《材料力学性能精选PPT演示文稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能精选PPT演示文稿（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,5 焊接结构的疲劳强度,焊接作为现代理想的连接手段，与其它连接方法相比，具有经济、灵活的突出优点，因此，各个工业领域都大量地采用焊接结构。但是，许多运动结构或承受动载荷的结构，在交变载荷作用下，即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。,2,5 焊接结构的疲劳强度,据统计，由于疲劳而失效的金属结构中，90%为焊接结构。一般情况下，焊接接头承受静载的能力并不比母材低，而承受动载荷的能力却远低于母材。这是因为，焊缝处存在应力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力，以及焊趾处显微组织粗化等，导致疲劳强度下降，成为焊接结构的疲劳薄弱环节。,3,5.1 各种焊接接头的疲劳破坏形式,1横向对接焊缝 在没有焊接缺陷时，带
2、有余高的横向对接焊缝，应力集中主要发生在焊缝的焊趾和焊根处，所以疲劳破坏一般始发于此，见图5-1 a）和b）。,4,2纵向对接焊缝 外力方向与对接焊缝平行，焊缝表面的波纹与应力方向垂直，疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹处开始，或者在更换焊条的那一点，见图5-2 a)。 在梁的翼缘边对接一个小附件，在焊缝端部形成严重的应力集中，因此裂纹常出现在焊缝端部，见图5-2 b）。,a),b),图5-2 纵向对接焊缝疲劳裂纹部位,5,3角接焊缝 角接焊缝的破坏形式有以下几类： （1）在不承载的横向角焊缝中，疲劳裂纹发生在焊趾处，见图5-3（a）中； （2）对于承载的横向角焊缝，裂纹起始于焊趾或焊根，见图5-3
3、（b）； （3）对于承载和不承载的纵向角焊缝，裂纹都起始于焊缝两端 ，见图5-3（c）、（d）。,图5-3角接接头的破坏形式 （黑点表示裂纹的开始点）,6,不承载的横向角焊缝 不承载的纵向角焊缝,横向角焊的筋板,（纵向角焊的筋板）,7,承载的横向角焊缝 承载的纵向角焊缝,横向角焊搭接,侧向角焊搭接,8,5.2 影响焊接接头疲劳强度的因素,应力集中的影响 研究表明，一个结构的疲劳特征主要决定于它所包含的应力集中的严重程度。由于所有的焊接接头不可避免地是应力集中点，自然，疲劳破坏很可能发生在接头部位。因此，应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主要因素。,9,（一）横向对接接头,图5-4中示出了横向对接
4、接头中的工作应力分布。 为名义应力，在焊趾和焊根处都有一定的应力集中。,图5-4 对接接头中工作应力的分布,10,影响横向对接焊缝应力集中的主要因素是焊缝余高h和过渡处半径r，见图3-5 。,图5-5 对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数K的关系,11,表5-1,如果使用机械加工方法将余高切除，则应力集中可以大大减小，对接接头的疲劳极限可以明显提高，见表5-1,但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。,12,（二）搭接接头,搭接接头中的工作应力分布见图5-6所示。搭接接头的应力集中比对接接头严重，因此
5、其疲劳强度也比对接接头低得多。,a）等截面板搭接 b）不等截面板搭接,图5-6 侧面搭接焊缝应力分布图,13,1. 各种端焊缝型式的搭接接头，其疲劳极限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。,表5-2,14,2侧焊缝形式的搭接接头，无论是受到拉-压或弯曲载荷，其疲劳强度都比端焊缝低。见图5-8和表5-3 。,表5-3,15,（三）T形（十字）接头,图5-9中示出了T形（十字）接头的工作应力分布。其应力集中系数远比对接接头高。,16,未开坡口的T形接头，当焊缝传递工作应力时，其薄弱环节有两个：一是焊缝，另一个是焊趾。如果焊缝的计算厚度a与板厚t之比a/t0.60.7,一般断于焊缝。如果a/t0.
