焊接接头和结构的疲劳强

1、1 第第 3 章章 焊接接头和结构的疲劳强度 2 本章主要内容和重点： 3.1 焊接结构的疲劳 3.1.1 疲劳断裂事例 3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型 3.2 疲劳断裂的过程和断口特征 3.3 疲劳载荷及表示法 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素 3.6.1 应力集中的影响 3.6.2 近缝区金属性能变化的影响 3.6.3 残余应力的影响 3.6.4 其他因素的影响 3.7 提高焊接接头疲劳强度的措施 3 第3章 焊接接头和结构的疲劳强 度 3.1 焊接结构的疲劳 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 l工程结构失效约80以上是由疲劳引起的；

2、 l在某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的8090； l对于承受循环载荷的焊接构件有90以上的失效应归咎 于疲劳破坏。 在我国，疲劳失效也相当普遍，在能源、交通等部 门都很严重。而且随着新材料、新工艺的不断出现，将会 提出许多疲劳强度的新问题需要研究解决。 4 3.1.1 疲劳断裂事例 疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期，随着铁路运输 的发展，机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个 疲劳强度问题。 以后在第二次世界大战期间发生多起飞机疲劳失事事故。 1954年英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引 起飞行失事，引起了人们的广泛关注，并使疲劳研究上 升到新的高度。 结构由铆接连接发展到焊接连

3、接后，对疲劳的敏感性 和产生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳往往是从焊 接接头处产生的。 5 疲劳断裂的事例 图图3-1，直升飞机起落架的裂，直升飞机起落架的裂 纹是从纹是从应力集中应力集中很高的很高的角接板角接板 尖端尖端开始的，该机飞行着陆开始的，该机飞行着陆 2118次后发生破坏。次后发生破坏。 图图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚，汽车底架纵梁的该梁板厚 5mm，承受反复，承受反复弯曲应力弯曲应力，在角，在角 钢和纵梁的钢和纵梁的焊接处焊接处，因，因应力集中应力集中 很高而产生裂纹。该车破坏时已很高而产生裂纹。该车破坏时已 运行运行30000km。 6 水压机的疲劳裂纹 是从设计不良的焊

4、 接接头的应力集中 点产生的。 7 角焊缝改为对接焊缝降低疲劳破坏 如果在设计中，将易导致疲劳如果在设计中，将易导致疲劳 破坏的应力集中系数高的破坏的应力集中系数高的角焊角焊 缝缝改为应力集中较小的改为应力集中较小的对接焊对接焊 缝缝，疲劳事故就可大大减少。，疲劳事故就可大大减少。 图图3-4b用用锻造法兰锻造法兰代替图代替图a 原法兰，将原法兰，将角焊缝角焊缝改为改为对接焊对接焊 缝缝大大改善抗疲劳能力。大大改善抗疲劳能力。 8 原因原因：裂纹部位裂纹部位有有较高的应力集中较高的应力集中所致。所致。 措施：措施：采用采用合理的接头设计合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。，提高焊缝质量

5、，消除焊接缺陷。 图3-5，美国几座桥发生在靠近焊缝端部焊趾部位的疲劳裂纹。 9 3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型 疲劳定义： 在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累 积损伤，经一定循环次数后产生的裂纹或突然发生完全断裂 的过程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。 高周疲劳：是指材料在低于屈服点的循环应力作用下，经 以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅控制，故又 称应力疲劳。 低周疲劳：是材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用 下,经低于 次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受 应变幅控制，故又称应变疲劳。 5 10 5 10 10 3.2 疲劳断裂的过程和断口特 征

6、 3.2.1疲劳断裂的过程 疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成、扩展、断裂三个阶段组成。 材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱 的部位上形成。对于承受循环载荷作用的金属材料，由于晶粒取向不同， 以及存在各种宏观或微观缺陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方 向上是各不相同的；当整体金属还处于弹性状态时，个别薄弱晶粒已进 入塑性应变状态，这些首先屈服的晶粒可以看成是应力集中区。一般认 为，具有与最大切应力面相一致的滑移面的晶粒首先开始屈服，出现滑 移。 随着随着循环加载循环加载的不断进行，的不断进行，滑移线滑移线的量的量 加大成为加大成为滑移带滑移带，并不断加宽、加深形成，并不断加宽

7、、加深形成 “挤出挤出”和和“挤入挤入”现象，现象，挤入部分挤入部分向滑移向滑移 带的带的纵深发展纵深发展，形成，形成疲劳微裂纹疲劳微裂纹(图图3-6)。 这些微裂纹沿着和这些微裂纹沿着和拉应力拉应力成成45的的最大最大 切应力切应力方向传播，这是方向传播，这是疲劳裂纹扩展的第疲劳裂纹扩展的第1 阶段阶段。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环 大约只有大约只有0.lm （微米）（微米）数量级，扩展深度数量级，扩展深度 约为约为25个晶粒。个晶粒。 裂纹扩展的第阶段 当第1阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转 到与最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展

