焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能

1、焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能,第一節(jié) 焊接結(jié)構(gòu)疲勞問題的研究背景,4.1.1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故多發(fā)的原因,①承受動(dòng)載的焊接結(jié)構(gòu)越來越多，承受的載荷越來越大，而焊接結(jié)構(gòu)并沒有嚴(yán)格按照疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)；②雖然焊接接頭靜載承受能力一般與母材相當(dāng)，但承受疲勞載荷能力與母材相比較差，沒有引起設(shè)計(jì)者、制造者、使用者的足夠認(rèn)識(shí)。,斜拉索橋事故,委內(nèi)瑞拉的Maracibo橋，建于1960年，是世界著名的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉索橋，由于橋索涂漆層經(jīng)不住風(fēng)雨的侵

2、蝕，在拉索的劇烈振動(dòng)下，192根的鋼索中有25根存在嚴(yán)重隱患，1979年2月，一根拉索突然疲勞斷裂，造成橋體局部坍塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5000萬美元。,橋梁疲勞事故,遼寧盤錦田莊臺(tái)大橋2004年6月10日早晨7時(shí)許，遼寧省盤錦市境內(nèi)田莊臺(tái)大橋突然發(fā)生垮塌。大橋從中間斷裂27米。該橋在超限車輛長期作用下，內(nèi)部預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重受損。由于重載沖擊力使大橋第9孔懸臂端預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)瞬間脆性斷裂，致使橋板坍塌。,云天化公司爆炸,2009年３月２３日云南云

3、天化股份有限公司的合成氨裝置合成塔出口管道斷裂，事故導(dǎo)致７名員工受到輕微傷。由于高溫、高壓氣體外泄形成了強(qiáng)沖擊波，導(dǎo)致合成氨裝置合成塔出口管道發(fā)生斷裂。,深圳華僑城事故,“太空迷航”在設(shè)備設(shè)計(jì)方面存在的問題包括：座艙支承系統(tǒng)的中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿之間的聯(lián)接為間隙配合，使中導(dǎo)柱內(nèi)一個(gè)直徑為16毫米的螺栓承受交變載荷，設(shè)計(jì)上沒有考慮該螺栓承受交變載荷，未進(jìn)行相應(yīng)的疲勞驗(yàn)算，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有考慮在現(xiàn)場安裝、維護(hù)時(shí)保證該螺栓達(dá)到預(yù)緊力的有效措施

4、。由于該螺栓松動(dòng)，加劇了中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿在運(yùn)行時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使該螺栓的受力狀況惡化，從而導(dǎo)致該螺栓產(chǎn)生疲勞破壞。,2010年6月29日深圳東部華僑城“太空迷航”娛樂項(xiàng)目發(fā)生重大安全事故，造成6人死亡，10人受傷。,俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站事故,2009年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生重大事故，6400 MW水電站被淹沒，機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重受損，電站停止運(yùn)行，造成75人死亡，13人失蹤。 發(fā)生事故的最初原因?yàn)橐凰?/p>

5、機(jī)罩的螺栓發(fā)生疲勞破壞，螺栓斷裂導(dǎo)致轉(zhuǎn)子向上運(yùn)動(dòng)100-150mm而發(fā)生破壞。由于電廠斷電，緊急閘門不能馬上關(guān)閉，洪水進(jìn)入電廠，造成設(shè)備短路，從而引發(fā)一系列的破壞。,飛機(jī)疲勞事故,2010年11月29日，阿根廷舉行飛機(jī)表演現(xiàn)場，金屬疲勞造成機(jī)翼斷裂，如圖中左機(jī)翼。,疲勞斷裂安全隱患,鐵道部大舉召回動(dòng)車原因：輪對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋 輪對(duì)是機(jī)車與鋼軌相接觸的部分，由左右兩個(gè)車輪壓裝在同一根車軸上組成，其作用是保證機(jī)車車輛在鋼軌上的運(yùn)行和

