（机械电子工程专业论文）轨道式集装箱龙门起重机疲劳特性分析.pdf

武汉理j ：人学硕- l ：学位论文 摘要 随着我国物流运输业的蓬勃发展，作为重要物流设备的起重机械向高速、 重载方向发展，因此对机械的性能要求也越来越高。由于起重机械工作频繁、 承受的大多是随机动载荷，其焊接钢结构在低应力反复作用下，会产生疲劳现 象。当疲劳破坏发生时，构件会发生突然断裂，导致灾难性的设备事故和人身 伤亡。对于龙门起重机，在设计上强度、刚度一般来说都是满足设计要求的， 但还应满足疲劳设计要求，以防止疲劳断裂事故的发生。 人们经过长期大量的研究，从疲劳发生的微观机理、结构疲劳的宏观特点 到疲劳理论的形成以及应采取的防止措施，疲劳的研究都取得了很大的成就。 随着计算机技术和有限元分析技术的发展，疲劳寿命分析法得到了广泛发展。 设计人员借助这一方法可以在产品设计阶段比较不同方案的疲劳寿命品质的优 劣，校核产品的疲劳寿命是否满足设计要求，还可以根据分析结果优化疲劳设 计。 本文通过查阅大量的资料和对资料的分析，整理出关于疲劳的基本理论， 为分析龙门金属结构疲劳打下了基础；运用a n s y s 软件a p d l 语言编制命令流， 实现龙门运行过程的参数化建模，并依据我国标准起重机设计规范 ( g b t 3 8 1 l 一2 0 0 8 ) 校核了一台轨道式集装箱龙门起重机的强度、刚度是满足要 求的；分别依据e e m 标准( 1 9 9 8 年修订版) 和我国起重机设计规范 ( g 8 t 3 8 1 l 一2 0 0 8 ) ，根据龙门实际工作情况制定其疲劳载荷谱；利用v i s u a l c + + 编程对龙门典型疲劳载荷谱下的结构疲劳强度进行计算，对比分析之间的 差异；以计算出来的疲劳数据为基础，提出了设计中改善龙门金属结构疲劳强 度的措施，并绘制疲劳云图；利用v i s u a lc + + 制作了以e e m 为标准的疲劳强 度计算的软件，从计算到结果处理及疲劳云图脚本文件一体化生成。 关键词：轨道式集装箱龙门起重机、疲劳、a n s y s 、e e m 标准、云图 武汉理j ：人学硕士学位论文 a b s t r ac t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sl o g i s t i c st r a n s p o r t a t i o n ，a sa ni m p o r t a n t l o g i s t i c se q u i p m e n t ，l i f t i n gm a c h i n e s ，b e c o m em o r ea n dm o r es p e e da n dh e a v y , t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sh a v eb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d b e c a u s eo ft h ef r e q u e n to p e r a t i o n ，m a n yo fw h i c ha r er a n d o md y n a m i cl o a d s ，t h e w e l d i n gs t e e lu n d e rl o ws t r e s sr e p e a t e d l y , w i l lp r o d u c ef a t i g u ep h e n o m e n o n w h e n f a t i g u ef a i l u r eo c c u r s ，t h ec o m p o n e n t w i l lb eas u d d e nr u p t u r e ，l e a d i n gt oc a t a s t r o p h i c a c c i d e n t sa n dp e r s o n a le q u i p m e n tc a s u a l t i e s f o rt h eg a n t r yc r a n e ，i ng e n e r a l l y , t h e