區(qū)區(qū)斷口特征斷口特征七、疲勞斷裂的過程及機(jī)理l疲勞破壞的過程及機(jī)理疲勞破壞的過程及機(jī)理l構(gòu)件的疲勞破壞，實(shí)質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、構(gòu)件的疲勞破壞，實(shí)質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂的全過程。擴(kuò)展和最后斷裂的全過程。l三個(gè)階段組成：三個(gè)階段組成：1）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；疲勞裂紋；l2）裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；）裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；l3）結(jié)構(gòu)斷裂。）結(jié)構(gòu)斷裂。 l疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷缺陷微觀微觀裂紋裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋。l（ 疲勞過程：裂紋萌生、亞穩(wěn)護(hù)展、失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂。）l一、裂紋萌生及機(jī)

19、理 常將0.050.1mm的裂紋定為疲勞裂紋核。 引起裂紋萌生的原因：應(yīng)力集中、不均勻塑性形變。 方式為：表面滑移帶開裂；晶界或其他界面開裂。l 1、滑移帶開裂（1）駐留滑移帶l 在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶，稱為駐留滑移帶。通過位錯(cuò)的交滑移，使駐留滑移帶加寬。（2）擠出峰和擠入槽l 滑移帶在表面加寬過程中，還會向前或向后移動，形成擠出峰和擠入槽。l 循環(huán)過程中，峰、槽不斷增加，增高（或變深）。（柯垂耳-赫爾模型）。孿晶處也易出現(xiàn)擠出峰和擠入槽。l 2、晶界處開裂 晶界就是面缺陷； 位錯(cuò)運(yùn)動易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界l 開裂。l 3、相界面開裂 兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)

20、合力差，l 各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。 只有首先達(dá)到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)l 長大。l 二、疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理l 1、裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段 第一階段 沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展；擴(kuò)展速率僅.1m數(shù)量級。 第二階段 在da/dN的II區(qū)。 晶界的阻礙作用，使l 擴(kuò)展方向逐漸垂直于主l 應(yīng)力方向；擴(kuò)展速率m級；l 可以穿晶擴(kuò)展。形成疲勞條紋（疲勞輝紋）。l 一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果。l2、疲勞裂紋擴(kuò)展模型（1）Laird塑性鈍化模型l 裂紋不再擴(kuò)展的過程，稱為“塑性鈍化” 該模型對韌性材料的疲勞擴(kuò)展很有用。 材料的強(qiáng)度越低，裂紋擴(kuò)展越快，條帶越寬l裂紋擴(kuò)展模型

21、：塑性鈍化模型。l裂紋反復(fù)銳化和鈍化的過程。l （2）再生核模型l 疲勞裂紋的擴(kuò)展是斷續(xù)的。 主裂紋前方是彈塑性l 交界點(diǎn)（三向拉應(yīng)力區(qū)）l 可形成新裂紋核。主裂紋l 和裂紋核之間發(fā)生相向長l 大、橋接，使主裂紋向前l(fā) 擴(kuò)展。 強(qiáng)度高的材料，可形l 成解理裂紋。 返回返回八、材料的疲勞曲線l疲勞曲線-循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限r(nóng)N或rN之間的關(guān)系曲線 N 疲勞曲線N疲勞曲線l AB段 視為靜應(yīng)力強(qiáng)度的情況，使材料發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值基本不變，或下降很小。 BC段 應(yīng)力疲勞或低周疲勞階段，使材料發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值將不斷下降，材料出現(xiàn)塑性變形。 CD段機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生區(qū)，為有限壽命疲勞階段 D

22、點(diǎn)以后 無限壽命疲勞階段，為一水平線： CD 和D 以后兩段所代表的疲勞叫高周疲勞總結(jié)：總結(jié)：疲勞曲線是有限壽命疲勞極限和應(yīng)力疲勞曲線是有限壽命疲勞極限和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的個(gè)關(guān)系曲線，它反映了材循環(huán)次數(shù)之間的個(gè)關(guān)系曲線，它反映了材料抵抗疲勞斷裂的能力。通常分為有限壽料抵抗疲勞斷裂的能力。通常分為有限壽命區(qū)和無限壽命區(qū)，以循環(huán)基數(shù)為界，利命區(qū)和無限壽命區(qū)，以循環(huán)基數(shù)為界，利用疲勞曲線可以對只需要工作一定期限的用疲勞曲線可以對只需要工作一定期限的零件進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)，以期減小零件尺零件進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)，以期減小零件尺寸和重量。寸和重量。l應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）（疲勞壽命）l應(yīng)力幅越

23、低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；命越高；l 應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。壽命越高。0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456l 焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋一般要比其他聯(lián)接形式的循環(huán)次數(shù)少。這是因?yàn)楹附咏宇^中不僅有應(yīng)力集中（如角焊縫的焊趾處），而且這些部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷，殘余焊接應(yīng)力也比較高。l 例如焊趾處往往存在有微小非金屬夾渣物，疲勞裂紋往往就起源于這些缺陷處。因?yàn)橛羞@些缺陷存在，使焊接接頭中的疲勞裂紋產(chǎn)生階段往往只占整個(gè)疲勞過程中一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間，主要的時(shí)間是屬于裂紋的擴(kuò)展。九、影響

