第五章焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度

1、第五章 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 51 研究本問題的意義疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要型式。大量統(tǒng)計(jì)資料表明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90。這種結(jié)構(gòu)的斷裂形式與脆性斷裂是不一樣的。 一、疲勞與脆性斷裂相比較：（1）二者斷裂時(shí)的形變都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需多次加載；（2）結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢的，有時(shí)需要長達(dá)數(shù)年時(shí)間；（3）對于脆斷來說，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆斷的危險(xiǎn)性迅速增 加，但疲勞強(qiáng)度卻不是這樣；（4）疲勞斷裂和脆性斷裂相比較還有不同的斷口特征等。 疲勞一般從應(yīng)力集中處開始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞又往往是從焊接接

2、頭處產(chǎn)生。二、疲勞斷裂的實(shí)例：1、圖5l為直升飛機(jī)起落架的疲勞斷裂圖。裂紋是從應(yīng)力集中很高的角接板尖端開始的。該機(jī)飛行著陸2，l18次后發(fā)生破壞，屬于低周疲勞。2、圖52為載重汽車底架縱梁的疲勞斷裂。該梁板厚5毫米，承受反復(fù)的彎曲應(yīng)力。在角鋼和縱梁的焊接處，因應(yīng)力集中很高而產(chǎn)生裂紋。該車破壞時(shí)已運(yùn)行30000公里。 3、圖53表示空氣壓縮機(jī)法蘭盤和管道連接處，因采用應(yīng)力集中系數(shù)很高的角焊縫而導(dǎo)致的疲勞斷裂。改為應(yīng)力集中較小的對接焊縫后，疲勞事故大大減少了。 4、圖54為400噸水壓機(jī)疲勞斷裂事例。很明顯，疲勞裂紋是從設(shè)計(jì)不良的焊接接頭的應(yīng)力集中點(diǎn)產(chǎn)生的。 從上述幾個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂事故中，可

3、以清楚地看到焊接接頭的重要影響。因此采用合理的接頭設(shè)計(jì)，提高焊縫質(zhì)量，消除焊接缺陷是防止和減少結(jié)構(gòu)疲勞事故的重要方面。 應(yīng)當(dāng)指出，近年來，雖然在這方面的研究已經(jīng)取得了很大的成績，但是焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故，仍然不斷發(fā)生，而且隨著焊接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用有所增加。 由于結(jié)構(gòu)的工作參數(shù)不斷提高，采用高強(qiáng)鋼的結(jié)構(gòu)日益增多。高強(qiáng)鋼對應(yīng)力集中的敏感性比低碳鋼高，如果處理不當(dāng)，高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度反而會低于低碳鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。隨著新材料工藝的不斷出現(xiàn)將會提出許多疲勞強(qiáng)度的新問題，需要研究解決。52 疲勞斷裂的過程和斷口特征 一、疲勞斷裂的過程：1、在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋：當(dāng)然在這三個(gè)階段之間是沒有嚴(yán)格

4、界限的。例如疲勞裂紋“產(chǎn)生”的定義就帶有一定的隨意性。這主要是因?yàn)椴捎玫牧鸭y檢測技術(shù)不一而引起的。（1）從研究疲勞機(jī)理出發(fā)，有人采用電子顯微鏡，把裂紋長大到1000埃之前定義為裂紋產(chǎn)生階段。（2）從工程實(shí)用角度出發(fā)，則一般又以低倍顯微鏡(10)看到之前為裂紋產(chǎn)生階段。2、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展3、斷裂: 一般根據(jù)結(jié)構(gòu)的型式而定。(1)同對于承力構(gòu)件，可以定義為扣除裂紋面積的凈截面已不能再承受所施應(yīng)力時(shí)為斷裂階段。(2)對于壓力容器則把出現(xiàn)泄漏時(shí)定為斷裂階段的開始等。二、焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的特殊性：在焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋一般要比其它聯(lián)接型式的循環(huán)次數(shù)少。這是因?yàn)楹附咏宇^中不僅有應(yīng)力集中(如角焊縫的焊趾處

5、)，而且這些部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷，殘余焊接應(yīng)力也比較高。例如焊趾處往往存在有微小非金屬夾渣物，而疲勞裂紋也正是起源于這些缺陷處。對接焊縫和角焊縫的根部，也能觀察到夾渣物、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因?yàn)橛羞@些缺陷存在，使焊接接頭的疲勞裂紋產(chǎn)生階段往往只占整個(gè)疲勞過程中的一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間，主要的時(shí)間是屬于裂紋擴(kuò)展。 三|疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理的解釋模型：其中著名的有拉埃特（Laird）和斯密司 (smitL) 模型。 拉埃特和斯密司模型如圖56所示。由圖可見，每經(jīng)過一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化一鈍化一再銳化的過程，裂紋擴(kuò)展一段距離，斷口表面上就產(chǎn)生一道裂紋。這種機(jī)械模型可以有效的解釋裂紋的

