第6章焊接结构疲劳

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1、第 6 章 焊接接头和结构的 疲劳强度,主要内容： 材料及结构疲劳失效的特征 疲劳试验及疲劳图 疲劳断裂的物理过程和断口特征 焊接接头的疲劳强度计算标准 影响焊接接头的疲劳强度的因素 提高焊接接头的疲劳强度的措施 大约用68学时,概述,在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的 4 左右 (约 1200 亿美元)； 疲劳所涉及的领域有汽车，航空航天，机械，船舶，铁路，国防，军工，海洋工程等等。 随着科技日新月异和用户对产品的要求越来越苛刻，企业面临的挑战越来越大，要缩短产品上市时间，疲劳问题要走在设计的前面等。在产品的早期设计阶段，评估疲劳相关的问题和进行耐久性分析从而

2、预测产品的寿命能给公司在缩减开发和测试成本、缩短投放市场的时间、提高产品使用寿命等方面带来很大的收益。,6.1 材料及结构疲劳失效的特征,疲劳定义：材料在变动载荷作用下，会产生微、宏观的塑性变形，降低了 材料的承载能力并引起裂纹，随着裂纹的逐步扩展，最后将导致断裂。 统计表明：疲劳破坏占失效结构的90。,疲劳失效的特征一： 与脆断有明显差别，加载次数、断裂过程、温度、端口；,疲劳失效的特征二： 疲劳强度难以确定，其值与实际工作条件密切相关不易预测；,疲劳失效的特征三： 疲劳破坏一般从表面和应力集中出开始，焊接结构的疲劳从焊接接头产生。,图6-1、-2、-3 、-4疲劳破坏实例,2 118次着陆

3、后发生破坏-低周疲劳 运行30 000km后，车架纵梁破坏-疲劳,法兰与管道连接处发生破坏-KT高的角焊缝 水压机机架在多次工作后破坏-低周疲劳,焊接结构的大量使用和研究，疲劳破坏不断 高强钢的使用，对KT比低碳钢敏感-疲劳破坏问题增加,不锈钢管焊缝的微观疲劳断口,汽车排气系统不锈钢管材的焊缝疲劳实验的断口照片。 断裂在母材与焊缝之间的HAZ上。,6.2 疲劳试验及疲劳图 6.2.1 疲劳载荷及其表示法,金属的疲劳是在变载条件下经过 N 次循环才出现的。 变载荷：是指大小、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。,变载荷的主要参量：图6-4,r 应力循环特征系数或应力循

4、环对称系数，r 值不同，循环特征亦不同。 常用 r 表示某种疲劳应力。,1. 对称交变载荷,2.脉动载荷,3.拉伸变载荷,几种典型的动载荷,高周与低周疲劳,高周低应力（在弹性范围内）疲劳，N：104105次以上，又称应力疲劳； 低周高应力（超出弹性范围）疲劳，N104105次，又称应变疲劳 任何工程结构都不允许出现全截面的标称应力大于屈服点的情况。所以，低周次疲劳仅是某些应力集中区域的材料单元疲劳行为。,6.2.2 基础疲劳试验及疲劳曲线,乌勒德 第一个完成的基础疲劳试验，得到疲劳 S-N曲线 应力循环无数次也不发生疲劳破坏的最大的应力幅叫疲劳极限。 N取对数，则破坏应力与N关系可用两直线表示

5、。,S-N曲线的类型,其一，有应变时效的金属如常温的钢铁， S-N曲线有明显的水平部分； 其二，无应变时效的金属如铝等，无水平部分，用人为的循环基数N0对应的应力值作为条件疲劳极限。,高强钢的低周疲劳曲线,（1）用 max和 r 表示的疲劳图 即 Moore，Kommers疲劳强度图 r =1时， max= b,6.2.3 疲劳强度的常用表示法_疲劳图,（2）用 max和 m 表示的疲劳图 即 Smith疲劳图,（3）用a 和 m 表示的疲劳图 即Haigh疲劳强度图,举例：已知b=588N/mm2，N=2*106时，0=304N/mm2， -1=196N/mm2，作图求出1/2 =？ 解：过