6、轉(zhuǎn)向，承受來自機(jī)車車輛的全部靜、動(dòng)載荷，把它傳遞給鋼軌，并將因線路不平順產(chǎn)生的載荷傳遞給機(jī)車車輛各零部件，使容易發(fā)生機(jī)械疲勞，存在安全隱患。,4.1.2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例,圖4-1 直升飛機(jī)起落架的疲勞斷裂,圖4-2 載重汽車縱梁的疲勞斷裂結(jié)構(gòu),裂紋從高度集中的角接板尖端開始，該機(jī)飛行著陸2118次后發(fā)生破壞。,汽車底架縱梁斷裂，該處承受反復(fù)的彎曲應(yīng)力，且高應(yīng)力集中,,,,圖4-3 水壓機(jī)焊接機(jī)架的疲勞斷裂,高應(yīng)力集中部位,,

7、圖4-4 焊趾部位的疲勞裂紋,靠近焊縫端部的焊趾部位的疲勞裂紋，由于較高應(yīng)力集中所致。,,,對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，疲勞裂紋都是從設(shè)計(jì)不良的焊接接頭的應(yīng)力集中部位開始的。,第二節(jié) 金屬材料疲勞特征和疲勞類型,4.2.1疲勞載荷及其表示方法,常用正弦應(yīng)力或正弦應(yīng)變進(jìn)行加載,(1)應(yīng)力循環(huán)中的參數(shù)σmax——應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力值；σmin ——應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力值，σm ——應(yīng)力循環(huán)中平均應(yīng)力值；σa ——應(yīng)力循環(huán)中應(yīng)力振幅；

8、 R ——應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)。,正弦波加載,應(yīng)力循環(huán)中的參數(shù)之間有如下關(guān)系：,,,-1≤ R ≤1,(1)靜態(tài)拉、壓載荷(橫軸，黃線) R=1,σa=0, σmax=σmin=σm(2)拉伸變載荷:(黑線) 0<R<1, 0<σmin<σmax(3)脈動(dòng)載荷：(紅線) R=0,σmin=0(4)對(duì)稱載荷: (藍(lán)線) R=-1，σmin＝-σmax, (5)隨機(jī)變載荷：

9、 幅值、循環(huán)特征等呈隨機(jī)變化的疲勞載荷。,圖 應(yīng)力循環(huán)基本類型圖,(2)應(yīng)力循環(huán)的基本類型（載荷的種類）,把載荷特征值的不同的數(shù)字用作區(qū)分靜載荷或動(dòng)載荷的分界值,17,火車軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）,齒輪齒根（彎曲）,球軸承（壓縮）,,,,,,,,,,連桿（小拉大壓）,,缸蓋螺釘（大拉小拉）,圖 R值與實(shí)例,載荷種類對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度行為具有根本的影響。隨著載荷特征值變小，構(gòu)件產(chǎn)生疲勞斷裂的危險(xiǎn)增大。 對(duì)每一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)

10、之前就應(yīng)充分考慮到在不同的載荷狀態(tài)下，其所承受相應(yīng)載荷的能力，并使其達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命。此外，構(gòu)件是否出現(xiàn)疲勞斷裂還受構(gòu)件本身形狀、材料厚度、表面狀況或腐蝕情況等影響。,4.2.2基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)及疲勞曲線,在控制載荷或應(yīng)力的試驗(yàn)條件下，記錄試樣在某一循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)N?？刂茟?yīng)力，得到σ-N曲線控制應(yīng)變，得到ε-N曲線,4.2.2.1疲勞試驗(yàn),,S-N曲線,4.2.2.2疲勞曲線——烏勒疲勞曲線,為防止結(jié)構(gòu)在預(yù)定工作壽

11、命期發(fā)生疲勞破壞，傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)采用σ―N曲線法確定疲勞強(qiáng)度。,(1)疲勞曲線： 通過疲勞試驗(yàn)，測得發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力σ（疲勞強(qiáng)度），與其所需的加載次數(shù)N(疲勞壽命）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。(2)疲勞強(qiáng)度: 在某疲勞應(yīng)力的作用下，經(jīng)N次循環(huán)，發(fā)生破壞，稱該應(yīng)力N次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度是循環(huán)應(yīng)力的最大值σmax，用σR表示。(3)疲勞極限： 在規(guī)定循環(huán)次數(shù)以后，疲