6、擴(kuò)展情況。這樣我們便可以在某裂紋長度和應(yīng)力下對裂紋尖端進(jìn)行應(yīng)力分析，把裂紋力學(xué)的有關(guān)理論應(yīng)用到疲勞裂紋的擴(kuò)展上去。 裂紋在循環(huán)載荷作用下，不斷向前擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展至一定程度，結(jié)構(gòu)即進(jìn)入最后斷裂階段。四、疲勞斷裂的過程和斷口特征在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，顯微斷口分析表明，在均勻的循環(huán)應(yīng)力作用下，只要應(yīng)力值足夠大，一般每一次應(yīng)力循環(huán)將在斷裂表面產(chǎn)生一道裂紋(圖55)。對斷裂表面進(jìn)行細(xì)致的宏觀檢查可以看到，從裂紋開始點(diǎn)向四周輻射出類似貝殼紋的疲勞紋。圖5-7 為從焊趾裂紋開始的疲勞紋。由圖可以看出疲勞裂紋從焊趾向外輻射而貫穿板厚，最后造成構(gòu)件斷裂。 53 在焊接結(jié)構(gòu)中疲勞限的常用表示法 一 、基本概念 （一

7、） 疲勞強(qiáng)度和疲勞極限 在金屬構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用中，如果載荷的數(shù)值和方向變化頻繁時(shí)，即使載荷的數(shù)值比靜載荷強(qiáng)度極限b小的多，甚至比材料的屈服極限s小的多，構(gòu)件仍然可能破壞。對試樣用不同載荷進(jìn)行多次反復(fù)加載試驗(yàn)，即可以測的在不同載荷下使試樣破壞所需要的加載循環(huán)次數(shù)N。將破壞應(yīng)力與N繪成如圖58所示的曲線，即為烏勒疲勞曲線。這條疲勞曲線隨著循環(huán)次數(shù)N的增大而降低，當(dāng)N很大時(shí)曲線趨于水平。疲勞強(qiáng)度：曲線上對應(yīng)于某一循環(huán)次數(shù)N的破壞應(yīng)力即為該循環(huán)數(shù)下的疲勞強(qiáng)度。疲勞極限：曲線的水平漸近線即為疲勞極限。 如果把圖58 a中的橫坐標(biāo)改為載荷循環(huán)數(shù)的對數(shù)In N，則金屬破壞應(yīng)力與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系曲線f(N) 可

8、用兩條直線表示，如圖58 b所示，水平線代表疲勞極限的數(shù)值。(二)應(yīng)力循環(huán)特性疲勞強(qiáng)度的數(shù)值與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)，應(yīng)力循環(huán)特性主要用下列參量表示： max 應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力， min應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最小應(yīng)力； 平均應(yīng)力 應(yīng)力振幅 應(yīng)力循環(huán)特性 r也可用 表示，其變化范圍為 -1 +1。 很容易看出maxm十a(chǎn) 和minm一a。因此可以把任何變動載荷看作是某個(gè)不變的平均應(yīng)力(靜載一恒定應(yīng)力部分)和應(yīng)力振幅(交變應(yīng)力部分)的組合。 二、 疲勞強(qiáng)度的常用表示法 （一）具有特殊循環(huán)特性的變動載荷1、對稱交變載荷，min -max 而r-1(圖5-9a)，其疲勞強(qiáng)度用-1表示； 2、脈動載荷min 0 而

9、r = 0 (圖5-9b)，其疲勞強(qiáng)度用0表示； 3、拉伸變載荷，max 和min 均為拉應(yīng)力，但大小不等，0r1（圖5-9c），其疲勞強(qiáng)度用r 表示，腳標(biāo)r用相應(yīng)的特征系數(shù)表示，如0.3 （二）疲勞圖：1、用max 和r表示的疲勞圖 如圖510所示。它能直接的將max與r的關(guān)系表示出來。 2、用max和m表示的疲勞圖 如511 所示。圖中橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力m，縱坐標(biāo)表示max和min的數(shù)值 。在與水平線成45度角的方向內(nèi)繪一虛線，將振幅的數(shù)值 a對稱的繪在斜線的兩側(cè)。兩曲線相交于C點(diǎn)，此點(diǎn)表示循環(huán)振幅為零,其疲勞強(qiáng)度與靜載強(qiáng)度b相當(dāng).線段ON表示對稱循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度，此時(shí)m等于零。線段 表示

