第6章焊接結(jié)構(gòu)疲勞

第6章

焊接接頭和結(jié)構(gòu)的

疲勞強(qiáng)度主要內(nèi)容：材料及結(jié)構(gòu)疲勞失效的特征疲勞試驗(yàn)及疲勞圖疲勞斷裂的物理過程和斷口特征焊接接頭的疲勞強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的因素提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的措施大約用6~8學(xué)時(shí)概述在美國(guó)已經(jīng)得到確認(rèn)，由于產(chǎn)品的疲勞問題所引起的損失占國(guó)民生產(chǎn)總值的4％左右(約1200億美元)；疲勞所涉及的領(lǐng)域有汽車，航空航天，機(jī)械，船舶，鐵路，國(guó)防，軍工，海洋工程等等。隨著科技日新月異和用戶對(duì)產(chǎn)品的要求越來越苛刻，企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)越來越大，要縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，疲勞問題要走在設(shè)計(jì)的前面等。在產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段，評(píng)估疲勞相關(guān)的問題和進(jìn)行耐久性分析從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命能給公司在縮減開發(fā)和測(cè)試成本、縮短投放市場(chǎng)的時(shí)間、提高產(chǎn)品使用壽命等方面帶來很大的收益。6.1材料及結(jié)構(gòu)疲勞失效的特征疲勞定義：材料在變動(dòng)載荷作用下，會(huì)產(chǎn)生微、宏觀的塑性變形，降低了材料的承載能力并引起裂紋，隨著裂紋的逐步擴(kuò)展，最后將導(dǎo)致斷裂。統(tǒng)計(jì)表明：疲勞破壞占失效結(jié)構(gòu)的90％。疲勞失效的特征一：與脆斷有明顯差別，加載次數(shù)、斷裂過程、溫度、端口；疲勞失效的特征二：疲勞強(qiáng)度難以確定，其值與實(shí)際工作條件密切相關(guān)不易預(yù)測(cè)；疲勞失效的特征三：疲勞破壞一般從表面和應(yīng)力集中出開始，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞從焊接接頭產(chǎn)生。圖6-1、-2、-3、-4疲勞破壞實(shí)例2118次著陸后發(fā)生破壞-低周疲勞運(yùn)行30000km后，車架縱梁破壞-疲勞法蘭與管道連接處發(fā)生破壞-KT高的角焊縫水壓機(jī)機(jī)架在多次工作后破壞-低周疲勞焊接結(jié)構(gòu)的大量使用和研究，疲勞破壞不斷高強(qiáng)鋼的使用，對(duì)KT比低碳鋼敏感-疲勞破壞問題增加不銹鋼管焊縫的微觀疲勞斷口汽車排氣系統(tǒng)不銹鋼管材的焊縫疲勞實(shí)驗(yàn)的斷口照片。斷裂在母材與焊縫之間的HAZ上。6.2疲勞試驗(yàn)及疲勞圖6.2.1疲勞載荷及其表示法

金屬的疲勞是在變載條件下經(jīng)過N次循環(huán)才出現(xiàn)的。變載荷：是指大小、方向、波形、頻率和應(yīng)力幅隨時(shí)間發(fā)生周期性或無規(guī)則變化的一類載荷。