12、勞強(qiáng)度不再下降，達(dá)到飽和的極限值。 如圖中水平虛線所對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力值稱疲勞極限。,兩種形式的烏勒疲勞曲線,圖例1,,,N,σmax,,,,,,σ1,σ2,N1 N2,σ— N 疲勞曲線,揭示內(nèi)涵：不同載荷，不同壽命！ 降低載荷，壽命提高！曲線的水平漸近線為疲勞極限,,兩種形式的烏勒疲勞曲線,圖例2,,,lnN,σmax,,,,,σ1,σ2,N1 N2,σ— lnN 疲勞曲線,揭示內(nèi)涵：不同載荷、不

13、同壽命！,,,意義：曲線變折線，圖形更好看！水平線代表疲勞極限的數(shù)值,4.2.3疲勞強(qiáng)度的常用表示方法,為了直觀表達(dá)疲勞強(qiáng)度和循環(huán)特性之間關(guān)系，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可繪出下列幾種形式的疲勞圖。利用疲勞圖，可查得各種循環(huán)特性下、對(duì)應(yīng)一定循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度，了解某種材料的抗疲勞性能。換言之，表示在一定循環(huán)次數(shù)下疲勞強(qiáng)度σR與應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)R之間關(guān)系的曲線即為疲勞圖。有4種常見表示法 。,四種表示法： ①σmax―R

14、 表示法； ②σmax―σm 表示法； ③σa ―σm 表示法； ④σmax―σmin 表示法。 疲勞圖的應(yīng)用意義： ①工程上用疲勞圖查找疲勞強(qiáng)度用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； ②用于疲勞斷裂機(jī)理探討。,(1)σmax―R表示的疲勞圖,圖例：,直接地將σmax與R的關(guān)系表示出來,（2）σa-σm表示法,圖4-9 σa-σm表示法,圖解:已知R, 則

15、 tanα= σa /σm= (1-R)/(1+R);特征值: OA=σ-1 OB=σ1, 即σbOC線與橫軸的夾角α=45°, tgα= 1.相應(yīng)于應(yīng)力循環(huán)特性為R的情況,只需作一條與橫坐標(biāo)軸夾角為α的射線,其交于曲線ACB上的交點(diǎn)C的坐標(biāo)之和: σa(C)＋σm (C) = σR(C),,ACB為疲勞極

16、限曲線，即該曲線內(nèi)的任意點(diǎn)不發(fā)生疲勞破壞，曲線外的點(diǎn)，經(jīng)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后發(fā)生疲勞破壞。,對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下疲勞破壞的臨界點(diǎn),靜載強(qiáng)度破壞點(diǎn),脈動(dòng)循環(huán)疲勞破壞臨界點(diǎn),(3) σmax(σmin)-σm表示的疲勞圖,ADC最大應(yīng)力線BEC最小應(yīng)力線OA=σ-1C點(diǎn)：靜載荷破壞點(diǎn)E點(diǎn)：σmin=0D點(diǎn)：脈動(dòng)循環(huán)的疲勞極限(σmin=0),用作圖法可求出任一R下的疲勞強(qiáng)度， 則直線與圖線上部曲線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是該R下的疲勞

17、強(qiáng)度σR,,ABCD曲線為疲勞極限曲線，即該曲線內(nèi)的個(gè)點(diǎn)是不產(chǎn)生疲勞破壞的；由原點(diǎn)0發(fā)出的每條射線代表一種循環(huán)特性：如原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)成45°的直線 表示交變載荷，R =σmim/σmax= -1，它與曲線交于B點(diǎn)，BB’即為σ-1；向右與橫坐標(biāo)成45°的直線表示靜載，R = σmim/σmax= l，它與曲線交于D點(diǎn)DD’即為靜載強(qiáng)度σb，而縱坐標(biāo)本身又表示脈動(dòng)載荷R =0，CC’即為σ0。

18、,（4） σmax-σmin表示法,用作圖法可求出任一R下的疲勞強(qiáng)度， 則直線與圖線上部曲線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是該R下的疲勞強(qiáng)度σR,,,+σmin（拉伸）,（1）缺口效應(yīng) 材料的強(qiáng)度越高，缺口越尖銳 （2）尺寸效應(yīng) 試樣尺寸增加時(shí)，材料疲勞強(qiáng)度降低（3）表面加工方法 表面粗糙度；表面強(qiáng)化（機(jī)械、熱處理、噴涂、化學(xué)處理）,,應(yīng)力集中越敏感。,4.2.4疲勞強(qiáng)度的影響因素,(4)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的影響

