焊接结构学第六章

1、 第6章 焊接接头和结构的疲劳强度6.1 材料及结构疲劳失效的特征 材料在变动载荷作用下，会产生微观的和宏观的塑性变形，这种塑性变形会降低材料的继续承载能力并引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后将导致断裂，这一过程称为疲劳。简单说，疲劳即是裂纹的萌生与扩展过程。以应力循环次数计，裂纹的稳定扩展阶段是总寿命的主要部分。疲劳断裂是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，约占失效结构的90%。 工程实际中的疲劳有多种表现形式，其中包括完全由变动外载荷引起的机械疲劳，表面间滚动接触与交变应力共同作用下的接触疲劳，在高温和交变应力作用下的蠕变疲劳，以及温度变化引起的热疲劳等。

2、本章只讨论具有典型和普遍意义的材料、焊接接头和结构的机械疲劳情况。材料及结构疲劳失效第一个特征表现为：疲劳断裂形式与脆性断裂形式有明显差别。疲劳与脆性断裂相比较，虽然二者断裂时的形变都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需多次加载，结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外对于脆性断裂来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆性断裂的危险性迅速增加，但疲劳强度却木是这样。疲劳断裂和脆性断裂相比还有不同的断口特征等。 材料及结构疲劳失效第二个特征表现为：疲劳强度难以准确定量确定。疲劳过程受相互联系的诸多因素影响，往往在同一组试验中或同一问题的不同试验

3、之间均存在试验结果（强度数值）分散问题，因而难以准确定量预测。工程实践中的工作疲劳强度预测，如果仅基于一般的技术资料和理论知识而不直接进行实际工作条件下的疲劳强度试验，那么这种预测的可靠性只能作为表征设计、制造和使用等工作是否恰当的一种指标。 材料及结构疲劳失效第三个特征表现为：疲劳破坏一般从表面和应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。 图6-1 图6-3是焊接结构产生的一些疲劳破坏事例。图6-1为直升飞机起落架的疲劳断裂图。裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始的。该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低周疲劳。图6-2为载货汽车底架纵梁疲劳断裂。该梁板厚5mm，承受反复的

4、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。该车破坏时已运行30000km。图6-3表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝而导致的疲劳断裂。改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳事故大大减少。从上述几个焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清楚地看到焊缝接头的重要影响。因此，采用合理的接头设计、提高焊缝质量、消除焊接缺陷是防止和减少结构疲劳事故的重要方面。 近年来，虽然在这方面的研究已经取得很大成绩，但是焊接结构疲劳断裂事故仍然不断发生，而且随着焊接结构的广泛应用而增加。由于结构的工作参数不断提高，采用高强度钢的结构日益增多。高强度钢对应力集中的敏感性比低碳钢高，如

5、果处理不当，高强度钢焊接结构的疲劳强度反而会低于低碳钢结构的疲劳强度。随着新材料工艺的不断出现，将会提出许多疲劳强度的新问题，需要研究解决。6.2疲劳试验及疲劳图6.2.1 疲劳载荷及其表示法由于金属的疲劳是在变动载荷下经过一定循环周次才出现的，所以首先要了解变动载荷的特性。变动载荷是指载荷大小、方向、波形、频率和应力幅随时间发生周期性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变动载荷或应力循环内的最大应力；min变动载荷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。 描述循环载荷的上述参数如图6-4所示。

6、很容易看出，max=m+a和min=m-a。因此，可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力（静载恒定应力部分）和应力振幅（交变应力部分）的组合。 r也可用表示，其变化范围为- +1。当r= -1时，称为对称交变载荷，如火车轴的弯曲、曲轴曲颈的扭转等，旋转弯曲疲劳试验也属于这一类，其疲劳强度用-1表示；当r=0时，称为脉动载荷，例如齿轮齿根的弯曲，其疲劳强度用0表示；r一1的情况都称为不对称载荷或不对称应力循环，其疲劳强度用r表示，下标r用相应的特性系数表示，如0.3。例如气缸盖螺钉受大拉小拉的拉伸变载荷作用时，0r1；而内燃机连杆受小拉大压循环应力作用时，r0；滚动轴承的滚珠承受循环压应力时

7、，r = -。各种周期性载荷可简单区分为脉动拉伸载荷、交变载荷和脉动压缩载荷三种情况，如图6-5所示。6.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线在金属构件的实际应用中，如果载荷数值或方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载强度极b小得多，甚至比材料的屈服极限s低得多，构件仍然可能破坏。工程上最早的基础疲劳强度试验是A. Wohler(1819 - 1914)所做的循环载荷试验。试验时用一光滑（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、弯曲和扭转）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经受的应力循环次数N与载荷幅或应力幅可做出图6-6所示的乌勒（

8、Wohler亦译作韦勒）疲劳曲线，即S-N曲线。其中最重要的有两种，即平均载荷为零时的对称循环疲劳强度曲线和最小载荷为零时的脉动疲劳强度曲线。在低周疲劳时，因为载荷数值大，根据断裂力学知识，此时常常以可承受的位移或应变代替载荷或应力来做出与破坏循环次数的关系曲线，故此时进行试验常称为位移疲劳试验或应变疲劳试验。实际情况下的疲劳载荷多为幅值变化且常是非周期性的变化过程，对此恒幅周期性循环载荷乌勒试验便显得不够实用了。此时可用随机试验来代替乌勒试验，随机疲劳试验时，仅给定载荷幅变动范围和频率范围，直至裂纹萌生或发生断裂为止。但实际中的加载过程并非是严格的随机过程，为了进一步改善试验结果，可采用直方

