焊接接头和结构的疲劳强学习教案

1、会计学1焊接焊接(hnji)接头和结构的疲劳强接头和结构的疲劳强第一页，共50页。1 疲劳的基本知识2 提高焊接(hnji)接头疲劳强度的措施3 焊接(hnji)结构的断裂分析第1页/共49页第二页，共50页。1 疲劳(plo)的基本知识c 疲劳破坏的基本特征和类型c 影响焊接结构(jigu)疲劳强度的因素疲劳(plo)：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。第2页/共49页第三页，共50页。1、疲劳(plo)断裂的过程疲劳(plo)断裂一般由三个阶段组成：裂纹的形成（萌生）裂纹的扩展失稳断裂三个阶段之间没有严格界限，因

2、此定义带有一定的随意性。第3页/共49页第四页，共50页。裂纹(li wn)的形成裂纹萌生初期：包括位错在滑移面内的运动、在晶粒内伴随位错运动出现滑移带和滑移带上材料形成微观分离。裂纹萌生后期：晶粒上滑移带上材料中出现微观分离，最终(zu zhn)形成于晶粒尺寸相当、能够进一步扩展的微观裂纹。第4页/共49页第五页，共50页。裂纹(li wn)的扩展在循环载荷作用下，微观裂纹(li wn)稳定扩展成为大小与构件宏观尺寸（如板厚）相当的临界宏观裂纹(li wn)的过程。这一过程在总寿命中占主要部分。第5页/共49页第六页，共50页。裂纹(li wn)失稳断裂根据结构形式而定。对于承力构件，可以定

3、义为扣除裂纹面积的净截面(jimin)已不能再承受所受应力时为断裂阶段。对于压力容器，则把出线泄露时定义为断裂阶段的开始。第6页/共49页第七页，共50页。2、疲劳(plo)断裂的特征一般把断口分成三个区，分别与疲劳裂纹(li wn)的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。疲劳裂纹(li wn)源区疲劳裂纹(li wn)扩展区瞬时断裂区第7页/共49页第八页，共50页。第8页/共49页第九页，共50页。疲劳(plo)裂纹源区v一般(ybn)很小，宏观上难以分辨疲劳裂纹源区的断面特征。v疲劳裂纹源一般(ybn)总发生在表面，但若构件内部存在缺陷，也可在构件内部发生。v疲劳源数目有时不止一个，有两个

4、甚至更多。对于低周疲劳，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。第9页/共49页第十页，共50页。疲劳裂纹(li wn)扩展区v宏观形貌常呈现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(kuzhn)方向。v恒应力或恒应变实验时，断口一般无此特征，此时疲劳断口光滑呈细晶状。v疲劳台阶：一些薄板件，其断口上有明显的疲劳台阶。第10页/共49页第十一页，共50页。瞬时(shn sh)破断区v又称“最终破断区”。是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后的快速破断。v与静载拉伸(l shn)断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同，有时仅有剪切唇无放射区。v对于脆性

5、材料，瞬时破断区为结晶状脆性断口。第11页/共49页第十二页，共50页。疲劳(plo)断口的微观形貌特征v微观(wigun)特征为疲劳条纹，又称疲劳辉纹。v通常为明暗交替的有规则的相互平行的条纹。一般每一条条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在0.10.4m之间。v面心立方金属的疲劳条纹清晰明显，体心立方金属和密排六方结构金属的疲劳条纹不太明显。第12页/共49页第十三页，共50页。第13页/共49页第十四页，共50页。疲劳辉纹和贝壳状条纹(tio wn)的区别v辉纹是一次应力循环中裂纹尖端(jindun)塑性钝化形成的痕迹，相邻的贝纹线间可能有成千上万条辉纹。v有时宏观断口上看不到贝壳纹，但

6、电镜下仍可看到疲劳辉纹。v面心立方金属的疲劳条纹清晰明显，体心立方金属和密排六方结构金属的疲劳条纹不太明显。第14页/共49页第十五页，共50页。3、疲劳(plo)破坏的基本类型高周疲劳 材料在低于屈服点的循环应力作用下，经105以上循环次数(csh)而发生的疲劳。受应力幅控制，又称“应力疲劳”。低周疲劳 材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用下，经低于105次塑性应变循环而产生的疲劳。受应变幅控制，又称“应变疲劳”。第15页/共49页第十六页，共50页。4、疲劳(plo)寿命和疲劳(plo)极限变动(bindng)载荷变动载荷是指载荷大小(dxio)、方向、波形、频率和应力幅随时间发生周期性

