第四章 焊接結(jié)構(gòu)強度的基本理論

1、一、焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂和疲勞破壞的特點、一、焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂和疲勞破壞的特點、產(chǎn)生原因及影響因素；產(chǎn)生原因及影響因素；二、提高結(jié)構(gòu)疲勞強度和防止脆性斷裂的主二、提高結(jié)構(gòu)疲勞強度和防止脆性斷裂的主要措施。要措施。 “虹橋虹橋”系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名，系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名，該橋跨越長江支流該橋跨越長江支流綦河，連接城東城西，于綦河，連接城東城西，于1994年年11月月5日動工建設(shè)，日動工建設(shè)，1996年年2月月16日竣工，日竣工，橋凈空跨度橋凈空跨度120米，耗資米，耗資368萬元。萬元。 1999年年1月月4日晚日晚6時時50分左右，彩虹橋整體垮塌，分左右，彩虹橋整體垮塌，包

2、括包括18名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的40人遇難。人遇難。 調(diào)查組認為，這次垮塌事件由兩方面的原因造調(diào)查組認為，這次垮塌事件由兩方面的原因造成。一是工程質(zhì)量問題；二是工程承發(fā)包不合成。一是工程質(zhì)量問題；二是工程承發(fā)包不合法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災，而是法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災，而是人禍。其根本原因，是由于政府在工程開發(fā)建人禍。其根本原因，是由于政府在工程開發(fā)建設(shè)上沒有遵循法律，履行必要的審核、論證程設(shè)上沒有遵循法律，履行必要的審核、論證程序，采取了序，采取了“特事特辦特事特辦”的方式，盲目追求效的方式，盲目追求效率營造率營造“獻禮工程獻禮工程”，從而釀成大禍。，從

3、而釀成大禍。記者的報道記者的報道 2000年年9月月3日傍晚，日傍晚，三峽工地正在緊張施工。三峽工地正在緊張施工。突然傳來一聲巨響，一突然傳來一聲巨響，一臺正在進行檢修的巨型臺正在進行檢修的巨型塔帶機驟然垮塌，兩節(jié)塔帶機驟然垮塌，兩節(jié)重達重達20噸的機臂和部分噸的機臂和部分皮帶從約皮帶從約20米的高空落米的高空落下，造成下，造成34人傷亡，其人傷亡，其中死亡中死亡3人，重傷人，重傷20人。人。這就是當年震驚全國的這就是當年震驚全國的三峽工程三峽工程“93”重大事重大事故。故。宏觀：宏觀：斷裂前無明顯塑性變形，沒有任何先兆，突然性強。斷裂前無明顯塑性變形，沒有任何先兆，突然性強。斷裂時所承受載荷

4、不大，遠低于設(shè)計時的許用應(yīng)力，是典型的低應(yīng)力破壞斷裂時所承受載荷不大，遠低于設(shè)計時的許用應(yīng)力，是典型的低應(yīng)力破壞形式。形式。斷口形態(tài)斷口形態(tài)：斷口發(fā)光顆粒、：斷口發(fā)光顆粒、平整平整、人字花樣、河流花樣、人字花樣、河流花樣、穿晶。穿晶。系列沖擊試驗-59-124162479低強度鐵素體鋼沖擊斷口照片低強度鐵素體鋼沖擊斷口照片系列沖擊試驗奧氏體鋼奧氏體鋼低強度鐵素體鋼低強度鐵素體鋼沖擊吸收功 Ak溫度 TTk1、應(yīng)力狀態(tài)的影響、應(yīng)力狀態(tài)的影響缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)：加載方式和材料本質(zhì)零件受外力作用零件受外力作用時，其內(nèi)部各點時，其內(nèi)部各點的應(yīng)力狀態(tài)可用的應(yīng)力狀態(tài)可用三個主應(yīng)力三個主應(yīng)力1、 2、

5、 3來（來（ 1 2 3）來表示。）來表示。材料力學知識材料力學知識max12313maxmaxmax()2 ：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，零件加載方式由表示。P184 圖5-4maxmaxksk側(cè)壓側(cè)壓22單向壓單向壓2 2扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)0.80.8單向拉單向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.522單向壓單向壓2 2扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)0.80.8單向拉單向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.50.5加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同2 2、溫度的影響、溫度的影響塑性材料開始由塑性變?yōu)榇嘈缘臏囟冉胁牧洗嘈赞D(zhuǎn)變點。塑性材料開始由塑性變?yōu)榇嘈缘臏囟冉胁牧洗嘈赞D(zhuǎn)變點。結(jié)構(gòu)的

