焊接接头和结构的疲劳强度

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1、1第第 3 章章 焊接接头和结构的焊接接头和结构的疲劳强度疲劳强度2本章主要内容和重点：本章主要内容和重点： 3.1 焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳 3.1.1 疲劳断裂事例疲劳断裂事例 3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型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疲劳断裂的过程和断口特征 3.3 疲劳载荷及表示法疲劳载荷及表示法 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用中的应用3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素影响焊接结构疲劳强度的因素 3.6.1 应力集中的影响应力集中的影响 3.6.2 近缝区金属性能变化的影近缝区金属性能变化的影响响 3.6.3 剩余

2、应力的影响剩余应力的影响 3.6.4 其他因素的影响其他因素的影响3.7 提高焊接接头疲劳强度的措施提高焊接接头疲劳强度的措施 3第第3章章 焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度3.1 焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳疲劳断裂疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。是金属结构失效的一种主要形式。l工程结构工程结构失效约失效约80以上是由疲劳引起的；以上是由疲劳引起的；l在在某些工业部门某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的，疲劳断裂可占断裂事件的8090；l对于承受对于承受循环载荷循环载荷的焊接构件有的焊接构件有90以上的失效应归咎于疲以上的失效应归咎于疲劳破坏。劳破坏。 在我国，疲劳失效

3、也相当普遍，在在我国，疲劳失效也相当普遍，在能源、交通能源、交通等部门都等部门都很严重。而且随着很严重。而且随着新材料、新工艺新材料、新工艺的不断出现，将会提出许的不断出现，将会提出许多疲劳强度的多疲劳强度的新问题新问题需要研究解决。需要研究解决。 43.1.1 疲劳断裂疲劳断裂事例事例疲劳断裂事故最早发生在疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期，随着铁路运输的开世纪初期，随着铁路运输的开展，机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个疲劳强展，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。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。以后在第二次世界大战期间发生多起飞机疲劳失事事

4、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。的高度。 结构由铆接连接开展到焊接连接后，对疲劳的敏感性和结构由铆接连接开展到焊接连接后，对疲劳的敏感性和产生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳往往是从焊接接产生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳往往是从焊接接头处产生的。头处产生的。 5疲劳断裂的疲劳断裂的事例事例图图3-1，直升飞机起落架的裂，直升飞机起落架的裂纹是从纹是从应力集中应力集中很高的很高的角接板角接板尖端尖端开始的，该机飞行

5、着陆开始的，该机飞行着陆2118次后发生破坏。次后发生破坏。图图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚，汽车底架纵梁的该梁板厚5mm，承受反复，承受反复弯曲应力弯曲应力，在角，在角钢和纵梁的钢和纵梁的焊接处焊接处，因，因应力集中应力集中很高而产生裂纹。该车破坏时已很高而产生裂纹。该车破坏时已运行运行30000km。6 水压机水压机的疲劳裂纹的疲劳裂纹是从是从设计不良设计不良的的焊焊接接头接接头的的应力集中应力集中点点产生的。产生的。 7角焊缝角焊缝改为改为对接焊缝对接焊缝降低疲劳破坏降低疲劳破坏如果在设计中，将易导致疲劳如果在设计中，将易导致疲劳破坏的应力集中系数高的破坏的应力集中系数高的角焊角焊缝缝

6、改为应力集中较小的改为应力集中较小的对接焊对接焊缝缝，疲劳事故就可大大减少。，疲劳事故就可大大减少。 图图3-4b用用锻造法兰锻造法兰代替图代替图a原法兰，将原法兰，将角焊缝角焊缝改为改为对接焊对接焊缝缝大大改善抗疲劳能力。大大改善抗疲劳能力。8原因原因：裂纹部位裂纹部位有有较高的应力集中较高的应力集中所致。所致。措施：措施：采用采用合理的接头设计合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。图图3-5，美国几座桥美国几座桥发生在靠近焊缝端部发生在靠近焊缝端部焊趾部位焊趾部位的疲劳裂纹。的疲劳裂纹。93.1.2 焊接结构常见的焊接结构常见的疲劳类型疲劳类型 疲劳定义

