《焊接接头和结构的疲劳强度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焊接接头和结构的疲劳强度（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度6-1 概述一、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， 也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使
2、 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，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈 服强度，应力
3、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o 、o、o、o、r概念）max mix m a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不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除
4、 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：omax ：应力循环内的最大应力 omin ：应力循环内的最小应力 om =（omax平均应力oa =（omaxomin）/2 ：应力幅值 r =omix /omax ：应力循环特征系数 r的变化范围是一8+1下面介绍几种典型的具有特殊 循环特性的变动载荷：1、对称交变载荷应力波形如图，由图可见：这种变动载荷的bmin = nmax 应力循环特征系数 r = 1 。bmax、均应力 = 0，应力幅值 = Qmax2、脉动载荷应力波形如图，由图可见：amin =0 r = 0； %ax、bmin ；平均应力Om与应力幅值相等， 都等于b
5、max /2 ， Om =Oa = Omax /23、拉伸变载荷Omax、Omin 均为拉应力，但大小不等 0 V r V 1由图可见： Omax、 Omin 、 Om 、 Oa由上面几个波形图中我们可以看出这 样一个关系，即：Omax= Om OaOmin = Om Oa 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、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
6、的大小和特性是有关系的N和o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o 越大,max则断裂时应力交变的次数N越少，即：o ff N （，反之 q IN t , max max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
7、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。注意：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。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。關五7 两种类熨歳苛曲馥
8、时 钳跌村料b）部幷物铁材耐（如懈合盎笹、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 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，对于实际构件来讲， N0 值是根据构件
9、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r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（rf、。口=），金属断裂前所能承受的应力循环次数越多。 即：bmax相同时，N f，这是因为 t使得 !这是因为材料的疲劳损伤（不均匀滑移）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、平均应力都有关系， 但是我们怎样表示这个关
10、系呢？表示这个关系的最常用的方法就是疲劳的主要有以下几种：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（1）用b与r表示的疲劳图max它直接反映。与r关系，可以明确的看 max出r上升，疲劳强度也上升，疲劳强度用。r 表示，角标r表示o是对应于该应力特征循 r 环系数下的疲劳强度。从图中我们可以看出：对称交变载荷下的疲劳强度O、 脉动循环下的疲劳强度O 0。当 r=1 时是静载强度。(2) 用b与b表示的疲劳图(已知r如何求b )max mr此图以O 和O .为纵坐标，O为横坐标，过原点作一直线与坐标 max mix m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
11、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O =0时，表示对称应力循环，故纵轴上ON表示o J m -10这时材料已不能再承受交变应力，线段O N 表示脉动循环时的疲劳强度o 0 ； 当O =O b时，相当于静拉伸强度，m b 故 O a = 0。图耐用我示的疲劳图3该疲劳图告诉我们，在不同的 平均应力O下，材料所能承受的m最大交变应力O 及应力幅值O，maxa它直接表示的是疲劳强度O r与平 均应力O的关系，也就是说已知 m 平均应力O，就可以从该图上求得mOr。但是如果我们知道 r 怎样求O,也就是说怎样从该图上求某种 r循环系数r下的疲劳强度o呢？可r用作图
12、法，自0点作一与水平线成a角的直线，角a根据下式确定:O2O2tg nax naxOb +b1 + rmmax mix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o。 r(3)用b a与u m表示的疲劳图(已知r如何求or)图中横坐标为平均应力o ,m纵坐标为应力幅值o，曲线上各 a点的疲劳强度o =o +o ，使用r m a 时只要知道平均应力 o m 查出对 m应的应力幅值o，或已知应力幅 a值o，查出对应的平均应力o，a m 把它们的纵横坐标加起来就是疲 劳强度o。r曲线与纵轴交点A的纵坐标用一刊二丿;的总疗巧就是对称循环的疲劳强度o r-1曲线与横轴交点B的横坐标就是静载强度
13、o b，此时o = 0、r = 1。ba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 0点作一与水平轴成a角的直线与曲线相交，并使a角满足下式:oo -o1-omixo1-rtga =a=maxmixmaxoo +o1+o1 +rmmaxmixmixomax则交点的纵横坐标之和o +o =o,即为循环系数为r时的疲劳强度m a ro。r例如：求脉动循环r=0的疲劳强度，把r=0代入上式，得tga = 1、 a =45，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o max与o mix表示的疲劳图(已知r如何求or)图中纵坐标表示循
14、环中的最大应力o ，横坐标表示最小应力o ., max 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/ o ）。max数就是应力循环特征系数r （= o .mix例如：由原点向左与横轴倾斜 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BBf即为 交变载荷的疲劳强度。“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o 0。maxITbSKminmm图门 用郛gn表示的疲劳图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 （o、a、C） Paris 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
