疲劳断裂 总结.doc

第三部分 疲劳断裂疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。3-1疲劳的基本概念在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用N曲线法确定疲劳强度。一、应力疲劳和应变疲劳1、应力疲劳在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。2、应变疲劳在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。二、疲劳强度和疲劳极限1、乌勒（Whler）疲劳曲线（1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力（max）小于强度极限b时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷和所需加载次数N之间的关系（N）即为乌勒（Whler）疲劳曲线。（2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以lgN表示则为两段直线关系（3）图示（略）2、疲劳强度（条件疲劳极限）（1） 疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限即为该循环下的疲劳强度（r）（2） r =f（N） r对应max，一般N1073、疲劳极限（1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限（2）为lgN疲劳图中的水平渐近线三、应力循环特性1、应力循环中各参数及应力循环特性系数 max应力循环中最大应力值，max=m+a min应力循环中最小应力值，min=m-a m=（max+min）/2-应力循环中平均应力值 a=（max-min）/2应力循环中应力振幅 r=min/max应力循环中应力循环特性系数2、特殊循环特性(1) 对称交变载荷，r=-1，疲劳强度-1(2) 脉动载荷，r=0，疲劳强度0(3) 拉伸变载荷，0r1，疲劳强度r 图4疲劳强度和疲劳极限 图5具有不同循环特征的变动载荷拉伸变载荷min和max均为拉应力，但大小不等，00.7）。适当提高焊角尺寸可使疲劳断裂发生在母材与焊缝趾端交界处，在一定程度上提高疲劳强度；若开坡口并焊透使焊缝在焊趾处向母材平滑过渡，则其疲劳强度可明显提高。搭接接头仅有侧面焊缝的搭接接头疲劳强度最低，只达到基本金属的34。正面焊缝的焊脚为1：1、1：2、1：2(表面机加工)、1：3.8(表面机加工)的搭接接头疲劳强度分别为基本金属的40、49、51和100。采用所谓“加强”盖板的对接接头是不合理的接头形式，试验结果表明，对接接头加盖板后疲劳强度只达到原对接接头疲劳强度的一半。一般应避免用搭接接头，若必须采用搭接接头时要保证焊缝比例（1：2）并经机械加工使其过渡平滑。2、缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。缺陷形状：片状缺陷(如裂缝、未熔合、未焊透)比带圆角的缺陷(如气孔等)影响大。缺陷种类：表面缺陷比内部缺陷影响大。缺陷方向：与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大。缺陷位置：位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区内的大；位于应力集中区的缺陷(如焊趾部裂纹)的影响比在均匀应力场中同样缺陷影响大。材料影响：缺陷对缺口敏感性强的材料的疲劳强度影响比对一般缺口敏感性材料影响大，所以高强钢强度高而实际疲劳强度并没有提高很多。3、角变形和错边的影响1）余高或角变形过大使熔合线的应力集中增加,即局部应力增大2）产生附加弯矩,出现弯曲应力3）角变形或错边处的材料韧性差4、表面粗糙度三、材质纯度与塑性和韧性材质塑性和韧性影响裂纹的萌生和扩展。在实际焊接结构中，如果热影响区的尺寸不大，一般不会降低焊接接头的疲劳强度。四、残余应力的影响 am疲劳图1、 理论分析从am的疲劳图可以看出有残余拉应力（R 0）时，有：max=m+R+a当应力循环中最大应力max到达s时，残余应力因应力全面达到屈服而消除，所以当m达到一定数值(m+a=s)，即应力循环特性r0时，残余应力对疲劳强度将没有影响；当m小于此值，应力循环特性r0时，则残余拉应力会使疲劳强度降低，m越小，内应力的影响愈显著。2、 试验证明（1）光滑堆焊试件试验结果该种试件应力集中较小（KT小）试件上纵向、横向堆焊焊缝各一条，残余拉应力不同（依堆焊顺序），先纵后横x小,先横后纵则x大,在对称交变载荷下实验（r=-1），残余拉应力（R）越大则疲劳强度越低。（2）十字（对接加纵向堆焊）焊缝热处理消应力该种试件应力集中较小（KT小）在三种循环特性(r=-1、0、0.3)下分别对焊态试件和热处理去应力试件进行疲劳试验,结果平均应力低的试件(r0)热处理反而使疲劳强度降低。（3）带有纵向短筋板试件疲劳试验该种试件应力集中大（KT大）在循环特性(r=0)下对焊态试件和热处理去应力试件进行疲劳试验,结果表明热处理可明显提高疲劳强度。应力集中越严重，疲劳强度提高越明显。2、 结论焊接接头的疲劳强度试验结果表明焊接残余应力对疲劳强度的影响与应力集中情况（应力集中系数KT）、残余应力（R）性质及大小、应力循环特征系数r有关。KT越大、R越大、r越小(负数)，残余应力（R）使疲劳强度降低越严重，这时可通过热处理提高疲劳强度。若残余应力（R）为压应力或应力循环特征系数r大且应力集中系数KT小则不需要热处理消应力。3-4疲劳破坏的预防措施结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素，在结构设计中减少应力集中甚至比确定疲劳设计应力还重要。只有当焊接接头和结构设计合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度，一般可以采取下列措施：一、设计措施 1、 整体设计时注意采用合理的结构形式，分散集中载荷，减小应力集中。 关注要点：使焊缝易于施焊、焊缝间距离不能过近、避免焊缝交叉、不同厚度板对接时合理设计接头形式、有角焊缝时合理选择角（搭）接板（包括坡口）形状、尽量使焊缝远离高工作应力区、尽量使焊缝远离高应力集中区、考虑次要焊缝。2、 选择合理接头形式焊接接头疲劳断裂的危险性依次为对接接头、十字街头（开坡口焊透）、十字接头（未开坡口）、侧面搭接接头和正面搭接接头。优先采用应力集中系数小的对接接头，尽量少采用角焊缝；焊缝形状应过渡平缓，连续焊缝比断续焊缝有利。3、 减小接头局部刚度如在焊缝附近开缓和槽可减小接头局部刚度，减小开裂危险性。接头设计方案示例1：接头方案；局部刚度接头设计方案示例2：改进接头形式； 接头设计方案示例3：焊缝布置 接头设计方案示例4：接头及焊缝平滑过渡 接头设计方案示例3：注意减小接头刚性二、工艺措施1、 在工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内、外部没有缺陷；当采用角焊缝时须采取综合措施：机械加工焊缝端部，保证焊缝根部焊透。2、 用表面机械加工的方法消除焊缝及其附近的各种刻槽降低接头应力集中程度。3、 TIG电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度；4、 调整残余应力场，消除接头的应力集中处的焊接残余应力或使该处产生残余压应力均可以提高接头的疲劳强度，其方法可以分为两类：整体处理，包括整