8、 的第阶段，如图3-7。 在该阶段内，裂纹扩展的途径是 穿晶的，其扩展速率较快，每一次应 力循环大约扩展m数量级，在电子 显微镜下观察到的疲劳条纹主要是在 这一阶段内形成的。 在循环加载下裂纹继续扩展，承 受载荷的横截面面积继续减小，直到 剩余有效面积小到不能承受施加的载 荷时，构件就到达最终断裂阶段（第 3阶段）。 11 12 裂纹扩展机理-塑性钝化模型 整个疲劳过程中的整个疲劳过程中的主要时间主要时间是属于是属于疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 阶段阶段，即，即第第阶段阶段，亦称亚临界裂纹扩展阶段。，亦称亚临界裂纹扩展阶段。 目前广泛流行的模型是目前广泛流行的模型是塑性钝化模型塑性钝化模型（图（图

9、3-8）。）。 当当卸载卸载时，裂纹闭合，其尖端处于时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态尖锐状态。 开始加载开始加载时，在时，在切应力切应力下，下，裂纹尖端裂纹尖端上下两侧上下两侧沿沿 45方向产生方向产生滑移滑移，使，使裂纹尖端变钝裂纹尖端变钝，当拉应力达到，当拉应力达到 最高值时，裂纹停止扩展。最高值时，裂纹停止扩展。 开始卸载开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿时，裂纹尖端的金属又沿45 继续卸载继续卸载 时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化裂纹锐化。 这样每经过一个这样每经过一个加载、卸载循环加载、卸载循环，裂纹由，裂纹由钝化到钝化到 锐化锐化并向前扩

10、展一段长度并向前扩展一段长度*。在断口表面上就会遗。在断口表面上就会遗 留下一条留下一条痕迹痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的，这就是在金相断口图上通常看到的疲疲 劳条纹劳条纹或称或称疲劳辉纹疲劳辉纹。 综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹裂纹反复反复锐锐 化和钝化化和钝化的过程的过程。 13 3.2.2 疲劳断口的特征 疲劳断口的宏观断口分成三个区： 疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。这 三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对 应。 图3-9疲劳断口上三个特征区的示意图 a)圆形试件b)角接接头 1疲劳裂纹源区 2疲劳裂纹扩展区 3疲劳裂

11、纹加速扩展区 4瞬时断裂区 14 疲劳裂纹源区： 它是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。 疲劳裂纹源区一般很小，宏观上难以分辨疲劳裂纹源区的 断面特征。疲劳裂纹源一般总是发生在表面；但如果构件 内部存在缺陷（如脆性夹杂物等），也可在构件内部产生。 疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上。 对于低周疲劳，由于其应变幅值较大，断口上常有几个不 同位置的疲劳源。 疲劳裂纹扩展区： 它是疲劳断口上最重要的特征区域。宏观形貌为贝 壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源 开始向四周推进呈弧形线条，并且垂直于疲劳裂纹的扩展 方向。这些贝壳状的推进线是在使用过程中循环应力振幅 变化或

12、载荷大小改变等原因所遗留的痕迹。 在实验室作恒应力或恒应变实验时，断口一般无此 特征，疲劳断口光滑呈细晶状，有时光洁得尤如瓷质状， 对于低周疲劳往往观察不到这种贝壳状的推进线。 15 瞬时破裂区（或称最终破断区）： 它是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。 其特征与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相 同。非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。 16 疲劳辉纹的形貌 疲劳辉纹与宏观断口上看到的贝壳状条纹是不是一回事？ 疲劳辉纹是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化（ * ）形成的 痕迹，贝壳状条纹是循环应力振幅变化或载荷变化形成的宏观特征。相 邻的贝纹线之间可能有成千上万条辉纹。有时在宏观

13、断口上看不到贝壳 纹，但在电镜下仍可看到疲劳辉纹。 另外一些构件，尤其是薄板件，其宏观断口上没有明显的贝壳状 花纹，却有明显的疲劳台阶。疲劳台阶是在一个独立的疲劳区内，两个 疲劳源向前扩展相遇形成的。疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一 个特征。 3-10 裂纹疲劳扩展的辉纹 疲劳辉纹疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展第二阶段第二阶段 的的微观特征微观特征。通常是明暗交替的有规则 相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次 载荷循环。疲劳条纹的间距在0.l0.4m 之间。 面心立方金属面心立方金属(如铝及铝合金、不锈钢) 的疲劳条纹比较清晰、明显清晰、明显。体心立方金体心立方金 属、密排六方金属属、密排六