6、7,一般断于焊趾，这时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高，最根本的措施是开坡口焊透和加工焊缝、使焊趾向基本金属光滑过渡。,17,图5-10中示出了三种十字接头型式 。,板厚12 S=5 a=8,a）,b）,c）,图5-10 三种十字接头型式,18,焊接接头的 疲劳极限,母材金属的 疲劳极限,正应力下的 疲劳缺口系数,表5-4 十字接头的疲劳极限,a）,b）,c）,19,焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响,大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因素造成应力集中（应力分布不均匀）外，焊趾处还存在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及沿熔合线的轻微咬边（见图3-11）。熔渣楔块的平均尺寸
7、为0.15mm，咬边深度在0.1mm以下，它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。,图5-11 焊趾微观缺口效应,20,图512 a) CW2C构架侧梁断裂照片,图5-12为CW-2C转向架构架侧梁断裂照片。该构架于2003年8月进行A4修程时对定位座实施了补强处理，于2004年10月16日发生断裂事故，仅运行了一年多。a图为定位座补强板焊缝沿焊趾开裂的实物照片；,21,图512 b) CW2C构架侧梁断口照片,b图为裂纹断口照片。由断口照片可见：裂纹源在补强板焊缝靠近内侧的端部；此外，沿焊缝还有许多“台阶”，这是焊趾部许多微小缺陷引起的多条裂纹扩展形成的。 CW-2C（B）转向架定位座补强
8、后严重裂损的原因，主要是补强板只采用了角焊缝，没有按照“焊满磨平”的工艺要求去实施，从而在焊缝处产生严重的应力集中；同时，焊缝质量较差，特别是在焊趾处存在许多微小缺陷，大大削弱了该焊接接头的疲劳强度。,22,焊接残余应力的影响,焊接残余应力的作用与平均应力相当，二者的区别仅在于：平均应力在加载过程中是不变的，而焊接残余应力在加载过程中会逐渐释放，因此其影响也逐渐减小。 焊接残余应力如何影响焊接接头的疲劳强度问题，至今仍存在争议。,23,基本上有两种观点： 一类观点是：残余应力对疲劳强度的影响可以忽略。理由是：焊接接头的疲劳强度主要与焊缝几何尺寸和焊趾部存在的应力集中等因素的影响有关，残余应力的
9、影响是第二位的；拉伸残余应力使疲劳极限降低，压缩残余应力使疲劳极限增加。焊接残余应力的总体影响不显著。 另一类观点是：在一定条件下，残余应力可影响焊接接头的疲劳强度。如，当高残余拉应力点与焊接结构的应力集中点重合时，残余应力对疲劳强度的影响是毫无疑问的。,24,（一）消除焊接残余应力工艺对接头疲劳强 度的影响,由残余应力测试结果可以看出，退火处理和除锈喷丸处理都能明显地消除和改变焊接构架表面的残余应力状态。 1退火处理后，整个构架被均匀加热，残余应力通过塑性变形而产生松弛。这对疲劳极限有双重影响：消除残余应力能使疲劳强度提高，但同时又使金属软化、降低疲劳强度。,25,表5-5中列出了退火处理对
10、于对接接头疲劳强度影响的试验结果。,表5-5 退火处理后对接接头的疲劳强度,26,2冷作强化处理（喷丸、滚压、捶击等），使焊接结构表面（或接头表面）造成压缩残余应力，能大大提高焊接接头的疲劳强度。低碳钢喷丸硬化层厚度可达0.4mm左右，对接接头喷丸后，在2106次循环时，疲劳强度提高5565；非承载横向角焊缝，疲劳强度提高3639。,27,（二）交变载荷作用下焊接构架上残余应力的变化,残余应力是一个不稳定的力学量，在交变载荷作用下会引起残余应力的变化（释放）。其机理是：在动应力和残余应力共同作用下，如果某部位应力值超过材料的屈服极限，就会在该部位产生塑性变形，使残余应力释放，降低残余应力的峰值
11、。动应力幅值愈大，残余应力下降的愈多愈快。一般在几十次到几万次循环内完成应力释放，释放的幅值为5080之间。,28,图5-15中示出了焊接构架在室内疲劳试验中，某一测点的残余应力随循环周次的变化规律。,图5-15焊接构架某测点的残余应力随循环周次的变化规律,29,焊接缺陷的影响,（一）一般规律 在焊接接头中可能存在着各种缺陷，缺陷会造成严重的应力集中，对焊接接头的疲劳强度产生显著影响。影响程度与缺陷的种类、位置和方向有关。 1缺陷可分为两类：面状缺陷（裂纹、未焊透及咬边等）和体积型缺陷（气孔、夹渣等）。面状缺陷引起严重的应力集中，对疲劳强度的影响比体积型缺陷要大。,30,2表面或靠近表面的缺陷