9、图幅值加载（多级载荷试验、载荷单元程序加载试验）或载荷历程模拟试验。从乌勒疲劳曲线上可以看出，当金属承受的应力幅越大，则断裂时应力循环次数N越少；反之，应力幅越小，则N越大。当应力幅低于某值时，应力循环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，即曲线水平部分所对应的应力幅值。如果把图6-6a中的横坐标改为载荷环数的对数InN，则金属破坏应力与循环数之间的关系曲线=f( N)可用两条直线表示，如图6-7所示，水平线代表疲劳极限的数值。需要特别说明的是，不同材料的疲劳曲线走向有所差异，大致可分为两种类型，如图 6 -7所示。对于具有应变时效现象的金属，如常温下的钢铁材料，疲劳曲线有

10、明显的水平部分，如图6-7a所示，此时疲劳极限有明确的物理意义。而对于没有应变时效现象的金属，如铝合金等非铁材料、在高温下或腐蚀介质中工作的钢等，其疲劳曲线上没有水平部分，如图6-7b所示，这时就根据具体情况和使用寿命人为规定某一 N0值所对应的应力作为“条件疲劳极限”或“有限疲劳极限”，N0称为循环基数。6.2.3 疲劳强度的常用表示法疲劳图为了表达疲劳强度和循环特性之间的关系，应当绘出疲劳图。从疲劳图中可以得出各种循环特性下的疲劳强度。疲劳图可以有几种形式。(1)用max和r表示的疲劳图 即Moore，Kommers疲劳强度图，如图6-8所示。它能直接将max与r的关系表示出来。(2)用m

11、ax和m表示的疲劳图 即Smith疲劳强度图，如图6-9所示。图中横坐标表示平均应力m，纵坐标表示应力max和min的数值。在与水平线成45o角的方向内绘一虚线，将振幅的数值a对称地绘在斜线的两侧。两曲线相交于C点，此点表示循环振幅为零，其疲劳强度与静载强度b相当。线段ON表示对称循环时的疲劳强度。在该疲劳图上可以用作图法求出任何一种循环特性系数r下的疲劳强度，自O点作一与水平线成a角的直线，使tan= =则直线与图形上部曲线的交点的纵坐标就是该循环特性下的疲劳强度盯，。(3)用a和m表示的疲劳图 即Haigh疲劳强度图，如图6-10所示。图中横坐标为平均应力m，纵坐标为振幅a，曲线上各点的疲

12、劳强度r=a+m。曲线与纵轴交点A的纵坐标即为对称循环时的疲劳强度-1；曲线与横轴交点B的横坐标即为静载强度b。此时，a=0，r=1，从O点作45o射线与曲线的交点C表示脉动循环，其疲劳强度0=a+m=2a=2m。若自O点作一与水平轴成角的射线与曲线相交，并使tan=则交点的a +m=即为循环特性系数为r时对应的疲劳强度。(4)用max和min表示的疲劳图 即Goodman疲劳强度图，如图6-11所示。图中纵坐标表示循环中的最大应力max，横坐标表示循环中的最小应力min，由原点出发的每条射线代表一种循环特性。例如由原点向左与横坐标倾斜45o的直线表示交变载荷，r=min/max=-1，它与曲

13、线交于B点，BB，即为-1；向右与横坐标倾斜45o的直线表示静载r=1，它与曲线交于D点，DD即为静载强度b，而纵坐标本身又表示脉动载r=0，CC即为0。 图6-12为一组实例。该钢种的静载强度为588N/mm2（A点）。200万次脉动循环的疲劳强度为304N/ mm2（B点）。而其交变载荷r=-1的疲劳强度为196N/mm2（C点）。对于r=-1的疲劳强度，根据ADB线的交点即可找出，为412N/mm2。同样在该图上也可找出N=100万次的各种循环特性的疲劳强度值。6.2.4 各类参数对疲劳强度的影响1材料的影响不同材料的疲劳强度不同，钢材和轻金属的条件疲劳极限(断裂循环次数N0=2106)

14、由无缺口的抛光试件在乌勒疲劳试验中得到，其值与材料的抗拉强度b有关。对于钢材，有-1=0.4 -0.6b ；0=0.6-0.8b对于铝合金，有-1=0.4 -0.6b钢材的对称交变循环疲劳强度-1，亦可以表示为与硬度的一定比例关系，其数值取决于钢材的成分和生产工艺（熔炼、浇注、冷热加工及热处理）。弯曲应力情形下所得数值比拉伸、压缩应力时高。2表面状况的影响试件的表面状况对疲劳强度有相当大的影响，因为疲劳损伤通常是从表面开始的，表面粗糙度对疲劳强度的影响可用表面系数k*来表示，如图6-13所示。表面粗糙度数值的大小决定着疲劳强度降低的程度。轧制表面的疲劳强度低于切削粗加工表面，就是因为相比之下轧