19、①外載荷平均應(yīng)力 拉伸載荷→疲勞強(qiáng)度↓、疲勞壽命↓ 壓縮載荷→疲勞強(qiáng)度↑、疲勞壽命↑②加載頻率 低頻率→疲勞極限↓ 高頻率→疲勞極限↑③應(yīng)力波形：影響較大④中間停歇 停歇頻繁、停歇時(shí)間長→疲勞壽命↓,（5）材料性質(zhì) ①無應(yīng)力集中時(shí)，疲勞強(qiáng)度∝屈服點(diǎn) 低合金高強(qiáng)鋼>低碳鋼 ②有

20、應(yīng)力集中時(shí)，高強(qiáng)鋼的疲勞極限下降得比低碳鋼快 ③應(yīng)力集中達(dá)到一定程度高強(qiáng)鋼≈低碳鋼,4.2.5金屬疲勞的分類,材料疲勞：主要研究材料的失效機(jī)理，化學(xué)成分、微觀組織、環(huán)境和工況等對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，研究疲勞斷口的宏觀和微觀形貌等。結(jié)構(gòu)疲勞：以部件、接頭以致整個(gè)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、壽命估算方法和疲勞試驗(yàn)方法，形狀、尺寸和工藝因素的影響以及提高疲勞強(qiáng)度的方。高周疲勞：材料在低于其屈服強(qiáng)度的循

21、環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)104~105以上循環(huán)產(chǎn)生的失效。(彈簧、傳動(dòng)軸等)低周疲勞：材料在接近或超過其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，低于104~105次循環(huán)產(chǎn)生的失效。(壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)零件等),單軸疲勞：單向循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞。多軸疲勞：多向循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞。恒幅疲勞：疲勞載荷中，所有峰值載荷均相等和所有谷值載荷均相等的載荷，承受恒幅載荷的疲勞為恒幅疲勞。變幅疲勞：疲勞載荷中，所有峰值載荷不等或所有谷值載荷不等或兩者均不等的載荷為譜

22、載荷，承受譜載荷的疲勞為變幅疲勞。隨機(jī)疲勞：疲勞載荷中峰值載荷和谷值載荷及其序列是隨機(jī)出現(xiàn)的譜載荷為隨機(jī)載荷，承受隨機(jī)載荷的疲勞為隨機(jī)疲勞。,常 規(guī) 疲 勞：在室溫、空氣介質(zhì)中的疲勞低 溫 疲 勞：低于室溫的疲勞高 溫 疲 勞：高于室溫的疲勞熱 疲 勞：溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞熱-機(jī)械疲勞：溫度循環(huán)與應(yīng)變循環(huán)疊加的疲勞腐 蝕 疲 勞：腐蝕環(huán)境與循環(huán)應(yīng)力(應(yīng)變)的復(fù)合作用所導(dǎo)致的疲勞接

23、 觸 疲 勞：滾動(dòng)接觸零件在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定的循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點(diǎn)、淺層或深層剝落的過程沖 擊 疲 勞：重復(fù)沖擊載荷所導(dǎo)致的疲勞,第三節(jié) 金屬材料疲勞斷裂過程和斷口特征,4.3.1 金屬材料疲勞斷裂的過程,疲勞破壞過程一般可分為三個(gè)階段：,疲勞裂紋的形核主要有三種方式：滑移帶開裂；夾雜物和基體晶面開裂；孿晶和晶界開裂。,（1）疲勞裂紋的形成 ——第Ⅰ階段,圖 疲勞裂紋的形成方式

24、,位置：在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移，微裂紋形成及長大而完成,晶粒取向不同 → 部分晶粒先屈服 → 高應(yīng)力集中 ↓ 與最大切應(yīng)力面相一致的滑移面的晶粒 ↓ 滑移線