6、0点作射线使r=1/2，交于BC 延长线上D点，得412 N/mm2,6.2.4 各类参数对疲劳强度的影响,1、材料 2、表面状态 3、N 4、应力性质 5、缺口效应,1、材料的影响,材料不同，r 不同，无缺口光滑试件疲劳强度与b有关： 钢材：,2、表面状态的影响,影响很大，因为疲劳往往从表面开始 用表面系数 k* 来表示，图6-13，k*与表面粗糙度成反比 腐蚀亦可看成表面粗糙 表面强化和残余压应力有助于提高疲劳强度,图6-13，k*与表面粗糙度成反比,3、N循环次数的影响,图6-1417可见，疲劳曲线是一族线束； 相同条件下， N值越大，对应的疲劳强度越低。Haight、Smith、Goo

7、dman、以及Moore，Kommers,4、应力性质的影响,同一材料（如铸铁）的抗压疲劳强度高于抗拉疲劳强度；图6-18 材料的疲劳强度随m增加而降低；图6-19（a） 相同条件下， 0 -1；图6-19（b）,5、缺口效应,相同材料350850MPa结构钢，疲劳缺口系数 kf -1 图6-20 f 的影响：0.1200Hz，影响不大 温度的影响，温度 r （稍）,6.3 疲劳断裂的物理过程和断口特征,疲劳断裂的三个阶段： 1）应力集中产生初始疲劳裂纹裂纹萌生 2）裂纹稳定扩展 3）失稳断裂 裂纹的长度界限 ： 1000埃？ 10放大镜？ 1mm？,断口宏观特征：辐射的贝壳纹,焊趾裂纹引发的

8、疲劳裂纹,对于塑性材料，疲劳宏观断口为纤维状；脆性材料为结晶状,稳定扩展区与最后失稳断裂区所占面积比估计应力状态,表图6-1，应力集中-载荷性质,断口显微特征疲劳辉纹,扩展机理拉埃特和斯密斯模型 Laird-Smith,6.4 焊接接头的疲劳强度计算标准,包括焊接接头在内的典型连接件的疲劳强度公式，均是在疲劳试验的基础上，利用max和min表示的疲劳图（4）推导出来的。 TJ-17-74规定：,注意两点：,按公式(6-1)、 (6-2)算得的p若等于或大于材料的许用应力，以及式（6-2）中出现 r k时，可以不计算疲劳强度； 角焊缝的疲劳许用应力，不论最大应力的性质，均按（6-1）确定。 我国

9、起重机行业执行TJ-17-74 钢结构设计规范，GBJ1788,较TJ 1774有较大的改进,采用了概率理论为基础的极限状态设计法,调整、充实和修改了许多章节,增添了塑性设计、钢管结构和组合结构等三章新内容,扩大了应用范围。 我国铁路工程桥梁用钢焊接接头执行中华人民共和国铁路桥梁钢结构设计规范TB10002.2-2005之J461-2005，见表6-2 表中的 0 即为 0p,适用条件简介,适用材料简介,各种构件或连接基本形式及疲劳容许应力幅 0,分了12类，分别定义其疲劳容许应力幅 具体12类的结构或连接如表6-2,举例：母材,举例：对接,焊接型钢,京沪高速铁路中的桥梁用钢,全长为1 300

10、多公里，桥梁占1 000多公里，为全长的77%。,应力集中 截面尺寸 表面状态 加载情况 介质 还有，HAZ金属性能的改变、残余应力、缺陷等,6.5 影响焊接接头疲劳强度的因素,6.5.1 应力集中的影响,有无焊缝时疲劳极限比较,钢材级别与疲劳极限的关系,6.5.1 应力集中的影响,图6-24,图6-25,图6-26,低合金锰钢好于低碳钢； 加工的好于未加工； 焊接的不如母材。,对接试验可见：,图6-27,图6-28,十字接头工作焊缝试验可见：,开坡口比不开坡口好； 低合金锰钢好于低碳钢； 加工的好于未加工；,图6-29,工作焊缝的疲劳强度与开坡口的相当（与图6-28比较）,图6-30,a 侧

11、面角焊缝 b 正面角焊缝 c正面角焊缝1：2,d c条件并且机械加工 e 盖板厚度加一倍且焊角比例1：3.8 f 对接加盖板,高强钢的中、低周疲劳强度,S-N曲线随抗拉强度提高而升高；图6-32 适合用于静平均应力较高（大跨度桥梁）和循环次数较低（高压容器、飞机旋翼、深海潜艇）条件； 但是，应力集中、残余应力会大幅降低其疲劳强度。,6.5.2 近缝区金属性能变化的影响,图6-33,大量试验表明： 常用的焊接热输入， 焊接HAZ与母材的 疲劳强度相当接近。 常用的热输入 （用冷却速度表示）： 几十几百 /s,图6-34,不同级别的焊缝金属 386780N/mm2，对裂纹 的扩展速率影响不大。,（