15、制表面具有较大的表面粗糙度值及较严重的脱碳现象。环境的腐蚀作用对疲劳强度亦有很大影响，非合金钢的疲劳强度在潮湿的空气中降低1/3，在盐水中降低2/3。此外，表面硬化及表面层中的残余压应力则可使疲劳强度大为提高。3循环次数的影响对应不同的疲劳破坏循环次数，疲劳强度有很大不同，从各类不同形式的疲劳图中可以清楚地表达出来，如图6-14图6-17所示。4应力性质的影响应力特性对疲劳强度的影响亦很大，抗拉强度与扰压强度范围内的疲劳强度（疲劳极限）有很大不同，如图6-18所示。平均应力对疲劳强度的影响如图6-19a所示，对称循环疲劳强度-1，与脉动循环疲劳强度0在S-N疲劳曲线上的位置有较大差别，如图6-

16、19b所示。复合（多轴）应力状态下的疲劳强度主要由Von Mises变形能准则或与之相近的Tresca最大切应力准则来确定。当各外加循环应力分量有相位差时，还会出现一附加强度下降。5缺口效应的影响试件或结构的缺口状况对其疲劳强度有显著的影响，承受疲劳载荷时缺口顶端的应力集中自始至终影响着疲劳强度，在有尖锐缺口和裂纹时，条件疲劳极限范围内会出现一种可限制缺口应力集中效应的弹性约束效应（微观结构约束效应），而有限寿命疲劳强度范围内会因缺口顶端的塑性变形而产生一种附加的约束效应（宏观结构约束效应）。因此，决定疲劳断裂的不单是应力，还有缺口顶端的塑性应变。图6-20所示的不同疲劳缺口系数Kf情况下的结

17、构钢裂纹萌生S-N曲线，可用于实际设计（断裂S-N曲线则更陡且平移），可以看到Kf对疲劳强度的显著影响。此外，载荷循环频率对疲劳强度也有不同程度的影响，钢疲劳强度受载荷循环频率影响不大，工程技术中常用的频率范围是0.1 200Hz，低温试验表明虽然频率的增高试件疲劳强度稍有增加，但是温度升高到一定程度后，随着频率的增高试件疲劳强度又会下降，对于铝合金，这种频率影响较为明显。与材料的静载强度类似，其疲劳强度在低温时增加，在高温时降低，高温时要注意蠕变过程。6.3 疲劳断裂的物理过程和断口特征疲劳断裂的过程一般由三个阶段所组成：在应力集中处产生初始疲劳裂纹裂纹萌生；裂纹稳定扩展；失稳断裂。当然在这

18、三个阶段之间是没有严格界限的。例如疲劳裂纹“产生”的定义就带有一定的随意性，这主要是因为采用的裂纹检测技术不一而引起的。从研究疲劳机理出发，有人采用电子显微镜，把裂纹长大到1000（1=10-10m）之前定义为裂纹产生阶段。但从工程实用角度出发，则一般又以低倍显微镜( x10)看到之前为裂纹产生阶段。不论对焊缝的过渡区还是对母材光滑式样，有关研究都表明：裂纹长度达到1mm（工程中的初始裂纹长度）的裂纹萌生时间的90%均消耗在微观裂纹扩展上，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。滑移带首先出现在缺口、缺陷、夹杂物、空穴和裂纹等引起的局部应

19、力集中区域。在裂纹萌生最后阶段，晶粒内滑移带上材料中出现微观分离，最终形成与晶粒尺寸相当、能够进一步扩展的微观裂纹。裂纹稳定扩展阶段指：在循环载荷作用下，微观裂纹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的过程，这一过程在总寿命中占主要部分。裂纹尺寸达到临界值后随即出现最终失稳断裂。同样，失稳断裂阶段的定义也是不严格的，一般根据结构的形式而定。例如对于承力构件，可以定义为扣除裂纹面积的净截面已不能在承受所施应力时为断裂阶段；而对于压力容器则把出现泄漏时定为断裂阶段的开始等。在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他连接形式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝的焊

20、趾处），而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物，而疲劳裂纹也正是起源于这些缺陷处。对接焊缝和角焊缝的根部，也能观察到夹渣韧、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因为有这些缺陷存在，致使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中的一个相当短的时间，主要的时间是属于裂纹扩展。对断裂表面进行细致的宏观检查可以看到，从断裂开始点向四周射出类似贝壳纹的疲劳裂纹。图6-21为从焊趾裂纹开始的疲劳裂纹。由图可以清楚地看出疲劳裂纹从焊趾裂纹向外辐射而贯穿空板厚，最后造成构件断裂。对于塑性材料，宏观端口为纤维状，暗灰色；对于脆性材料则是结晶状。根据宏观断口上的

21、疲劳裂纹稳定扩展区与最后失稳断裂区所占面积的相对比例，可以估计所受应力高低和应力集中程度的大小。一般来说，失稳瞬断区的面积越大，越靠近断口面中心，则表示工件过载程度越大；反之，其面积越小，位置越靠近断口边缘，则表示过载程度越小。两个区域大小也受材料的断裂韧度K1c值控制，同等应力水平下，K1c值越高，最后失稳断裂区所占面积越小，K1c值越小，最后失稳断裂区所占面积越大。表6-1为各种类型的疲劳断口形态示意图，它表征了载荷类型、应力大小和应力集中等因素对断口形态的影响。 在疲劳裂纹扩展过程中，显微断口分析表明，在均匀的循环应力作用下，只要应力值足够大，一般每一次应力循环将在断裂表面产生一道辉纹，