25、 ↓ 滑移帶 → 擠出峰、擠入槽 ↓ 微裂紋,①滑移帶開裂,圖4

26、-15 滑移帶示意圖,②晶界處開裂 晶界就是面缺陷； 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界開裂。③相界面開裂 兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。 只有首先達(dá)到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長大。,裂紋擴(kuò)展第一階段：與拉應(yīng)力軸線成45度角。沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展；擴(kuò)展速率僅0.1μm數(shù)量級(jí)。,圖 疲勞裂紋的擴(kuò)展,

27、與拉應(yīng)力軸向垂直：晶界的阻礙作用，使擴(kuò)展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向擴(kuò)展速率μm級(jí)可以穿晶擴(kuò)展形成疲勞條紋（疲勞輝紋），一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果。,（2）疲勞裂紋的擴(kuò)展 ——第Ⅱ階段,圖 疲勞裂紋的擴(kuò)展,圖 疲勞裂紋擴(kuò)展留下形貌,未加載，裂紋閉合，其尖端處于尖銳狀態(tài)。開始加載，在切應(yīng)力下，裂紋尖端上下兩側(cè)沿45°產(chǎn)生滑移，使裂紋尖端變鈍，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到最高值時(shí)，裂紋停止擴(kuò)展。開始卸載，裂紋尖端的金屬又沿45°繼

28、續(xù)卸載，裂紋尖端處由逐漸閉合到全部閉合，裂紋銳化。每經(jīng)過一次加載循環(huán)，疲勞裂紋尖端就經(jīng)歷一次： 銳化→鈍化→再銳化的過程，并向前擴(kuò)展一段長度△a，在斷口表面遺留下一條痕跡，即看到的疲勞輝紋。綜上，亞臨界裂紋擴(kuò)展過程就是裂紋反復(fù)銳化和鈍化的過程。,疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展機(jī)理——塑性鈍化模型,（3）疲勞斷裂 ——第Ⅲ階段,在循環(huán)加載下裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，承受載荷的橫截面面積繼續(xù)減小，直到有效面積小到不能承受施加的載荷時(shí)，構(gòu)件達(dá)到最終斷裂階段。該階段

29、可為延性斷裂，多為脆性斷裂。,斷裂階段標(biāo)準(zhǔn)： 承載構(gòu)件：不能再承受工作載荷； 壓力容器：產(chǎn)生泄漏。,① 初始疲勞裂紋在應(yīng)力集中區(qū)孕育、萌生；② 裂紋亞臨界擴(kuò)展或穩(wěn)定擴(kuò)展；③ 失穩(wěn)擴(kuò)展，以至與斷裂。,4.3.2疲勞斷口的特征,斷口擁有三個(gè)形貌不同的區(qū)域：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。,隨材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)的不同，三個(gè)區(qū)的大小和位置不同,(1)宏觀斷口特征,1-裂紋源 2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 3-疲勞裂

30、紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū),疲勞源區(qū)：區(qū)域很小，發(fā)生在表面或內(nèi)部缺陷處。隨應(yīng)力狀態(tài)及其大小的不同，可有一個(gè)或幾個(gè)疲勞源。,1-裂紋源 2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū),裂紋擴(kuò)展區(qū)：貝殼狀或海灘波紋狀由于空氣及介質(zhì)的氧化或腐蝕作用；凸起部分則因擴(kuò)展過程的摩擦和擠壓作用逐漸被磨光；因而出現(xiàn)貝殼狀條紋的光滑表面，即所謂的“海灘狀”、“年輪狀”花樣。條紋推進(jìn)線一般從裂紋源開始向四周推進(jìn)，并且垂直于疲勞裂紋

31、的擴(kuò)展方向。疲勞裂紋擴(kuò)展部分的斷面較為平滑、顏色較深.,1-裂紋源 2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū),瞬斷區(qū)一般在疲勞源的對(duì)側(cè)。脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料有放射狀紋理；邊緣為剪切唇。瞬時(shí)斷裂區(qū)較為粗糙，屬于脆性斷口。,1-裂紋源 2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū),微觀斷口：在疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段內(nèi)形成 特征是：疲勞輝紋，每一條紋代表一