s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa r em e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，b u ti no r d e rt op r e v e n tt h e o c c u r r e n c eo ff a t i g u ef r a c t u r e ，a l s ot om e e tt h ef a t i g u ed e s i g nr e q u i r e m e n t s p e o p l e o v e ral a r g en u m b e ro fl o n g - t e r mr e s e a r c h ，f r o mt h em i c r o s c o p i c m e c h a n i s mo ff a t i g u eo c c u r s ，t h em a c r o s c o p i cf e a t u r e so fs t r u c t u r a lf a t i g u et ot h e f a t i g u et h e o r y f o r m a t i o na n dt h em e a s u r e so fp r e s e r v a t i o n ，h a v em a d eg r e a t a c h i e v e m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，f a t i g u el i f ea n a l y s i sh a s b e e ne x t e n s i v e l yd e v e l o p e d b ym e a n so ft h i s m e t h o d ，t h ed e s i g n e rc a nc o m p a r ef a t i g u el i v e sq u a l i t yo fd i f f e r e n tp r o j e c t sa tt h e d e s i g ns t a g e ，c h e c kt h a tw h e t h e rt h ef a t i g u el i f em e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n da l s o o p t i m i z ed e s i g na c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sr e s u l t s t h r o u g ha c c e s st ov a s ta m o u n t so fd a t a ，s o r t i n go u tt h eb a s i ct h e o r yo ff a t i g u e ， l a yt h ef o u n d a t i o n sf o rt h ea n a l y s i so fg a n t r yc r a n e sm e t a ls t r u c t u r a lf a t i g u e ；u s i n g a p d lc o m m a n ds t r e a ml a n g u a g eo fa n s y ss o f t w a r ea c h i e v et h er u n n i n gp r o c e s so f p a r a m e t r i cm o d e l i n go fg a n t r yc r a n ea n dc h e c k e dar a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e s s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa r em e e tt h er e q u i r e m e n t s ；i t i sb a s e do nf e ms t a n d a r d ( r e v i s e de d i t i o