22、如图6-22所示。疲劳裂纹扩展的机理有不同的解释模型，其中著名的有拉埃特( Laird)和斯密司( Smith)模型，如图6-23所示。由图可见，每经过一次加载循环，裂纹尖端即经历一次锐化钝化再锐化的过程，裂纹扩展一段距离，断口表面上就产生一道辉纹。这种机械模型可以有效地解释裂纹的扩展情况。这样我们便可以在某裂纹长度和应力下对裂纹尖端进行应力分析，把断裂力学的有关理论应用到疲劳裂纹的扩展上去。6.4 焊接接头的疲劳强度计算标准 疲劳强度计算标准包括焊接接头在内的典型连接的疲劳强度计算公式，均是在疲劳试验的基础上，利用max；和min表示的疲劳图推导出来的。我国钢结构设计规范TJ-17-74（试

23、行）规定，计算钢结构的疲劳强度时，基本金属和连接的疲劳许用应力按下列公式确定： 绝对值最大的应力为拉力时p= (6-1)绝对值最大的应力为压力时p= (6-2)式中，为r=0时基本金属和连接的疲劳许用应力；k为系数，按相关手册选用；r为构件的应力循环特性系数。 应当注意：按式(6-1)、式(6-2)算得的p若等于或大于材料的许用应力，以及式(6-2)中的rk后时，则可不计算结构的疲劳强度，并且角焊缝的疲劳许用应力，不论最大应力为拉应力或压应力，均按式(6-1)确定。我国起重机钢结构采用的疲劳强度计算方法与钢结构设计规范TJ-17-74（试行）相似，但和k值按相关手册选用。我国铁路工程技术规范规

24、定桥梁用钢焊接接头疲劳强度设计计算参见中华人民共和国铁路桥梁钢结构设计规范TB 10002. 2-2005之J 461-2005，见表6-2。6.5 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（例如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况、介质等）同样对焊接结构的疲劳强度有影响。除此以外焊接结构本身的一些特点，例如接头部位近缝区性能的改变、焊接残余应力等也可能对焊接结构疲劳强度发生影响。弄清这些因素的具体影响，对提高焊接结构的疲劳强度是有益的。下面分别探讨这些因素的影响情况。6.5.1 应力集中的影响 焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，即具有缺口效应，它们对接头的疲劳强度

25、产生程度不同的不利影响。为了便于说明理解焊接接头与母材疲劳强度的差别，可引入疲劳强度系数这个参量，疲劳强度系数可定义为=（对于或） (6-3) =（对于） （6-4）式中，r和r分别为母材（无焊缝轧制板材）的正应力疲劳强度及切应力疲劳强度；rw和rw则分别为焊接接头中母材（一般为焊缝以外热影响区）的正应力疲劳强度及切应力疲劳强度。 材料承受复合载荷时，r和r间的关系可由Von Mises变形能准则给出r=r (6-5) 对接焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他形式接头要小，但是过大的余高和过大的基本金属间的过渡角都会增加应力集中，使接头的疲劳强度下降。 图6-24为对接接头的过渡角p以

26、及过渡圆弧半径R对疲劳强度的影响。 1钢焊接接头 图6-25为低碳钢及低合金锰钢的对接接头的疲劳强度，焊缝未经机械加工。若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度也相应提高。图6-26为经过机械加工后的对接接头的疲劳强度，但是这种表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适宜采用这种加工。而带有严重缺陷和不用底焊的焊缝，其缺陷处或焊根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。丁字和十字接头在许多焊接结构中得到广泛的应用。在这种接头中，由于焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接

27、头的应力集中系数高，因此丁字和十字接头的疲劳远低于对接接头。未开坡口的用角焊缝连接的接头，当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱的环节上，即母材与焊缝趾端交界处和焊缝上。当单个焊缝的计算厚度与板厚之比/0.7时，一般断于母材。图6-27为两种钢材十字接头的疲劳强度图。实线代表的疲劳强度是按断裂在母材计算的，虚线是按断裂在焊缝计算的。由图中可以看出合金钢对应力集中比较敏感。在这种情况下，采用低合金钢对疲劳强度并没有优越性。此外增加焊缝的尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内才有效。因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面，即焊缝趾端处母材的强度，故充其量亦不能超过断裂在此处的疲劳强度。提

28、高丁字和十字接头的疲劳强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。图6-28为开坡口焊透的低碳钢十字接头的疲劳强度图。通过这种改进措施，疲劳强度有较大的提高。焊缝不承受工作应力的丁字和十字接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板过渡区的应力集中。图6-29为焊缝不承受工作应力的低碳钢丁字和十字接头的疲劳强度。丁字形接头和过渡区经过机械加工的接头具有较高的疲劳强度，其数值接近于图中阴影线的上限，而十字接头和过渡区未经加工的接头的疲劳强度数值接近于图中阴影线的下限。这是因为不对称的丁字接头上有一个偏心力矩，降低了过渡区的应力，它的应力集中比对称的十字接头低。低碳钢搭接接头的疲劳试验结果