32、次載荷循環(huán)疲勞輝紋與貝殼條紋是一回事嗎？疲勞輝紋：是一次應(yīng)力循環(huán)中裂紋尖端塑性鈍化(△a)形成的痕跡貝殼狀條紋：是循環(huán)應(yīng)力振幅變化或載荷變化而形成的宏觀特征，相鄰的貝殼紋線之間可能有成千上萬條輝紋。有時(shí)在宏觀斷口上看不到貝殼紋，但在電鏡下仍可看到疲勞輝紋。,脆性破壞與疲勞破壞的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)：同： （1）都屬低應(yīng)力破壞； （2）破壞前結(jié)構(gòu)都沒有明顯的征兆或外觀變形，突發(fā)性強(qiáng)，令人猝不及防； （3）都對(duì)應(yīng)力集中很

33、敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或起裂于應(yīng)力集中點(diǎn)。,異：,第四節(jié) 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素,4.4.1應(yīng)力集中的影響,不合理的設(shè)計(jì)、接頭形式和焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷(未焊透、咬邊等)是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。,4.4.1.1接頭形式應(yīng)力集中：對(duì)接接頭最小疲勞強(qiáng)度：對(duì)接接頭最高,一般對(duì)接接頭：疲勞裂紋位于焊趾部位、焊縫或熱影響區(qū)墊板對(duì)接接頭：疲勞裂紋位于焊縫和墊板接合處不開坡口十字接頭：裂紋位于焊趾或焊根開坡口熔透十字

34、接頭：裂紋位于焊趾不承受工作應(yīng)力的十字和T形接頭：疲勞強(qiáng)度依賴于焊縫和受力板之間過渡應(yīng)力集中狀況，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾部位。,4.4.1.2焊趾區(qū)幾何形狀(1)焊趾過渡半徑過渡半徑增加→疲勞強(qiáng)度增加(2)過渡角過渡角增加→疲勞強(qiáng)度降低,圖4-25 過渡角?以及過渡圓弧半徑R對(duì)對(duì)接接頭疲勞強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)研究表明，在常用的線能量下低碳鋼焊縫、熱影響區(qū)和基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)接近，其近縫區(qū)金屬機(jī)械性能變化對(duì)對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度影響

35、較小。只有在非常高的線能量下焊接，熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)力集中的敏感性下降，其疲勞強(qiáng)度比基本金屬高得多。 低合金鋼的情況較為復(fù)雜，在熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的機(jī)械性能變化幅度比低碳鋼大，但在有應(yīng)力集中或無應(yīng)力集中時(shí)都對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響不大。,4.4.2近縫區(qū)金屬性能變化的影響,4.4.3 焊接殘余應(yīng)力的影響(參考疲勞圖),構(gòu)件中內(nèi)應(yīng)力σ0為正時(shí)，與載荷應(yīng)力相疊加使循環(huán)應(yīng)力提高σ0σm→σ’m(σm+σ0)

36、極限應(yīng)力幅值下降構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度降低相反，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度提高以上沒有考慮內(nèi)應(yīng)力在載荷作用下的變化,當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力σmax到達(dá)σs時(shí)，即σm+σa=σs時(shí)，內(nèi)應(yīng)力將因全面達(dá)到屈服而消除，即圖中藍(lán)色直線。即σm達(dá)到C點(diǎn)的數(shù)值時(shí)，內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度沒有影響。當(dāng)σm小于C點(diǎn)數(shù)值，則σm越小，內(nèi)應(yīng)力的影響越顯著。,熱處理消除殘余應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。R小，Kt大時(shí)，熱處理提高疲勞強(qiáng)度R大，Kt小時(shí)，熱處理降低疲勞強(qiáng)度(熱處理一方面消

37、除殘余應(yīng)力，另一方面，導(dǎo)致接頭表面氧化、脫碳及組織軟化),4.4.4外載應(yīng)力循環(huán)比R的影響,當(dāng)焊接構(gòu)件中有高值殘余應(yīng)力時(shí)，構(gòu)件疲勞強(qiáng)度與構(gòu)件承受應(yīng)力范圍有關(guān)，與R無關(guān)。對(duì)于薄板、小尺寸構(gòu)件或應(yīng)力消除構(gòu)件，疲勞強(qiáng)度增高，且與R有關(guān)。,R=0.3，消除殘余應(yīng)力有害,R=0，殘余應(yīng)力無影響,R=-1，消除殘余應(yīng)力有利,R比較低時(shí)，內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響比較大,焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。 ①缺陷形