6、使用溫度較低時，其中的某個部件或局部可能達到脆結(jié)構(gòu)的使用溫度較低時，其中的某個部件或局部可能達到脆性轉(zhuǎn)變點以下，使塑性材料變脆。性轉(zhuǎn)變點以下，使塑性材料變脆。測試溫度測試溫度度度強強斷裂強度斷裂強度屈服強度屈服強度3、加載速度的影響：提高加載速度，相當于降低工作溫度。、加載速度的影響：提高加載速度，相當于降低工作溫度。應(yīng)變速率應(yīng)變速率度度強強斷裂強度斷裂強度屈服強度屈服強度4、材料狀態(tài)的影響、材料狀態(tài)的影響前述三個因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的前述三個因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的內(nèi)因。內(nèi)因。 1 1）厚度的影響。）厚度的影響。厚度增大，發(fā)生

7、脆斷可能性增大。厚度增大，發(fā)生脆斷可能性增大。一方面原因已如前所一方面原因已如前所述，厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較述，厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方大的限制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方面是因為厚板相對于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外面是因為厚板相對于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差?？勾鄶嗄芰^低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，層均勻性差?？勾鄶嗄芰^低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，組織細

8、密而均勻，具有較高抗斷能力。組織細密而均勻，具有較高抗斷能力。2 2）晶粒度的影響。）晶粒度的影響。對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性轉(zhuǎn)變對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，溫度影響很大，晶粒度越細，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。晶粒度越細，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。3 3）化學成分的影響。）化學成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加隨著碳含量增加，其強度也隨之提高，其強度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大脆斷傾向增大。其他如。其他如N N、O O、H H、S S、P P等元素等元素會會增大鋼材的脆性增大鋼材的

9、脆性。而適量加入。而適量加入NiNi、CrCr、V V、MnMn等元素則有助等元素則有助減小鋼的脆減小鋼的脆性性。 1、焊接結(jié)構(gòu)本身：、焊接結(jié)構(gòu)本身：剛性大剛性大，整體性強，構(gòu)件間很難發(fā)生相對位移，整體性強，構(gòu)件間很難發(fā)生相對位移，焊接應(yīng)力焊接應(yīng)力很很難消除，且對難消除，且對應(yīng)力集中應(yīng)力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構(gòu)件之間擴展，繼而擴展到整體。構(gòu)件之間擴展，繼而擴展到整體。2 2、焊接熱循環(huán)、焊接熱循環(huán)熱影響區(qū)組織脆化，韌性下降。熱影響區(qū)組織脆化，韌性下降。改變材料脆性轉(zhuǎn)變溫度。對某些高強鋼，板厚為改變材料脆性轉(zhuǎn)變溫度。對某些高強鋼，板厚為30 mm30

10、 mm，線，線輸入達輸入達50000J/cm50000J/cm時，可使脆性轉(zhuǎn)變點升高時，可使脆性轉(zhuǎn)變點升高501003、焊接殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力4 4、備料及成形加工、備料及成形加工產(chǎn)生附加應(yīng)力。材料在成形加產(chǎn)生附加應(yīng)力。材料在成形加工時的預應(yīng)變可達工時的預應(yīng)變可達2%3%，預，預應(yīng)變使材料塑性降低，脆斷傾應(yīng)變使材料塑性降低，脆斷傾向增加。向增加?？赡芤胄碌娘@微缺陷，這些可能引入新的顯微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。缺陷可能成為斷裂源。5 5、焊接缺陷、焊接缺陷裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結(jié)構(gòu)的實際強度，并可能誘

