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焊接结构讲义 第6章 焊接接头和结构的疲劳强度 - 17 -第6章 焊接接头和结构的疲劳强度6-1 概述一、定义结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。疲劳断裂金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构约占结构的90%例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，断裂时飞机已起落2118次。再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，开裂时该车运行3万公里。可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的，也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的，那么它们之间有什么相同点和不同点呢？二、疲劳和脆断的比较疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同呢？相同点不同点 疲劳 脆断低应力作用下破坏加载次数 多次 少次断裂时变形很小裂纹扩展速率 慢 快断裂都具有突然性，危害大温度影响 小 大影响断裂的因素大部分相同断口 疲劳辉纹 结晶状三、疲劳的类型根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属的疲劳分为2类：一类为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的，也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；另一类为低周疲劳，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102105次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。1、高速疲劳（应力疲劳）： 载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展速率小。2、低周疲劳（应变疲劳）： 应力高，频率低，裂纹扩展速率大。焊接结构的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。6-2 疲劳限的常用表示方法一、变动载荷（掌握smax、smix、sm、sa、r概念）金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要首先了解变动载荷的性质。变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化（或无规则变化）的一类载荷。变动载荷的变化是如此的不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除了无规则的变动载荷外，变动载荷的特性可用下列几个参量表示：smax ：应力循环内的最大应力smin ：应力循环内的最小应力sm =（smax + smin）/2：平均应力sa =（smaxsmin）/2 ：应力幅值r =smix /smax ：应力循环特征系数，r的变化范围是+1下面介绍几种典型的具有特殊循环特性的变动载荷：1、对称交变载荷应力波形如图，由图可见：这种变动载荷的smin = smax 应力循环特征系数r = 1 。smax、smin 、平均应力sm = 0 ，应力幅值sa = smax 2、脉动载荷 应力波形如图，由图可见：smin =0 r = 0 ； smax、smin ；平均应力sm 与应力幅值相等，都等于smax /2 ，sm =sa = smax /2 3、拉伸变载荷smax、smin 均为拉应力，但大小不等，0 r 1由图可见： smax、smin 、sm 、sa ；由上面几个波形图中我们可以看出这样一个关系，即：smax = sm sa ； smin = sm sa 因此我们可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力，也就是静载恒定部分和应力幅值即交变应力部分的组合。二、疲劳强度和疲劳极限1、疲劳曲线（疲劳强度和疲劳极限）在金属构件的实际应用中，如果载荷的数值和方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载强度小得多，甚至比材料的屈服强度小的多构件仍可能破坏，破坏前载荷的循环次数与变动载荷的大小和特性是有关系的，N和 s 及r有关，这个关系通常用疲劳曲线来描述。多年来，人们对疲劳的研究发现，金属承受的最大交变应力smax越大，则断裂时应力交变的次数N越少，即：smaxN，反之 smaxN，对试样用不同载荷进行反复多次加载试验，即可测得在不同载荷下使试样破坏所需要的加载循环次数N，将破坏应力与加载循环次数N之间的关系绘成曲线就叫疲劳曲线。如图：该曲线的意义是：构件在变动载荷着用下所能承受的最大应力循环次数，或：与各循环次数相对应的不破坏的最大应力。