14、方金属的疲劳条纹不如前者明 显（如钢，疲劳条纹短而不连续，轮廓不 明显）。 一般焊接结构所承受的疲劳载荷是一种随机载荷。实验室多用正弦应 力或应变进行加载。以正弦波加载来说明平均应力m、应力幅a和应 力范围的定义，以及应力比R的关系为： 式中，拉应力取正值，压应力取负值。 R -l 时，为对称循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用-1表示； R 0 时，为脉动循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用0表示； Rl 时，其各种循环应力，统称为不对称循环应力，其疲劳极限 或疲劳 强度用R表示。 17 3.3 疲劳载荷及表示法 3.3.1 疲劳强度与疲劳图 1疲劳载荷及应力循环特征的表示方 法 am max 2

15、minmax m 2 minmax a max min R am min minmax R=(-1R1) m a max min 0 以循环应力中的最大应力为纵坐标，断裂循环次数N为横坐 标，根据试验数据绘出-N曲线 。-N曲线和-N曲线统称为S-N曲 线。 疲劳极限：曲线的水平段表示材料经无限次应力循环而不破 坏，与此相对应的最大应力则表示光滑试样在对称循环应力下的疲劳 极限 。疲劳极限的下标为应力比R的数值表示。 例如：R = -l 时的疲劳极限为 ，R=0时为 ，应力比为 任意R值时为 。 18 2S-N曲线 1 R 1 0 19 3疲劳图 S-N曲线可由对称循环应力的试验得到，也可由不

16、对称循环应 力得到；当应力比R改变时，所得的S-N曲线也改变。于是，在规定的 破坏循环寿命下，可以根据不同的应力比R得到疲劳极限，画出的疲劳 极限曲线图，简称疲劳图。 （1） a -m图图(应力幅应力幅-平均应力平均应力) 图图3-14，其纵、横坐标分别代表，其纵、横坐标分别代表a和和m。 曲线曲线ACB为疲劳极限图限为疲劳极限图限，即在曲线，即在曲线ACB以内以内 的任意点，表示的任意点，表示不发生疲劳破坏不发生疲劳破坏；在这条曲线；在这条曲线 以外以外的点，表示经一定的应力循环次数后即的点，表示经一定的应力循环次数后即发发 生疲劳破坏生疲劳破坏。图中。图中A点点是是对称循环应力对称循环应力

17、下发生下发生 疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循 环应力下的疲劳极限环应力下的疲劳极限-1。B点点为为静载强度静载强度破坏破坏 的点，其横坐标值为抗拉强度的点，其横坐标值为抗拉强度b。 C点点，因，因OD=DC，又因，又因max =m +a， 则则 ： 0 2 ODDC 0-脉动循环应力的疲劳极限 (2) max(min) -m图 (3) max min图 -自学 m a max min 0 20 4应力范围及其在焊接结构疲劳强度研究中的 作用 由于焊接结构焊缝及其附近有达到或接近屈服点的残余应力， 因此在接头施加常幅应力循环，焊缝附近所承受的实际

18、循环应力将是 由材料的屈服应力(或接近屈服应力)向下变化，而不管其原始作用的 应力比如何。 例如：若名义应力循环为+1到-2 ，则其应力范围为1 +2 。 但实际焊接接头中的实际应力范围将是由s变到s-(1 + 2 )。 这在研究焊接结构疲劳强度时很重要，它导致焊接结构疲劳强 度设计规范以应力范围代替应力比R。 名义应力是一种整体的等效应力，并不是实际作用于结构的局部的 力。 例如：压力下的蜂窝或泡沫结构的材料，他们的名义应力等于力除 以面积（等效为连续体），但是实际结构局部的应力应该等于力除以 截面上的材料面积。在有应力集中的疲劳计算，实际应力则为名义应 力应力集中系数。 maxmin 2

19、a 应力范围： 21 应力范围在焊接结构疲劳强度研究中的作用-续 （1）脉动循环载荷R=0 (图3- 18a) 假定材料的屈服应力为300MPa， 其应力范围为0100MPa，则其实际 应力范围上限值为屈服应力300MPa， 下限为300MPa- (100+0)MPa=200MPa，因此其实 际应力范围为：200300MPa。 （2）交变循环载荷R=-l (图b) 其应力范围为50MPa，同样， 其实际应力范围上限仍为300MPa，下 限为300-(50+50)=200MPa，因此 实际应力范围仍为：200300MPa。 这说明：实际应力范围和与其相 关的疲劳循环次数、疲劳强度，只与施 加的应

20、力范围有关，而与最大、最小循 环应力值以及应力R比无关。即焊接接 头的疲劳性能只能用应力范围概念来表 达。 注意：在没有焊接残余应力存在时，例如对于消除应力试样，假如在试样缺口尖端 的应力也低于屈服点，即未产生塑性变形，则名义应力比R同样也是实际应力循环特 征，这时应力比R仍是决定试样(构件)的疲劳强度重要参量。 疲劳设计 对于承受疲劳载荷的结构，疲劳设计是在对 结构进行强度设计并确定了各构件截面尺寸和连接 细节后,为了避免疲劳破坏而需进行的工作。 实践证明，正确的疲劳设计和制造是防止疲劳破 坏的最有效措施。 疲劳设计方法有容许应力设计法、疲劳极限 状态设计法等。 下面介绍两种设计方法： 1容