n19 9 8 ) a n dc h i n e s e ”c r a n ed e s i g n ”( g b t3 8 11 - 2 0 0 8 ) d r a wu pg a n t r y f a t i g u el o a ds p e c t r u ma c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n ；f a t i g u es t r e n g t hi s c a l c u l a t e do ng a n t r ys t r u c t u r eu n d e rt y p i c a lf a t i g u el o a ds p e c t r u mw i t hv i s u a lc 抖 p r o g r a m ，a n dc o m p a r e dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m ；b a s e do n t h ec a l c u l a t e df a t i g u e d a t a , c o m eu pw i t hm e a s u r e st oi m p r o v et h eg a n t r yc r a n e sf a t i g u es t r e n g t hi n s t r u c t u r ed e s i g n a n dt h em a k eac h a r to ff a t i g u en e p h o g r a m ；u s i n gv i s u a lc 抖 s o f t w a r ep r o d u c e dan e ws o f t w a r eb a s e do nt h ef e ms t a n d a r dt oc a l c u l a t ef a t i g u e l l 武汉理r ：人学硕十学位论文 s t r e n g t h ，i n t e g r a t e dt h e mf r o mc a l c u l a t i o n ，r e s u l tr e d u c t i o na n dt h eg e n e r a t i o no f s c r i p to ff a t i g u en e p h o g r a m k e y w o r d s ：r a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e ；f a t i g u e ；a n s y s ；f e ms t a n d a r d ； n e p h o g r a m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：甲赢杰缘日期：加，o 。十砰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ， 研究生( 签名) ：p 毫谨泵另师( 签名) ：差嗡必( 阳期：沙l 。r 、吖 武汉理一i ：人学硕十学t ：7 = 论文 1 1 概述 1 1 1 结构疲劳的危害 第1 章绪论 产品的寿命和可靠性在同益激烈的竞争中成为人们越来越关注的焦点，耐 久性也成为许多企业产品质量控制的一个重要指标。从有关钢结构事故中各种 破坏类型所占的比例( 表1 1 所示) 的统计结果来看，钢结构的疲劳破坏所占的比 例比较大。每年大量产品因结构疲劳失效而在有效寿命期内报废、由于疲劳破 坏而造成的恶性事故也时有出现，且危害是巨大的。例如，1 9 7 4 年美国一座公 路钢桥仅在交付使用了6 年后就发现主梁上有一条疲劳裂纹贯通下翼缘和几乎 整个腹板的疲劳破坏现象【1 1 。 随着焊接钢结构的发展，疲劳破坏却有增无减。这是因为在焊接结构中总 是存在着多个缺陷，使得疲劳发生的几率升高。在钢结构设计和生产时，设计 者应当充分了解各种因素及疲劳破坏的长期性和危险性，不然就有可能导致一 个很好的设计归于失败。 