焊接接头和结构的疲劳强度

1、焊接结构讲义第6章 焊接接头和结构的疲劳强度-12 -第6章焊接接头和结构的疲劳强度§ 6-1 概述 定义结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后 仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。疲劳断裂金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构约占结构的 90%例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，断裂时飞机已起落 2118次。再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，开裂时该车运行3万公里。可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的， 也就是说疲劳

2、断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使 我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的， 那么它们之间有什么相同点和不同点呢？二、疲劳和脆断的比较疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同呢？相同点不同点疲劳脆断低应力作用下破坏加载次数多次少次断裂时变形很小裂纹扩展速率慢快断裂都具有突然性，危害大温度影响小大影响断裂的因素大部分相同断口疲劳辉纹结晶状三、疲劳的类型根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属 的疲劳分为2类：一类为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的，也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；另一类为低周疲劳，它是在应

3、力高，工作应力近于或高于材料的屈服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102105次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。1、高速疲劳（应力疲劳）： 载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展 速率小。2、低周疲劳（应变疲劳）： 应力高，频率低，裂纹扩展速率大。焊接结构的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。§ 6-2 疲劳限的常用表示方法 一变动载荷（掌握0max、omix、om、r概念）金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要 首先了解变动载荷的性质。变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性 变化（或无规则变化）的一类载荷。变动载荷的变化是如此的

4、不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除 了无规则的变动载荷外，变动载荷的特性可用下列几个参量表示：仃 max : 应力循环内的最大应力min ：应力循环内的最小应力下面介绍几种典型的具有特殊 循环特性的变动载荷：国84疲劳试验中的载荷参数二 m = （ : max + 二 min ）12 :平均应力 aa = （ ° max- ° min ） /2 :应力幅值 r =二 mix /二 max :应力循环特征系数, r的变化范围是oo+l1、对称交变载荷应力波形如图，由图可见：这种变动载荷的仃min = 二 max应力循环特征系数r = 1。o'max、bmin、平均应

5、力 m = 0 ,应力幅值 a =二max2、脉动载荷应力波形如图，由图可见：仃min =0 r = 0； 仃max、仃min ;平均应力；：,m与应力幅值相等，都等于- max /2 m = ra =0 max /23、拉伸变载荷crmax> min均为拉应力，但大小不等，0 < r < 1由图可见：crmax、amin、cm、 aa 由上面几个波形图中我们可以看出这 样一个关系，即：仃max =仃m +仃a ；图5-9具有不同循环梏征的交 动载荷仃min =仃m 仃a因此我们可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力，也就是 静载恒定部分和应力幅值即交变应力部分的组合。二

6、、疲劳强度和疲劳极限1、疲劳曲线（疲劳强度和疲劳极限）在金属构件的实际应用中，如果载荷的数值和方向变化频繁时，即 使载荷的数值比静载强度小得多，甚至比材料的屈服强度小的多构件仍 可能破坏，破坏前载荷的循环次数与变动载荷的大小和特性是有关系的，N和仃及r有关，这个关系通常用疲劳曲线来描述。多年来，人们对疲劳的研究发现，金属承受的最大交变应力0max越大,髓阡欢芭入则断裂时应力交变的次数N越少，即：仃max T N J ,反之 mmax J N T , 对试样用不同载荷进行反复多次加载试 验，即可测得在不同载荷下使试样破坏所需 要的加载循环次数 N,将破坏应力与加载循 环次数N之间的关系绘成曲线就

7、叫疲劳曲 线。如图：该曲线的意义是：构件在变动载荷着用下所能承受的最大应力循环 次数，或：与各循环次数相对应的不破坏的最大应力。疲劳曲线随着应力循环次数 N的增大而降低，当N很大时曲线趋于 水平。曲线上对应于某一应力循环次数 N的不破坏的最大应力为该循环 次数下的疲劳强度；曲线的水平渐近线为疲劳极限。 、/、4、1、广 注息：疲劳强度是与循环次数N相关的破坏应力；疲劳极限是与循环次数 N无关的，也就是说构件经无限多次应力循 环而不破坏的最大应力。通常在构件的疲劳设计中，出于减轻重量及经济性考虑，并不把构 件设计成永不破坏的，而是根据使用年限得出循环次数N,再根据循环次数N和疲劳强度来设计构件。

