第6章焊接结构疲劳

1、 6.1 材料及结构疲劳失效的特征 疲劳定义：材料在变动载荷作用下，会产生微、宏观的塑性变形，降低了 材料的承载能力并引起裂纹，随着裂纹的逐步扩展，最后将导致断裂。 统计表明：疲劳破坏占失效结构的90。 疲劳失效的特征一： 与脆断有明显差别，加载次数、断裂过程、温度、端口； 疲劳失效的特征二： 疲劳强度难以确定，其值与实际工作条件密切相关不易预测； 疲劳失效的特征三： 疲劳破坏一般从表面和应力集中出开始，焊接结构的疲劳从焊接接头 产生。 6.2 6.2 疲劳试验及疲劳图疲劳试验及疲劳图 6.2.1 6.2.1 疲劳载荷及其表示法疲劳载荷及其表示法 金属的疲劳是在变载条件下经过金属的疲劳是在变载

2、条件下经过 N 次循环才出现的。次循环才出现的。 变载荷：是指大小、方向、波形、频率和应力幅随时变载荷：是指大小、方向、波形、频率和应力幅随时 间发生周期性或无规则变化的一类载荷。间发生周期性或无规则变化的一类载荷。 ammin ammax max min minmax a minmax m min max 11 r 2 2 可以看出： 范围： 应力振幅 平均应力 应力循环内的最小应力 应力循环内的最大应力 r 应力循环特征系应力循环特征系 数或应力循环对称系数，数或应力循环对称系数， r 值不同，循环特征亦值不同，循环特征亦 不同。不同。 常用常用 r 表示某种疲劳表示某种疲劳 应力。应力。

3、 1. 对称交变载荷 表示疲劳强度用 1 1, minmax r 2.脉动载荷 表示疲劳强度用 0 min 0, 0 r 3.拉伸变载荷 表示疲劳强度用 于是 r minmax 1r0, 0 几种典型的动载荷几种典型的动载荷 （1）用）用 max和和 r 表示的疲劳图表示的疲劳图 即即 Moore，Kommers疲劳强度图疲劳强度图 r =1时，时， max= b 6.2.3 疲劳强度的常用表示法_疲劳图 r minmax max m max r1 22 tg 做图可求得 （2）用）用 max和和 m 表示的疲劳图表示的疲劳图 即即 Smith疲劳图疲劳图 （3）用）用a 和和 m 表示的疲劳

4、图表示的疲劳图 即即Haigh疲劳强度图疲劳强度图 时的疲劳强度为r r1 r-1 tg mamaxr m a ）（时的疲劳强度做图可得到对应 表示的疲劳图和用 maxr max min minmax r r 1 tg 4 )( 举例：已知举例：已知b=588N/mm2，N=2*106时，时，0=304N/mm2， -1=196N/mm2，作图求出，作图求出1/2 =？ 解：过解：过0点作射线使点作射线使r=1/2，交于，交于BC 延长线上延长线上D点，得点，得412 N/mm2 b1 b0 b1 6040 8060 6040 . . . 对铝合金： 断口宏观特征：辐射的贝壳纹 焊趾裂纹引发的

5、疲劳裂纹 对于塑性材料，疲劳宏观断口为纤维状；脆性材料为 结晶状 系数。为结构的应力循环特征 用；为系数，按相关手册选疲劳许用应力；时基本金属和连接件的式中， 力时绝对值最大的应力为压 力时绝对值最大的应力为拉 r k0r 26 rk 16 kr1 p p p p p 0 0 0 )( , , )( , , 劳许用应力基本金属和连接件的疲 6.5.1 应力集中的影响 图6-24 图6-25 图6-26 低合金锰钢好于低碳钢；低合金锰钢好于低碳钢； 加工的好于未加工；加工的好于未加工； 焊接的不如母材。焊接的不如母材。 对接试验可见：对接试验可见： 图6-27 图6-28 十字接头工作焊缝试验可

6、见：十字接头工作焊缝试验可见： 开坡口比不开坡口好；开坡口比不开坡口好； 低合金锰钢好于低碳钢；低合金锰钢好于低碳钢； 加工的好于未加工；加工的好于未加工； 图6-29 工作焊缝的疲劳强度与开坡口的相当（与图工作焊缝的疲劳强度与开坡口的相当（与图6-28比较）比较） 图6-30 a 侧面角焊缝侧面角焊缝 b 正面角焊缝正面角焊缝 c正面角焊缝正面角焊缝1：2 d c条件并且机械加工条件并且机械加工 e 盖板厚度加一倍且焊角比例盖板厚度加一倍且焊角比例1：3.8 f 对接加盖板对接加盖板 6.5.2 近缝区金属性能变化的影响 图6-33 大量试验表明：大量试验表明： 常用的焊接热输入，常用的焊接

