第10講焊接結(jié)構(gòu)地疲勞失效

第10講焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效絕大多數(shù)的焊接結(jié)構(gòu)和焊接機(jī)械零部件，都是在變載荷下工作的，疲勞破壞是這種構(gòu)件的主要破壞形式。大量統(tǒng)計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90。%3.金1屬材料的疲勞破壞一、疲勞強(qiáng)度金屬機(jī)件在循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞破壞，與在靜應(yīng)力作用下的失效有本質(zhì)區(qū)別。靜強(qiáng)失效，是由于在構(gòu)件的危險截面中，產(chǎn)生過大的殘余變形或最終斷裂。疲勞破壞，是在構(gòu)件局部高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，較弱的晶粒在變動應(yīng)力作用下形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展導(dǎo)致最終疲勞破壞。疲勞破壞與脆性斷裂相比：同：兩者斷裂時的變形都很小。異：（1疲）勞破壞需要多次加載，而脆斷一般不需多次加載。結(jié)構(gòu)（脆2斷）是瞬時完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展是緩慢的有時要長達(dá)數(shù)年時間。脆斷（受3溫）度影響極大。隨溫度的小而降低，脆斷的危險性增加。而疲勞破壞受溫度影響甚小。疲勞（破4壞）的斷口特征明顯不同于脆斷。二、載荷的種類掌握載荷的變化情況，是進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計的先決條件。變動載荷或應(yīng)力循環(huán)特性主要用下列參量表示：€ ——變動載荷或應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力；max€ ——變動載荷或應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最小應(yīng)力；min€ ，-max min-——平均應(yīng)力；m 2€，——max min-——應(yīng)力振幅或應(yīng)力半幅；a 2

r二mi^——應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)或應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)。€max描述循環(huán)載荷的上述參數(shù)如圖3-所1示。單向等幅變動載荷，按照應(yīng)力幅值€和平均應(yīng)力€的大小，可分為對稱拉0m壓、脈動拉伸、波動拉壓等形式。r的變化范圍在 ~圖為疲勞失效中載荷類型。載荷種類對構(gòu)件的強(qiáng)度行為具有根本的影響。隨著載荷特征值變小，構(gòu)件產(chǎn)生疲勞斷裂的危險增大。對每一個焊接結(jié)構(gòu)，在設(shè)計之前就應(yīng)充分考慮到在不同的載荷狀態(tài)下，其所承受相應(yīng)載荷的能力，并使其達(dá)到設(shè)計的使用壽命。此外，構(gòu)件是否出現(xiàn)疲勞斷裂還受構(gòu)件本身形狀、材料厚度、表面狀況或腐蝕情況等影響。3.疲2勞裂紋形成及影響疲勞強(qiáng)度的因素一、疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展疲勞破壞——材料在多次重復(fù)的變應(yīng)力作用下，雖然工作應(yīng)力的最大值小于材料的強(qiáng)度極限，但由于材料局部造成某種程度的永久變形，從而產(chǎn)生裂紋并且最終斷裂，這種破壞稱為疲勞破壞。疲勞破壞一般可分為三個階段：疲勞裂紋形成、疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時斷裂。疲勞斷裂是由循環(huán)應(yīng)力、拉應(yīng)力、和塑性應(yīng)變同時作用而造成的。循環(huán)應(yīng)力使裂紋形成，拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展，塑性應(yīng)變影響整個疲勞過程。若三者缺一，則疲勞裂紋都不可能形成和擴(kuò)展。（一）疲勞裂紋的形成總是首先在應(yīng)力最高、強(qiáng)度最弱的基本上形成。疲勞裂紋的形成主要有三種形式：夾雜物和基體晶面開裂、滑移帶開裂、變晶和晶界開裂，如圖3-所3示。