21、许应力设计法 2. 按考虑细节类型的焊接结构的疲劳设计 22 23 它是把各种构件和接头的试验疲劳强度除以一个安全系数(n1)作 为容许应力 ，使设计载荷引起的最大应力容许应力。从而确定 构件断面尺寸的设计方法。 （1）常幅疲劳 常幅疲劳是所有应力循环的应力范围保持常量的疲劳，按下式计 算： 式中 对于焊接结构，应力范围 =max -min ； 对于非焊接结构为折算应力范围，=max - 0.7min； 容许应力范围(MPa)。 的计算（根据表3-1的连接形式类别）： 式中 n 应力循环次数； C， 根据表3-2构件和连接的类别，查表3-1确定的系 数。 1容许应力设计法 /1 n C (3-

22、1) (3-2) 查表3-1和表3-2，确定C，。 24 25 （2）变幅疲劳： 它是应力循环内的应力范围随机变化的疲劳。若能预测结 构在使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力范围水平以及 频次分布总和所构成的设计应力谱，可将其折算为等效常幅 疲劳，按下式进行计算： 式中 e变幅疲劳的等效应力范围，按下式确定： 式中 ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni预期寿命内应力范围水平达到i的应力循环次数。 容许应力范围与常幅疲劳的相同。 1 i e n i i n e (3-4) 极限状态设计法 容许应力设计方法是建立在大量的试验资料和多年经验基 础上的设计方法，当疲劳载荷引起的应力偏差很大

23、时，她 往往是不经济的。目前工程结构的设计的总趋势是由容许 应力设计法向极限状态设计法过渡。 极限状态设计法是以可靠理论为基础，把疲劳载荷和各 种接头的疲劳强度看作为按一定概率密度函数分布的变量， 根据这两个变量的期望值和可能的变异性计算出结构设计 寿命终止时的存活概率，据此来决定构件的断面尺寸。 这种方法并不意味着结构设计寿命终了时结构立即报废， 而是反映结构抗疲劳的安全水平。 27 2. 按考虑细节类型的焊接结构件及接头的疲劳强度设 计曲线进行循环加载焊接钢结构的设计 （1）疲劳强度设计曲线：一般的焊接结构通常采用细节分类法进 行疲劳评定。细节类型的划分考虑接头的形式以及构造细节（局部应力

24、 集中、受力方向、冶金效应、残余应力、疲劳裂纹形状），在某些情况 下还考虑焊接工艺和焊后的改进措施。 此处此处“疲劳强度疲劳强度” ：指给定一：指给定一 定循环次数定循环次数(如如200万次万次)的的应力应力 范围范围。 疲劳级别疲劳级别FAT：它它指出在指出在200万万 次次(2l06次次)循环次数下循环次数下特定的特定的 疲劳强度疲劳强度。 如如S-N曲线的曲线的125表示其在表示其在 2106循环次数下的以循环次数下的以应力范应力范 围围(最大最大-最小应力之差最小应力之差)表征表征的的 疲劳强度为疲劳强度为125MPa，112则表则表 示在相同应力循环次数下的疲示在相同应力循环次数下的

25、疲 劳强度为劳强度为112MPa等。等。 28 铝结构件的疲劳强度 添加了添加了铝合金铝合金的不同接头的的不同接头的S-N曲线分类曲线分类(图图3-20)。各条。各条S-N曲线具有曲线具有相同相同 的的m值值（即相同的斜率），（即相同的斜率），m与循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表与循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表 示为：示为： 式中，式中，C为常数，它决定为常数，它决定S-N曲线的位置。曲线的位置。 m C N (3-5) 29 （2）细节类 别 具体的不同钢结构件的FAT值（见表3-3 - P118 页）。表中FAT值是根据实验研究定出的，纳入以下事实和 影响： 焊接结构的细节：焊缝

26、形状所引起的局部应力集中； 一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差；应力方向；残余应力； 冶金状态；焊接过程和随后的焊缝改善处理。 如果构件和接头中还存在其他原因所产生的应力集 中，由于表3-3的FAT并未考虑之，因此在疲劳载荷计算中 要乘以该应力集中系数，或将对应的FAT值除以该应力集中 系数。 30 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的 应用 传统的疲劳设计方法：假定材料是无裂纹的连续体，经过 一定的应力循环次数后，由于疲劳累积损伤而形成裂纹， 再经裂纹扩展阶段直到断裂。 常规的疲劳计算就是在疲劳试验的大量统计结果上， 获得应力-寿命即S-N曲线，然后在此基础上利用疲劳图并 给以一定的安全系数进