29、如图6-30所示，这些试验证明搭接接头的疲劳强度是很低的。仅有侧面焊缝的搭接接头（见图6-30a），其疲劳强度最低，只达到基本金属的34%。焊脚为1:1的正面焊缝的搭接接头(6-30b)其疲劳强度虽然比只有侧面焊缝的接头高一些，但数值仍然是很低的。正面焊缝焊脚为1:2的搭接接头（见图6-30c）应力集中稍有降低，因而其疲劳强度有所提高，但是这种措施的效果不大。即使在焊缝向基本金属过渡区域进行表面机械加工（见图6-30d）也不能显著提高接头的疲劳强度。只有当盖板的厚度比按强度所要求的增加倍，焊脚比例为1:3.8，并采用机械加工使焊缝向基本金属平滑过渡，这样的搭接接头的疲劳强度才等于基本金属的疲劳

30、强度（见图6-30e）。但是在这种情况下已经丧失了搭接接头简单易行的优点，因此不宜采用这种措施。采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。试验结果表明，在这种情况下，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了(见图6-30f)。低强度结构钢和中强度结构钢焊接接头脉动载荷(r=0)疲劳强度与缺口效应（应力集中）的关系如图6-31所示。结合前面的几个图可以看出，与低强度钢相比，中高强度钢在作为光滑试件时的疲劳强度确有一定增加，而存在应力集中并作为缺口试件时，疲劳强度的增加将随缺口效应的严重程度而变化。因此，只有在缺口效应较弱时才适合使用中高强度钢。这种情况对于焊接接头十分明显，即具有较严重应力集中

31、的焊接接头如十字接头，无论它是由低强度钢或高强度钢制成，其对称循环疲劳强度成脉动循环疲劳强度均不高，高强度钢会失去其静载强度方面的优势。不同的接头形式应力集中情况即缺口效应不同，疲劳强度系数也不同，表6-3归纳了不同焊缝种类对应的接头疲劳强度系数。受拉伸载荷十字接头和带横向角焊缝的搭接接头。 搭接接头中的纵向角焊缝。 工字梁双面断续角焊缝。 所列数值还可能更小（取决于接头的支承条件）。 基于缺口应力分析的估值。 上述的讨论适合高周疲劳情况（破坏循环次数N2106），然而，在中周和低周疲劳强度范围内高强度钢的优点就会显示出来，它的S-N曲线会随其抗拉强度的增大而相应升高，如图6-32所示。所以说

32、，只有当静平均应力较高（如大跨度桥梁）和循环次数适当时（如高压容器、飞机旋翼、深海潜艇），焊接构件才宜使用高强度钢。对于载荷峰值很高的载荷谱作用下的构件，高强度钢也特别适用，但必须设法减轻这类构件上的缺口效应（应力集中），此外还应考虑到焊接残余应力会因高强度钢屈服强度高而相应增大，这会使疲劳强度降低，或相变导致应力分布、符号和数值的改变。 2铝合金焊接接头铝合金焊接接头疲劳强度的研究开始得相对较晚，这是因为在以往的飞机制造业中用以承受疲劳载荷的高强度铝合金结构全部采用铆接形式连接，随着铝合金焊接结构应用范围的扩大，对其接头疲劳性能的研究也在增多。铝合金焊接接头的疲劳强度约为结构钢接头的13 -

33、 2/3，而密度却低23，这对轻型结构来说是十分重要的优点。与结构钢的情形类似，铝合金静载强度的增加一般并不明显改善其焊接接头的疲劳强度，与高强度铝合金相比，低强度铝合金的疲劳强度仅稍低一些。 铝合金焊接接头与结构钢焊接接头相比，其疲劳强度系数稍小，而设计应力却小得多，故同样大小的焊接接头，铝合金接头的疲劳强度仅约为钢接头之半，但此时质量却比钢接头轻2/3，故铝合金接头单位质量的疲劳强度又比钢接头高。表6-4总结了Hertel等多位国外学者的试验结果，列出了各类铝合金焊接接头的疲劳强度系数，这些结果是针对AIMg5、AIMgSi1和AlZnMg1等得出的，这几种铝合金母材的疲劳强度接近。但表6

34、-3所示的疲劳强度系数并未反映出缺口状况的影响，故还不能得出铝合金及其焊接接头对于缺口和平均应力较为敏感这一结论。某些情况下铝合金焊接接头的疲劳强度下降较大，这可能是焊接过程引起的热变形和热软化所致。表6-4铝合金焊接接头疲劳强度系数（拉伸脉动应力幅疲劳强度为155 - 170N/mm2对称交变循环应力幅疲劳强度为95 I00N/mm2，破坏概率Pf=0.1）焊缝种类母材受载情况 疲劳强度系数对接焊缝0. 45 0. 75K形对接缝（十字接头）0.2角焊缝（十字接头中）0.30.5正面角焊缝侧面角焊缝（搭接）或0.150.2横向肋板接头0.40.7对接焊缝与角焊缝（工字梁上）0.450.7纵向

35、肋板接头0.150.2注：这里的或分别表示外载荷与焊缝成垂直和平行角度时的疲劳强度。6.5.2 近缝区金属性能变化的影响 焊接过程中近缝区金属性能的变化对接头疲劳强度的影响也是人们关心的问题。首先分析低碳钢焊接接头的情况。大量研究表明，在常用的热输入下焊接，热影响区和基本金属的疲劳相当接近。只有在非常高的热输入下焊接（生产实际中很少采用），使热影响区对应力集中的敏感性下降，如图6-33所示，其疲劳强度可比基本金属高得多。综合考虑上面的试验结果可以得出结论，低碳钢的近缝区金属力学性能的变化对接头的疲劳强度影响较小；低合金钢的情况是比较复杂的，在热循环作用下，热影响区的力学性能变化比低碳钢大。有人