7、或无规则变化的一类载荷。变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：max、minm、ar第16页/共49页第十七页，共50页。max变动载荷(zi h)或应力循环内的最大应力；min变动载荷(zi h)或应力循环内的最小应力；m平均应力；a应力振幅或应力半幅；r 应力循环特性系数或应力循环对称系数。第17页/共49页第十八页，共50页。疲劳极限当应力幅低于某值时，应力循环(xnhun)无数次也不会发生疲劳破坏，此时的应力幅称为材料的“疲劳极限”。应力比为r时，疲劳极限r如：r=-1，疲劳极限写作-1对称交变(jio bin)载荷（对称循环应力）第18页/共49页第十九页，共50页。疲劳曲线试验

8、时用一光滑（或带缺口）试件或实际构件，使其受周期性重复（通常为正弦型）的恒幅载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转(nizhun)）作用，直至出现裂纹或完全断裂。根据试件在裂纹萌生或完全断裂时所受的应力循环次数N与载荷幅或应力幅做出疲劳曲线，即S-N曲线。循环(xnhun)载荷试验第19页/共49页第二十页，共50页。应力循环(xnhun)基数N0：两直线交点的横坐标条件疲劳强度：指定N0（一般为107或更高）下的中值疲劳强度； 若为N（小于107）次应力循环(xnhun)，对应于斜直线上的最大应力或应力幅，称为N次循环(xnhun)的中值疲劳强度。第20页/共49页第二十一页，共50页。疲劳(plo)

9、寿命通常的焊接(hnji)接头疲劳试验中，一般不测量疲劳裂纹的萌生寿命Ni，仅记录破坏寿命Nf。疲劳破坏寿命包括裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分，即Nf=Ni+Np。工程上将裂纹深度定义为0.25mm（表面裂纹长度约为1.52.5mm）来定义Ni，此时Ni相当于Nf的50%60%以上。第21页/共49页第二十二页，共50页。1、应力(yngl)集中的影响焊接接头中：设计、接头形式和各种缺陷(quxin)（如未焊透、咬边等）是产生应力集中的主要原因，也是降低结构动载强度的主要因素。所以确定合理的结构形式，选择适当的焊接接头，采用良好的焊接工艺是提高焊接结构动载强度的有效措施。第22页/共49页第

10、二十三页，共50页。1、应力集中(jzhng)的影响（1）各种焊接(hnji)接头对疲劳强度的影响对接(du ji)接头对接接头的疲劳强度主要取决于焊缝向基本金属过渡的形状。余高h，过渡角，应力集中，r。对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度，但成本很高。（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的应力集中严重得多，这时焊缝表面的机械加工没有意义。）第23页/共49页第二十四页，共50页。（1）各种焊接接头(ji tu)对疲劳强度的影响T形和十字(sh z)接头应力(yngl)集中系数比对接接头的应力(yngl)集中系数高，故疲劳强度r都低于对接接头。不开坡口的十

11、字接头：焊缝根部有严重的应力集中，其疲劳极限值最低。构件边缘开坡口：应力集中降低，其疲劳极限比不开坡口的高。第24页/共49页第二十五页，共50页。（1）各种焊接接头(ji tu)对疲劳强度的影响搭接(d ji)接头搭接接头的疲劳极限最低。（有时会低于铆接接头的疲劳极限）仅有侧面焊缝的搭接接头的疲劳极限最低，只达到基本(jbn)金属的34%。即使在焊缝向基本(jbn)金属过渡区进行表面机械加工，也不能显著提高搭接接头的疲劳极限。第25页/共49页第二十六页，共50页。（2）焊接工艺缺陷(quxin)对疲劳强度的影响循环载荷下，有缺陷的焊缝区常常(chngchng)是接头和结构破坏的发源地。焊接

12、过程中，各种缺陷对接头疲劳强度影响的程度与其种类、尺寸、方向和位置有关。平面形状缺陷比立体形状缺陷影响大；表面(biomin)缺陷比内部缺陷影响大；垂直作用力方向的平面状缺陷比不垂直方向的大；第26页/共49页第二十七页，共50页。（2）焊接(hnji)工艺缺陷对疲劳强度的影响 位于残余拉应力场内的缺陷比残余压应力场的缺陷的影响大； 应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比在均匀应力场中的影响大； 尺寸：未焊透增加，疲劳极限迅速下降。 材料：同样尺寸的缺陷对不同(b tn)材料焊接结构疲劳极限的影响不同(b tn)。第27页/共49页第二十八页，共50页。2、近缝区金属(jnsh)性能变化的影响对于低