8、但是有些构件如：核电站，一经使用中途是不能停下来更换零部件 的，这时就因根据永不破坏的原则，按疲劳极限来设计。疲劳极限与疲 劳强度的区别就在于疲劳强度是进行有限寿命设计时使用的，而疲劳极 限是进行无限寿命设计时使用的。阳曲号英型能处曲履行 期接材科 b）都看一卷材科邺牛告合等1由于疲劳断裂时的循环周次很多，所以疲劳曲线的 横坐标通常取对数坐标，如 右图：不同材料的疲劳曲线形状不同，大致可分为 2 类，一类是具有应变时效现象的合金，如常温下的钢铁材料，其疲劳曲线就是我们上面所讲的，曲 线上有明显的水平部分，疲劳极限有明显的物理意义，即：无限多应力 循环不破坏的最大应力。而对于没有应变时效现象的金

9、属合金，如部分有色金属合金，在高 温下或腐蚀介质中工作的钢，它们的疲劳曲线上没有水平部分，如右图： 这时就规定某一 No值所对应的应力作为“条件疲劳极限”或“有限疲劳 极限”，No称为循环基数，对于实际构件来讲，No值是根据构件的工作条件和使用寿命来定的。2、疲劳图上面讲的疲劳曲线是对应于某一应力循环特征系数 r测定的，当改 变时，曲线上各数值的大小也将改变。实验发现在最大应力相同的情况下，应力循环的不对称度越大，即 平均应力越高（rT、仃mT）,金属断裂前所能承受的应力循环次数越多。 即：amax相叵I日寸，DmTNT ,这是因为0' m T使得仃a J这是因为材料的疲劳损伤（不均匀

10、滑移）是由交变应力长期作用形 成的，应力循环不对称度越大也就是r越大，就表示应力交变幅度占最大 应力的比例越小，疲劳损伤就小，因此达到断裂时的应力循环次数就多。 疲劳寿命就长。可见材料的疲劳强度与应力循环特征系数 r、平均应力仃m都有关系, 但是我们怎样表示这个关系呢？表示这个关系的最常用的方法就是疲劳 图，从疲劳图中我们可以得出各种循环特性下的疲劳强度，疲劳图常用 的主要有以下几种：（1）用。max与r表示的疲劳图它直接反映Qmax与r关系，可以明确的看/出r上升，疲劳强度也上升，疲劳强度用 仃rF表示，角标r表示0 r是对应于该应力特征循T ' ° 旬一环系数下的疲劳强度

11、。用"，F . 1. I.的从图中我们可以看出：对称交变载荷下的疲劳强度仃-1、脉动循环下的疲劳强度仃°。当r=1时是静载强度。(2)用仃max与口 m表示的疲劳图(已知r如何求果)此图以。max和。mix为纵坐标，m为横坐标，过原点作一直线与坐标 轴成45度角，再将震幅的数值对称地绘再该斜线的的上下两侧，则该斜 线及上下线所表示的应力为平均应力及在其上叠加的对称交变应力。当仃m =0时，表示对称应力循环，故纵轴上 ON表示仃-1； 线段O / N/表示脉动循环时的疲劳强度 仃0 ;当仃m =a b时，相当于静拉伸强度, 故仃a = 0 。该疲劳图告诉我们，在不同的 平均应

12、力%下，材料所能承受的 最大交变应力仃max及应力幅值仃a, 它直接表示的是疲劳强度二与平 均应力：m的关系，也就是说已知 平均应力仃m,就可以从该图上求得 二r。这时材料已不能再承受交变应力,图89用和表示的疲劳图用作图法，自0点作一与水平线成口角的直线，角根据下式确定:tg 二二 2 二max 二 J max-0-1mmax mix但是如果我们知道 r怎样求 二r,也就是说怎样从该图上求某种 循环系数r下的疲劳强度呢？可武汉理工大学金属成型加工系姜剑宁2019/3/12第-18 -页该直线与图形上部曲线的交点的纵坐标就是该r下的疲劳强度。,(3)用仃a与。m表示的疲劳图(已知 r如何求仃r