27、行设计和选材。 应用断裂力学的疲劳设计方法：实际构件由于各种原因 (如焊接、铸造、锻造等)往往不可避免地会产生各种缺陷及 裂纹。带有裂纹的构件，在循环应力和应变作用下，裂纹 可能逐渐扩展。 应用断裂力学把疲劳设计建立在构件本身存在裂纹 这一客观事实的基础上，按照裂纹在循环载荷下的扩展规 律，估算结构的寿命。这是保证构件安全工作的重要途径， 同时也是对传统疲劳试验和分析方法的一个重要补充和发 展。 31 3.4.1 裂纹的亚临界扩 展 假若构件承受一个低于c 但又足够大的循环应力，那 么这个初始裂纹0便会发生 缓慢扩展，当达到临界裂纹 尺寸c时，会使构件发生破 坏。裂纹在循环应力作用下， 由初始

28、值0到临界值c这一 段扩展过程就是疲劳裂纹的 亚临界扩展阶段。 图3-22 亚临界裂纹扩展与临界裂纹尺寸0 一个含有初始裂纹a0的构件，当承受静载荷时，只有在应力水平 达到临界应力c时(图3-22)，即：当其裂纹尖端的应力强度因子 达到临界值KIC(KC)时，才会发生失稳破坏。 32 疲劳裂纹扩展速 率 式中 K应力强度因子范围(K=Kmax-Kmin)； KIC 应力强度因子的临界值； C、m由材料决定的常数； R平均应力的应力比。 疲劳裂纹扩展的寿命估算 0 0 m 0 d d CN KC N ）（ m KC dN d )( KKR IC )1 ( K)C( dN d m d )( 10

29、0 c m c KC KKR）（ 或 帕瑞斯（Paris）半经验定律：应力强度因子K既然能够表示裂纹尖端的应 力场强度，那么就可以认为K值是控制裂纹扩展速率的重要参量。 帕瑞斯（Paris）规律公式： 福尔曼（Forman）修正公式： 3.5 应变疲劳 前面讨论是在应力循环条件下裂纹在弹性区范围内的扩展 规律。这些规律的适用范围是低应力、高循环寿命、低扩 展速率。在上述条件下获得dadN与K之间的指数关系， 反映金属材料疲劳裂纹扩展的一般规律。 -高周疲劳 但是，指数规律不能用来表征高应变循环条件下的 裂纹扩展规律。 -低周疲劳 3.5.1 应力和应变循环 应力循环疲劳即高周疲劳，它是控制应力

30、范围 ； 应变循环疲劳也称为低周疲劳，它是控制应变范 围 。 其中，低周疲劳是材料在接近或超过其屈服点的循环应力， 经低于 次塑性应变循环而产生的疲劳。 5 10 3.5.1 应力和应变循环-续 图3-27为循环载荷条件下可能发生的应力-应变关系。当在 完全弹性范围内变化时，如图 a；当交变载荷包含塑性区时， 图b，在每个循环中应力-应变关系不再是线性的，而是按滞 后曲线BCDEB变化。 是总应力范围， 是总应变范围， 它包括两部分： 控制应变疲劳试验可分为： 控制总应变幅和控制塑性应 变幅两种。 一般认为，塑性应变幅 产生疲劳损伤。用控制塑性 应变幅试验所得的试验数据 ，更能揭示低周疲劳破坏

31、的 实质。所以一般都采用控制 塑性应变幅。 ep 弹性应变塑性应变 3.5.2 S-N曲线 对塑性材料作一系列的对称循环试验，用双对数坐标作塑性应变幅 与寿命Nc关系曲线，得图3-28直线1。 在疲劳强度试验中，因为在弹性范围内，可以用-N直接表示。为了 与直线相比较，将应力幅 用 的关系换成应变幅， 如图中的直线2。 进一步分析，图3-28曲线1是塑性应变幅与NC的关系曲线，即 低周疲劳的S-N曲线；曲线2是在弹性范围内由应力幅与NC的关系曲线 转化而来的，是高周疲劳的S-N曲线。这两线的交点P，表示低周疲劳 与高周疲劳的分界点（过渡寿命点）。在P点的右侧，弹性应变起主导 作用，在P点的左侧

32、塑性应变起主导。或者说，P点的右侧为高周疲劳区， P点的左侧是低周疲劳区。 在图3-28中还根据试验数据，画 出了总应变幅2(弹性应变幅与塑性应 变幅之和)与NC的关系曲线3。由图可看出 ：在P点左侧，曲线3与低周疲劳的直线1 逼近；在P点的右侧，曲线3与高周疲劳的 直线2逼近。 当材料强度提高时，P点左移；材料 的韧度提高时，P点右移。 a 2 p 2 ea E 塑 性 弹 性 高周疲 劳区 低周疲 劳区 应变疲劳寿命 低周疲劳的科芬-曼森(coffin-Manson)公式： 式中 塑性应变范围； Nc 材料达到疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命； 材料的塑性指数，=0.30.8； C与静拉伸断