疲劳曲线随着应力循环次数N的增大而降低，当N很大时曲线趋于水平。曲线上对应于某一应力循环次数N的不破坏的最大应力为该循环次数下的疲劳强度；曲线的水平渐近线为疲劳极限。注意：疲劳强度是与循环次数N相关的破坏应力；疲劳极限是与循环次数N无关的，也就是说构件经无限多次应力循环而不破坏的最大应力。通常在构件的疲劳设计中，出于减轻重量及经济性考虑，并不把构件设计成永不破坏的，而是根据使用年限得出循环次数N，再根据循环次数N和疲劳强度来设计构件。但是有些构件如：核电站，一经使用中途是不能停下来更换零部件的，这时就因根据永不破坏的原则，按疲劳极限来设计。疲劳极限与疲劳强度的区别就在于疲劳强度是进行有限寿命设计时使用的，而疲劳极限是进行无限寿命设计时使用的。由于疲劳断裂时的循环周次很多，所以疲劳曲线的横坐标通常取对数坐标，如右图：不同材料的疲劳曲线形状不同，大致可分为2类，一类是具有应变时效现象的合金，如常温下的钢铁材料，其疲劳曲线就是我们上面所讲的，曲线上有明显的水平部分，疲劳极限有明显的物理意义，即：无限多应力循环不破坏的最大应力。而对于没有应变时效现象的金属合金，如部分有色金属合金，在高温下或腐蚀介质中工作的钢，它们的疲劳曲线上没有水平部分，如右图： 这时就规定某一N0值所对应的应力作为“条件疲劳极限”或“有限疲劳极限”， N0称为循环基数，对于实际构件来讲， N0值是根据构件的工作条件和使用寿命来定的。2、疲劳图上面讲的疲劳曲线是对应于某一应力循环特征系数r测定的，当r改变时，曲线上各数值的大小也将改变。实验发现在最大应力相同的情况下，应力循环的不对称度越大，即平均应力越高（r、sm），金属断裂前所能承受的应力循环次数越多。即：smax相同时，smN ，这是因为sm使得sa这是因为材料的疲劳损伤（不均匀滑移）是由交变应力长期作用形成的，应力循环不对称度越大也就是r越大，就表示应力交变幅度占最大应力的比例越小，疲劳损伤就小，因此达到断裂时的应力循环次数就多。疲劳寿命就长。可见材料的疲劳强度与应力循环特征系数r 、平均应力sm都有关系，但是我们怎样表示这个关系呢？表示这个关系的最常用的方法就是疲劳图，从疲劳图中我们可以得出各种循环特性下的疲劳强度，疲劳图常用的主要有以下几种：（1）用smax与r表示的疲劳图它直接反映smax与r 关系，可以明确的看出r上升，疲劳强度也上升，疲劳强度用s r表示，角标r 表示s r是对应于该应力特征循环系数下的疲劳强度。从图中我们可以看出：对称交变载荷下的疲劳强度s-1、脉动循环下的疲劳强度s 0。当r=1时是静载强度。（2）用s max与s m表示的疲劳图（已知r如何求sr）此图以s max和s mix为纵坐标，sm为横坐标，过原点作一直线与坐标轴成45度角，再将震幅的数值对称地绘再该斜线的的上下两侧，则该斜线及上下线所表示的应力为平均应力及在其上叠加的对称交变应力。当sm =0时，表示对称应力循环，故纵轴上ON表示s -1；线段ON表示脉动循环时的疲劳强度s 0 ;当sm =s b 时，相当于静拉伸强度，这时材料已不能再承受交变应力，故s a = 0 。该疲劳图告诉我们，在不同的平均应力sm下，材料所能承受的最大交变应力s max及应力幅值s a，它直接表示的是疲劳强度s r与平均应力sm的关系，也就是说已知平均应力sm，就可以从该图上求得sr。但是如果我们知道r 怎样求sr，也就是说怎样从该图上求某种循环系数r下的疲劳强度sr呢？可用作图法，自0点作一与水平线成角的直线，角根据下式确定：该直线与图形上部曲线的交点的纵坐标就是该r 下的疲劳强度sr。（3）用s a与s m表示的疲劳图（已知r如何求sr）图中横坐标为平均应力s m，纵坐标为应力幅值s a，曲线上各点的疲劳强度sr =s m +s a ，使用时只要知道平均应力s m查出对应的应力幅值s a，或已知应力幅值s a，查出对应的平均应力s m，把它们的纵横坐标加起来就是疲劳强度sr 。曲线与纵轴交点A的纵坐标就是对称循环的疲劳强度s -1，曲线与横轴交点B的横坐标就是静载强度s b，此时s a = 0 、r = 1。若仅仅已知循环特征系数r，怎样求疲劳强度呢？仍然用作图法，自0点作一与水平轴成角的直线与曲线相交，并使角满足下式：则交点的纵横坐标之和s m +s a =sr，即为循环系数为r时的疲劳强度sr。例如：求脉动循环r=0的疲劳强度，把r=0代入上式，得tg= 1 、=45，所以过原点作一条45的射线，与曲线相交，交点的纵横坐标之和就是脉动循环的疲劳强度。（4）用s max与s mix表示的疲劳图（已知r如何求sr）图中纵坐标表示循环中的最大应力s max，横坐标表示最小应力s mix，由原点发出的每一条射线代表一种循环特性，因为这些射线的斜率的倒数就是应力循环特征系数r （= s mix / s max ）。例如：由原点向左与横轴倾斜45的直线，其斜率的倒数为负1，即r=-1 ，所以它表示交变载荷，它与曲线交点B的纵坐标BB即为交变载荷的疲劳强度s -1。向右与横轴倾斜45的直线，其斜率的倒数为1，即r=1 ，所以它表示静载情况，它与曲线交于D点，则DD即为静载强度。纵轴本身又表示脉动载荷r=0 , CC 即为s 0 。