表1 1 钢结构几种破坏类型在工程事故中所占的比例1 2 1 项目 1 9 5 1 1 9 7 7 年1 9 51 1 9 5 9 年 1 9 5 0 1 9 7 5 年 整体或局部失稳 2 24 44 1 母材破坏 3 31 7 2 2 钢材的疲劳破坏 1 6 5 3 焊接连接的破坏 1 5 2 62 4 螺栓连接的破坏 4 3 其他类型破坏 1 087 材料失效的三种主要原因是磨损、腐蚀和断裂，也是机械零件和工程构件 的三种主要破坏形式【3 1 。在机械零部件中，因磨损和腐蚀而造成的损失是非常 巨大的，但由于磨损和腐蚀的过程进行的较慢，实践中一般可以通过定期更 换或修理等手段来得到解决。很多设备特别是大型设备突然发生断裂现象，常 武汉理1 二人学硕士学 ! i 7 = 论文 常带来灾难性的设备事故和人身伤亡，这就是断裂破坏更为工程界所重视的原 因，也是必须在设计阶段和使用阶段要控制和排除的目标。 经过大量研究，断裂事故发生可能的因素有很多，如循环疲劳、过载、低 温脆性和应力腐蚀等。据统计i lj ，机械的断裂事故中，8 0 9 0 是由金属疲 劳引起的。钢材在持续反复荷载的作用下，虽然应力水平远低于其强度极限， 有时甚至还低于屈服极限，也会发生破坏，这种“积劳成疾”的现象称为钢材 的疲劳。能够使得钢结构疲劳的荷载是动态的或循环性的活荷载，如吊车活动 载荷对吊车大梁的作用、各种车辆运行对桥梁的作用、海上海浪不断对海洋结 构产生的作用、地震使震区上结构件反复摇摆等。因此可以说，工程构件和机械 零件，只要是要承受的应力水平较高并循环变化，都有机会发生疲劳破坏。一 般来说，飞机、船舶、汽车、工程机械和起重运输机械等及主要零构件，大都 在承受循环变化的载荷或随机载荷作用下工作的，所以，这些机械或零构件有 很大的几率发生疲劳，可以说其主要失效形式就是疲劳。 1 1 2 起重机的疲劳破坏 起重机是一种典型的承受应力水平较高并循环变化的焊接钢结构，在国民 经济各部门广泛应用。起重机的寿命很大程度上取决于金属结构的寿命，由于母 材和焊接处不可避免的存在着缺陷，另外起重机工作频繁，起重机在服役期间 内，金属结构的疲劳是一个重要问题。据初步调查，全国起重机钢结构发生疲 劳破坏事故很多，损失巨大，从而也严重影响了国民经济的建设和发展。 由于不同国家科学技术发展水平不同，或者依据的实验结果存在差异，各 个国家的起重机设计规范都对起重机金属结构疲劳强度设计做出了不同的规 定，主要包括中国国家标准起重机设计规范( g b r3 8 1 1 - 2 0 0 8 ) 、 欧洲起重机设计规范( e e m 标准1 9 9 8 年修订版) 、德国起重机钢结构设 计原则( d i n l 5 0 1 8 卜1 9 8 4 ) 、英国起重机设计规范( b s 2 5 7 3 1 9 8 3 ) 和美 国桥式起重机结构规范( a n s i a s m en o g 1 2 0 0 2 ) 掣引，设计人员往往是 根据标书要求根据某一设计规范进行设计。 起重运输机金属结构承受着动载荷，杆件或构件的内力随起升载荷的大小 和位置经常变化。在变化内力的作用下，结构杆件的材质将会发生改变，其强 度比在静载荷作用时有所降低。它的焊接接头的应力集中也会降低焊缝的强度， 虽然外载荷引起杆件的内力没有达到强度极限，也会发生疲劳破坏。由于在疲 2 武汉理e = 人学硕七学位论文 劳失效前，起重机金属结构往往不会出现明显的宏观变形，因而破坏显得十分 突然【4 】。有关文献建议：起重机的主要受力零构件若有两处以上开焊，且开焊 长度超过l o o m m ，经修补后仍然发生开焊现象的，结构应大修或加固，更严重 者甚至可以报废1 5 】。我国目前尚没有对起重机疲劳破坏问题做过全面调查，但 是同类产品的使用寿命往往比发达国家低，存在的问题也更为严重，需要引起 我们的重视。 所以对于起重机的金属结构特别是危险截面进行疲劳寿命预测，开展起重 机钢结构疲劳试验及疲劳设计、研究、使用和维护，预防疲劳断裂事故的发生， 为制定我国疲劳强度设计规范打下进一步基础，可实现较大的社会经济效益， 具有很大的经济价值和广泛的应用前景。 1 2 国内外疲劳的研究发展 结构的疲劳以及与此相关的安全设计一直是人们十分关心的问题。然而疲 劳的研究发展却经历了漫长的过程，随着实验方法和研究手段的进步，人们在 实践和试验中逐渐摸清了材料疲劳的基本规律，疲劳研究取得了巨大的发展， 对指导结构的安全设计起到了重要的作用。 