11、發(fā)氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結(jié)構(gòu)的實際強度，并可能誘發(fā)微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。焊接熱烈紋焊接熱烈紋焊縫內(nèi)氣孔焊縫內(nèi)氣孔1 1、正確選用材料、正確選用材料2 2、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 減少應(yīng)力集中減少應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中盡量采用圓滑過渡盡量采用圓滑過渡把角接頭改成對接接頭把角接頭改成對接接頭焊縫錯開布置焊縫錯開布置 盡量減小結(jié)構(gòu)剛度盡量減小結(jié)構(gòu)剛度對于大型焊接結(jié)構(gòu)，在滿足使用條下件，應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降對于大型焊接結(jié)構(gòu)，在滿足使用條下件，應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力對脆性斷裂傾向

12、的影響。低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力對脆性斷裂傾向的影響。通常用開通常用開“緩和孔緩和孔”或開或開“緩和槽緩和槽”等方法來減小接頭的剛度，有時還等方法來減小接頭的剛度，有時還故意留一段焊縫不焊。故意留一段焊縫不焊。三條焊縫空間交叉，剛度大，三條焊縫空間交叉，剛度大，應(yīng)力集中嚴重。應(yīng)力集中嚴重。把一塊板切掉一角，降低結(jié)構(gòu)剛把一塊板切掉一角，降低結(jié)構(gòu)剛度。度。3 34 45 5、不可采用過厚截面、不可采用過厚截面在大型焊接結(jié)構(gòu)中，在滿足工作應(yīng)力的條件下，盡量采用在大型焊接結(jié)構(gòu)中，在滿足工作應(yīng)力的條件下，盡量采用薄板材。薄板材。在工作應(yīng)力較大時，可采用多層板結(jié)構(gòu)，從而降低鋼板的在工作應(yīng)力較大時，可采用多層板

13、結(jié)構(gòu)，從而降低鋼板的脆性轉(zhuǎn)變溫度。脆性轉(zhuǎn)變溫度。不能用減低許用應(yīng)力的辦法來減小脆斷傾向性，這樣會使不能用減低許用應(yīng)力的辦法來減小脆斷傾向性，這樣會使板厚增大，斷裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。板厚增大，斷裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。6 6、了解焊接結(jié)構(gòu)的工作條件、了解焊接結(jié)構(gòu)的工作條件詳細了解工作環(huán)境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井詳細了解工作環(huán)境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井的設(shè)計要求掌握近的設(shè)計要求掌握近2020年的氣象報告，最后通過概率統(tǒng)計得出年的氣象報告，最后通過概率統(tǒng)計得出結(jié)構(gòu)最低工作溫度。結(jié)構(gòu)最低工作溫度。充分考慮結(jié)構(gòu)的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結(jié)構(gòu)更充分考

14、慮結(jié)構(gòu)的承載情況，對承受動載和沖擊載荷的結(jié)構(gòu)更要給予特殊的關(guān)注，一般要通過實驗確定結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫要給予特殊的關(guān)注，一般要通過實驗確定結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫度。度。對于儲存腐蝕性介質(zhì)的容器，要求焊縫熱影響區(qū)不能與介質(zhì)對于儲存腐蝕性介質(zhì)的容器，要求焊縫熱影響區(qū)不能與介質(zhì)接觸。接觸。增加板厚增加板厚小小 結(jié)結(jié)脆性斷裂的特征脆性斷裂的特征 無明顯塑性變形的低應(yīng)力破壞，突然性強。無明顯塑性變形的低應(yīng)力破壞，突然性強。產(chǎn)生脆斷的原因產(chǎn)生脆斷的原因 使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度使塑性材料變脆；使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度使塑性材料變脆； 焊接熱循環(huán)容易使熱影響區(qū)組織粗大，塑性下降焊接熱循環(huán)容易使熱影響區(qū)組織粗大，塑性下

15、降; ; 焊接殘余應(yīng)力使焊接接頭強度下降并且接頭處易產(chǎn)生應(yīng)力集焊接殘余應(yīng)力使焊接接頭強度下降并且接頭處易產(chǎn)生應(yīng)力集中；中； 焊接缺陷使結(jié)構(gòu)的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋；焊接缺陷使結(jié)構(gòu)的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋； 備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性；備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性； 焊接結(jié)構(gòu)剛度大，焊接應(yīng)力難消除，裂紋在構(gòu)件之間擴展容焊接結(jié)構(gòu)剛度大，焊接應(yīng)力難消除，裂紋在構(gòu)件之間擴展容易。易。生產(chǎn)和設(shè)計中防止脆斷的措施生產(chǎn)和設(shè)計中防止脆斷的措施 了解使用條件；合理設(shè)計結(jié)構(gòu)；降低應(yīng)力集中；盡量減少缺陷。了解使用條件；合理設(shè)計結(jié)構(gòu)；降低應(yīng)力集中；盡量減少缺陷。焊