24、焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素l 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,在很大程度上決定于構(gòu)件中的應(yīng)力集中情況,不合理的接頭形式和焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷(如未焊透、咬邊等)是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。除此之外，焊接結(jié)構(gòu)自身的一些特點(diǎn)，如接頭性能的不均勻性，焊接殘余應(yīng)力等，都對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有影響。l1應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的影響l結(jié)構(gòu)上幾何不連續(xù)的部位都會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，金屬材料表面的缺口和內(nèi)部的缺陷也可造成應(yīng)力集中。焊接接頭本身就是一個(gè)幾何不連續(xù)體，不同的接頭形式和不同的焊縫形狀，就有不同程度的應(yīng)力集中，其中具有角焊縫的接頭應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。l 構(gòu)件上缺口愈尖銳，應(yīng)力集中愈嚴(yán)重（即應(yīng)力集中系數(shù)K愈大），疲勞強(qiáng)度

25、降低也愈大。不同材料或同一材料因組織和強(qiáng)度不同，缺口的敏感性（或缺口效應(yīng)）是不相同的。高強(qiáng)度鋼較低強(qiáng)度鋼對缺口敏感，即在具有同樣的缺口情況下，高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度比低強(qiáng)度鋼降低很多。焊接接頭中，承載焊縫的缺口效應(yīng)比非承載焊縫強(qiáng)烈，而承載焊縫中又以垂直于焊縫軸線方向的載荷對缺口最敏感。l （1）焊縫表面機(jī)械加工的影響。未經(jīng)機(jī)械加工低碳鋼及低合金錳鋼對接接頭的疲勞強(qiáng)度，見下圖。若對焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減小，對接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高，見圖111。l 但是焊縫表面機(jī)械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜采用機(jī)加工。帶有嚴(yán)重缺陷和不用封底焊的焊縫，有缺陷處或

26、焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，所以在這種情況下焊縫表面的機(jī)械加工是毫無意義的。圖111： 未經(jīng)機(jī)械加工的低碳鋼及低合金錳鋼對接接頭的疲勞強(qiáng)度1低合金錳鋼 2低碳鋼圖111： 經(jīng)機(jī)械加工的低碳鋼及低合金錳鋼對接接頭的疲勞強(qiáng)度1低合金錳鋼 2低碳鋼 3未焊低合金錳鋼 4未焊低碳鋼l （2）接頭形式的影響。l 不同的接頭形式對于疲勞強(qiáng)度的影響是各不相同的。對接接頭的焊縫由于形狀變化不大，因此它的應(yīng)力集中比其他接頭形式要小，但是過大的余高和過大的基本金屬與焊縫金屬間的過渡角和過渡圓弧半徑 對疲勞強(qiáng)度的影響，見圖111，T形和十字形接頭。這兩種接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，在這種接

27、頭中，由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高。因此，T形和十字形接頭的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對接接頭。圖111 過渡角和過渡圓弧半徑對對接接頭疲勞強(qiáng)度的影響l 開I形坡口用角焊縫連接的十字形接頭，其疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)的關(guān)系，見下圖。當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即母材與焊縫焊趾端交界處和焊縫上。當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度與板厚之比小于0.6-0.7時(shí)，一般斷于焊縫；當(dāng)大于0.7時(shí)，一般斷于母材。圖1212中的實(shí)線代表的疲勞強(qiáng)度是按斷裂在母材計(jì)算的，虛線是按斷裂在焊縫計(jì)算的，由圖中可以看出合金鋼對應(yīng)力集中比較敏感。l 在這種情

28、況下，采用低合金鋼對疲勞強(qiáng)度并沒有優(yōu)越性。此外，增加焊縫的尺寸對提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)才有效，因?yàn)楹缚p尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面，即焊縫焊趾端處母材的強(qiáng)度，故最多亦不能超過斷裂在此處的疲勞強(qiáng)度。提高T形和十字形接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡。低碳鋼開坡口焊透的十字形接頭的疲勞強(qiáng)度圖，見下圖。圖111： 開I形坡口的十字形接頭的疲勞強(qiáng)度1低合金錳鋼 2低碳鋼圖 121 開坡口焊透的十字形接頭的疲勞強(qiáng)度1焊縫經(jīng)機(jī)械加工 2焊縫未經(jīng)機(jī)械加工l 搭接接頭。低碳鋼搭接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，見下圖。試驗(yàn)證明搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的。l 僅有側(cè)面焊縫的搭接接頭，其