12、关于裂纹扩展速率的讨论见下节）,高组配接头 （硬夹层）： 疲劳强度取决于软金属,低组配接头 （软夹层） ： 宽径比 X=0.75为界限，X越小，疲劳强度越高；,6.6.3 残余应力的影响,图6-37,如Haigh疲劳图 情况1： 残余应力为正，平均应力 与残余应力叠加，使应力 幅值降低，即降低了疲劳 强度；反之亦然； 情况2： 平均应力与残余应力叠加 达到屈服点，内应力将消除，所以C点状态内应力对疲劳强度没有影响，在C点左侧，平均应力越小，内应的影响越显著。,图6-38,图6-39,主焊缝与次焊缝的焊序对疲劳强度的影响： 左图为A组，次焊到对先焊的主焊道有有利影响。,图6-40,焊态与焊后热处

13、理件在不同 r 值条件下的疲劳强度： r0，两者相当， r0，热处理好一些。,图6-41,应力集中严重时：热处理对提高脉动疲劳强度有好处。,图6-42,6.5.4 缺陷的影响,平面型缺陷比带圆角的影响大； 表面的缺陷比内部缺陷影响大； 与作用力垂直的平面型缺陷比其他缺陷影响大； 在拉应力场中的比压应力场中影响大； 应力集中区的比均匀应力场中的影响大。,咬边：A组大于B组,图6-43,未焊透：A组大于B组,图6-44,未焊透%越大，疲劳强度越小。,图6-45,比较有裂纹的平板与焊件： 焊趾裂纹更容易裂穿应力集中区的裂纹,6.6.1 焊接结构疲劳强度设计概述 疲劳强度设计： 是制定规定的目标（如费

14、用）对强度、寿命和安全性进行优化，并使组合结构的各构件都具有相同的疲劳强度、寿命和安全性的设计方法。 形状缺口应力集中局部的峰值是防止疲劳和脆断的首要问题 局部结构的设计，是提高疲劳强度和寿命的最有效方法。,6.6 提高焊接接头疲劳强度的措施,6.6.2 疲劳强度设计的一般原则,工程实践总结： 见P244，115条 确定结构应力峰值： 测试原型 有限元分析（FEA）,6.6.3 提高疲劳强度的工艺措施,（1）降低应力集中（主要原因） 1）采用合理的结构形式 图6-46，焊接件设计正误比较,图6-46,2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头形式,图6-47,图6-48,角焊缝改为对接,3）角焊缝要

15、采取综合措施（机加工、保证熔透）表6-5,4）开缓和槽降低应力集中,图6-50,5）表面机加工或,加工适当部位； 注意加工成本 6）电弧整形 圆滑过渡叫并 增大过渡半径,图6-51,（2）调整残余应力场,1）整体处理 退火 2）局部处理图6-52 局部加热或挤压”处 使应力集中处产生残余 压应力 3）超载预拉伸,图6-52,（3）改善材料的表面性能,表面强化处理：挤压或锤击应力集中区 喷丸处理应力集中区,表6-7,（4）特殊保护措施,应力集中处添加保护涂层，防腐蚀是根本降低缺口效应,6.6.4 几种工艺方法的定量分析与比较,TWI的试验结果 结构钢、横向肋板、脉动： 最好次序：TIG焊修整-磨

16、盘磨削-喷丸处理-砂轮磨削-预超载荷-与原态比较，图6-53 结构钢、纵向肋板、脉动： 最好次序：喷丸处理-局部加压-局部加热-磨盘磨削-预超载荷-与原态比较，图6-54 注意：对于萌生于内部或焊缝根部的疲劳破坏，上述方法不尽人意。,6.7 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用,6.7.1 裂纹与亚临界扩展,亚临界扩展 的两种方式： 1、应力疲劳： 高循环、 低载荷、 裂纹扩展速率小 2、应变疲劳： 低循环、 高载荷、 裂纹扩展速率高,图6-55,图6-56,帕瑞斯公式的两个缺点： a.未考虑平均应力对裂纹扩展速率的影响； b.为考虑裂纹扩展的加速效应 福曼提出修正公式：,帕瑞斯公式与福曼公式的试验数据比较,图6-57,图6-58,图6-59,6.7.2 疲劳裂纹扩展特性da/dNK 曲线的一般关系,图6-60,6.7.3 疲劳裂纹扩展