變載荷的主要參量：圖6-4r——應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)或應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)，r值不同，循環(huán)特征亦不同。常用σr表示某種疲勞應(yīng)力。1.對(duì)稱交變載荷2.脈動(dòng)載荷3.拉伸變載荷幾種典型的動(dòng)載荷高周與低周疲勞高周低應(yīng)力（在彈性范圍內(nèi)）疲勞，N：104~105次以上，又稱應(yīng)力疲勞；低周高應(yīng)力（超出彈性范圍）疲勞，N＜104~105次，又稱應(yīng)變疲勞任何工程結(jié)構(gòu)都不允許出現(xiàn)全截面的標(biāo)稱應(yīng)力大于屈服點(diǎn)的情況。所以，低周次疲勞僅是某些應(yīng)力集中區(qū)域的材料單元疲勞行為。6.2.2基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)及疲勞曲線烏勒[德]第一個(gè)完成的基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)，得到疲勞S-N曲線應(yīng)力循環(huán)無數(shù)次也不發(fā)生疲勞破壞的最大的應(yīng)力幅叫疲勞極限。N取對(duì)數(shù)，則破壞應(yīng)力與N關(guān)系可用兩直線表示。S-N曲線的類型其一，有應(yīng)變時(shí)效的金屬如常溫的鋼鐵，S-N曲線有明顯的水平部分；其二，無應(yīng)變時(shí)效的金屬如鋁等，無水平部分，用人為的循環(huán)基數(shù)N0對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為條件疲勞極限。高強(qiáng)鋼的低周疲勞曲線（1）用σmax和r表示的疲勞圖即Moore，Kommers疲勞強(qiáng)度圖r=1時(shí)，σmax=σb6.2.3疲勞強(qiáng)度的常用表示法_疲勞圖（2）用σmax和σm表示的疲勞圖即Smith疲勞圖（3）用σa和σm表示的疲勞圖即Haigh疲勞強(qiáng)度圖舉例：已知σb=588N/mm2，N=2*106時(shí)，σ0=304N/mm2，σ-1=196N/mm2，作圖求出σ1/2=？解：過0點(diǎn)作射線使r=1/2，交于BC延長(zhǎng)線上D點(diǎn)，得412N/mm26.2.4各類參數(shù)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響1、材料2、表面狀態(tài)3、N4、應(yīng)力性質(zhì)5、缺口效應(yīng)1、材料的影響材料不同，σr不同，無缺口光滑試件疲勞強(qiáng)度與σb有關(guān)：鋼材：2、表面狀態(tài)的影響影響很大，因?yàn)槠谕鶑谋砻骈_始用表面系數(shù)k*

來表示，圖6-13，k*與表面粗糙度成反比腐蝕亦可看成表面粗糙表面強(qiáng)化和殘余壓應(yīng)力有助于提高疲勞強(qiáng)度圖6-13，k*與表面粗糙度成反比3、N——循環(huán)次數(shù)的影響圖6-14~17可見，疲勞曲線是一族線束；相同條件下，N值越大，對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度越低。Haight、Smith、Goodman、以及Moore，Kommers4、應(yīng)力性質(zhì)的影響同一材料（如鑄鐵）的抗壓疲勞強(qiáng)度高于抗拉疲勞強(qiáng)度；圖6-18材料的疲勞強(qiáng)度隨σm增加而降低；圖6-19（a）相同條件下，σ0＞