29、疲勞強(qiáng)度最低，只達(dá)到基本金屬的34% （圖a）l 焊腳尺寸為1：1的側(cè)面焊縫的搭接接頭，其疲勞強(qiáng)度雖然比只有側(cè)面焊縫的接頭高一些，其數(shù)值仍然是很低的，只達(dá)到基本金屬的40%（圖b）l 正面焊縫焊腳尺寸為1：2的搭接接頭應(yīng)力集中稍有降低，因而其疲勞強(qiáng)度有所提高，但是效果不大。 （圖c）圖122 低碳鋼搭接接頭的疲勞強(qiáng)度對比l 焊縫向基本金屬過渡區(qū)域進(jìn)行表面機(jī)械加工的搭接接頭，其疲勞強(qiáng)度也沒有顯著提高（圖d）。l 具有蓋板的對接接頭，當(dāng)蓋板的厚度比按強(qiáng)度所要求的增加1倍，焊腳尺寸比例為1：3.8，并采用機(jī)械加工使焊縫向基本金屬平滑過渡，此時(shí)疲勞強(qiáng)度最高，等于基本金屬的疲勞強(qiáng)度（圖e）。但是在這種情

30、況下，已經(jīng)喪失了搭接接頭簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，因此不宜采用這種措施。l 采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對接接頭是極不合理的。試驗(yàn)結(jié)果表明，在這種情況下，原來疲勞強(qiáng)度較高的對接接頭被大大地削弱了（圖f）。l 表面狀態(tài)粗糙相當(dāng)于存在很多微缺口，這些缺口的應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。表面越粗糙，疲勞極限降低就越嚴(yán)重。材料的強(qiáng)度水平越高，表面狀態(tài)的影響也越大。焊縫表面波紋過于粗糙，對接頭的疲勞強(qiáng)度是不利的。l 2焊接殘余應(yīng)力的影響l 焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度是有影響的。焊接殘余應(yīng)力的存在，改變了平均應(yīng)力 m的大小，而應(yīng)力幅a卻沒有改變。在殘余拉應(yīng)力區(qū)使平均應(yīng)力增大，其工作應(yīng)力有可能達(dá)到或超出疲勞極限而破壞，故對疲

31、勞強(qiáng)度有不利影響。反之，殘余壓應(yīng)力對提高疲勞強(qiáng)度是有利的。對于塑性材料，當(dāng)循環(huán)特征r1時(shí)，材料是先屈服后才疲勞破壞，這時(shí)殘余應(yīng)力已不發(fā)生影響。l 由于焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)上是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時(shí)存在。如果能調(diào)整到壓殘余應(yīng)力位于材料表面或應(yīng)力集中區(qū)則是十分有利的，如果材料表面或應(yīng)力集中區(qū)存在的是殘余拉應(yīng)力，則極為不利，應(yīng)設(shè)法消除。l 為了研究焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)往往采用有殘余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過熱處理去除殘余應(yīng)力后的試樣，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)對比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而焊后熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)，也恢復(fù)或部分恢復(fù)了材料的性能，而這些性能對接頭的疲勞強(qiáng)度

32、又產(chǎn)生影響，因此對于試驗(yàn)的結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋。l 例如，曾用Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行試驗(yàn)，試樣有一條橫向?qū)雍缚p，在正、反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后作消除應(yīng)力熱處理；另一組未經(jīng)熱處理，然后進(jìn)行疲勞強(qiáng)度對比試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)，-1，0+0.3，試驗(yàn)結(jié)果見下圖。 從圖中可以看出，在交變載荷下（-1）消除內(nèi)應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度接近130MPa，而未消除內(nèi)應(yīng)力的僅為75MPa。在脈動載荷下（0），兩組試樣的疲勞強(qiáng)度相同，為185MPa圖111 帶有交叉焊縫試樣的疲勞強(qiáng)度對消除應(yīng)力熱處理的影響1焊態(tài) 2經(jīng)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力l 而當(dāng)0.3應(yīng)力循環(huán)下，經(jīng)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力的試樣疲

33、勞強(qiáng)度為260MPa，反而略低于未經(jīng)熱處理的試樣（270MPa）。因此，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)較高時(shí)，利用焊后消除應(yīng)力的熱處理，并不能提高接頭的疲勞強(qiáng)度。l 為了單獨(dú)弄清焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響，曾采用不同的焊接次序，來獲得不同的焊接殘余應(yīng)力分布的試樣，作對比試驗(yàn)，見下圖。這是兩組帶有縱向和橫向焊道的試樣：第一組試樣圖a是先焊縱向焊縫1，后焊橫向焊縫2；第二組試樣圖b是先焊橫向焊縫1，后焊縱向焊縫2。從圖上可以看出第一組疲勞強(qiáng)度高于第二組，說明焊接殘余應(yīng)力將對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。這個(gè)試驗(yàn)沒有采用熱處理來消除殘余應(yīng)力，排除了熱處理對材料性能的影響。圖1221 焊接殘余應(yīng)力將對疲勞強(qiáng)度的影響l