36、用低合金钢(wc=0.12%；wMn=0.65%；wSi=0.75%；wCr=0.70%；wNi=0.57%；wCu=0.40%；s = 400N/mm2；b=570N/mm2）做焊接接头疲劳强度试验，试件采用圆棒及平板两种。圆棒试样表面光滑不开缺口，其熔合线之一位于试样中心。平板试样的两侧开有缺口，缺口的顶端位于熔合线。圆棒试样做弯曲疲劳，平板试样做拉伸脉动疲劳试骏。同时用两组基本金属试样作对比，试验结果如图6-34所示。对圆形试件它们基本上都在试件肩部圆角处断裂，个别的在中间部位破坏，但不论是焊接试件还是母材试件它们的疲劳强度都在一定的分散带内（图6-34b）。对于具有缺口的板状试件来说，

37、有焊缝和无焊缝的试件之间的试验结果分散性更小，甚至可以说二者间没有差别。由此可以看出，化学成分、金相组织和力学性能的不一致性，在有应力集中或无应力集中时都对疲劳强度的影响不大。图6-34c为20钢的试验结果，图6-34d为10Mn2Si钢的试验结果，它和前述结论也是一致的。近年来，有人对各种焊缝金属以及低碳钢和高强度钢的模拟焊接热处理材料进行裂纹扩展速率试验发现，在平面应变范围内描述裂纹扩展速率的帕瑞斯公式中的参量变化不大。在平面应力范围内，n随材料的屈服点的增加而降低，而另一参量C随屈服点的增加而上升。图6-35为几种焊缝金属及钢材的裂纹扩展速率规律。从图上可以看出，材料的性能对裂纹扩展速率

38、有一定的影响，但不太大。近年来，在焊接结构中已逐渐采用高强度钢，其屈服强度达390 490N/mm2或590 744 N/mm2。这种钢一般来说是经过一定热处理的低合金钢，焊接后局部区域强度降低，另一些区域强度提高，在热影响区形成力学性能的急剧变化。此外，焊缝金属与两侧的金属在性能上也可能有较大的差别。为了研究这种性能不均匀性对接头疲劳强度的影响，进行了模拟焊接接头性能不均匀情况的试验。试件分两种：第一种试件是以直径为20mm的40Cr钢的圆棒料为基体，并在两块圆棒中间用接触对焊方法焊上一段20钢料（直径相同），以这种试件来模拟局部区域强度降低的接头；第二种试件是以低碳钢为基体在其中间焊上40

39、Cr钢，用此来模拟局部区域强度提高的接头情况。为了研究这种强度变化区域尺寸大小的影响，中间夹层的钢料厚度在230mm之间变化，试件采用光滑圆棒不开缺口。试验结果表明，对于高组配即软夹硬的焊接接头，力学性能不均匀性对接头的疲劳强度基本没有影响，如图6- 36所示。此时接头的疲劳强度取决于较软的基本金属。而在具有较较夹层即硬夹软的焊接接头中，疲劳强度还取决于层的尺寸h/d（h为夹层的厚度；d为试件直径）。当h/d 0. 75时，接头的疲劳强度在很大程度上取决于夹层的疲劳强度（这时疲劳强度对接头来说是降低了）；而当夹层厚度比减少到一定程度h/d 0. 75时，焊接接头的疲劳强度随比值h/d的减小而提

40、高，如图6-36所示。在实际焊接结构中，如果热影响区的尺寸不大，就不会降低焊接接头的疲劳强度。可是，如果在硬夹软接头中的软夹层中有严重的应力集中因素时，情况则不同。试验结果表明，此时接头的疲劳强度大大降低，其数值取决于这个软区本身的力学性能。6.5.3 残余应力的影响焊接残余应力对于结构疲劳强度的影响是人们广泛关心的问题。对于这个问题人们进行了大量试验研究工作。试验往往采用有焊接应力的试样与经过热处理消除内应力后的试样，进行疲劳试验作对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能的变化，而热处理在消除内应力的同时也恢复或部分恢复了材料的性能。因此，对于试验的结果就产生了不同的解

41、释，对内应力的影响也有了不同的评价。首先分析内应力对构件疲劳强度的影响。如图6-37所示，在用a和m表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同平均应力时的极限应力振幅值a。当构件中的应力振幅值大于极限幅值时，在规定的循环次数之前将发生疲劳破坏；反之，小于极限幅值则是安全的。由图中可以看出，随着m的增加，极限应力幅值有所下降。如果构件中存在着内应力0，则它将始终作用于应力循环中，使整个应力循环的应力值偏移一个0值。假设载荷的平均应力为m，如图6-38a所示，与此平均应力相应的极限应力振幅为a。若构件中内应力0为正值时，它将与载荷应力相叠加使应力循环提高0，如图6-38b所示，平均应力将增加到m1（m1=

