焊接接頭和結構的疲勞強度

1、第6章焊接接頭和結構的疲勞強度§6-1概述一、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

2、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?？梢园呀饘俚钠诜譃?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

3、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o、o、o、o、r概念）maxmixma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

4、幾個參量表示：omax：應力循環(huán)內的最大應力omin：應力循環(huán)內的最小應力om=（omax平均應力oa=（omaxomin）/2：應力幅值r=omix/omax：應力循環(huán)特征系數(shù)r的變化范圍是一8+1下面介紹幾種典型的具有特殊循環(huán)特性的變動載荷：1、對稱交變載荷應力波形如圖，由圖可見：這種變動載荷的bmin=nmax應力循環(huán)特征系數(shù)r=1。bmax、均應力=0，應力幅值=Qmax2、脈動載荷應力波形如圖，由圖可見：amin=0r=0；%ax、bmin；平均應力Om與應力幅值相等，都等于bmax/2，Om=Oa=Omax/23、拉伸變載荷Omax、Omin均為拉應力，但大小不等0VrV1由圖可見

5、：Omax、Omin、Om、Oa由上面幾個波形圖中我們可以看出這樣一個關系，即：Omax=OmOaOmin=OmOa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、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o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o越大,max則斷裂時應力交變的次數(shù)N越少，即

6、：offN（，反之qINt,maxmax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。注意：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

7、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。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。關五7兩種類熨歳苛曲馥時鉗跌村料b）部幷物鐵材耐（如懈合盎笹、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

8、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N0值所對應的應力作為“條件疲勞極限”或“有限疲勞極限”，N0稱為循環(huán)基數(shù)，對于實際構件來講，N0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r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（rf、?？?），金屬斷裂前所能承受的應力循環(huán)次數(shù)越多。

9、即：bmax相同時，Nf，這是因為t使得!這是因為材料的疲勞損傷（不均勻滑移）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的主要有以下幾種：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（1）用b與r表示的疲勞圖max它直接反映。與r關系，可以明確的看max出r上升，疲勞強度也上升，疲勞強度用。r表示，角標r表示o是對應于該應力特征循r環(huán)系數(shù)

10、下的疲勞強度。從圖中我們可以看出：對稱交變載荷下的疲勞強度O、脈動循環(huán)下的疲勞強度O0。當r=1時是靜載強度。(2) 用b與b表示的疲勞圖(已知r如何求b)maxmr此圖以O和O.為縱坐標，O為橫坐標，過原點作一直線與坐標maxmixm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O=0時，表示對稱應力循環(huán)，故縱軸上ON表示oJm-10這時材料已不能再承受交變應力，線段O"N"表示脈動循環(huán)時的疲勞強度o0；當O=Ob時，相當于靜拉伸強度，mb故Oa=0。圖耐用我示的疲勞圖3該疲勞圖告訴我們，在不

11、同的平均應力O下，材料所能承受的m最大交變應力O及應力幅值O，maxa它直接表示的是疲勞強度Or與平均應力O的關系，也就是說已知m平均應力O，就可以從該圖上求得mOr。但是如果我們知道r怎樣求O,也就是說怎樣從該圖上求某種r循環(huán)系數(shù)r下的疲勞強度o呢？可r用作圖法，自0點作一與水平線成a角的直線，角a根據(jù)下式確定:O2O2tgnaxnaxOb+b1+rmmaxmix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o。r(3)用ba與um表示的疲勞圖(已知r如何求or)圖中橫坐標為平均應力o,m縱坐標為應力幅值o，曲線上各a點的疲勞強度o=o+o，使用rma時只要知道平均應力om查出對m應

12、的應力幅值o，或已知應力幅a值o，查出對應的平均應力o，am把它們的縱橫坐標加起來就是疲勞強度o。r曲線與縱軸交點A的縱坐標用一刊二丿;"的總療巧就是對稱循環(huán)的疲勞強度or-1曲線與橫軸交點B的橫坐標就是靜載強度ob，此時o=0、r=1。ba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0點作一與水平軸成a角的直線與曲線相交，并使a角滿足下式:oo-o1-omixo1-rtga=a=maxmixmaxoo+o1+o1+rmmaxmixmixomax則交點的縱橫坐標之和o+o=o,即為循環(huán)系數(shù)為r時的疲勞強度maro。r例如：求脈動循環(huán)r=0的疲勞強度，把r=0代入上式，