34、 3焊接缺陷的影響l 焊接缺陷對疲勞強(qiáng)度影響的大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷，其影響比在殘余壓應(yīng)力場內(nèi)的大；同樣的缺陷，位于應(yīng)力集中場內(nèi)（如焊趾裂紋和根部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場中的影響大。l 焊接缺陷對焊接接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生重大的不利影響，影響的大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；l 表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷比其他方向

35、的影響大；l 位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)缺陷的比在殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的影響大；l 位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾裂紋）比在均勻應(yīng)力區(qū)中同樣缺陷的影響大。l 咬邊和未焊透在不同位置、不同載荷下的影響，見下圖，A組的影響大，B組的影響小。l 1）外觀缺欠咬邊、焊瘤、凹坑、未熔合、未焊透、余高、弧坑未填滿、表面氣孔飛濺及裂紋等。l 2）內(nèi)部缺欠氣孔、夾渣、偏析、裂紋、剩余應(yīng)力、焊縫和HAZ組織粗化、析出脆化、HAZ軟化等。l 3）焊后缺欠在焊后熱處理或服役中產(chǎn)生的缺欠，包括裂紋、熱疲勞脆化、析出脆化、時(shí)效脆化、晶間腐蝕、孔蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、異種鋼接頭熔合區(qū)脆化等。圖111 咬邊在不同位置、載荷作用下對疲勞強(qiáng)度的影

36、響圖111 未焊透在不同位置、載荷作用下對疲勞強(qiáng)度的影響l 不同材料具有不同的缺口敏感性，同樣尺寸的缺陷對不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度影響并不相同，未焊透對五種材料疲勞強(qiáng)度的影響，見下圖，由圖中可以看出，隨著未焊透的增加，疲勞強(qiáng)度迅速下降，并且以1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的下降幅度為最大，盡管這種材料在靜載和一次沖擊載荷下有較好的韌性。圖111 未焊透百分比對疲勞強(qiáng)度的影響1機(jī)械化氬弧焊 2 埋弧焊 3機(jī)械化氬弧焊4機(jī)械化氬弧焊 5低碳鋼埋弧焊4.零件的表面缺陷（如裂紋、刀痕等）對其強(qiáng)度影響不大，但疲勞極限有顯著影響。材料表面狀態(tài)b /MPa-1 /MPa45鋼（正火）光滑656280有刀

37、痕65414540Cr（淬火200回火）光滑1947780有刀痕1922300問答題l 1、試述焊接接頭形式對疲勞極限的影響。、試述焊接接頭形式對疲勞極限的影響。l 焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，將對接頭的疲勞極限產(chǎn)生程度不同的不利影響。l 對接接頭 對接接頭從焊縫至母材的形狀變化不大，應(yīng)力集中比其它接頭要小，所以在所有的接頭形式中具有最高的疲勞極限。但是過大的余高會增加應(yīng)力集中，使疲勞極限下降。l T形接頭 這種接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應(yīng)力集中系數(shù)比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此其疲勞極限遠(yuǎn)低于對接接頭。l 提高T形接頭疲勞極限的根本措施是開坡口焊接和

38、加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡。l 搭接接頭 這是一種疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎(chǔ)上，增加蓋板來進(jìn)行“加強(qiáng)”，其結(jié)果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強(qiáng)”作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱了。 2、試述焊接缺陷對疲勞極限的影響。、試述焊接缺陷對疲勞極限的影響。l 焊接缺陷對焊接接頭的疲勞極限產(chǎn)生重大的不利影響，這種不利影響與焊接缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。l 片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔、點(diǎn)狀夾渣）影響大。表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大。與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向大。位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余應(yīng)力區(qū)內(nèi)的大

39、；位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的缺陷（如焊趾裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力區(qū)中同樣缺陷影響大。咬邊和未焊透在不同位置、不同載荷下對接頭疲勞極限的影響，見圖38，其中A組的影響最大，B組的影響較小。l 3如何減少焊接接頭的應(yīng)力集中？如何減少焊接接頭的應(yīng)力集中？l 答：減少焊接接頭應(yīng)力集中的措施是：l （1）盡量采用對接接頭，對接接頭的余高值不應(yīng)太大，焊趾處應(yīng)盡量圓滑過渡。l （2）T型接頭（十字接頭）應(yīng)該開坡口，采用深熔焊，以保證焊透。l （3）減少或消除焊接缺陷，如裂紋、未焊透、咬邊等。l （4）不同厚度鋼板對接時(shí)，對厚板應(yīng)進(jìn)行削薄處理。l （5）焊縫之間不應(yīng)過分密集，以保證有最小的距離。l （6）焊縫應(yīng)盡量避