1 2 1 疲劳研究的进程 随着1 9 世纪初铁路运输的发展，疲劳强度的问题开始出现在工程上，也引 起了人们的注意。随之，开始了一系列的科学实践。有记载的最早的疲劳试验是 德国人形彳艾伯特于1 8 2 9 年进行的【引。他对矿山提升用焊接链反复加载，在1 0 5 次循环后破坏。1 8 3 9 年，法国儿y 彭塞烈在他发表的著作中第一次使用了” 疲劳”这个概念。在关于平均应力对于疲劳寿命的影响方面，a 沃勒在1 8 5 8 年 就已经指出：在任何给定寿命下引起破坏的应力幅值，随着平均应力的增大而 减小。1 8 7 4 年，w 格伯根据a 沃勒的试验数据，对平均应力不为零的疲劳破 坏用“极限”的概念来表达，在某一给定寿命下都可以画出相应的疲劳极限格 伯抛物线图。在第二次世界大战中，由于多起飞机疲劳失事事故的发生，动力机 械等其他领域中也同样发生了各种各样的疲劳事故，使得这时的金属材料在 循环应力作用下的疲劳破坏成为突出的问题，于是发展了疲劳累计损伤理论 和有限寿命设计。由j v 伯姆格伦于1 9 2 4 年首先提出的线性累积损伤理论是 疲劳累计损伤理论中最简单、应用最为广泛的，他在估算滚动轴承的寿命时， 3 武汉理l 入学硕十学位论文 是以假设疲劳累积损伤和轴承转动次数成线性关系为前提的。 2 0 世纪初叶，科学家开始使用光学显微镜来研究疲劳机制。1 9 0 3 年 e w i n g j a 平l h u m f e r y j c w 在单晶铝和退火的瑞典铁上发现了循环应力产生的 滑移痕迹。他们通过微观研究推翻了老的结晶理论，提出了疲劳变形是由于与 单调变形相类似的滑移所产生。1 9 2 0 年g r i f f i t ha a 发表了他对玻璃研究脆断理 论的计算结果和实验结果，得出了s 口= c 的关系式( s 为断裂时的名义应力， a 为裂纹尺寸，c 为常数) ，这即为断裂力学的基础。 构件裂纹扩展寿命的研究得到突破性的进展就是由于断裂力学的大力发 展。最具有代表性的是p a i r sp c 提出的裂纹扩展速率公式：d a d n = c a k ”( c 和 n 是与材料有关的两个系数) ，给疲劳研究提供了一个估算结构裂纹裂纹扩展寿 命的新方法，并在此基础上形成了损伤容限设计概念，大力地推动了疲劳理论 向前发展。 为解决变幅应力下的有限寿命设计问题，1 9 4 5 年m i n e r m a 在对疲劳累积 损伤问题进行大量实验研究的基础上，将p a l m g r e nj v 在1 9 2 4 年提出的线性累积 理论公式化，形成了p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则( 称之为m i n e r 法则) ， 时至今日，仍在工程界广泛使用，英国的b s 5 4 0 0 标准便是它的一个很好的应用。 经过几十年的探索，疲劳研究发展到了一个新的阶段。随着技术和需求的 发展，在许多工业应用中，包括飞行器、汽车、桥梁、船舶等，部件寿命要求 在1 0 8 以上，甚至更高，所以开始研究1 0 8 1 0 1 2 次寿命的超高周疲劳行为和机理。 这些年，疲劳的研究主要从以下几方面着手：n ) 探讨研究疲劳裂纹的萌生、 裂纹的扩展和失稳断裂的全过程，并寻找寿命估算各阶段统一的物理力学模型； ( 2 ) 在各种不同环境要求下，研究相适应的疲劳寿命估算方法；f 3 ) 研究概率统 计方法在疲劳中如何更好的应用。随着疲劳理论研究的发展进步和计算机软硬 件设施的迅速发展，产品的强度设计由原来的依据静强度指标和无限寿命设计 发展为定量安全寿命设计，极大地提高了产品的使用可靠性，并且降低了产品 的生产成本。“一体化耐久管理 方法包括虚拟分析和疲劳实验两个方面f l o l ，是 现代疲劳研究和抗疲劳设计的最新成果。 1 2 2 确定疲劳寿命的方法 确定结构和机械疲劳寿命的方法主要有以下两种：实验法和分析法。 1 实验法 4 武汉理i ：人学硕士学位论文 确定疲劳寿命的方法完全依赖于实验，是最早的方法。它直接通过与实际 情况相同或类似的实验来获取所需要的疲劳数据。这种方法在理论上来说虽然 可靠，但是在产品设计阶段，或是因为构件结构很复杂、价格方面太昂贵，或 在实际情况不仅类别数量庞大，而且从投入的人力、物力，还是花费的工作周 期很长的角度来说，都是不大可行的。