13、得tga=1、a=45°，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omax與omix表示的疲勞圖(已知r如何求or)圖中縱坐標表示循環(huán)中的最大應力o，橫坐標表示最小應力o.,maxmix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/o）。max數(shù)就是應力循環(huán)特征系數(shù)r（=o.mix例如：由原點向左與橫軸傾斜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BBf即為交變載荷的疲勞強度?！?#176;向右與橫軸傾斜45°的直線，其斜率的倒數(shù)為1,即r

14、=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o0。maxITbSKminmm圖門用郛gn表示的疲勞圖§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（o、a、C）Paris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

15、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。武漢理工大學金屬成型加工系姜劍寧2019/3/12第-10-頁-9-焊接結構講義第6章焊接接頭和結構的疲勞強度對接焊縫：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b!r疲勞強度上升brt應力集中下降，疲勞強度上升brt。但無封底焊或有嚴重缺陷的機械加工無意義。焊縫向母材的過渡角上升，疲勞強度下降bIr過渡圓弧半徑上升機械加工

16、焊縫表面十字接頭：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btr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，b最低，34%r正面焊縫，焊角1：1，br略有提高。40%r正面焊縫，焊角1：2,oo，效果不大。49%rr1：1機械加工，效果也不顯著，57%正面焊縫，焊角1：3.8蓋板加厚一倍，并機械加工，o最高，100%。r這時已失去搭接接頭簡單易行的特

17、點。武漢理工大學金屬成型加工系姜劍寧2019/3/12第-11-頁焊接結構講義第6章焊接接頭和結構的疲勞強度-13-加蓋板的對接接頭極不合理，蓋板幫倒忙。49%。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o取決與軟層的o，比母材低；rr當h/d<0.75時接頭的疲勞強度o隨比值h/d的減小而提高。r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波形圖是這樣的：圖6-38a。如果這個結構內部預先有一個拉伸

18、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6-38b。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？讓我們通過。和。表示的疲勞圖來分析這一變化，ma圖中曲線ACB表示不同平均應力時的極限應力振幅。，當構件a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O，與此對應m的極限應力幅值為O。a當結構中存在正的內應力時，它和外載荷疊加，使結構的平均應力提高到O，這時從疲勞圖中可m1以看出，起極限應力幅值o降低a了，構件的疲勞強度也隨之降低。當結構中存

19、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o2，在疲勞圖上其對應的極限應力幅值將增加到o2，構件的m2a2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o達到o時，亦即o與o之和達到o時，內maxsmas武漢理工大學金屬成型加工系姜劍寧2019/3/12第-13-頁焊接結構講義第6章焊接接頭和結構的疲勞強度-13-應力將因全面屈服而消除，為了考慮這一因素，在b和。表示的疲勞圖ma中作出b+b=b的軌跡線，也就是與兩個坐標的截距都是b的直mass線，該直線與極限應力幅值b曲線相交于C點，在此直線之上，所有點a的b與b之和均達到b，因此，

20、當外加變動載荷的平均應力大于等于masC點所對應的數(shù)值時，那么該變動載荷的最大應力b=b+b必然大maxma于等于材料的bs，這時內應力將全面消除。s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，b越小則加卸載過程中殘余應力消除m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b大于c點應力時殘余應力對結構的疲勞強度沒有影m響。小于C點數(shù)值時，b越小，內應力的影響也就越顯著。m以上是內應力影響b的理論分析，下面再用幾個具體的試驗數(shù)據(jù)

21、來r說明焊接殘余應力對b的影響。r用2組焊接試件做疲勞試驗；A組：先焊縱縫，后焊橫縫，殘余應力小br高rB組：先焊橫縫，后焊縱縫，殘余應力大br低r實驗結果見圖6-39，A組的bB組的b，可見殘余應力小的，brrrso武漢理工大學金屬成型加工系1姜劍寧：A沖201912第-12項圖卜汕科用不同悍按就序訴叢試樣焊樓應力的疲勞強庭對比試蠶祭杲M、高，殘余應力大的，低。r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大；表面缺陷比內部的

22、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）圖6-47輪戦機構圏幺斗E鏟匕機還件圖胡不合理的対接焊讎（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線方向打