42、m+0），其极限应力幅值降低到a1，构件的疲劳强度将降低。若内应力为负值，它将使应力循环降低0，如图6-38c所示，平均应力将降低到m2（m2=m-0），其极限应力幅值将增加到a2，构件的疲劳强度将有所提高。在上述分析中，未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到达s时，亦即m与a之和达到s时，内应力将因材料全面达到屈服而消除。在图6-37中直线SCR与水平轴成45o角，是m+a=s的轨迹。在此线上所有点的m与a之和均达到s。当m达到相当于图中C点的数值时(m+a=s)，内应力对疲劳强度将没有影响。当m小于相当于C点的数值，则m越小，内应力的影响越显著。下面再通过几

43、个具体试验研究的结果来说明焊接残余应力对疲劳强度的影响。首先介绍一个采用不同焊接次序来获得不同的焊接应力分布的试样对比试验。图6-39为两组带有纵向、横向焊道的试样。第一组试样A是先焊纵向焊缝；后焊横向焊缝；另一组试样B是先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝。在焊缝交叉处，第一组试样的拉伸焊接应力低于第二组。两组试样的对比疲劳试验结果如图6-39所示。从图上可以看出第一组疲劳强度高于第二组。这个试验并没有采用热处理来消除内应力，排除了热处理对材料性能的影响，比较明确地说明了内应力的作用。如果在14Mn2低合金结构钢试样上有一条横向对接焊缝，在正反两面各堆焊一条纵向焊道。一组试样焊后作消除内应力热处理，另

44、一组未经热处理。疲劳试验采用三种应力循环特性系数r=-1，0，+0.3。试验结果如图6-40所示。由图可见，在交变载荷下（r= -1）消除内应力试样的疲劳强度接近130N/mm2，而未消除内应力的仅为75 N/mm2。在脉动载荷下(r=0)两组试样的疲劳强度相同，为185N/mm2。而当r=+0.3经热处理消除内应力的试样的疲劳强度为260N/mm2，反而略低于未热处理的试样( 270N/mm2)。产生这个现象的原因是：在r比值较高时，例如在脉动载荷下，疲劳强度较高，在较高的拉应力作用下，内应力较快地得到释放，因此内应力对疲劳强度的影响就减弱；当r增大到+0.3时，内应力在载荷作用下进一步降低

45、，实际上对疲劳强度已不起作用。而热处理扩在消除内应力的同时又消除了焊接过程对材料疲劳强度的有利影响，因而疲劳强度在热处理后反而下降。这个有利影响在交变载荷试样里并不足以抵消内应力的不利影响，在脉动载荷试样里正好抵消了残存的内应力的不利影响。这一试验比较好地说明了内应力和焊接热循环所引起的材质变化对疲劳强度的影响。由此也可以看出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系数有关。在r比值较低时，影响比较大，如上述试验所采用的试样，属于应力集中比较低的情况。下面再介绍一个应力集中比较严重的试样结果。试样带纵向短肋板，具有较高的应力集中系数。一组试样焊后经过消除应力热处理，另一组不作热处理，

46、两组试样做脉动载荷疲劳强度试验，其结果如图6-41所示。消除内应力后的试验疲劳强度均高于未热处理的。在这个试验中，内应力的作用在脉动载荷下仍有反映，说明内应力的影响在应力集中较高时更大。6.5.4 缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。平面类型缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的平面缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷的影响比在残余压应力场内的大；位于应力集中区的缺陷（如焊缝趾部裂纹）的影响比在均匀应力场中同样缺陷影响大。图6-42及图6-43为几种典型缺陷在不同位置载荷下的影

47、响，A组的影响大，B组的影响小。由于不同的材料具有不同的缺口敏感性，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度的影响并不相同。图6-44为未焊透对五种材料的疲劳强度的影响。由图中可以看出，随着未焊透的增加，疲劳强度迅速下降。12Cr18Ni9Ti奥氏体钢尽管在静载和一次冲击载荷下有较好的韧性，但其下降幅度最大。图6-45为在均匀应力场及应力集中区中的裂纹（平板表面裂纹及焊趾裂纹）在相同的应力循环下的扩展。由图中可以看出，焊趾裂纹的扩展速率明显高于平板表面裂纹。在裂纹穿透板的厚度时的裂纹尺寸比平板表面裂纹达到穿透时大得多，讨此在应力集中区的焊趾裂纹具有更大的危险性。6.6 提高焊接接头疲劳强度的

48、措施 6.6.1 焊接结构疲劳强度设计概述 焊接结构及其构件的设计应做到既能满足所需的疲劳强度、使用寿命和安全性，又能使所需费用尽可能降低。所谓“疲劳强度设计”，是指按照规定的目标（例如费用指标），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，其他问题，诸如是否易于制造、试验和维修等，设计时也应充分考虑。 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。 对于实际工程结构，除稳定性之外，其强度方面最危险的极限状态便是疲劳断裂和脆性断裂。虽然脆性断裂一

49、般认为是静载强度的一种极限状态，但作为断裂的最后阶段，只要能显示出一定的脆性，那么它也是试件和结构疲劳破坏的重要组成部分。综观实际中的脆性断裂情况可以看出：很大一部分脆性断裂是由结构中的疲劳裂纹引起的。 疲劳断裂和脆性断裂始于形状不连续、缺口和裂纹等部位，即始于局部弹性应力极大值“应力峰值”（结构应力、缺口应力和应力强度因子）所在之处。对于整个结构的强度问题，应力峰值所在处的一小部分材料可能起着决定性作用。若能采用一定的设计措施使结构应力峰值降低或消除，则疲劳断裂和脆性断裂便面推迟或避免。即便在使用韧性材料且应力峰值只有因材料产生屈服而下降时，有关设计改进措施仍然有效。因为金属材料的韧性是有限