33、裂应变有关的常数。 上式 若参量a及C已知，能画出材料的滞回线，由图 3-27b可求得 ，即可得到疲劳寿命N。 CN a cp （3-13） p p 37 3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素 影响因素 1. 2. 3. 接接头头形形式式 应应力力集集中中 焊焊接接工工艺艺缺缺陷陷 母母材材的的因因素素 截截面面尺尺寸寸 表表面面状状态态 加加载载情情况况 焊焊接接接接头头因因素素（近近缝缝区区金金属属性性能能变变化化） 材材料料性性质质（低低碳碳钢钢、高高强强度度钢钢等等） 其其他他因因素素 结结构构尺尺寸寸（截截面面尺尺寸寸） 3. 残余应力的影响 4. 38 3.6.1 应力集中的影响 不

34、合理的设计、接头形式和焊接过程中产生的各种 缺陷（未焊透、咬边等）是产生应力集中的主要原因。 1. 各种接头各种接头对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 （1）对接接头 疲劳强度最高。因这种 接头形状的变化程度较小，应 力集中系数最低。 其疲劳强度主要取决于焊 缝向基本金属过渡的形状。过 大的余高和过大的基本金属与 焊缝金属间的过渡角都会增加 应力集中，使接头的疲劳极限 下降。 图3-29 过渡角口以及过渡圆弧半径R对 对接接头疲劳极限的影响 40 机械加工对焊接接头疲劳性能的影响 对焊缝表面进行机 械加工，应力集中程 度大大降低，从而使 对接接头的疲劳极限 相应提高。 但是这种表面 机械加工的成

35、本很高， 在一般情况下，是没 有必要的。 尤其是带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，其缺陷处或焊缝根部 的应力集中要比焊缝表面严重得多。所以在这种情况下焊缝表面 的机械加工没有意义。 41 （2）T形和十字接 头 在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中 系数比对接接头的高。因此疲劳极限低于对接接头。 表3-7结果表明：不开坡口的十字接头由于在焊缝根 部形成严重的应力集中，破坏从焊缝根部开始，破坏面通过 焊缝，其疲劳极限值最低。 构件开坡口可以改善接头中的应力分布条件，降低接 头中的应力集中。这种接头的疲劳极限值比不开坡口时高， 破坏时一般是由焊缝向基本金属过渡处-焊趾部位开始。 如果在

36、焊趾部位处进行加工，使其为圆滑过渡，接头 的疲劳极限进一步提高，并与基本金属相当。 （3）搭接接头 疲劳极限是最低的。仅有侧面焊缝搭接接头的疲劳极 限最低，只达到基本金属的34。 注意：采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理 的。原来疲劳极限较高的对接接头被大大削弱。 42 2焊接工艺缺陷对疲劳强度的影 响 焊接时产生的各种缺陷，将在构件中引起很大的应力 集中。在循环载荷下，有缺陷的焊缝区常常是结构破坏的发 源地。 各种缺陷各种缺陷对接头疲劳强度影响：对接头疲劳强度影响： （1）平面形状缺陷平面形状缺陷(如裂纹、未焊透如裂纹、未焊透)比比 立体形状缺陷立体形状缺陷(如气孔、夹如气孔、夹 渣渣

37、)影响大；影响大； （2）表面缺陷表面缺陷比比内部缺陷内部缺陷影响大；影响大； （3）与作用力方向垂直的平面状缺陷与作用力方向垂直的平面状缺陷的的 影响比影响比不垂直不垂直方向的大；方向的大； （4）位于）位于残余残余拉应力场拉应力场内的缺陷内的缺陷比在比在残残 余余压应力场压应力场内的缺陷影响大；内的缺陷影响大； （5）位于）位于应力集中区的缺陷应力集中区的缺陷(如焊趾裂纹如焊趾裂纹) 比在比在均匀应力场均匀应力场中同样缺陷的影响大。中同样缺陷的影响大。 （6）随着）随着未焊透的增加未焊透的增加，疲劳极限迅速，疲劳极限迅速 下降（图下降（图3-34）。）。 43 典型的焊接缺陷，A组的影响比

38、B组的影响 大。 典型缺陷在不同位置和不同载荷下对疲劳强度的影响 44 3.6.2 近缝区金属性能变化的影响 低碳钢低碳钢焊接接头焊接接头： （1）在在常用的热输入常用的热输入下焊接，下焊接，低碳钢低碳钢近缝区金属近缝区金属力学性能的力学性能的 变化变化对接头的疲劳强度对接头的疲劳强度影响较小影响较小。 （2）只要在非常高的热输入下 焊接(在生产实际中很少采用)， 才能使焊接热影响区对应力集中 的敏感性下降，其疲劳极限可比 母材高得多。 (图3-35) 低合金钢焊接接头： 低合金钢的情况比较复杂。在热循环下，热影响区的力学 性能变化比低碳钢大。 试验说明： 低合金钢的化学成 分、金相组织和力