σ-1；圖6-19（b）5、缺口效應(yīng)相同材料350~850MPa結(jié)構(gòu)鋼，疲勞缺口系數(shù)kf↑→σ-1↓圖6-20f的影響：0.1~200Hz，影響不大溫度的影響，溫度↓→σr↑（稍）6.3疲勞斷裂的物理過程和斷口特征疲勞斷裂的三個(gè)階段：1）應(yīng)力集中產(chǎn)生初始疲勞裂紋——裂紋萌生2）裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展3）失穩(wěn)斷裂裂紋的長(zhǎng)度界限：1000埃？×10放大鏡？1mm？斷口宏觀特征：輻射的貝殼紋焊趾裂紋引發(fā)的疲勞裂紋對(duì)于塑性材料，疲勞宏觀斷口為纖維狀；脆性材料為結(jié)晶狀穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)與最后失穩(wěn)斷裂區(qū)所占面積比——估計(jì)應(yīng)力狀態(tài)表圖6-1，應(yīng)力集中-載荷性質(zhì)斷口顯微特征－疲勞輝紋擴(kuò)展機(jī)理－拉埃特和斯密斯模型Laird-Smith6.4焊接接頭的疲勞強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)~包括焊接接頭在內(nèi)的典型連接件的疲勞強(qiáng)度公式，均是在疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用σmax和σmin表示的疲勞圖（4）推導(dǎo)出來的。TJ-17-74規(guī)定：注意兩點(diǎn)：按公式(6-1)、(6-2)算得的[σp]若等于或大于材料的許用應(yīng)力[σ]，以及式（6-2）中出現(xiàn)r≥k時(shí)，可以不計(jì)算疲勞強(qiáng)度；角焊縫的疲勞許用應(yīng)力，不論最大應(yīng)力的性質(zhì)，均按（6-1）確定。我國(guó)起重機(jī)行業(yè)執(zhí)行TJ-17-74《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，GBJ17—88,較TJ17—74有較大的改進(jìn),采用了概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,調(diào)整、充實(shí)和修改了許多章節(jié),增添了塑性設(shè)計(jì)、鋼管結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等三章新內(nèi)容,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。我國(guó)鐵路工程橋梁用鋼焊接接頭執(zhí)行《中華人民共和國(guó)鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10002.2-2005之J461-2005，見表6-2表中的[σ0]即為[σ0p]適用條件簡(jiǎn)介適用材料簡(jiǎn)介各種構(gòu)件或連接基本形式及疲勞容許應(yīng)力幅[σ0]分了12類，分別定義其疲勞容許應(yīng)力幅具體12類的結(jié)構(gòu)或連接如表6-2舉例：母材舉例：對(duì)接焊接型鋼京滬高速鐵路中的橋梁用鋼全長(zhǎng)為1300多公里，橋梁占1000多公里，為全長(zhǎng)的77%。應(yīng)力集中截面尺寸表面狀態(tài)加載情況介質(zhì)還有，HAZ金屬性能的改變、殘余應(yīng)力、缺陷等6.5影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素6.5.1應(yīng)力集中的影響有無焊縫時(shí)疲勞極限比較鋼材級(jí)別與疲勞極限的關(guān)系6.5.1應(yīng)力集中的影響圖6-24圖6-25圖6-26低合金錳鋼好于低碳鋼；加工的好于未加工；焊接的不如母材。對(duì)接試驗(yàn)可見：圖6-27圖6-28十字接頭工作焊縫試驗(yàn)可見：開坡口比不開坡口好；低合金錳鋼好于低碳鋼；加工的好于未加工；圖6-29工作焊縫的疲勞強(qiáng)度與開坡口的相當(dāng)（與圖6-28比較）圖6-30a側(cè)面角焊縫b正面角焊縫c正面角焊縫1：2dc條件并且機(jī)械加工e蓋板厚度加一倍且焊角比例1：3.8f對(duì)接加蓋板高強(qiáng)鋼的中、低周疲勞強(qiáng)度S-N曲線隨抗拉強(qiáng)度提高而升高；圖6-32適合用于靜平均應(yīng)力較高（大跨度橋梁）和循環(huán)次數(shù)較低（高壓容器、飛機(jī)旋翼、深海潛艇）條件；但是，應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力會(huì)大幅降低其疲勞強(qiáng)度。6.5.2近縫區(qū)金屬性能變化的影響圖6-33大量試驗(yàn)表明：常用的焊接熱輸入，焊接HAZ與母材的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)接近。常用的熱輸入（用冷卻速度表示）：幾十~幾百℃/s圖6-34不同級(jí)別的焊縫金屬386~780N/mm2，對(duì)裂紋的擴(kuò)展速率影響不大。（關(guān)于裂紋擴(kuò)展速率的討論——見下節(jié)）圖6-36X=h/d高組配接頭（硬夾層）：疲勞強(qiáng)度取決于軟金屬低組配接頭（軟夾層）：寬徑比X=0.75為界限，X越小，疲勞強(qiáng)度越高；6.6.3殘余應(yīng)力的影響圖6-37如Haigh疲勞圖情況1：殘余應(yīng)力為正，平均應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，使應(yīng)力幅值降低，即降低了疲勞強(qiáng)度；反之亦然；情況2：平均應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加達(dá)到屈服點(diǎn)，內(nèi)應(yīng)力將消除，所以C點(diǎn)狀態(tài)內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度沒有影響，在C點(diǎn)左側(cè)，平均應(yīng)力越小，內(nèi)應(yīng)的影響越顯著。圖6-38圖6-39主焊縫與次焊縫的焊序?qū)ζ趶?qiáng)度的影響：左圖為A組，次焊到對(duì)先焊的主焊道有有利影響。圖6-40焊態(tài)與焊后熱處理件在不同r值條件下的疲勞強(qiáng)度：r≥0，兩者相當(dāng)，r≤0，熱處理好一些。圖6-41應(yīng)力集中嚴(yán)重時(shí)：熱處理對(duì)提高脈動(dòng)疲勞強(qiáng)度有好處。圖6-426.5.4缺陷的影響平面型缺陷比帶圓角的影響大；表面的缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力垂直的平面型缺陷比其他缺陷影響大；在拉應(yīng)力場(chǎng)中的比壓應(yīng)力場(chǎng)中影響大；應(yīng)力集中區(qū)的比均勻應(yīng)力場(chǎng)中的影響大。咬邊：A組大于B組圖6-43未焊透：A組大于B組圖6-44未焊透%越大，疲勞強(qiáng)度越小。圖6-45比較有裂紋的平板與焊件：焊趾裂紋更容易裂穿——應(yīng)力集中區(qū)的裂紋6.6.1焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)概述疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：是制定規(guī)定的目標(biāo)（如費(fèi)用）對(duì)強(qiáng)度、壽命和安全性進(jìn)行優(yōu)化，并使組合結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件都具有相同的疲勞強(qiáng)度、壽命和安全性的設(shè)計(jì)方法。形狀——缺口應(yīng)力集中——局部的峰值——是防止疲勞和脆斷的首要問題局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是提高疲勞強(qiáng)度和壽命的最有效方法。6.6提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施6.6.2疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一般原則工程實(shí)踐總結(jié)：見P244，1~15條確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值：測(cè)試原型有限元分析（FEA）6.6.3提高疲勞強(qiáng)度的工藝措施（1）降低應(yīng)力集中（主要原因）1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式圖6-46，焊接件設(shè)計(jì)正誤比較圖6-462）盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭形式圖6-47圖6-48角焊縫改為對(duì)接3）角焊縫要采取綜合措施（機(jī)加工、保證熔透）表6-54）開緩和槽降低應(yīng)力集中圖6-505）表面機(jī)加工或加工適當(dāng)部位；注意加工成本6）電弧整形圓滑過渡叫并增大過渡半徑圖6-51（2）調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)1）整體處理退火2）局部處理圖6-52局部加熱或擠壓”○”處使應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力3）超載預(yù)拉伸圖6-52（3）改善材料的表面性能表面強(qiáng)化處理：擠壓或錘擊應(yīng)力集中區(qū)噴丸處理應(yīng)力集中區(qū)表6-7（4）特殊保護(hù)措施