40、免出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎處。l 4試比較焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂和脆性斷裂有何試比較焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂和脆性斷裂有何不同？不同？l 答：焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂和脆性斷裂從性質(zhì)到形態(tài)都不一樣，兩者斷裂時(shí)的變形都很小，但疲勞斷裂需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載；結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢的，有時(shí)需要長達(dá)數(shù)年時(shí)間。此外，脆斷受溫度的影響特別明顯，隨著溫度的降低，脆斷的危險(xiǎn)性迅速增加，但疲勞強(qiáng)度卻受溫度的影響比較小。l5為什么重要的焊接結(jié)構(gòu)上兩條焊縫不能為什么重要的焊接結(jié)構(gòu)上兩條焊縫不能靠得太近？靠得太近？l答：焊后在焊縫附近將出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，離開焊縫區(qū)其值迅速減小，所以在焊縫附近的峰值

41、或殘余應(yīng)力有助于脆斷的發(fā)生。當(dāng)結(jié)構(gòu)上有兩條焊縫時(shí)，如果兩條l焊縫間距小于兩條焊縫拉應(yīng)力區(qū)寬度之和，則殘余拉應(yīng)力發(fā)生疊加，造成結(jié)構(gòu)低應(yīng)力破壞。 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因l 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個(gè)方面： 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個(gè)主要的因素； 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒有考慮抗疲勞設(shè)計(jì)，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭；l 工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)

42、了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式； 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和制造過程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來越大； 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對滯后。提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能方法的研究意義l 疲勞事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，使一些場合不得不放棄使用焊接結(jié)構(gòu)，甚至懷疑焊接結(jié)構(gòu)能否適用于承受動載的工程實(shí)際，故而焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞問題引起國內(nèi)外有關(guān)專家和工程技術(shù)人員，尤其是國際焊接學(xué)會疲勞專業(yè)委員會的普遍關(guān)注。l 在大量疲勞試驗(yàn)與

43、工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范不斷出臺，如英國橋梁疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范BS5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范、日本的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范、美國鐵路橋梁以及高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范、國際焊接學(xué)會的循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范IIW.DOC-639-8l以及我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB-17-88。世界各主要造船及海洋資源開發(fā)國家，都在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造和檢驗(yàn)入級規(guī)范中對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度作出了規(guī)定和要求。l 由于焊接接頭焊趾處的焊接缺陷、應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力的作用，其疲勞強(qiáng)度大幅度地低于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度取決于接頭的疲勞性能，即焊接接頭的抗疲勞性能，關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)能否安

44、全使用。因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)可靠性，在設(shè)計(jì)承受交變動載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲勞強(qiáng)度作為整體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，而不采用基本金屬的疲勞強(qiáng)度，顯然這造成極大浪費(fèi)。即使如此，在接頭處局部應(yīng)力集中作用下，仍然會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過早疲勞失效。l 為了使焊接結(jié)構(gòu)很好地滿足工程上對其提出的承受動載的要求，能夠采取的措施主要有兩點(diǎn)。一方面，增加對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的了解，精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及接頭形式，使所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)更合理，具有更高的疲勞強(qiáng)度；同時(shí)提高和嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；另一方面，直接面對焊接接頭疲勞性能較差的弱點(diǎn)，在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中、完成后以及使用過程中采取有效的工

45、藝措施，提高接頭的疲勞強(qiáng)度，增加其承受動載的能力、延長其使用壽命。l 由上面討論知道，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要原因，只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，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。十、焊接接頭疲勞強(qiáng)度的改善l應(yīng)從根本上考慮，盡可能消除裂紋源和減少應(yīng)力集中。概括起來不外三方面：l1）從設(shè)計(jì)開始就盡量做到接頭構(gòu)造合理，降低缺口效應(yīng)；l2）加強(qiáng)制造、施工的質(zhì)量管理，防止或減少焊接缺欠的產(chǎn)生；l3）必要的焊后改善措施和服役期間的質(zhì)量管理。 1、降低應(yīng)力集中 疲勞裂紋源于焊接接頭和結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要

46、原因。因此，消除或降低應(yīng)力集中的一切手段，都可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。通常采用的方法是：l（ 1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式，圖 121是幾種設(shè)計(jì)方案的正誤比較。l焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)造要合理，能均勻、連續(xù)、平順地傳力，避免構(gòu)件截面劇烈變化。必要時(shí)用圓弧過渡（圖8）。圖8 桁架節(jié)點(diǎn)l 要盡量選用剛度均勻的方案，焊縫連接處構(gòu)件的不均勻剛度,導(dǎo)致焊縫的變形和應(yīng)力分布不均,必然影響連接的疲勞性能。例如圖10所示工字形牛腿與鋼柱用角焊縫的連接,牛腿端部有彎矩M和剪力V用。在圖10a中,由于柱翼緣變形,牛腿端部截面不能保持平面變形,牛腿翼緣的應(yīng)力也就不可能均勻分布。如果在牛腿翼緣端部柱子腹板上設(shè)置橫向加勁肋（圖10b) ,