13、)图用".和。吊表示的疲劳图图中横坐标为平均应力m m, 纵坐标为应力幅值仃a,曲线上各 点的疲劳强度% =。m +。a ,使用 时只要知道平均应力 二m查出对 应的应力幅值仃a,或已知应力幅 值仃a,查出对应的平均应力am, 把它们的纵横坐标加起来就是疲 劳强度。r。曲线与纵轴交点A的纵坐标 就是对称循环的疲劳强度仃-1,曲线与横轴交点B的横坐标就是静载强度仃b,此时仃a = 0、r = 1。若仅仅已知循环特征系数r,怎样求疲劳强度呢？仍然用作图法，自 。点作一与水平轴成口角的直线与曲线相交，并使口角满足下式：1 一二 mix二 atg 二二m_ - max - - mix _-

14、max _ 1 - rmax 1 mix , 、- mix1 ' r二 max则交点的纵横坐标之和仃m +仃a =。.，即为循环系数为r时的疲劳强度 二r。例如：求脉动循环r=0的疲劳强度，把r=0代入上式，得tg% = 1、 % =450 ,所以过原点作一条45°的射线，与曲线相交，交点的纵横坐标 之和就是脉动循环的疲劳强度。(4)用仃max与仃mix表示的疲劳图(已知 r如何求。r)图中纵坐标表示循环中的最大应力 仃max,横坐标表示最小应力仃mix 由原点发出的每一条射线代表一种循环特性，因为这些射线的斜率的倒数就是应力循环特征系数r （=仃mix 例如：由原点向左与横

15、轴倾斜45°的直线，其斜率的倒数为负1, 即r=-1 ,所以它表示交变载荷， 它与曲线交点B的纵坐标BB即为 交变载荷的疲劳强度仃-1。向右与横轴倾斜45°的直线，其斜率的倒数为1,即r=1 ,所以 它表示静载情况，它与曲线交于D 点，则DD即为静载强度。纵轴本身又表示脉动载荷 r=0 , CC即为仃0。§ 5-3 疲劳断裂过程和断口特征一、裂纹核心的形成二、疲劳裂纹的扩展三、断口特征§ 5-4 焊接接头的疲劳强度计算（教材162页）§ 5-5 断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用一、疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率：da/dn=f （。、a、C）P

16、aris公式、Morman公式、华格公式 门槛值 Kth :疲劳裂纹不扩展的临界值。二、疲劳寿命估计（了解）§ 5-6影响焊接接头疲劳强度的因素影响基本金属疲劳强度的因素同样对焊接结构的疲劳强度有影响， 此外焊接结构本身的一些特点也会对结构的疲劳强度产生影响，下面我 们分别探讨一下。一、应力集中的影响（对接接头，十字接头，搭接接头）应力集中的大小不同、产生原因不同对疲劳强度的影响程度也不同对接焊缝：对接焊缝由于形状变化不大，应力集中 比其它接头形式要小，虽然如此，但要注意:加厚高上升，疲劳强度下降。r ；焊缝向母材的过渡角上升，疲劳强度下降 。r；过渡圆弧半径上升，疲劳强度上升仃r

17、T机械加工焊缝表面， 应力集中下降，疲劳强度上升 仃rT。但无封底焊或有严重缺陷的机械加工无意义。十字接头：十字接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力 集中要比对接接头大，因此疲劳强度远低于对接接头，增大焊角只能有限的提高疲劳强度 仃r f合金钢对应力集中敏感，所以采用合金钢对提高疲劳强度没有优越 性。十字接头提高疲劳强度的措施：1）开坡口焊接；2）加工焊缝过渡区，使之圆滑过渡。搭接接头搭接接头的疲劳强度是很低的，实验表明：侧面焊缝，c-r最低，34%正面焊缝，焊角1: 1 , j略有提高。40%正面焊缝，焊角1: 2,r 1： 1 ,效果不大。 49%机械加工，效果也不显著，

18、57%正面焊缝，焊角1:3.8盖板加厚一倍，并机械加工，。r最高，100% 这时已失去搭接接头简单易行的特点。加盖板的对接接头极不合理，盖板帮倒忙。49%100%图6-W低碳钢搭接接头的疲劳强度对比二、近缝区金属性能变化的影响低碳钢近缝区性能变化对疲劳强度影响较小，低合金钢近缝区性能 变化对疲劳强度影响不大，对高强钢若用高组配接头，则无影响；若用低组配接头，则取决于夹层厚度。当h/d>0.75时接头的疲劳强度取决与软层的，比母材低；当h/d<0.75时接头的疲劳强度仃.随比值h/d的减小而提高。三、残余应力的影响对没有内应力的结构施加一个变动载荷，那么这个载荷在构件内部 产生的应力