12、比内部缺陷对疲劳强度的影响大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾部）比位于均匀应力场中同样缺陷的影响大；位于拉应力区的缺陷比在压应力区的影响大。 3与作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷对疲劳强度的影响大。,31,（二）面状缺陷对焊接接头疲劳强度的影响,1未焊透（未熔合）,32,表5-6中列出了未焊透深度对焊接接头脉动疲劳极限 的影响（为板厚）,疲劳极限,疲劳极限,表5-6,33,交叉杆端部环焊缝焊根部未焊透，见图5-15（a）、（b）;（a）图为未焊透分布于整个环形断口内表面的边缘；（b）图为未焊透分布于环形断口半环。 疲劳试验结果表明：疲劳裂纹88%断在交叉杆端部环焊缝处（14根试样），只有两根
13、断在交叉杆压窝部位。,图 5-15,34,2咬边（咬肉） 咬边使焊缝与母材连接处产生凹槽，引起应力集中，降低疲劳强度。如图5-16中。 在钢结构设计规范中规定，咬肉深度不得超过1mm。,35,3裂纹 焊接冷裂纹和热裂纹是危害最大的缺陷，裂纹尖端的曲率半径接近于零，是严重的应力集中源。能够被检测出来的裂纹，在大多数标准中都是被禁止的。,36,4.点固焊 装配焊接过程中，经常采用点固焊定位，由于不能保证焊缝连续，疲劳裂纹会在点固焊两侧产生。图5-17中为立板内侧点固焊处有未很好清根留下的焊渣，成为疲劳源，所以焊接操作时应谨慎进行点固焊定位。,图5-17,37,母体金属材料性能的影响,母材金属的疲劳
14、强度总是随其静强度的增加而提高。但对焊接结构来说，只要焊接接头的类型一样，高强钢和中低强度钢的疲劳强度基本一致，也具有相同的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头形式，见图5-18。,图5-18 表面状况及环境因素与疲劳极限 和抗拉强度的关系,38,母体金属材料性能的影响,另外研究了屈服极限为386MPa636MPa之间的碳锰钢，采用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响也不大。所以，焊接结构选用较高强度的钢种是没有意义的。只有静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强度钢。 这是因为在接头焊趾部
15、沿熔合线存在有微观缺口效应咬边及熔渣楔块缺陷，它是疲劳裂纹萌生的地方，因而焊接接头在一定应力幅值下的疲劳寿命主要由扩展寿命决定。所以不同强度钢材的焊接接头，其疲劳强度与母材及焊接材料的静强度关系不大。,39,5.3 合理地设计焊缝、焊接接头形式,焊缝、焊接接头形式合理设计的原则是尽量降低各种形式的应力集中。例如： l（1）尽可能采用低加强高的对接接头，重要焊缝甚至要用机加工手段去掉加强高。 l（2）承受疲劳载荷的十字接头应开坡口以增大熔深、保证焊透，并使角焊缝圆滑凹入、过渡至连接件母材上。 l（3）需要采用不开坡口的T形接头和搭接接头时，由于它们的应力集中较为严重，可用调整焊脚尺寸并加工焊趾过
16、渡区来降低应力集中。一般，T形接头采用双面焊比单面焊好。,40,5.3 合理地设计焊缝、焊接接头形式,（4）设计盖板接头、附连板和筋板时，尽量采用圆滑过渡的结构形式，见下图。 l,改进前 改进后,41,5.3 合理地设计焊缝、焊接接头形式,（5）应避免双条焊缝交叉或汇聚于一点。 （6）尽量避免在结构的大应力区布置焊缝 连接部位的刚度也不能过大。,42,5.4 影响焊接结构疲劳强度的因素,对于整个焊接结构，影响其疲劳强度的主要因素有三个：应力幅值、应力循环次数和结构细节（称为细节设计）。,下面以焊接钢梁为例介绍各种细节设计对结构疲劳强度的影响。,43,焊接钢梁结构的疲劳强度,工字梁结构的腹板与翼缘连接角焊缝，大部分应力集中发生在焊缝起弧熄弧位置上。有两种几何上的缺口，一是弧坑使焊缝在纵向断面上产生一个显著的变化，见图5-18；另一种是在熄弧与起弧焊道之间焊根处未完全熔化、由包住的夹渣造成的缺口。试验结果得出，在2106次循环下，手工焊组拼梁的疲劳强度在133MPa165MPa范围