（二）疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋形成后，便沿著與拉應(yīng)力軸線成45°角的最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，這是裂紋擴(kuò)展第I階段。在這個階段中，裂紋擴(kuò)展速度和最大深度都非常小，裂紋達(dá)到某一深度后，即稱為擴(kuò)展的第II階段。在這個階段中，裂紋垂直于拉應(yīng)力軸的方向。當(dāng)疲勞裂紋長度達(dá)到材料的臨界裂紋尺寸a時，€最終的瞬時斷裂，c如圖3-所4示。三）疲勞破壞的宏觀斷口特征脆性的，無明顯的塑性變形。疲勞斷口分成疲勞裂紋擴(kuò)展（疲勞區(qū)）和瞬時斷裂（瞬斷區(qū)）兩個區(qū)。圖3-為5疲勞斷裂的斷口形貌。圖3-疲5勞斷裂的斷口形貌二、影響疲勞強(qiáng)度的因素（一）應(yīng)力集中材料的強(qiáng)度越高，缺口越尖銳€應(yīng)力集中越敏感。（二）表面狀況在變載荷作用下，疲勞裂紋常開始產(chǎn)生于構(gòu)件表面。因為在彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷作用下，、表層的應(yīng)力最高，且表層經(jīng)常存在各種缺陷。€表面加工質(zhì)量，對疲勞強(qiáng)度有很大影響。拋光是最精密的機(jī)械加工。在試樣表面上按平行于載荷方向進(jìn)行拋光,所得的疲勞強(qiáng)度最高。TOC\o"1-5"\h\z在構(gòu)件或合金坯料上打印，會使疲勞極限明顯下降。在厚度為 ，a0的硬鋁試樣上打印，其疲勞強(qiáng)度約降低 。（三）尺寸的影響早在 年福耳哈貝爾 研究和金鋼試樣時，將直徑由增至?xí)r，發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度降低? 。關(guān)于尺寸對材料疲勞極限的影響，綜合許多研究資料，可歸納為以下幾點：試樣尺寸增加時，材料疲勞極限降低；（考慮表層狀態(tài)）（2強(qiáng)）度高的合金鋼，其尺寸影響比強(qiáng)度低的鋼大；（3當(dāng)）應(yīng)力分布不均勻性增加時，尺寸影響也增加；（4尺）寸增加時，有效應(yīng)力集中系數(shù)也增加。3斷裂力學(xué)在疲勞裂紋擴(kuò)展研究中的應(yīng)用在傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計方法中，總是假定材料的初始狀態(tài)是連續(xù)體，是沒有裂紋的，經(jīng)過一定循環(huán)數(shù)后，由于材料的損傷積累，才形成裂紋。并且認(rèn)為，凡是強(qiáng)度指標(biāo)（如強(qiáng)度極限a和屈服極限a）高的材料，其疲勞壽命也長。然而，b0實踐證明，為了提高疲勞強(qiáng)度而采用強(qiáng)度級別高的材料后，構(gòu)件的斷裂事故增加了。因為構(gòu)件中總存在微裂紋。目前超聲波探傷只能發(fā)現(xiàn) 以上的裂紋，而這一尺寸以下的裂紋還無法用無損探傷手段完全發(fā)現(xiàn)。但實際上裂紋是存在的。所以傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論認(rèn)為材料是均勻的、連續(xù)的這個假設(shè)并不符合實際。斷裂力學(xué)的基本假設(shè)是承認(rèn)構(gòu)件中原始裂紋的存在。從應(yīng)力強(qiáng)度因子與其它變量之間的關(guān)系看，當(dāng)由載荷、結(jié)構(gòu)形狀、裂紋形狀及大小所決定的強(qiáng)度因子$材料的斷裂韌性K時，€材料發(fā)生斷裂。因此，如果已知應(yīng)力強(qiáng)度因子的合理IC表達(dá)式及材料的斷裂韌性，就可以算出最大的允許應(yīng)力，或算出使構(gòu)件產(chǎn)生破壞的臨界裂紋尺寸。當(dāng)實際裂紋尺寸$臨界裂紋尺寸時，構(gòu)建載受載瞬時會發(fā)生斷裂。€傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計方法與斷裂力學(xué)設(shè)計方法的出發(fā)點不同。所以對有裂紋缺陷的構(gòu)件的計算必須同時滿足兩者判斷，不能相互取代，只作互補(bǔ)€使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計更完善。