50、的，当应力峰值所在处的韧性逐步耗竭时，脆性断裂的危险便随之增大。采用适当的设计措施以避免局部结构应力峰值和缺口应力峰值，是提高结构强度和寿命的最有效方法。实际中，通常在不确切知道具体的受载情况时设法去掉结构中各基础载荷引起的应力峰值，这样便足以保证该结构不致破坏。因此不应忽视设计改善措施的重要作用。 结构应力峰值出现在整体结构中的不连续处（如焊缝、转角、加劲肋板及开口等），缺口应力峰值出现在局部结构中的不连续处，即横截面发生变化的部分、焊趾、焊缝根部、焊缝端部、焊波、间隙、裂纹、焊点熔核边缘和焊接缺陷等处。整体结构由设计图样中的尺寸确定，局部结构则仅需确定焊缝的形式、位置及厚度。局部结构应力分

51、析所需的数据资料须由焊缝测量或其他行之有效的方式得出。6.6.2 疲劳强度设计的一般原则总结工程实例，焊接结构疲劳强度设计的一般原则是： 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，尽可能不用偏心搭按。 5)使焊缝（特别是焊趾、焊缝根部和焊缝端部）位于低应力区（例如弯曲时的中性带、承受小弯矩的区域、孔边缘上使缺口应力为零的地方、过渡段和转角以外的部位），使缺口效应分散而避免其叠加。 6)在焊趾缺

52、口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后（处于力流之中）设置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。 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拘束。 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。 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)在薄板范围内合理布置焊缝以减轻弯曲变形。 13)避免能扰乱力流的开口（或切口），但与力流垂直的加劲肋板角

53、部应切除（加劲肋板切角）。 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（尤其当这样做更便于装配时）。 15)消除能引起腐蚀的根部间隙。 为检查设计质量，可通过测试或计算确定结构应力峰值。测试原型（去掉漆层，用应变计）上或光弹模型上的结构应力峰值，是设计承受疲劳载荷的焊接结构时采用的一种基本方法。如破坏发生在焊趾而不在焊缝根部，则焊趾区测得的应变即可作为评价焊缝的一个可靠指标。近年来，计算方法特别是基于有限元法的计算方法用得越来越多，大有代替测试方法之势。6.6.3 提高疲劳强度的工艺措施 综上所述可以看出，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有

54、当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊接金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。提高静载条件下强度的最重要措施，即相应增大承载横截面的方法，在疲劳受载条件下却不起作用，甚至起负作用，这是因为在已经“补强”的边缘周围会产生附加的缺口效应。此外，对于已经制造完成但不满足使用要求的结构，可考虑降低使其产生疲劳破坏的工作载荷，但这也仅仅是临时性的应急措施。为提高已成结构的工作疲劳强度，采用适当的工艺措施十分重要，实践证明下列工艺措施是行之有效的。 (1)降低应力集中 1)采用合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。图6-46为各组元件没计的正误对比。2)尽量采用应力集中系

55、数小的焊接接头形式。如对接接头的应力集中系数小，因而疲劳强度高，应当尽量选用。图6-47、图6-48是采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝的实例。 应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡，用磨盘或砂轮对焊趾（或焊缝端部）进行局部磨削将降低其缺口效应，焊缝金属与母材间热影响区中的微观缺口亦得以消除，这将延迟裂纹萌生阶段。通过磨削来消除缺口残余应力并使表面硬化亦会带来一定好处。需要注意打磨方法应是顺着力线传递方向，垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。 还应当指出的是，在对接焊缝中只有保证连接的截面没有突然改变的情况下传力才是合理的。图6-49是一些不合理对接焊缝的实例，由于接头形状的突然改变，端部存在严重

56、的应力集中，故易在焊缝端部产生疲劳裂纹。 另外，对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高，其中存在严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝。这也是应当引起注意的。3)当采用角焊缝时（有时不可避免）须采取综合措施（机械加工焊缝端部，合理选择接板形状，焊缝根部保证熔透等）来提高接头的疲劳强度，采取这些措施可以降低应力集中并消除残余应力的不利影响。表6-5是部分接头进行综合处理的实例。实验证明，采用综合处理后，低碳钢接头处的疲劳强度提高3 13倍。对低碳合金钢的效果更显著。4)有些试验证明，在某些情况下，可以通过开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处来提高接头的疲劳强度。图6-

57、50就是用开缓和槽的方法提高焊接接头疲劳强度的实例。5)用表面机械加工的方法，消除焊缝及其附近的各种刻槽，可以降低构件中的应力集中程度，提高接头疲劳强度。但是这种表面机械加工的成本高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适合采用这种加工方法。 6)采用电弧TIG或等离子束整形的方法可以代替机械加工的方法来使焊缝与基本金属之间平滑过渡，如图6-51所示。这种方法是用钨极氩弧焊或等离子束焊的方法在焊接接头的过渡区重熔一次，使焊缝与基本金属之间平滑过渡，减少该部位的应力集中以提高疲劳强度。要注意的是，采用这一方法可能会引起局部过度硬化，修整焊道（即重熔焊趾而形成的焊道）的端部也可能会对强度产生不利影响。因此，建议修整的起止处应在焊趾缺口部位之外的焊缝