47、便能改善應(yīng)力分布,提高連接的疲勞性能。 圖10 構(gòu)件剛度對疲勞性能的影響 l 角焊縫（圖11）在角焊縫的焊跟和焊趾處,有嚴(yán)重的應(yīng)力集中,裂紋從這里開后,向焊縫內(nèi)部或主體金屬擴(kuò)展。側(cè)面角焊縫因兩端應(yīng)力集中嚴(yán)重,疲勞破壞從端部開始。 圖11 角焊縫的疲勞破壞位置 l T形連接可以用角焊縫,用部分熔透或全熔透的K型焊縫構(gòu)成。前二者疲強(qiáng)度很低。全熔透的K型焊縫（圖14）的性能與對接焊縫的相同,在經(jīng)過加工,無損檢驗(yàn)后,疲勞強(qiáng)度較高,宜用于直接承受動力荷載的T形連接。 l 不論對接焊縫或角焊縫,它們的疲勞強(qiáng)度都比母材的為低，在動力荷載作用時(shí)比較危險(xiǎn)。因此,對直接承受動力荷載的焊縫連接,必須進(jìn)行疲勞計(jì)算。圖

48、14 全熔透的K型焊縫 l （ 2）盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的接頭，如對接接頭。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)把角焊縫改為對接焊縫的實(shí)例，見圖121 、圖1212 。l 在對接焊縫中，應(yīng)當(dāng)保證基本金屬與焊縫之間平緩過渡，機(jī)械打磨過渡區(qū)是可采用的方法，但應(yīng)注意打磨方向應(yīng)是順著力線傳遞方向，因?yàn)榇怪绷€方向打磨往往取得相反的效果。此外，在對接焊縫中應(yīng)保證在連接件的截面沒有改變時(shí)進(jìn)行力的傳遞。對接焊縫雖然一般具有較高的疲勞強(qiáng)度，但如果焊縫質(zhì)量不高其中存有嚴(yán)重的缺陷，則疲勞強(qiáng)度值將下降很多，甚至低于搭接焊縫，這是應(yīng)當(dāng)引起注意的。l 減小斷面突變，當(dāng)板厚或板寬相差懸殊而需對接時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)平緩的過渡區(qū)；結(jié)構(gòu)上的尖角或拐角處應(yīng)作

49、成圓弧狀，其曲率半徑越大越好。 l 在對接焊縫中，應(yīng)當(dāng)保證基本金屬與焊縫之間平緩過渡，機(jī)械打磨過渡區(qū)是可采用的方法，但應(yīng)注意打磨方向應(yīng)是順著力線傳遞方向，因?yàn)榇怪绷€方向打磨往往取得相反的效果。此外，在對接焊縫中應(yīng)保證在連接件的截面沒有改變時(shí)進(jìn)行力的傳遞。對接焊縫雖然一般具有較高的疲勞強(qiáng)度，但如果焊縫質(zhì)量不高其中存有嚴(yán)重的缺陷，則疲勞強(qiáng)度值將下降很多，甚至低于搭接焊縫，這是應(yīng)當(dāng)引起注意的。l（3）當(dāng)采用角焊縫時(shí)，需采取綜合措施，如機(jī)械加工焊縫端部、合理選擇角接板形狀、焊縫根部保證熔透等來提高接頭的疲勞強(qiáng)度，因?yàn)椴扇∵@些措施可以降低應(yīng)力集中，并消除殘余應(yīng)力的不利影響。試驗(yàn)證明，采用綜合處理后，低

50、碳鋼接頭處的疲勞強(qiáng)度能提高3-13 倍，對低碳合金鋼的效果更加顯著。l（4 ）開緩和槽使力線繞開焊縫的應(yīng)力集中處；可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度，l見圖 。l（ 5）用表面機(jī)械加工的方法，消除焊縫及其附近的各種刻槽，可以降低構(gòu)件中的應(yīng)力集中程度。但是這種表面機(jī)械加工的方法成本高，因此只有在真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適合采用這種方法。 只能單面施焊的對接焊縫，在重要結(jié)構(gòu)上不允許在背面放置永久性墊板；避免采用斷續(xù)焊縫，因?yàn)槊慷魏缚p的始末端有較高的應(yīng)力集中。l（6 ）采用電弧整形的方法來代替機(jī)械加工，使焊縫與母材之間平滑過渡。l這種方法是用鎢極氬弧焊在焊接接頭的過渡區(qū)重熔一次，使焊縫與母材之間l平滑過

51、渡，同時(shí)減少該部位的微小非金屬夾雜物，因而可使接頭部位的疲勞l強(qiáng)度提高，見下圖 。采用氬弧整形方法，提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的效l果，見表 。l 由表 1-3可知，對于低碳鋼和低合金鋼，其疲勞強(qiáng)度提高的程度和機(jī)械加工的效果相似。對于高強(qiáng)度鋼，用電弧整形法就具有更重要的意義，因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼對應(yīng)力集中比較敏感，采用電弧整形法對提高疲勞強(qiáng)度的效果更好。l（7）正確的焊縫形狀和良好的焊縫內(nèi)外質(zhì)量 l對接接頭焊縫的余高應(yīng)盡可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高；lT形接頭最好采用帶凹度表面的角焊縫，不用有凸度的角焊縫；l焊縫與母材表面交界處的焊趾應(yīng)平滑過渡，必要時(shí)對焊趾進(jìn)行磨削或氬弧重熔，以降低該處的應(yīng)力集