7、热输入， 焊接焊接HAZ与母材的与母材的 疲劳强度相当接近。疲劳强度相当接近。 常用的热输入常用的热输入 （用冷却速度表示）：（用冷却速度表示）： 几十几十几百几百 /s 图6-34 不同级别的焊缝金属不同级别的焊缝金属 386780N/mm2，对裂纹，对裂纹 的扩展速率影响不大。的扩展速率影响不大。 （关于裂纹扩展速率（关于裂纹扩展速率 的讨论的讨论见下节）见下节） 图6-36 X=h/d 高组配接头高组配接头 （硬夹层）：（硬夹层）： 疲劳强度取决于软疲劳强度取决于软 金属金属 低组配接头低组配接头 （软夹层）（软夹层） ： 宽径比宽径比 X=0.75为界为界 限，限，X越小，疲劳强越小，

8、疲劳强 度越高；度越高； 6.6.3 残余应力的影响 图6-37 如如Haigh疲劳图疲劳图 情况情况1： 残余应力为正，平均应力残余应力为正，平均应力 与残余应力叠加，使应力与残余应力叠加，使应力 幅值降低，即降低了疲劳幅值降低，即降低了疲劳 强度；反之亦然；强度；反之亦然； 情况情况2： 平均应力与残余应力叠加平均应力与残余应力叠加 达到屈服点，内应力将消除，达到屈服点，内应力将消除， 所以所以C点状态内应力对疲劳点状态内应力对疲劳 强度没有影响，在强度没有影响，在C点左侧，点左侧， 平均应力越小，内应的影响平均应力越小，内应的影响 越显著。越显著。 图6-38 图6-39 主焊缝与次焊缝

9、的焊序对疲劳强度的影响：主焊缝与次焊缝的焊序对疲劳强度的影响： 左图为左图为A组，次焊到对先焊的主焊道有有利影响。组，次焊到对先焊的主焊道有有利影响。 图6-40 焊态与焊后热处理件在不同焊态与焊后热处理件在不同 r 值条件下的疲劳强度：值条件下的疲劳强度： r0，两者相当，两者相当， r0，热处理好一些。，热处理好一些。 图6-41 应力集中严重时：热处理对提高脉动疲劳强度有好处。应力集中严重时：热处理对提高脉动疲劳强度有好处。 图6-42 6.5.4 6.5.4 缺陷的影响缺陷的影响 平面型缺陷比带圆角的影响大；平面型缺陷比带圆角的影响大； 表面的缺陷比内部表面的缺陷比内部缺陷缺陷影响大；

10、影响大； 与作用力垂直的平面型缺陷比其他与作用力垂直的平面型缺陷比其他缺陷缺陷影响大；影响大； 在拉应力场中的比压应力场中影响大；在拉应力场中的比压应力场中影响大； 应力集中区的比均匀应力场中的影响大。应力集中区的比均匀应力场中的影响大。 咬边：咬边：A组大于组大于B组组 图6-43 未焊透：未焊透：A组大于组大于B组组 图6-44 未焊透未焊透%越大，疲劳强度越小。越大，疲劳强度越小。 图6-45 比较有裂纹的平板与焊件：比较有裂纹的平板与焊件： 焊趾裂纹更容易裂穿焊趾裂纹更容易裂穿应力集中区的裂纹应力集中区的裂纹 图6-46 图6-47 图6-48 图6-50 图6-51 图6-52 表6

11、-7 6.7 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 6.7.1 裂纹与亚临界扩展 IC 0 KK aa I c c 亚临界扩展亚临界扩展 的两种方式：的两种方式： 1、应力疲劳：、应力疲劳： 高循环、高循环、 低载荷、低载荷、 裂纹扩展速率小裂纹扩展速率小 2、应变疲劳：、应变疲劳： 低循环、低循环、 高载荷、高载荷、 裂纹扩展速率高裂纹扩展速率高 图6-55 2 n n 1 minmax n / )(/ , ),(/ : aCdNda aK KKK KCdNda K K cafdNda 于是裂纹扩展速率为： 缺口的情况；对于无限大宽板中心开 其中 重要参量：是控制裂纹扩展速率的 裂纹尖端的应力

12、场强度 表示度因子帕瑞斯公式引入应力强 裂纹扩展速率可表示为 图6-56 帕瑞斯公式的两个缺点： a.未考虑平均应力对裂纹扩展速率的影响； b.为考虑裂纹扩展的加速效应 福曼提出修正公式： 越小，裂纹扩展越慢越高，则 ，裂韧性还取决于材料本身的断 ，不仅取决于可以看出 dN da K K K dN da KKr KC dN da IC IC IC n )1 ( )( 2 n n 1 n / )(/ aCdNda KCdNda 帕瑞斯公式与福曼公式的试验数据比较 图6-57 图6-58 常数为与材料和介质有关的式中 可以选用华格公式：福曼公式不适用，则还未知若 cn,m, 1 , nm max IC r)(KC dN da K 图6-59 6.7.2 疲劳裂纹扩展特性da/dNK 曲线的一般关系 图6-60 6.7.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算 0 c n 0 1 2 n 0 c