另外，从产品结构、施加的外载荷和服 役环境的差别来看，影响也是比较大，使得实验结果不具有通用性。 2 分析法 疲劳寿命分析法得到广泛发展是随着计算机技术和有限元分析技术的发 展而得到发展的。通过虚拟设计方法，设计人员可以在产品设计阶段通过计算 分析比较不同方案的疲劳寿命品质的优劣，校核产品的疲劳寿命是否满足设计 要求，还可以根据分析结果进行抗疲劳设计。在产品实验前，确定疲劳危险部 位和确定疲劳试验过程中需要监控的关键部位都可以通过疲劳虚拟分析方法 而得到。 1 3 本文研究的主要内容 本论文主要研究龙门起重机的结构疲劳。文章以结构力学、材料力学等为 理论基础和有限元分析软件a n s y s 为平台，以一台轨道式集装箱龙门起重机为 例，利用a p d l 参数化语言建立模型并分析了其结构强度。依据国际标准f e m 标准( 1 9 9 8 年修订版) 和我国标准起重机设计规范( g b t3 8 1 1 2 0 0 8 ) ，运用 v i s u a lc + + 软件对整体结构进行了疲劳分析比较，并在a u t o c a d 中形象地绘制 出了该龙门的疲劳云图，以直观的方式显示其结果，方便查看。具体的研究内 容有： 1 研究国内外疲劳的基本理论、方法以及相关的基础知识，为该龙门起重 机的机构静强度及疲劳分析作基础。 2 利用a n s y s 软件的内部命令和a p d l 语言以及参数化技术建立该龙门 整机结构的有限元模型，从而使有限元模型的材料特性、单元类型及实常数、 边界条件及载荷等条件都实现参数化。 3 以我国起重机设计规范( g b t3 8 11 - 2 0 0 8 ) 为标准，在a n s y s 软件中 计算了该龙门整机结构的静强度和静刚性，从而确定了若产生结构裂纹和构件 断裂也并不是由于结构强度不够而导致的。 4 在该龙门整机结构的静强度和静刚性满足设计要求的基础上，分别以 5 武汉理j ：人学硕十学位论文 f e m 标准和我国现行标准起重机设计规范( g b t3 8 1 1 - 2 0 0 8 ) 为疲劳计算标 准，确定了疲劳载荷和分析方法，说明两个标准之问的差别。主要以f e m 标准 计算了龙门整机结构的疲劳强度，并进行了对比分析，分析了该疲劳结果产生 的原因以及如何改善疲劳。 5 编制了以f e m 为标准的软件来计算疲劳及绘制了整机疲劳云图，并对 软件进行了一定的说明。 6 武汉理i ：人学硕士学位论文 第2 章钢结构疲劳破坏的机理及特点 材料在循环应力和应变作用下，逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循 环次数后产生裂纹或者突然发生完全断裂的过程称之为疲劳1 9 1 。不管是会属还 是非金属材料，其疲劳破坏并不是一开始就会被察觉的，而是一个缓慢的发展 过程。例如，一条发动机曲轴可以在投入运行时间不太长的时候就产生很小的疲 劳裂纹，这些肉眼看不出来的裂纹会不断扩大，直到有一天曲轴忽然断裂。疲 劳破坏的危害是巨大的，下面从金属疲劳破坏的微观方面来深入了解疲劳破坏 的机理。 2 1 金属疲劳破坏机理 金属看起来熠光闪闪、铮铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞 机等等。据1 5 0 多年来的统计，在各种外力的反复作用下，金属结构可以产生 疲劳状态。工程中常用的金属均为多晶体，由于各个晶粒位向的不同，与此同 时，金属内部还存在许多如位错、夹杂等微观、宏观缺陷及金属第二相的存在， 在多晶体中存在着各向异性和非均质性，从而就造成应力传递的不均衡，让 疲劳破坏总是由应力应变最高和位相最不利的薄弱晶粒或央杂等缺陷处开始 发生，并且沿着一定的结晶面扩展。故，金属的疲劳破坏多和晶体的各向异性 以及非均质性有关。金属的疲劳破坏可以分为以下三个阶段，依次为 疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和失稳断裂【i 引。 2 1 1 疲劳裂纹的萌生 零件疲劳裂纹的萌生都是由于应力集中的结果。金属裂纹的萌生有滑移带 开裂、晶界或孪晶界开裂、夹杂物或第二相与基体的界面开裂三种常见方式。 其中，滑移带开裂是最常见的疲劳裂纹萌生方式，也是三种萌生方式中最基本 的一种。这是因为在晶晁开裂和夹杂物开裂之前，都会先产生范性变形和形成 滑移带。