16、接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞動荷載的概念動荷載的概念 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變或變動很是指由零緩慢地增加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，體內(nèi)各點沒有加速度，或加速度很小的荷載。構(gòu)件受靜荷載作用時，體內(nèi)各點沒有加速度，或加速度很小可忽略不計，此時構(gòu)件處于靜止或勻速直線運動的平衡狀態(tài)。小可忽略不計，此時構(gòu)件處于靜止或勻速直線運動的平衡狀態(tài)。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。相反，若構(gòu)件。相反，若構(gòu)件在荷載作用下，體內(nèi)各點有明顯的加速度，或者荷載隨時間有顯著的在荷載作用下，體內(nèi)各點有

17、明顯的加速度，或者荷載隨時間有顯著的變化，這類荷載稱為變化，這類荷載稱為動荷載動荷載。 交變應(yīng)力交變應(yīng)力工程中的某些構(gòu)件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應(yīng)力工程中的某些構(gòu)件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應(yīng)力稱為稱為交變應(yīng)力交變應(yīng)力。應(yīng)力循環(huán)特征應(yīng)力循環(huán)特征(b)(b)脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)(a)(a)完全對稱循環(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)焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造

18、工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實施（斷裂理論）疲勞破壞的特點疲勞破壞的特點（1 1） 交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強度極限，有時甚至低于屈服極限（度極限，有時甚至低于屈服極限（低應(yīng)力破壞低應(yīng)力破壞）。）。（2 2） 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)為脆性脆性斷

19、裂斷裂，沒有明顯的塑性變形沒有明顯的塑性變形。（3 3） 材料發(fā)生破壞時，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，材料發(fā)生破壞時，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，應(yīng)力越應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少大，循環(huán)次數(shù)越少。（4 4） 斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區(qū)域，即斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域光滑區(qū)域和和粗粗糙區(qū)域糙區(qū)域，如圖所示。，如圖所示。斷口特征斷口特征疲勞破壞的過程疲勞破壞的過程構(gòu)件的疲勞破壞，實質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴展和最后斷裂的全過程。構(gòu)件的疲勞破壞，實質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴展和最后斷裂的全過程。三個階段組成：三個階段組成：1）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；）

20、在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩(wěn)定擴）裂紋穩(wěn)定擴展；展；3）結(jié)構(gòu)斷裂。）結(jié)構(gòu)斷裂。 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。缺陷缺陷微觀裂紋微觀裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋。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）0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456 應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；疲勞壽命越高； 應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。多，疲勞壽命越高。影響焊接接頭疲勞強度的因素：影響焊接接頭疲勞強度的因素：（1 1）應(yīng)力集中的影響）應(yīng)力集中的影響對接焊縫由于形狀變化不大，因此

21、，它的應(yīng)力集中比其它形式的接頭要??；對接焊縫由于形狀變化不大，因此，它的應(yīng)力集中比其它形式的接頭要??； T T形形( (十字十字) )接頭的疲勞強度遠遠低于對接接頭。在搭接接頭中，由于其應(yīng)力接頭的疲勞強度遠遠低于對接接頭。在搭接接頭中，由于其應(yīng)力集中很嚴重，其疲勞強度也是很低的。集中很嚴重，其疲勞強度也是很低的。（2 2）殘余應(yīng)力的影響）殘余應(yīng)力的影響 殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)力較高的區(qū)域，如應(yīng)力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則力較高的區(qū)域，如應(yīng)力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強度。另外它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強度。另外殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響，還與應(yīng)力集中程度、應(yīng)力循環(huán)特征以及循環(huán)次殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響，還與應(yīng)力集中程度、應(yīng)力循環(huán)特征以及循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)，特別是應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力影響越顯著。數(shù)等因素有關(guān)，特別是應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力影響越顯著。（3 3）缺陷的影響）缺陷的影響 焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