38、狀：片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大。 ②缺陷方向：與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大。 ③缺陷位置： 表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大. 殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷比殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷影響大 應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊趾部裂紋) 比在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷影響大。,4.4.5 焊接缺陷的影響,4.4.6結(jié)構(gòu)尺寸的影響,

39、疲勞強(qiáng)度在很大程度上決定于結(jié)構(gòu)截面尺寸。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸增加時(shí)，疲勞強(qiáng)度將會(huì)降低。由于結(jié)構(gòu)尺寸增加，其缺陷也必將增加；或者是焊縫缺陷在小構(gòu)件上所引起的應(yīng)力集中要比在大構(gòu)件中小些等原因所致。 因而在考慮材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，必須注意絕對(duì)尺寸這一不良影響。,4.4.7服役溫度的影響,使用溫度上升，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度不斷下降，影響程度更為顯著不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度隨溫度的變化程度不同 例如：耐熱鋼、奧氏體不銹

40、鋼制成的焊接接頭隨溫度上升，其疲勞強(qiáng)度的下降趨勢較普通低碳鋼、低合金鋼緩慢得多。,總體把握 應(yīng)力集中是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的最主要因素——罪魁禍?zhǔn)祝?提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)從： 焊接接頭與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、完善焊接工藝、 減少焊接缺陷等方面綜合考慮。 一般可以具體采取以下措施：,第五節(jié) 提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施,(1) 降低應(yīng)力集中,

41、①采用合理的結(jié)構(gòu)形式 這可以減小應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。,4.5.1提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的途徑,凡是結(jié)構(gòu)中承受交變載荷的構(gòu)件，都應(yīng)當(dāng)盡量采用對(duì)接接頭或開坡口的T形接頭；搭接接頭或不開坡口的T形接頭，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，應(yīng)力求避免采用。,②采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭,（a） 角焊縫連接 （b） 對(duì)接焊縫連接 （c）對(duì)接焊縫連接圖4-30 復(fù)合結(jié)構(gòu)把角焊縫改為對(duì)接焊縫的實(shí)例,圖4-29

42、 焊接框架角部設(shè)計(jì)的改善A角有嚴(yán)重應(yīng)力集中的設(shè)計(jì) b) 小改進(jìn)，B角仍有嚴(yán)重的應(yīng)力集中c) 減小應(yīng)力集中，使焊縫遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)的改進(jìn)方案,對(duì)接焊縫，只有保證連接件的截面沒有突然改變的情況下傳力才是合理的。,右圖，一個(gè)設(shè)計(jì)不好的底盤框架的“垂直角”部A點(diǎn)，有不可避免要破壞的危險(xiǎn)；圖b，把一塊三角形加強(qiáng)板對(duì)焊到這個(gè)角上。 這種措施只是把破壞點(diǎn)由A點(diǎn)移至焊縫端部B點(diǎn)，因?yàn)樵谠撎幗宇^形狀突然改變，仍存

43、在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。最好改善方法：把兩翼緣之間的垂直連接改用一塊曲線過渡板，用對(duì)接焊縫與構(gòu)件拼焊在一起，圖c。,(2)采用高疲勞性能的焊接方法,真空電子束焊、線性摩擦焊、攪拌摩擦焊、TIG焊、A-TIG焊、等離子焊、激光焊等,4.5.2 工藝措施,(1) 改變焊縫的幾何外形，降低焊趾部位的應(yīng)力集中程度(2)消除接頭部位尤其是焊趾區(qū)表層焊接缺陷及顯微缺陷(3) 調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力場 ①消除接頭的應(yīng)力集中處的焊接殘余拉應(yīng)力；