所以，范性变形和形成滑移带不但是滑移带开裂的基础，也是其它两 种萌生方式的先决条件。 滑移带开裂的过程为出现滑移线、形成滑移带和形成驻留滑移带。金属材 7 武汉理：人学硕十学位论文 料在循环载荷的作用下，首先会在薄弱晶粒上产生范性变形，范性变形在金 属表面上留下的痕迹便是滑移线。经过一定的循环数以后，出现了硬化和软化， 硬化和软化使范性变形不总是在一个滑移面上进行，是在一个或者几个滑移系 上的一系列平行平面上进行着，这时，还因为循环载荷下范性变形的不均 匀性，使范性变形总是集中在某些区域，这种集中在一定区域的不均匀范性形 变，在金属表面上便形成为滑移带。形成驻留滑移带是形成滑移带的继续， 滑移带在循环载荷的作用下不断的发生挤入和挤出从而逐渐形成驻留滑移带。 驻留滑移带与一般滑移带的区别，就在于一般滑移带能用抛光的方法完全除 去，而驻留滑移带则留有痕迹。当这些痕迹足够深时，便成为裂纹。因此， 驻留滑移带的形成和发展过程，就是裂纹的萌生过程。 纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑移带开裂。密排六方晶系因 滑移系较少，滑移困难，孪晶形变较为常见。此时，裂纹即在孪晶与基体的界 面上萌生。在不合理的合金化以后，当晶界比晶粒内部弱时，则在低于晶内滑 移的应力下，在晶界上萌生晶间裂纹。一般地，室温下裂纹多为穿晶裂纹，裂 纹或者在滑移带上萌生，或者在孪晶界面上萌生。而高温下则往往由穿晶变为 晶问裂纹。在高应力水平作用下，滑移线在纯表面上的分布基本上是均匀的， 但纯表面的位移可以很大。在晶问和表面相交处，垂直于表面的位移很小，从 而在该处产生了深的挤入槽，造成了很大的应力集中。因此，在高载荷应力幅 下，其疲劳裂纹都是在晶界上萌生。晶间裂纹多萌生于与最大切应力向方相近 的晶界上，或者相临晶粒向差比较大的晶界上。 在许多商用高强合金中，粗大的夹杂物和其它第二相质点的存在对裂纹萌 生起着重要作用。这些材料的屈服强度一般很高，只有在很高的应力幅下才能 产生滑移带。但是，由于在夹杂物或第二相质点处产生了很高的应力集中，从 而在较低的名义应力下也能出现局部的范性形变，这样就导致在夹杂物和基体 的界面上萌生裂纹，或由于夹杂物或脆性第二相的断裂导致裂纹的萌生。 材料的疲劳裂纹会经常在金属表面上萌生，产生的原因主要是由于以下几 点： 1 在实际零件中，表面应力往往比内部高，幅值变化也较大； 2 内部晶粒的四周完全为其它晶粒所包围，表面晶粒所受的约束则较小， 因而比内部晶粒易于滑移； 3 一般情况下，表面晶粒与大气或其他环境直接接触，就会存在着有环境 介质作用的腐蚀作用； 8 武汉理j l ：人学硕十学位论文 4 零件的机加工过程会明显影响金属零构件的属性。对焊接、研磨、过度 磨削、划伤等来说是有害的，机加工会让零件表面形成残余拉应力。 残余拉应力和承受的载荷应力会一同加速零件早期疲劳失效。 2 1 2 疲劳裂纹的扩展 经过研究，疲劳裂纹的扩展又可分为第1 阶段裂纹扩展和第1 i 阶段裂纹扩 展两个阶段，如图2 1 所示。 图2 1 裂纹疲劳扩展两个阶段 疲劳裂纹在滑移带上萌生以后，首先会沿着切应力最大的活性面扩展，具 有一定的结晶学特征。在单轴应力下，沿着与应力成4 5 0 角的滑移面扩展，这 种切变形式的扩展称为第1 阶段裂纹扩展。在滑移带上往往萌生有很多条微裂 纹，在继续施加循环载荷的过程中，这些微裂纹扩展并相互连结。但绝大多数 裂纹很早就停止扩展，在此阶段，裂纹长度大致在0 0 5 m m 以内f 1 9 1 。在微裂纹扩 展到几个晶粒的深度以后，裂纹的扩展方向开始由与应力成接近4 5 0 角的方向 逐渐向与拉应力相垂直的方向。这种拉伸型式的裂纹扩展，称为第1 i 阶段裂纹 扩展，它不再有结晶学特性。在裂纹扩展的第1 i 阶段，只剩下一条主裂纹，其 余的裂纹在第1 阶结束以前已停止扩展。 从第1 阶段向第1 i 阶段的转变，一般认为是内部晶粒难于滑移造成的。当 裂纹端部由约束少的表面晶粒进入金属内部时，由于内部晶粒各向都受约束， 滑移受到强烈抑制，从而使裂纹由开始的剪切方式转变为拉伸扩展方式。实际 上，从第1 阶段向第1 i 阶段的转变位置，往往是在显微结构的不连续处。这种 转变的发生，完全是由裂纹尖端的应力状态决定的。 