19、波形图是这样的：图 6-38 a 。密6-3«用接那为对应力循环的期响如果这个结构内部预先有一个拉伸应力的话，那么这个变动载荷产 生的应力波形就必须叠加在这个正的内应力之上，构件内部的应力波形 图将变为这样的，图6-38 b 。最大应力和平均应力都有所上升，这个变 化将对结构的疲劳强度产生什么影响呢?表示的疲劳图来分析这一变化,让我们通过仃m和仃图中曲线ACB表示不同平均 应力时的极限应力振幅。a,当构件 中应力振幅大于极限幅值时，将发 生疲劳破坏，小于极限幅值则是安 全的。当结构没有内应力时，它承受 载荷的平均应力为仃m,与此对应 的极限应力幅值为二a。当结构中存在正的内应力时，

20、它和外载荷叠加，使结构的平均应 力提高到。ml,这时从疲劳图中可 以看出，起极限应力幅值二a降低 了，构件的疲劳强度也随之降低。当结构中存在负的内应力时，它将使整个应力循环降低，平均应力 也降到仃m2 ,在疲劳图上其对应的极限应力幅值将增加到 仃a2 ,构件的 疲劳强度也随之提高。在上述分析中没有考虑内应力在载荷作用下的变化，实际上当应力循环中的最大应力。max达到。s时，亦即仃m与a a之和达到。s时，内应力将因全面屈服而消除，为了考虑这一因素，在 仃m和仃a表示的疲劳图 中作出仃m +仃a =仃s的轨迹线，也就是与两个坐标的截距都是 仃s的直 线，该直线与极限应力幅值二- a曲线相交于C点

21、，在此直线之上，所有点 的仃m与a a之和均达到仃s ,因此，当外加变动载荷的平均应力大于等于 C点所对应的数值时，那么该变动载荷的最大应力。max =。m +仃a必然大 于等于材料的 圻s ,这时内应力将全面消除。所以平均应力大于C点的变动载荷，在最初的几次循环中就将消除 残余应力，因此在这种情况下，内应力对结构的疲劳强度没有影响。当平均应力小于C点数值时，仃m越小则加卸载过程中残余应力消除 的也就越少，所以内应力的影响也就越显著。最后的结论是拉伸残余应力降低疲劳强度；压缩残余应力提高疲劳 强度；变动载荷的仃m大于C点应力时残余应力对结构的疲劳强度没有影 响。小于C点数值时，圻m越小，内应力

22、的影响也就越显著。以上是内应力影响。的理论分析，下面再用几个具体的试验数据来 高，残余应力大的，二低。说明焊接残余应力对仃r的影响。 用2组焊接试件做疲劳试验；A组：先焊纵缝，后焊横缝，B组： 先焊横缝，后焊纵缝， 实验结果见图6-39, A组的二-r残余应力小 仃r高残余应力大仃r低>B组的仃r,可见残余应力小的，仃r利用不同坤核次序满整试嶂瑞展应力的侦劳骄度对比出题结果该实验由于没有采用热处理消除内应力，排除了热处理对材料性能 的影响，比较明确的说明了内应力的作用。四、焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度有很大的影响，影响程度与缺陷的种类，尺寸, 方向，所在位置有关。片状缺陷比圆角的影响

23、大；表面缺陷比内部的影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；拉应力场中的缺陷比压应力场中的影响大；应力集中区的缺陷比均匀应力场中的影响大。§ 5-7提高接头疲劳强度的措施 一、降低应力集中1、采用合理的结构形式，减少应力集中(图6-46)(1)避免三向交叉焊缝(2)焊缝离开受力最大的位置(3)不用单边角焊缝(4)尽量减少刚度(5)尖角改圆角(6)不用加盖板对接(7)采用中间夹板用间断焊和塞焊代替连续焊2、尽量采用对接接头(1)采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝(图 6-47,图6-48);(2)注意：对接焊缝只有在截面没有突然改变的情况下传力才是合 理的。不合理的对接焊缝实例，(图6-49)推停力求津曼(3)机械打磨焊缝过渡区是可采用的方法，但应顺着力线的方向, 垂直力