一、 裂紋的亞臨界擴(kuò)展疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段：一個含有尺寸為a的裂紋體，當(dāng)受靜載荷時，只是在其應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力Q0c時，即當(dāng)其裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值KK時，才能發(fā)生失穩(wěn)破ICC壞。如果該裂紋體受到一個低于a的但有足夠多的循環(huán)應(yīng)力時，則初始裂紋便c會由起始尺寸a逐漸擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸a€構(gòu)件破壞。這一過程稱為疲勞裂0c紋的亞臨界擴(kuò)展階段。二、 工作壽命的估算很多受循環(huán)應(yīng)力的構(gòu)件，裂紋在早期就形成了。這種構(gòu)件的壽命主要是使裂紋從初始尺寸擴(kuò)展到臨界尺寸所需的循環(huán)數(shù)，焊接結(jié)構(gòu)就含有不同程度的微裂紋和一些與裂紋相似的缺陷。從斷裂力學(xué)的角度講，認(rèn)為塑性低的材料易于脆斷。這一說法對于靜載斷裂特性是如此，但對于疲勞裂紋擴(kuò)展速度來講并非如此。大量試驗證明，對于不同強(qiáng)度的材料，雖然它們的斷裂韌性K的數(shù)值相差很大，IC但疲勞裂紋擴(kuò)展速度的變化范圍并不很大。在對構(gòu)件進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算中，其基本數(shù)據(jù)是構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展速率。用（公式）三、 低周疲勞高周疲勞，即施加載荷比較低，而頻率比較高。對于壓力容器，炮筒、飛機(jī)起落架之類的構(gòu)件，在循環(huán)負(fù)載加載過程中往往應(yīng)力水平很高（峰值應(yīng)力進(jìn)入塑性區(qū)），雖然負(fù)載頻率較低，但疲勞壽命并不高，這種疲勞破壞成為低周疲勞（低于105次）。4影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，即具有缺口效應(yīng)，它們對接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生程度不同的不利影響。影響基體金屬疲勞強(qiáng)度有許多因素，如應(yīng)力集中、表面狀態(tài)、尺寸因素、介質(zhì)。這些影響基本金屬疲強(qiáng)的因素同樣也對焊接結(jié)構(gòu)的疲強(qiáng)有影響。此外，焊接結(jié)構(gòu)自身接頭形狀不光滑、近縫區(qū)性能改變、焊接殘余應(yīng)力等特點均對焊接結(jié)構(gòu)有影響。一、焊接接頭應(yīng)力集中焊接結(jié)構(gòu)中，各種焊接接頭處都存有不同程度的應(yīng)力集中。焊接接頭中的應(yīng)力集中，主要來源于兩方面：（1由）焊趾區(qū)、焊根及一些焊接缺陷面引起的應(yīng)力集中。（2因）焊接結(jié)構(gòu)本身設(shè)計不合理引起的應(yīng)力集中。對接接頭由于形狀變化不大，因而應(yīng)力集中程度比其他接頭要小。但過大的增厚高或過小的基本金屬與焊縫金屬的過度角e都會增加應(yīng)力集中的程度，使接頭的疲勞強(qiáng)度下降。焊縫的增高量愈大導(dǎo)致接頭疲勞強(qiáng)度量越大。機(jī)加工可明顯提高接頭疲勞強(qiáng)度。但表面機(jī)加工成本很高。只有特別重要的接頭和確實能加工到的地方，才適宜采用這種表面機(jī)械加工。圖3-顯6示了對接接頭過渡角e以及過渡圓弧半徑對疲勞強(qiáng)度的影響。對接接頭過渡角e以及過渡圓弧半徑對疲勞強(qiáng)度的影響形和十字形接頭截面變化明顯，應(yīng)力集中系數(shù)要比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度要比對接接頭的低得多。對于未開坡口的角焊縫連接的接頭，當(dāng)焊縫受力時，其疲勞斷裂可能發(fā)生在…母材與焊縫連接的接頭處,、、?焊縫處［這兩個較薄弱環(huán)節(jié)上。圖 為兩種鋼材十字接頭的疲勞強(qiáng)度圖。實線代表的疲勞強(qiáng)度是按斷裂在母材計算的，虛線是按斷裂在焊縫計算的。由圖中可以看出合金鋼對應(yīng)力集中比較敏感。在這種情況下，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。