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1、1,第 3 章 焊接接头和结构的疲劳强度,2,本章主要内容和重点： 3.1 焊接结构的疲劳 3.1.1 疲劳断裂事例 3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型3.2 疲劳断裂的过程和断口特征 3.3 疲劳载荷及表示法 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素 3.6.1 应力集中的影响 3.6.2 近缝区金属性能变化的影响 3.6.3 残余应力的影响 3.6.4 其他因素的影响3.7 提高焊接接头疲劳强度的措施 ,3,第3章 焊接接头和结构的疲劳强度,3.1 焊接结构的疲劳 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 工程结构失效约80以上是由疲劳引起的； 在某些工业
2、部门，疲劳断裂可占断裂事件的8090； 对于承受循环载荷的焊接构件有90以上的失效应归咎于疲劳破坏。 在我国，疲劳失效也相当普遍，在能源、交通等部门都很严重。而且随着新材料、新工艺的不断出现，将会提出许多疲劳强度的新问题需要研究解决。,4,3.1.1 疲劳断裂事例,疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期，随着铁路运输的发展，机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个疲劳强度问题。 以后在第二次世界大战期间发生多起飞机疲劳失事事故。 1954年英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引起飞行失事，引起了人们的广泛关注，并使疲劳研究上升到新的高度。 结构由铆接连接发展到焊接连接后，对疲劳的敏感性和产生裂纹
3、的危险性更大。焊接结构的疲劳往往是从焊接接头处产生的。,5,疲劳断裂的事例,图3-1，直升飞机起落架的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。,图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚5mm，承受反复弯曲应力，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。,6,水压机的疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。,7,角焊缝改为对接焊缝降低疲劳破坏,如果在设计中，将易导致疲劳破坏的应力集中系数高的角焊缝改为应力集中较小的对接焊缝，疲劳事故就可大大减少。 图3-4b用锻造法兰代替图a原法兰，将角焊缝改为对接焊缝大大改善抗疲劳能力。
4、,8,原因：裂纹部位有较高的应力集中所致。 措施：采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。,图3-5，美国几座桥发生在靠近焊缝端部焊趾部位的疲劳裂纹。,9,3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型,疲劳定义：在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生的裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。 高周疲劳：是指材料在低于屈服点的循环应力作用下，经 以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅控制，故又称应力疲劳。 低周疲劳：是材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用下,经低于 次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受应变幅控制，故又称应
5、变疲劳。,10,3.2 疲劳断裂的过程和断口特征3.2.1疲劳断裂的过程,疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成、扩展、断裂三个阶段组成。 材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成。对于承受循环载荷作用的金属材料，由于晶粒取向不同，以及存在各种宏观或微观缺陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方向上是各不相同的；当整体金属还处于弹性状态时，个别薄弱晶粒已进入塑性应变状态，这些首先屈服的晶粒可以看成是应力集中区。一般认为，具有与最大切应力面相一致的滑移面的晶粒首先开始屈服，出现滑移。,随着循环加载的不断进行，滑移线的量加大成为滑移带，并不断加宽、加深形成“挤出”和“挤入”现象，挤入
6、部分向滑移带的纵深发展，形成疲劳微裂纹(图3-6)。 这些微裂纹沿着和拉应力成45的最大切应力方向传播，这是疲劳裂纹扩展的第1阶段。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环大约只有0.lm （微米）数量级，扩展深度约为25个晶粒。,裂纹扩展的第阶段,当第1阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转到与最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的第阶段，如图3-7。,在该阶段内，裂纹扩展的途径是穿晶的，其扩展速率较快，每一次应力循环大约扩展m数量级，在电子显微镜下观察到的疲劳条纹主要是在这一阶段内形成的。 在循环加载下裂纹继续扩展，承受载荷的横截面面积继续减小，直到剩余有效面积小到不能承受施加的载荷
7、时，构件就到达最终断裂阶段（第3阶段）。,11,12,裂纹扩展机理-塑性钝化模型,整个疲劳过程中的主要时间是属于疲劳裂纹扩展阶段，即第阶段，亦称亚临界裂纹扩展阶段。 目前广泛流行的模型是塑性钝化模型（图3-8）。 当卸载时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态。 开始加载时，在切应力下，裂纹尖端上下两侧沿45方向产生滑移，使裂纹尖端变钝，当拉应力达到最高值时，裂纹停止扩展。 开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿45 继续卸载时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化。 这样每经过一个加载、卸载循环，裂纹由钝化到锐化并向前扩展一段长度*。在断口表面上就会遗留下一条痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的疲劳条纹