44、 ②使接頭的應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；(4)使接頭部位尤其是焊趾區(qū)表層得以硬化,具體方法：整體處理：包括整體退火或拉伸法；局部處理：即采用在焊接接頭局部加熱、輾壓焊道等方法，使接頭應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力！改善材料的機(jī)械性能：表面強(qiáng)化處理(噴丸處理)特殊保護(hù)措施：塑料涂層,提高疲勞強(qiáng)度的具體方法,整體處理,整體高溫回火消除殘余應(yīng)力工藝：將整個(gè)焊接構(gòu)件加熱到一定溫度，然后保溫一段時(shí)間，再冷卻，從而消除殘余應(yīng)力。效果：

45、R小，Kt大時(shí)，整體退火消除殘余應(yīng)力可提高疲勞強(qiáng)度(前面分析過),預(yù)拉伸法工藝：在近縫區(qū)施加拉伸載荷原理：由于預(yù)先施加拉伸載荷，在焊接熱輸入作用下，焊縫附近的材料較早處于屈服狀態(tài)，使焊縫在塑性狀態(tài)下被拉伸延展，因此可抑制縱向變形，減小縱向殘余應(yīng)力。機(jī)械拉伸法：工藝：焊后對(duì)結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷原理：通過一次加載拉伸，拉應(yīng)力區(qū)在外載荷作用下產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而抵消焊接殘余拉應(yīng)力,局部處理,局部加熱法工藝：利用氣焊炬在焊縫附近特定位

46、置進(jìn)行加熱原理：實(shí)際加熱部位產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，而在實(shí)際加熱部位以外區(qū)域產(chǎn)生與之平衡的壓應(yīng)力磨削法工藝：機(jī)加工焊縫余高至平滑原理：減小焊趾部位應(yīng)力集中程度，消除熔渣缺陷,TIG熔修法工藝：使用TIG焊炬將已存在的焊縫金屬沿著焊趾重新熔化，焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm處原理：TIG焊的接頭成形好，焊趾處沒有熔渣缺陷壓延法(碾壓法)工藝：利用機(jī)械手段碾壓拉應(yīng)力部位或應(yīng)力集中高部位原理：擠壓焊縫及其附近的壓縮塑變

47、區(qū)，使壓縮塑變得以延展，擠壓后焊縫及附近拉應(yīng)力降低或產(chǎn)生壓應(yīng)力,Gunnert法工藝：直接向缺口部位進(jìn)行加熱，加熱溫度控制在能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度或直接加熱到550℃，然后進(jìn)行急劇噴淋冷卻。原理：表面層受急冷先冷卻收縮，表層下及周圍金屬冷卻較晚，后冷卻的收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。,,超聲沖擊法工藝：超聲沖擊設(shè)備利用大功率的能量推動(dòng)沖擊頭以每秒約2萬次的頻率沖擊金屬物體表面原理：高頻、高效和聚焦下的大能量使金屬表面產(chǎn)

48、生較大的壓縮塑性變形；同時(shí)超聲沖擊改變了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生有益的壓應(yīng)力；高能量沖擊下金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻，使作用區(qū)表層金屬組織發(fā)生變化，沖擊部位得以強(qiáng)化。,改善材料機(jī)械性能,錘擊法工藝：錘擊焊縫及其附近區(qū)域原理：焊趾處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力；減小應(yīng)力集中；使材料局部加工硬化噴丸法工藝：用小鋼丸噴射焊縫區(qū)原理：噴丸處即表面產(chǎn)生壓應(yīng)力；噴丸處得到局部加工硬化,特殊措施,涂層處理工藝：在構(gòu)件表面采用一定的保護(hù)涂層原理：涂層的防

49、腐蝕作用，同時(shí)涂層的存在能在一定(較小)程度上降低缺口應(yīng)力，裂紋的萌生因此而推遲。低相變點(diǎn)焊接材料法工藝：對(duì)高強(qiáng)鋼材料進(jìn)行焊接；或采用特制的低相變點(diǎn)焊接材料進(jìn)行焊接原理：①高強(qiáng)鋼材料進(jìn)行焊接時(shí)，HAZ和焊縫區(qū)在較低溫度發(fā)生馬氏體相變使得體積膨脹，從而使近縫區(qū)焊接殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度得到改善②采用低相變點(diǎn)焊接材料焊接，焊縫的近縫區(qū)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，改善接頭的疲勞強(qiáng)度,4.5.3幾種改善疲勞強(qiáng)度方法的比較,右圖，超載預(yù)拉伸方