因為焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面，即焊縫趾端處母材的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過斷裂在此處的疲勞強(qiáng)度。提高丁字和十字接頭的疲勞強(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。圖3-為開坡口焊透的低碳鋼十字接頭的疲勞強(qiáng)度圖。通過這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度有較大的提高。焊縫不承受工作應(yīng)力的丁字和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板過渡區(qū)的應(yīng)力集中。二、焊接殘余應(yīng)力的影響對于無應(yīng)力集中現(xiàn)象的試件，殘余應(yīng)力一般不會降低疲勞強(qiáng)度。只在有應(yīng)力集中的情況下，殘余拉伸應(yīng)力才會降低疲勞強(qiáng)度。殘余拉應(yīng)力提高了疲勞循環(huán)的平均應(yīng)力，加速疲勞破壞；殘余壓應(yīng)力可以阻止或減緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。構(gòu)件的整體剛度和強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)承載的根基；接頭間的平滑、圓滑、柔韌程度，是減低應(yīng)力集中敏感性的重要手段。三、焊接缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響焊接缺陷在焊件中會引起應(yīng)力集中，在交變載荷作用下，很容易引發(fā)疲勞裂紋。實驗證明，在同樣材料制成的焊接結(jié)構(gòu)中，缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響比對靜載強(qiáng)度的影響大得多。表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面缺陷的影響比其它方向的大；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)的大位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊縫趾部裂紋）比在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷影響大。焊接缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。一般可分：平面類二維缺陷裂紋、未焊透、未熔合、對疲勞強(qiáng)度的影響較大。體）積類（三維）缺陷氣孔、夾渣、對疲勞強(qiáng)的影響較小。因為大多數(shù)三維缺陷都埋藏深處。但如缺陷露出表面或接近表面時，其疲勞強(qiáng)度的降低要比深埋的明顯。若三維缺陷中的夾渣形成尖銳刻槽，則對疲勞強(qiáng)度的影響也相當(dāng)大。球形夾渣和氣孔對疲勞強(qiáng)度影響較小，但接頭中如果有大量的氣孔和夾渣，則對疲勞強(qiáng)的的影響也很大。所以這些缺陷削弱了接頭的有效工作截面。疲勞斷裂通常是從表面引發(fā)的，因此，就疲勞強(qiáng)度而論，在表面上或靠近表面處的焊接缺陷比深埋內(nèi)部的缺陷危險性更大。此外，疲勞載荷的性質(zhì)和大小、環(huán)境因素以及材質(zhì)的純度與材料的塑性和韌性均對焊接結(jié)構(gòu)和接頭疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響。如O和直接影響疲勞裂紋每次的張開、閉合的幅度和向前推進(jìn)的進(jìn)程。O越大，值越低，Ao就越大，就越大，疲勞壽命就越短。腐蝕介質(zhì)會加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展速率，減低疲勞壽命。塑性和韌性對延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展有明顯作用。焊接接頭疲勞強(qiáng)度設(shè)計—、安全壽命設(shè)計安全壽命，指的是在某一環(huán)境條件下，在已知小于疲勞破壞許用應(yīng)力的最大負(fù)載概率時工作的循環(huán)次數(shù)。它是在疲勞實驗的基礎(chǔ)上，利用。一曲線和疲勞圖進(jìn)行設(shè)計的?