8、或称疲劳辉纹。 综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹反复锐化和钝化的过程。,13,3.2.2 疲劳断口的特征,疲劳断口的宏观断口分成三个区： 疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。,图3-9疲劳断口上三个特征区的示意图 a)圆形试件b)角接接头 1疲劳裂纹源区 2疲劳裂纹扩展区 3疲劳裂纹加速扩展区 4瞬时断裂区,14,疲劳裂纹源区： 它是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。疲劳裂纹源区一般很小，宏观上难以分辨疲劳裂纹源区的断面特征。疲劳裂纹源一般总是发生在表面；但如果构件内部存在缺陷（如脆性夹杂物等），也可在构件内部产生。 疲
9、劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上。对于低周疲劳，由于其应变幅值较大，断口上常有几个不同位置的疲劳源。 疲劳裂纹扩展区： 它是疲劳断口上最重要的特征区域。宏观形貌为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进呈弧形线条，并且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。这些贝壳状的推进线是在使用过程中循环应力振幅变化或载荷大小改变等原因所遗留的痕迹。 在实验室作恒应力或恒应变实验时，断口一般无此特征，疲劳断口光滑呈细晶状，有时光洁得尤如瓷质状，对于低周疲劳往往观察不到这种贝壳状的推进线。,15,瞬时破裂区（或称最终破断区）： 它是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。其特征与静载
10、拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同。非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。,16,疲劳辉纹的形貌,疲劳辉纹与宏观断口上看到的贝壳状条纹是不是一回事？ 疲劳辉纹是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化（ * ）形成的痕迹，贝壳状条纹是循环应力振幅变化或载荷变化形成的宏观特征。相邻的贝纹线之间可能有成千上万条辉纹。有时在宏观断口上看不到贝壳纹，但在电镜下仍可看到疲劳辉纹。 另外一些构件，尤其是薄板件，其宏观断口上没有明显的贝壳状花纹，却有明显的疲劳台阶。疲劳台阶是在一个独立的疲劳区内，两个疲劳源向前扩展相遇形成的。疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一个特征。,3-10 裂纹疲劳扩展的辉纹,疲劳辉纹是疲劳裂纹
11、扩展第二阶段的微观特征。通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在0.l0.4m之间。 面心立方金属(如铝及铝合金、不锈钢)的疲劳条纹比较清晰、明显。体心立方金属、密排六方金属的疲劳条纹不如前者明显（如钢，疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显）。,17,一般焊接结构所承受的疲劳载荷是一种随机载荷。实验室多用正弦应力或应变进行加载。以正弦波加载来说明平均应力m、应力幅a和应力范围的定义，以及应力比R的关系为： 式中，拉应力取正值，压应力取负值。 R -l 时，为对称循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用-1表示； R 0 时，为脉动循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用0
12、表示； Rl 时，其各种循环应力，统称为不对称循环应力，其疲劳极限或疲劳 强度用R表示。,3.3 疲劳载荷及表示法3.3.1 疲劳强度与疲劳图1疲劳载荷及应力循环特征的表示方法,R=(-1R1),18,以循环应力中的最大应力为纵坐标，断裂循环次数N为横坐标，根据试验数据绘出-N曲线 。-N曲线和-N曲线统称为S-N曲线。 疲劳极限：曲线的水平段表示材料经无限次应力循环而不破坏，与此相对应的最大应力则表示光滑试样在对称循环应力下的疲劳极限 。疲劳极限的下标为应力比R的数值表示。 例如：R = -l 时的疲劳极限为 ，R=0时为 ，应力比为任意R值时为 。,2S-N曲线,19,3疲劳图,S-N曲线
13、可由对称循环应力的试验得到，也可由不对称循环应力得到；当应力比R改变时，所得的S-N曲线也改变。于是，在规定的破坏循环寿命下，可以根据不同的应力比R得到疲劳极限，画出的疲劳极限曲线图，简称疲劳图。,（1） a -m图(应力幅-平均应力) 图3-14，其纵、横坐标分别代表a和m。曲线ACB为疲劳极限图限，即在曲线ACB以内的任意点，表示不发生疲劳破坏；在这条曲线以外的点，表示经一定的应力循环次数后即发生疲劳破坏。图中A点是对称循环应力下发生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循环应力下的疲劳极限-1。B点为静载强度破坏的点，其横坐标值为抗拉强度b。 C点，因OD=DC，又因max =m +a，
14、则 ：,0-脉动循环应力的疲劳极限,(2) max(min) -m图 (3) max min图 -自学,20,4应力范围及其在焊接结构疲劳强度研究中的作用,由于焊接结构焊缝及其附近有达到或接近屈服点的残余应力，因此在接头施加常幅应力循环，焊缝附近所承受的实际循环应力将是由材料的屈服应力(或接近屈服应力)向下变化，而不管其原始作用的应力比如何。 例如：若名义应力循环为+1到-2 ，则其应力范围为1 +2 。但实际焊接接头中的实际应力范围将是由s变到s-(1 + 2 )。 这在研究焊接结构疲劳强度时很重要，它导致焊接结构疲劳强度设计规范以应力范围代替应力比R。 名义应力是一种整体的等效应力，并不是
15、实际作用于结构的局部的力。 例如：压力下的蜂窝或泡沫结构的材料，他们的名义应力等于力除以面积（等效为连续体），但是实际结构局部的应力应该等于力除以截面上的材料面积。在有应力集中的疲劳计算，实际应力则为名义应力应力集中系数。,应力范围：,21,应力范围在焊接结构疲劳强度研究中的作用-续,（1）脉动循环载荷R=0 (图3-18a) 假定材料的屈服应力为300MPa，其应力范围为0100MPa，则其实际应力范围上限值为屈服应力300MPa，下限为300MPa-(100+0)MPa=200MPa，因此其实际应力范围为：200300MPa。 （2）交变循环载荷R=-l (图b) 其应力范围为50MPa，
16、同样，其实际应力范围上限仍为300MPa，下限为300-(50+50)=200MPa，因此实际应力范围仍为：200300MPa。 这说明：实际应力范围和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度，只与施加的应力范围有关，而与最大、最小循环应力值以及应力R比无关。即焊接接头的疲劳性能只能用应力范围概念来表达。,注意：在没有焊接残余应力存在时，例如对于消除应力试样，假如在试样缺口尖端的应力也低于屈服点，即未产生塑性变形，则名义应力比R同样也是实际应力循环特征，这时应力比R仍是决定试样(构件)的疲劳强度重要参量。,疲劳设计,对于承受疲劳载荷的结构，疲劳设计是在对结构进行强度设计并确定了各构件截面尺寸和连接细节后,为了避免疲劳破坏而需进行的工作。 实践证明，正确的疲劳设计和制造是防止疲劳破坏的最有效措施。 疲劳设计方法有容许应力设计法、疲劳极限状态设计法等。 下面介绍两种设计方法：