52、中。l 任何焊接缺陷都有不同程度的應(yīng)力集中，尤其是片狀焊接缺陷如裂紋、未焊透、未熔合和咬邊等對疲勞強(qiáng)度影響最大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證每條焊縫易于施焊、以減少焊接缺陷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的缺陷必須清除。l （8）鋼材選用）鋼材選用l 我國規(guī)范對鋼材選用采取規(guī)定鋼號和保證項(xiàng)目的辦法?？紤]的因素有考慮的因素有: (1)是否焊接結(jié)構(gòu)；是否焊接結(jié)構(gòu)； (2)是否是否承受動力荷載；承受動力荷載； (3)是否處于低溫。是否處于低溫。l 對于焊接結(jié)構(gòu),鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結(jié)構(gòu)嚴(yán)格。關(guān)于保證項(xiàng)目必須符合有關(guān)要求,。這里著重討論鋼號問題。（1）焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：鉚接重級工作制

53、吊車梁,當(dāng)計(jì)算溫度高于20時(shí)可以采用Q235沸騰鋼,同樣條件下的焊接吊車梁則必須采用Q235鎮(zhèn)靜鋼或低合金鋼l 。（2）重級工作制構(gòu)件高于中輕級工作制構(gòu)件，重級工作制構(gòu)件高于中輕級工作制構(gòu)件，處于低溫工作的構(gòu)件要求高：處于低溫工作的構(gòu)件要求高：對于處在低溫的其他結(jié)構(gòu),材料也要求嚴(yán)格, 如50t以上的中級工作制焊接吊車梁,當(dāng)計(jì)算溫度高于20時(shí)可以采用Q235沸騰鋼,而當(dāng)計(jì)算溫度等于或低于20時(shí)，則應(yīng)該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動力荷載的構(gòu)承受動力荷載的構(gòu)件要求高于承受靜力荷載的構(gòu)件。件要求高于承受靜力荷載的構(gòu)件。前者除荷載循環(huán)次數(shù)少,或荷載小,或非焊接結(jié)構(gòu)外,都要求用鎮(zhèn)靜鋼, 并保證沖擊韌性；

54、后者除在溫度低達(dá)30的情況外都可以用沸騰鋼,且不論溫度是否低于30都不要求保證沖擊韌性。l 我國規(guī)范不足之處,是沒有把焊接結(jié)構(gòu)的選材和鋼材厚度相聯(lián)系。歐洲的一些鋼材選用的規(guī)定,考慮因素多而細(xì)致。比如把應(yīng)力狀態(tài)分為三個(gè)等級,鋼板厚度每差15mm為一個(gè)等級,氣溫分為 10和10至30兩級,還把構(gòu)件的重要性分為兩級。把這些級別綜合起來,選定構(gòu)件材料的質(zhì)量等級。材料等級分為1d、B、c、D四級,以沖擊試驗(yàn)的溫度為準(zhǔn)。l2、進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理l 殘余壓應(yīng)力可提高疲勞強(qiáng)度，而拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。因此，若能調(diào)整構(gòu)件表面或應(yīng)力集中處存在殘余壓應(yīng)力，就能提高疲勞強(qiáng)度。例如，通過調(diào)整施焊順序、局部加熱等都有可

55、能獲得有利于提高疲勞強(qiáng)度的殘余應(yīng)力場。 l 消除接頭應(yīng)力集中處的應(yīng)力可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度，但是用焊后消除應(yīng)力的退火方法不一定都能提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。一般情況下，在循環(huán)應(yīng)力較小或應(yīng)力循環(huán)系數(shù)較低，應(yīng)力集中較高時(shí)，利用焊后整體或局部消除應(yīng)力的熱處理將取得較好的效果。l 3改善材料的組織和性能l 1）提高母材金屬和焊縫金屬的疲勞抗力還應(yīng)從材料內(nèi)在質(zhì)量考慮。應(yīng)提高材料的冶金質(zhì)量、減少鋼中夾雜物。重要構(gòu)件可采用真空熔煉、真空除氣、甚至電渣重熔等冶煉工藝的材料，以保證純度；在室溫下細(xì)化晶粒鋼可提高疲勞壽命；通過熱處理可以獲得最佳的組織狀態(tài)，在提高（或保證）強(qiáng)度同時(shí)，也能提高其塑性和韌性?；鼗瘃R氏體、低碳