，F(xiàn)行設(shè)計規(guī)范也采用許用應(yīng)力的方法，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受交變載荷時，用疲勞公式計算母材和接頭的疲勞許用應(yīng)力,p］然后計算最大工作應(yīng)力，檢查它是否小于或等于疲勞許用應(yīng)力。二、 破損安全設(shè)計概念疲勞斷裂首先是產(chǎn)生疲勞裂紋，然后裂紋擴(kuò)展，在預(yù)定使用期間，結(jié)構(gòu)和部件不可避免地會出現(xiàn)—些損傷和局部破壞，但決不容許發(fā)生災(zāi)難性破壞。也就是說，在使用期間或預(yù)定壽命期間，這些損傷和局部破壞發(fā)生后，不會擴(kuò)展到完全破壞，即原始裂紋a不會發(fā)展到臨界裂紋，這就是所謂破損安全設(shè)計的思想。0c換句話說破損安全設(shè)計與裂紋擴(kuò)展速率密切相關(guān)。三、 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計的—般原則設(shè)計過程可分為以下三個步驟：（1考）慮實用性，進(jìn)行功能設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)未來的工作情況，合理地提出結(jié)構(gòu)的承載能力、強(qiáng)度、剛度、耐蝕度、使用壽命等比較具體的要求?？紤]安全性，這些要求不能太低；考慮經(jīng)濟(jì)性，這些要求也不能過高。（2進(jìn)）行方案設(shè)計根據(jù)上述要求，選擇確定結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式、傳動形式、自動化程度、控制方式、生產(chǎn)制造工藝等綜合設(shè)計方案，它們互相聯(lián)系，又互相制約；（3進(jìn)）行具體的施工圖設(shè)計繪圖前，進(jìn)行必要的計算，以便確定結(jié)構(gòu)的重要尺寸。我們要講的是如何合理選擇動載焊接結(jié)構(gòu)、焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式和怎樣進(jìn)行必要的計算。設(shè)計動載焊接結(jié)構(gòu)必須特別強(qiáng)調(diào)兩點：①“動載”對應(yīng)力集中非常敏感;②焊接接頭屬于剛性連接形式，對應(yīng)力集中也比較敏感。而且“焊接結(jié)構(gòu)”難免有焊接殘余應(yīng)力、變形、焊接缺陷等，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，設(shè)計動載焊接結(jié)構(gòu)時，必須注意以下幾點：（1承）受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件，截面面積變化時，盡量保持平順、圓滑的過渡，盡量防止或減小構(gòu)件截面剛度突然變化，避免造成較大的附加應(yīng)力和應(yīng)力集中。（2對）接、角接、丁字、十字接頭等，均應(yīng)優(yōu)先采用對接焊縫，少用角焊縫；（3單）面搭接接頭角焊縫的焊根、焊趾處，既有偏心彎矩的作用，又有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，承受疲勞載荷的能力很低，必須盡量避免采用這種接頭形式；（4承）受疲勞載荷的角焊縫（未焊透的對焊縫，也看作角焊縫），危險點在應(yīng)力集中比較嚴(yán)重的焊縫根部或焊趾處。應(yīng)采用如下措施：①開坡口，加大熔深，減小焊縫根部的應(yīng)力集中；②將焊趾處加工成圓滑過渡的形狀，減小焊趾的應(yīng)力集中；（5處）于拉應(yīng)力場中的焊趾、焊縫端部或其它嚴(yán)重的應(yīng)力集中處（如裂紋），應(yīng)設(shè)置緩和槽、孔，以便降低應(yīng)力集中的影響?？傊?，應(yīng)采取一切措施，排除或減小應(yīng)力集中的影響。3.提6高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施只有減少各種不連續(xù)性的情況，接頭和結(jié)構(gòu)才有較高的疲勞強(qiáng)度。一、降低應(yīng)力集中（一） 設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中，以提高疲勞強(qiáng)度。（二） 盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭對接接頭應(yīng)力集中系數(shù)最小，疲勞強(qiáng)度最高，所以應(yīng)盡量選用。但要注意保證焊縫質(zhì)量，避免缺陷，避免接頭形狀突變。（三） 在必須采用角焊縫的情況下