應(yīng)力集中處添加保護(hù)涂層，防腐蝕是根本——降低缺口效應(yīng)6.6.4幾種工藝方法的定量分析與比較TWI的試驗(yàn)結(jié)果結(jié)構(gòu)鋼、橫向肋板、脈動(dòng)：最好次序：TIG焊修整-磨盤磨削-噴丸處理-砂輪磨削-預(yù)超載荷-與原態(tài)比較，圖6-53結(jié)構(gòu)鋼、縱向肋板、脈動(dòng)：最好次序：噴丸處理-局部加壓-局部加熱-磨盤磨削-預(yù)超載荷-與原態(tài)比較，圖6-54注意：對(duì)于萌生于內(nèi)部或焊縫根部的疲勞破壞，上述方法不盡人意。6.7斷裂力學(xué)在疲勞裂紋擴(kuò)展研究中的應(yīng)用6.7.1裂紋與亞臨界擴(kuò)展亞臨界擴(kuò)展的兩種方式：1、應(yīng)力疲勞：高循環(huán)、低載荷、裂紋擴(kuò)展速率小2、應(yīng)變疲勞：低循環(huán)、高載荷、裂紋擴(kuò)展速率高圖6-55圖6-56帕瑞斯公式的兩個(gè)缺點(diǎn)：a.未考慮平均應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響；b.為考慮裂紋擴(kuò)展的加