10、脈動循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度。在該疲勞圖上可以用作圖法求出任何一種循環(huán)特性系數(shù)( r )下的疲勞強(qiáng)度,自O(shè)點(diǎn)作一與水平線成角的直線,使 則直線與圖形上部曲線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是該循環(huán)特性下的疲勞強(qiáng)度r。 3、用a和m表示的疲勞圖 如圖512所示.橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)m,縱坐標(biāo)為應(yīng)力振幅a,曲線上各點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度ra+m 。曲線與縱坐標(biāo)交點(diǎn)A即為對稱循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度-1 ; 曲線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)B即為靜載強(qiáng)度b , 此時(shí), a0， r1 ;從0點(diǎn)作45度射線與曲線的交點(diǎn)C表示脈動循環(huán)，其疲勞強(qiáng)度0a十m=2a2m。若自0點(diǎn)作一與水平軸成角的射線與曲線相交，并使 則交點(diǎn)的a+m即為循環(huán)特征系數(shù)為r時(shí)的疲勞強(qiáng)度。 4、

11、用max和min表示的疲勞圖 如圖513所示。圖中縱坐標(biāo)表示循環(huán)中的最大應(yīng)力max ,而橫坐標(biāo)表示循環(huán)中的最小應(yīng)力min,由原點(diǎn)出發(fā)的每條射線代表一種循環(huán)特性。例如由原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)傾斜45度的直線表示 ，交變載荷，r，它與曲線交于B點(diǎn)，即為-1，向右與橫坐標(biāo)傾斜45度的直線表示靜載r1，它與曲線交于D點(diǎn)，即為靜載強(qiáng)度b。而縱坐標(biāo)本身又表示脈動載荷r0， 即為0等等。 圖514為一組實(shí)例。該鋼種的靜載強(qiáng)度為60 kgfmm 2(588N A點(diǎn))，200萬次脈動循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為31kgfmm2(304Nmm2 B點(diǎn))。而其交變載荷r一1的疲勞強(qiáng)度為20 kgfmm2(196 kgfmm2 C點(diǎn))

12、。對于r=0.5的疲勞強(qiáng)度，根據(jù)ADBC線的交點(diǎn)即可找出為42kgfmm2等。同樣在該圖上也可找出n100萬次的各種循環(huán)特性的疲勞強(qiáng)度值。54 焊接接頭的疲勞強(qiáng)度計(jì) 疲勞強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)包括焊接接頭在內(nèi)的典型連接的疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式，均是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用max和min表示的疲勞圖推導(dǎo)出來的。 我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范TJ1774 (試行) 規(guī)定，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度時(shí)，基本金屬和連接的疲勞許用應(yīng)力按下列公式確定 ： 絕對值最大的應(yīng)力為拉力時(shí)， 絕對值最大的應(yīng)力為壓力時(shí)， r0時(shí)基本金屬和連接的疲勞許用應(yīng)力，按表51采用； k系數(shù)，按表51采用； r構(gòu)件的應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)，等于絕對值最小和最大的應(yīng)力之比

13、 （拉應(yīng)力取正號，壓應(yīng)力取負(fù)號)。 我國起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)采用的疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范TJ1774(試行)相似，但 和 k 值略有出入。55 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素 影響基本金屬疲勞強(qiáng)度的因素(例如應(yīng)力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況、介質(zhì)等)同樣對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有影響。除此以外焊接結(jié)構(gòu)本身的一些特點(diǎn)，例如接頭部位近縫區(qū)性能的改變，焊接殘余應(yīng)力等也可能對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度發(fā)生影響。弄清這些因素的具體影響，對提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是有益的。下面分別探討這些因素的影響情況。一、應(yīng)力集中的影響 焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，它們對接頭的疲勞強(qiáng)度發(fā)生程度不同的不利影響。 1

14、、對接焊縫：應(yīng)力集中比其它形式接頭要小，但余高和-應(yīng)力集中-接頭的疲勞強(qiáng)度。若對焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減小，對接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高。 2、丁字和十字接頭：應(yīng)力集中系數(shù)對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)。因此丁字和十字接頭的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對接接頭。 （1）提高丁字和十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡（2）丁字形接頭和經(jīng)過機(jī)械加工的接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度：而十字接頭和未經(jīng)加工的接頭的疲勞強(qiáng)度較低。這是因?yàn)椴粚ΨQ的丁字接頭上有一個(gè)偏心力矩降低了過渡區(qū)的應(yīng)力，它的應(yīng)力集中比對稱的十字接頭低。3、僅有側(cè)面焊縫的搭接接頭，其疲勞強(qiáng)度最低（只達(dá)到基本金屬的34）