39、学性能的不一致性 ，在有应力集中或 无应力集中时都对 疲劳强度的影响不 大。 3.6.3 残余应力的影响 焊接残余应力对结构疲劳强度的影响是人们广泛关心的问 题，对于这个问题人们进行大量的试验研究工作。 试验时往往采用有焊接应力的试件和经过热处理消除 内应力后的试件进行疲劳试验，并作对比。 由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起 的材料性能的变化，而热处理在消除内应力的同时也恢复或 部分恢复材料的性能。因此，对于试验的结果就产生不同的 解释，对内应力的影响也有了不同的评价。 但对有刻槽试件的研究表明，由于在刻槽根部有应力 集中存在，接头中的残余应力不易调匀，所以它们对疲劳强 度的影响是

40、很明显的。 下面通过几个具体试验研究的结果来说明焊接残余应力对 疲劳强度的影响。 47 1不同焊接顺序获得不同焊接应力分布试件的 对比试验 图3-37中，A组先焊纵 向焊缝1，后焊横向焊缝 2。B组试件先焊横向焊 缝1，后焊纵向焊缝2。 在焊缝交叉处焊接残余拉 应力：A组B组。 疲劳强度：A组B组。 实验没有采用热处理消 除内应力。比较明确地说 明内应力的作用。即：构 件中的残余拉应力越低， 其疲劳强度越高。 48 2在不同应力比R下内应力的影响 对称循环交变载荷(R= -1)消除内 应力试件的疲劳极限接近130MPa， 而未消除内应力的仅为75MPa； 在脉动循环交变载荷下(R=0)两组 试

41、件的疲劳极限相同，为185MPa； 当R=0.3时，经热处理消除内应 力的试件疲劳极限反而略低于未热 处理的试件。 试验采用14Mn2低合金结构钢，试件有一条横向对接焊缝，并在正反两面 堆焊纵向焊道各一条。一组试件焊后作消除内应力热处理，另一组未经热处 理，然后进行疲劳强度对比试验。采用三种应力比R= -l，0，+0.3进行疲劳 试验，试验结果见图3-38。 49 产生上述现象的原因： 在minmax值比较高时，例如在脉动循环载荷下(R= 0) ，疲劳强 度较高，在较高的拉应力作用下，内应力较快地得到释放。因此，内应 力对疲劳强度的影响就减弱。 当minmax增大到(R= 0.3) 时，内 应

42、力在载荷作用下，进一步降低，实际上 对疲劳强度已不起作用。而热处理在消除 内应力的同时，又消除焊接过程对材料疲 劳强度的有利影响。因而，疲劳强度在 热处理后反而下降。 在对称循环交变载荷(R= -1)试件里， 这个有利影响并不足以抵消内应力的不 利影响。而在脉动载荷（R= 0）试件里正 好抵消残余内应力的不利影响。 因此，焊接内应力对疲劳强度的影响 与疲劳载荷的应力循环特征有关。 总之，在minmax值（即R值）较低时，影响较大。 50 3内应力在有应力集中试件内的影响 消除内应力后试件 的疲劳强度均高于 未经热处理的试件。 在这个试验中，内 应力的作用在脉动 载荷下(R=0)仍有反 映。 说

43、明内应力的影响： 在应力集中较高时 更大。 试件带纵向短肋板，具有较高的应力集中系数(应力集中严重 程度不同)。 51 3.6.4 其他因素的影响 1材料性质的影响 当无应力集中时，材料的疲 劳强度与屈服点成正比，对 于光滑试件，材料的疲劳极 限随着材料强度以约50的 比率增加。所以，屈服点较 高的低合金钢比低碳钢具有 更高的疲劳极限。 高强度钢对应力集中 非常敏感，当结构中有应力 集中时,高强度低合金钢的疲 劳强度下降得比低碳钢快； 当应力集中因素达到 某种程度时，两种钢的疲劳 极限相同或相差无几，图3- 40。 52 2结构尺寸的影响 疲劳强度在很大程度上决定于结构截面尺寸。当结 构尺寸增

44、加时，疲劳强度将会降低。这可能是由于 结构尺寸增加，其缺陷也必将增加；或者是焊缝缺 陷在小构件上所引起的应力集中要比在大构件中小 些等原因所致。 因而在考虑材料的疲劳强度时，必须注意绝 对尺寸这一不良影响。 53 3.7 提高焊接接头疲劳强度的措施 改善措施： 1.降低应力集中 2.调整残余应力场（消除残余拉应力或产生残余压应力） 3.特殊保护措施（如塑料保护涂层） 54 1. 降低应力集中 (1) 采用合理的结构形式 这可以减小应力集中， 提高疲劳强度。 图3-41为几种设计 方案的正误比较。 a）推荐设计方案 b）力求避免的设计方 案 推荐方案避免方案 55 (2) 尽量采用应力集中系数小