由第1 阶段向第1 i 阶段转变的裂纹长度，决定于材料和应力幅，一般不超 9 武汉理r 人学硕十学位论文 过十分之几个毫米，或完全不发生转变。而由高强合会央杂处萌生的裂纹，转 变时的裂纹长度仅为几个微米。应力幅越低，转变时的裂纹长度越长。对于光 滑试样，由于第1 阶段的裂纹扩展速率远比第l i 阶段低，因此消耗在第1 阶段 的循环数比第1 i 阶段要多很多。对锐缺口或预制裂纹试样，则情况完全相反， 第1 阶段裂纹扩展几乎可以忽略不计。 第1 阶段裂纹扩展受切应力控制，第1 i 阶段裂纹扩展受正应力控制。在室 温无腐蚀介质条件下，裂纹扩展多为穿晶的，在高温或者腐蚀介质条件下则变 为沿晶裂纹。 第1 阶段的裂纹扩展，在断口上一般不留下任何痕迹，第1 i 阶段裂纹扩展 则常留下“条带”的显微特征。这种微观条带一般称为疲劳条纹。佛斯把疲劳条 纹分成两类：延性条纹( a 型) 和脆性条纹( b 型) 。延性条纹由位于不规则 的非结晶学高台上的明暗组成，而脆性条纹则位于结晶面上。疲劳条纹除了以 条带形式扩展外，还会出现前进距离较大的“跳跃”。 2 1 3 疲劳失稳断裂 疲劳破坏的最终阶段就是失稳断裂，一旦发生有时会产生很大的经济损失 和人员伤亡。与前两个阶段不同的是，它是在某一次应力循环中一瞬间突然发 生的。疲劳失稳断裂从疲劳的全过程来看，仍然是呈渐进式进行的，是由前两 个阶段的损伤累积所引起的。损伤积累到临界值便会发生失稳断裂，是裂纹扩 展到临界尺寸，也是裂纹尖端应力强度因子达到了临界值的一种表现。静载脆 性断裂与失稳断裂的发生机制相同，所不同的事由于二者的加载速率不同以及 彼此的临界应力强度因子值与静载下的断裂韧度值有所差别。 2 2 钢结构疲劳破坏 金属疲劳破坏所要经历三个阶段： 稳断裂。对于钢结构发生的疲劳破坏， 裂纹的形成、裂纹的缓慢扩展、疲劳失 实际上却只发生后面两个阶段。这是因 为在实际钢材的生产过程和结构制造环节等方面，无可避免地在钢结构的某些 部位存在着很多局部细小的缺陷，例如钢材化学成分的偏析、非金属微小杂质、 非焊接构件的表面上由于加工产生的刻痕、轧钢皮在生产过程中产生的凹凸、 轧钢存在的缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的细小毛边和 微裂纹等等，都有可能时产生裂源的主要部位。它们在钢结构中本身就起着 1 0 武汉理i ：人学硕十学位论文 类似于微裂纹的作用，这些缺陷也可称作为钢结构的“类裂纹”【2 2 1 。由于在 重复的、连续的动荷载作用下，使得这些部位的截面上应力分布不均，导致引 起了各不相同的应力集中现象，当在某处缺陷上发生高峰应力时，该处将首先 出现微观裂纹，这相当于裂纹发生的第一阶段。同样，产生很大的应力集中的 部位，例如截面几何形状存在突变( 如起重机支腿与大梁连接处) 的地方，由 于存在着高峰应力，又经受多次循环重复载荷作用的影响，也会产生微观裂纹， 即使在该处不存在上述的缺陷，也会形成裂纹源。随着应力循环次数的增加， 裂纹在大体上来说是以同心圆的形式从表面的裂源向内部逐渐扩展( 如图2 2 ( a ) 所示) ，但是扩展进行的十分缓慢。当构件承受的应力较小时，扩展区所占范围 较大，相反的当构件应力很大时，扩展区就比较小。由于在循环应力作用下疲 劳裂纹两边的表面时而分开时而压紧，起着类似“研磨”的作用，因而扩展区 的表面光滑，而且越靠近裂源区被“研磨”的越光滑。最后，裂纹源发展成为 宏观大裂纹的时候，可认为是减少了结构构件截面的有效受力面积。当截面 有效面积变小到超过承受荷载作用临界值时，又在偶尔的振动或者冲击下作用 下，就突然会发生拉断。 ( a )( b )( c ) 图2 2 疲劳断裂面的分区及角焊缝缺陷造成的疲劳裂纹 在焊接结构中，经过研究，焊接接头可分为焊接金属区、热影响区和母体 金属区三个区。这三个不同的区有不同的显微组织、残余应力、缺陷和机械性 质。焊缝金属和铸造金属相同，具有明显的各向异性。热影响区属母体金属， 但在焊接过程受到高温，足以引起再结晶，因此其力学性能不同于母体金属。 大量的实验结果表明，对于低碳钢和低合金钢，近焊缝区力学性能的变化对焊 接接头的疲劳强度并没有太大的影响，可以近似认为近焊缝区的疲劳强度等于 母体金属的疲劳强度。但由于在焊接接头处存在着应力集中、焊渣侵入的焊缝 趾部( 如图2 - 2 ( b ) 所示) 、焊缝内的