13、碳钢接头，在常用的热输入下焊接，HAZ和母材的疲劳极限基本接近。非常高的热输入下，才能使HAZ对应力集中的敏感性降低，其疲劳强度可比母材高得多。低合金钢的情况较为复杂。HAZ的力学性能比低碳钢的大。化学成分、金相组织(zzh)和力学性能的不一致性，在有应力集中或无应力集中时对疲劳强度的影响不大。第28页/共49页第二十九页，共50页。第29页/共49页第三十页，共50页。性能(xngnng)不均匀性对接头疲劳强度的影响e高组配的接头：力学性能的不均匀性对接头的疲劳强度基本无影响。此时接头的疲劳强度取决于较软的基体金属。e有软夹层的接头：疲劳强度还取决于层的尺寸h/d（h为夹层的厚度，d为试件直

14、径(zhjng)）。h/d0.75时，接头的疲劳强度很大程度取决于夹层的疲劳强度；h/d0.75时，h/d，接头的疲劳强度。第30页/共49页第三十一页，共50页。第31页/共49页第三十二页，共50页。3、残余应力(yngl)的影响e焊接顺序不同，焊接残余应力不同，疲劳强度不同。e应力集中较低：焊接内应力对疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性(txng)系数有关；r较低时，影响较大。e应力集中较高：内应力的影响在应力集中较高的时候更大。第32页/共49页第三十三页，共50页。第33页/共49页第三十四页，共50页。4、缺陷(quxin)的影响e平面类型缺陷比带圆角的缺陷影响大；e表面(bi

15、omin)缺陷比内部缺陷影响大；e垂直作用力方向的平面缺陷的影响比其他方向的大；焊接(hnji)缺陷的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。第34页/共49页第三十五页，共50页。e位于(wiy)残余拉应力场的缺陷的影响比残余压应力场的大；e位于(wiy)应力集中区的缺陷的影响比均匀应力场中同样缺陷影响大；e缺陷尺寸：未焊透增加，疲劳强度下降。e同样尺寸的缺陷对不同材料的疲劳强度影响不同。4、缺陷(quxin)的影响第35页/共49页第三十六页，共50页。第36页/共49页第三十七页，共50页。2 提高(t go)焊接接头疲劳强度的措施焊接结构(jigu)疲劳强度设计按照规定(gudng)的

16、目标（如费用指标），对强度、寿命和安全性进行优化，并使组成结构的各构件都具有相同的疲劳强度、疲劳寿命和安全性的一种设计方法。形状设计，包括整体结构及其构件的形状设计（整体结构设计），以及焊接接头的位置与形状设计（局部结构设计），是疲劳强度设计所关心的首要问题。第37页/共49页第三十八页，共50页。疲劳强度设计(shj)的一般原则1.承受拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆滑的过渡结构以减少刚度的突然变化。2.优先选用(xunyng)对接焊缝、单边V形焊缝和K形焊缝，尽可能不用角焊缝。3.采用角焊缝时最好用双面焊缝，避免使用单面焊缝。4.采用带有搭接板（盖板）的搭接接头和弯搭接接头，尽可能不用偏

17、心搭接。第38页/共49页第三十九页，共50页。疲劳强度设计的一般(ybn)原则5.使焊缝位于低应力区，使缺口效应分散而避免其叠加。6.在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后设置(shzh)一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力。7.承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩。8.横向力应作用于剪切中心之上以减小扭矩。第39页/共49页第四十页，共50页。疲劳强度设计(shj)的一般原则9.承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强件长度应小，以减小加强件对于构件变形的约束。10.承受扭转的构件，为避免横截面翘曲受阻可采用切除翼缘端部、翼缘端部斜接等形式以及采用横截面不产生翘曲的型材。

18、11.使焊缝能包围较大面积或局部增加构件壁厚以减轻外力作用于薄壁构件上时引起的局部弯曲。12.在薄板范围(fnwi)内合理布置焊缝以减轻弯曲变形。第40页/共49页第四十一页，共50页。13.避免能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加劲肋板角部应切除。14.在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件或铸造连接件代替焊接接头。15.消除能引起腐蚀的根部(n b)间隙。疲劳强度设计的一般(ybn)原则第41页/共49页第四十二页，共50页。提高疲劳强度的工艺(gngy)措施应力集中是降低接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理、焊接工艺完善、焊缝质量完好(wnho)时，才能保证较高的疲劳强度。降低(jingd)应力集中调整残余应力场改善材料的表面性能第42页/共49页第四十三页，共50页。降低(jingd)应力集中采用合理的结构形式；采用应力集中系数小的焊接接头(ji tu)形式；采用妥善的工艺措施：角焊缝需采用(ciyng)综合措施；表面机械加工，消除焊缝及附近的各种刻槽形式；电弧TIG或等离子束整形，使焊缝与基本金属之间平滑过渡。第43页/共49页第四十四页，共50页。第44页/共49页第四十五页，共50页。第45页/共49页第四十六页，共50页。调整(tiozh