15、4、采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對接接頭是極不合理的：試驗(yàn)結(jié)果表明，在這種情況下，疲勞強(qiáng)度較高的對接接頭被大大地削弱了(圖527f)。 二、近縫區(qū)金屬性能變化的影響 1、低碳鋼和低合金鋼的近縫區(qū)金屬機(jī)械性能的變化對接頭的疲勞強(qiáng)度影響較小。2、高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，近縫區(qū)金屬性能變化的影響取決于接頭的匹配性：（1）對于高組配即軟夾硬的焊接接頭，力學(xué)性能不均勻性對于接頭的疲勞強(qiáng)度基本上沒有影響，此時(shí)接頭的疲勞強(qiáng)度取決于較軟的基本金屬。（2）對于高組配硬夾軟接頭中的軟夾層中有嚴(yán)重的應(yīng)力集中因素時(shí)，此時(shí)接頭的疲勞強(qiáng)度大大降低，其數(shù)值取決于這個(gè)軟區(qū)本身的力學(xué)性能。三、殘余應(yīng)力的影響 焊接殘余應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響

16、是人們廣泛關(guān)心的問題。對于這個(gè)問題人們進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)往往采用有焊接應(yīng)力的試樣與經(jīng)過熱處理消除內(nèi)應(yīng)力后的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)作對比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能的變化，而熱處理在消除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或部分恢復(fù)了材料的性能。因此，對于試驗(yàn)的結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋；對內(nèi)應(yīng)力的影響也有了不同的評價(jià)。 消除內(nèi)應(yīng)力后的試樣疲勞強(qiáng)度均高于末熱處理的，內(nèi)應(yīng)力的影響在應(yīng)力集中較高對更大。 四、缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。1、 片狀缺陷(如裂紋、未熔合、末焊透)的影響帶圓角的缺陷(如氣孔等)影響；2、 表面缺陷的影響內(nèi)部缺陷；3

17、、 與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響其它方向的影響；4、 位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷的影響殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響；5、 位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)的影響在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷影響。56 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施 綜上所述可以看出，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要原因，只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，焊接工藝完善，焊接金屬質(zhì)量良好時(shí)，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有較高的疲勞強(qiáng)度。提高焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，一般可以采取下列措施：一、降低應(yīng)力集中(一)采用合理的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中，以提高疲勞強(qiáng)度。圖541為各組元件設(shè)計(jì)的正誤對比。(二)盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接

18、頭。如對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)小，因而疲勞強(qiáng)度高，應(yīng)當(dāng)盡量選用。圖542、543是采用復(fù)合結(jié)構(gòu)把角焊縫改為對接焊縫的實(shí)例。 1、在對接焊縫中，應(yīng)當(dāng)保證基本金屬與焊縫之間平緩過渡。機(jī)械打磨過渡區(qū):注意打磨方法應(yīng)是順著力線傳遞方向，而垂直力線方向打磨往往取得相反的效果。 2、在對接焊縫中還應(yīng)當(dāng)指出的是，只有保證聯(lián)接件的截面沒有突然改變的情況下傳力才是合理的。圖544是一些不合理對接焊縫的實(shí)例，由于接頭形狀的突然改變，端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，較易在焊縫端部產(chǎn)生疲勞裂紋。 3、對接焊縫雖然一般具有較高的疲勞強(qiáng)度，但如果焊縫質(zhì)量不高其中存有嚴(yán)重的缺陷，則疲勞強(qiáng)度值將下降很多，甚至低于搭接焊縫。這也是應(yīng)當(dāng)引起注意的。 (三)當(dāng)采用角焊縫時(shí)(有的不可避免)須采取綜合措施(機(jī)械加工焊縫端部，合理選擇角接板形狀，焊縫根部保證熔透等)來提高接頭的疲勞強(qiáng)度，采取這些措施可以降低應(yīng)力集中并消除殘余應(yīng)力的不利影響。 (四)在某些情況下，可以通過開緩和槽使力線繞開焊縫的應(yīng)力集中處來提高接頭的疲勞強(qiáng)度。圖55就是用開緩和槽方法提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)例。 (五)用表面機(jī)械加工的方法，消除焊縫及其附近的各種刻槽，可以降低構(gòu)件