45、的焊接接 头 凡是结构中承受交变载荷的构件，都应当尽量采 用对接接头或开坡口的T形接头；搭接接头或不开 坡口的T形接头，应力集中较为严重，应力求避免 采用。 56 还应当指出：对接焊缝，只有保证连接件的截面没有 突然改变的情况下传力才是合理的。 图3-43a，一个设计不好的底 盘框架的“垂直角”部A点， 有不可避免要破坏的危险； 图b，把一块三角形加强板对 焊到这个角上。 这种措施只是把破坏点由 A点移至焊缝端部B点，因为在 该处接头形状突然改变，仍存 在严重的应力集中。 最好改善方法：把两翼缘之间 的垂直连接改用一块曲线过渡 板，用对接焊缝与构件拼焊在 一起，图c。 图3-43 焊接框架角部

46、设计的改善 a) A角有严重应力集中的设计 b) 小改进，B角仍有严重的应力集中 c) 减小应力集中，使焊缝远离应力集中区的改进方案 (2) 采用应力集中系数小的焊接接头-续 57 (3) 采取妥善的工艺措施 1) 减少焊接缺陷等。对接焊缝一般具有较高的疲劳强度，但如 果焊缝质量不高，其中存在严重缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至 低于搭接焊缝。 当采用角焊缝时，须采取综合措施来提高接头的疲劳强度（如机 械加工焊缝端部、合理选择角接板形状、焊缝根部保证熔透等 ）。采 取这些措施可以降低应力集中，并消除残余应力的不利影响。采用综合 处理后，低碳钢接头处的疲劳强度提高313倍，对于低合金钢，效果

47、更显著。 2) 表面机械加工。这种方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，可 大大降低构件的应力集中程度，提高接头的疲劳强度。但是机械加工的 成本极高，因此只有在真正受益和确实能加工到的地方，才适宜进行这 种加工。 此外，对带有严重刻槽不用封底焊的焊缝，其根部应力集中要比焊缝 表面的应力集中严重得多，焊缝表面的机械加工将变得没有意义。 另外，采用电弧整形的方法可以代替机械加工的方法使焊缝与母 材之间平滑过渡。采用钨极氩弧焊在焊接接头的过渡区重熔一次，不仅 可使焊缝与母材之间平滑过渡，而且还减少该部位的微小非金属夹杂物， 从而提高接头的疲劳强度。 3) 开缓和槽 58 3) 开缓和槽 在有些情况下，可以

48、通过开缓和槽，使力线绕开焊 缝的应力集中处，从而提高接头的疲劳强度。 59 2调整残余应力场 (1) 整体处理 整体退火方法：不一定都能提高构件的疲劳强度。实践表 明，退火后的焊接构件在某些情况下能够提高构件的疲劳 强度，而在某些情况下反而有所降低。 一般情况下在循环应力较小或应力比R较低、应力集 中较高时，残余拉应力的不利影响增大，退火是有利的。 超载预拉伸方法：可降低残余拉应力，甚至在某些条件下 可在缺口尖端处产生残余压应力。因此，可以提高接头疲 劳强度。 60 (2) 局部处理 采用局部加热或挤压可以调节焊接 残余应力场，在应力集中处产生残余压应 力。 对“盖板”型试件(图3-45)进行

49、 局部加热前后在2106次循环时取得的疲 劳极限。 图3-46是局部加热后提高试件疲劳强度的效果显著。尤其是在高循环 周次即长寿命时疲劳强度提高得更显著。 61 表3-8是不同研究者对“盖板”型试件(图3-45)进行局部 加热前后在2106次循环时取得的疲劳极限。 62 (2) 局部处理-挤压调节焊接残余应力 场 图3-47为带有不承载纵向角 焊缝的低碳钢与高强度钢试件 进行局部压缩处理前后的S-N 曲线。 在原焊接状态时两种钢的 S-N曲线没有区别。经压缩处 理后，高强度钢比低碳钢提高 疲劳强度的效果更显著，两种 钢在2106次循环时相应的提 高量分别是109与74。 图3-47 对带有不承载纵向角焊缝的低碳钢与高强度钢试件 进行局部压缩处理时对强度的影响 低碳钢用19mm直径压模加压 低碳钢用44mm直径压模加压 高强度钢用44mm直径压模加压 图3-38 带有不承载纵向角焊缝试件 63 (3) 表面强化处 理 它是一种冷作加工，是用风动工具操作的锤头