56、馬氏體（一般都有自回火效應(yīng)）和下貝氏體等組織都具有較高抗疲勞能力。l 2）強(qiáng)度、塑性和韌性應(yīng)合理配合。l 強(qiáng)度是材料抵抗斷裂的能力，但高強(qiáng)度材料對缺口敏感。塑性的主要作用是通過塑性變形，可吸收變形功、削減應(yīng)力峰值，使高應(yīng)力重新分布。同時(shí)，也使缺口和裂紋尖端得以鈍化，裂紋的擴(kuò)展得到緩和甚至停止。塑性能保證強(qiáng)度作用充分發(fā)揮。所以對于高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，設(shè)法提高一點(diǎn)塑性和韌性，將顯著改善其抗疲勞能力。l4、改善材料的力學(xué)性能 l表面強(qiáng)化處理，用小輪擠壓或用錘頭錘擊焊縫表面及過渡區(qū)，或用小鋼丸噴射（即噴丸處理）焊縫區(qū)，都可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。因?yàn)椴牧辖?jīng)過這種處理后，不但形成有利的表面壓應(yīng)力，而且使

57、材料局部加工硬化，因而可以提高疲勞強(qiáng)度。l5、特殊保護(hù)措施 介質(zhì)往往對材料的疲勞強(qiáng)度有影響，因此，采用一定的保護(hù)涂層是有利的。例如在應(yīng)力集中處涂上加填料的塑料層，這是一種比較實(shí)用的改進(jìn)方法。l6、正確使用、正確使用l 不在主要結(jié)構(gòu)上任意焊接附加的零件,不任意懸掛重物,不任意超負(fù)荷使用結(jié)構(gòu),要注意檢查維護(hù),及時(shí)油漆防銹，避免任何撞擊和機(jī)械損傷, 原設(shè)計(jì)在室溫工作的結(jié)構(gòu),在冬季停產(chǎn)檢修時(shí)要注意保暖等 十一、提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的具體工藝l以下的具體工藝方法可以在一定程度上提高接頭的疲勞強(qiáng)度l 但許多經(jīng)驗(yàn)指明，在缺口附近表面形成剩余壓應(yīng)力，對改善疲勞強(qiáng)度是有利的?，F(xiàn)有一些工藝方法的就是基于壓應(yīng)力對疲

58、勞過程的抑制作用，而進(jìn)行調(diào)整剩余應(yīng)力。l 1）預(yù)超載法。具有嚴(yán)重缺口的焊接接頭的疲勞強(qiáng)度幾乎不受拉伸預(yù)應(yīng)力的影響，而存承受壓縮應(yīng)力時(shí)卻有很大提高。實(shí)際中，只要施以拉伸載荷便可在缺口頂端得到所希望的壓應(yīng)力。在彈性卸載后，缺口剩余應(yīng)力的符號總是與加載時(shí)的符號相反。在結(jié)構(gòu)驗(yàn)收時(shí)用一個(gè)加大的載荷，就自然地達(dá)到預(yù)超載的目的。l 2）局部加熱法與局部擠壓法。兩者相似，借助局部集中的加熱作用或擠壓作用，引起缺口附近屈服而產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力。其效果稍好于預(yù)超載法，但不如噴丸法。l 3）表面壓縮法。包括錘擊法和噴丸法，是冷加工方法是能在缺口頂端橫向變形受到拘束時(shí)借助局部集中的表面壓力引起屈服而產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力的方法。

59、錘擊和噴丸還有消除微小缺口、改善缺口幾何形狀和冷作和硬化作用。如圖 和圖 所示，錘擊和噴丸能很好地改善疲勞強(qiáng)度。噴丸法對于高強(qiáng)鋼具有突出的效果，甚至可與熔修相比擬。l4）射水激冷法。加熱缺口區(qū)域并隨即射水激冷，被激表面將硬化而產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力。曾采用此法成功地防止對接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用感應(yīng)l加熱，管內(nèi)部用循環(huán)水冷卻，在管道內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。l 5）UIT 法。即超聲波沖擊法（ultrasonic impact treatment ）。原是20世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)發(fā)明的方法，當(dāng)時(shí)的目的在于解決軍艦制造中的焊接變形與應(yīng)力問題。經(jīng)過多年的研究，現(xiàn)今應(yīng)用于改善接頭疲勞強(qiáng)度上，收到令

60、人矚目的效果，如圖 所示，已可與 熔修法相比擬。主要是利用超聲波的高頻振蕩沖擊焊趾部位，不但形成剩余壓應(yīng)l 力，且可有消除微小缺口的效應(yīng)。不但可應(yīng)用于車間，也可方便地在工地上應(yīng)用。沒有噪聲是很大的優(yōu)點(diǎn)。l 二、焊趾加工修整l 1）機(jī)械加工法。對焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，消除余高，可徹底消除焊趾部位的應(yīng)力集中。有時(shí)也可只對焊趾局部加工處理，也能大幅度改善疲勞強(qiáng)度。l 2）磨削法。用磨盤或砂輪對焊趾進(jìn)行局部打磨，可消除微小缺口，降低其缺口效應(yīng)。通過磨削或多或少也會使缺口部位產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力，并使表面硬化，而帶來一定的好處。對于嚴(yán)重影響疲勞強(qiáng)度的重要焊縫缺口進(jìn)行磨削是必不可少的常規(guī)做法。l 用砂輪打磨以除