5-3 疲劳断裂过程和断口特征一、裂纹核心的形成二、疲劳裂纹的扩展三、断口特征5-4 焊接接头的疲劳强度计算（教材162页）5-5 断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用一、疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率：da/dn=f（s、a、C）Paris公式、Morman公式、华格公式门槛值Kth：疲劳裂纹不扩展的临界值。二、疲劳寿命估计（了解）5-6 影响焊接接头疲劳强度的因素影响基本金属疲劳强度的因素同样对焊接结构的疲劳强度有影响，此外焊接结构本身的一些特点也会对结构的疲劳强度产生影响，下面我们分别探讨一下。一、应力集中的影响（对接接头，十字接头，搭接接头）应力集中的大小不同、产生原因不同对疲劳强度的影响程度也不同。对接焊缝：对接焊缝由于形状变化不大，应力集中比其它接头形式要小，虽然如此，但要注意：加厚高上升，疲劳强度下降 s r焊缝向母材的过渡角上升，疲劳强度下降 s r 过渡圆弧半径上升， 疲劳强度上升 s r 机械加工焊缝表面， 应力集中下降，疲劳强度上升s r。但无封底焊或有严重缺陷的机械加工无意义。十字接头： 十字接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中要比对接接头大，因此疲劳强度远低于对接接头，增大焊角只能有限的提高疲劳强度 s r 合金钢对应力集中敏感，所以采用合金钢对提高疲劳强度没有优越性。十字接头提高疲劳强度的措施：1）开坡口焊接； 2）加工焊缝过渡区，使之圆滑过渡。搭接接头搭接接头的疲劳强度是很低的，实验表明：侧面焊缝，s r最低， 34%正面焊缝，焊角1：1 ，s r 略有提高。 40%正面焊缝，焊角1：2，s rs r 1：1 ，效果不大。 49% 机械加工，效果也不显著，57%正面焊缝，焊角1：3.8 盖板加厚一倍，并机械加工，s r最高，100%。这时已失去搭接接头简单易行的特点。加盖板的对接接头极不合理，盖板帮倒忙。 49%。二、近缝区金属性能变化的影响低碳钢近缝区性能变化对疲劳强度影响较小，低合金钢近缝区性能变化对疲劳强度影响不大，对高强钢若用高组配接头，则无影响；若用低组配接头，则取决于夹层厚度。当h/d0.75时接头的疲劳强度s r取决与软层的s r，比母材低；当h/d0.75时接头的疲劳强度s r随比值h/d的减小而提高。三、残余应力的影响对没有内应力的结构施加一个变动载荷，那么这个载荷在构件内部产生的应力波形图是这样的：图6-38 a 。如果这个结构内部预先有一个拉伸应力的话，那么这个变动载荷产生的应力波形就必须叠加在这个正的内应力之上，构件内部的应力波形图将变为这样的，图6-38 b 。最大应力和平均应力都有所上升，这个变化将对结构的疲劳强度产生什么影响呢？让我们通过s m和s a表示的疲劳图来分析这一变化，图中曲线ACB表示不同平均应力时的极限应力振幅s a，当构件中应力振幅大于极限幅值时，将发生疲劳破坏，小于极限幅值则是安全的。当结构没有内应力时，它承受载荷的平均应力为s m，与此对应的极限应力幅值为s a 。 当结构中存在正的内应力时，它和外载荷叠加，使结构的平均应力提高到s m1，这时从疲劳图中可以看出，起极限应力幅值s a降低了，构件的疲劳强度也随之降低。当结构中存在负的内应力时，它将使整个应力循环降低，平均应力也降到s m2 ，在疲劳图上其对应的极限应力幅值将增加到s a2 ，构件的疲劳强度也随之提高。在上述分析中没有考虑内应力在载荷作用下的变化，实际上当应力循环中的最大应力 s max达到 s s时，亦即 s m与 s a之和达到s s 时，内应力将因全面屈服而消除，为了考虑这一因素，在s m和s a表示的疲劳图中作出s m + s a = s s 的轨迹线，也就是与两个坐标的截距都是s s 的直线，该直线与极限应力幅值s a 曲线相交于C点，在此直线之上，所有点的s m与 s a之和均达到s s ，因此，当外加变动载荷的平均应力大于等于C点所对应的数值时，那么该变动载荷的最大应力s max = s m + s a 必然大于等于材料的 s s ，这时内应力将全面消除。所以平均应力大于C点的变动载荷，在最初的几次循环中就将消除残余应力，因此在这种情况下，内应力对结构的疲劳强度没有影响。当平均应力小于C点数值时，s m越小则加卸载过程中残余应力消除的也就越少，所以内应力的影响也就越显著。最后的结论是拉伸残余应力降低疲劳强度；压缩残余应力提高疲劳强度；变动载荷的s m大于c点应力时残余应力对结构的疲劳强度没有影响。小于C点数值时，s m越小，内应力的影响也就越显著。 以上是内应力影响 s r的理论分析，下面再用几个具体的试验数据来说明焊接残余应力对s r 的影响。 用2组焊接试件做疲劳试验；A组： 先焊纵缝，后焊横缝， 残余应力小 s r 高B组： 先焊横缝，后焊纵缝， 残余应力大 s r 低 实验结果见图6-39，A组的s r B组的s r，可见残余应力小的，s r高，残余应力大的，s r低。 该实验由于没有采用热处理消除内应力，排除了热处理对材料性能的影响，比较明确的说明了内应力的作用。四、焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度有很大的影响，影响程度与缺陷的种类，尺寸，方向，所在位置有关。 片状缺陷比圆角的影响大；表面缺陷比内部的影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；拉应力场中的缺陷比压应力场中的影响大；应力集中区的缺陷比均