7、疲劳定义：在在循环应力和应变循环应力和应变作用下，在一处或几处产生作用下，在一处或几处产生局部永久性累积局部永久性累积损伤损伤，经，经一定循环次数一定循环次数后产生的后产生的裂纹裂纹或或突然突然发生发生完全断裂完全断裂的过的过程称为疲劳。疲劳可分为程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳高周疲劳和和低周疲劳低周疲劳。高周疲劳高周疲劳：是指材料在是指材料在低于低于屈服点屈服点的循环应力作用下，经的循环应力作用下，经 以上以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅应力幅控制，故又称控制，故又称应力疲劳应力疲劳。低周疲劳低周疲劳：是材料在是材料在接近或超过接近或超过其其屈服点屈

8、服点的循环应力作用下的循环应力作用下,经经低于低于 次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受应变幅应变幅控制，故又称控制，故又称应变疲劳应变疲劳。103.2 疲劳断裂的过程和断口特征疲劳断裂的过程和断口特征疲劳断裂的疲劳断裂的过程过程 疲劳断裂一般由疲劳裂纹的疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成形成、扩展扩展、断裂断裂三个阶段组成。三个阶段组成。 材料在循环载荷作用下，材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹疲劳裂纹总是在总是在应力最高、强度最弱的部位应力最高、强度最弱的部位上上形成形成。对于承受。对于承受循环载荷循环载荷作用的金属材料，由于作用的金属材料，由于晶粒取向晶粒取

9、向不同，以及存在各不同，以及存在各种种宏观或微观缺陷宏观或微观缺陷等原因，每个等原因，每个晶粒的强度晶粒的强度在相同的受力方向上是在相同的受力方向上是各不相同各不相同的；当整体金属还处于的；当整体金属还处于弹性状态弹性状态时，时，个别薄弱晶粒个别薄弱晶粒已进入已进入塑性应变塑性应变状态，这状态，这些些首先屈服的晶粒首先屈服的晶粒可以看成是可以看成是应力集中区应力集中区。一般认为，具有与。一般认为，具有与最大切应力面最大切应力面相一致的滑移面相一致的滑移面的的晶粒晶粒首先开始首先开始屈服屈服，出现，出现滑移滑移。 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

10、入现象，挤入局部向滑移带的纵深开展，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。裂纹扩展的裂纹扩展的第第阶段阶段 当当第第1阶段扩展的裂纹阶段扩展的裂纹遇到遇到晶界晶界时便逐渐时便逐渐改变方向改变方向转到与转到与最大拉应力最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的第第阶段阶段，如图，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

11、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时，构件就到达最终断裂阶段第3阶段。1112裂纹扩展机理裂纹扩展机理-塑性钝化模型塑性钝化模型 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，其尖端处于锋利状态。 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，当拉应力到达最高值时，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

12、。 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*。在断口外表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。133.2.2 疲劳断口的特征疲劳断口的特征 疲劳断口的疲劳断口的宏观断口宏观断口分成三个区：分成三个区： 疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。这三个区。这三个区与与疲劳裂纹疲劳裂纹的的形成、扩展和瞬时断裂形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。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

13、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：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外表；纹源区的断面特征。疲劳裂纹源一般总是发生在外表；但如果构件内部存在缺陷如脆性夹杂物等，也可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。在构件内部产生。 疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以疲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

14、口上常上。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。有几个不同位置的疲劳源。 疲劳裂纹扩展区：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。痕迹。

15、 在实验室作恒应力或恒应变实验时，断口一般无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质状，对于低周疲劳往往观察不到这种贝壳状的推进线。线。 15 瞬时破裂区或称最终破断区：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。其特征与静载拉伸断口中快速的快速破断。其特征与静载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，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。此区为结晶状

16、的脆性断口。 16疲劳辉纹疲劳辉纹的形貌的形貌 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扩展第二阶段的疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展第二阶段的微观特征。通常

17、是明暗交替的有规那么相微观特征。通常是明暗交替的有规那么相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在荷循环。疲劳条纹的间距在0.l0.4m之之间。间。 面心立方金属面心立方金属(如铝及铝合金、不锈钢如铝及铝合金、不锈钢)的疲劳条纹比较清晰、明显。体心立方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，轮廓明显如钢，疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。不明显。 一般焊接结构一般焊接结构所承受的疲劳载荷是一种所承受的疲劳载荷是一种随机载荷随机载荷。实验室实验室多

18、用多用正弦正弦应力或应力或应变应变进行加载。以进行加载。以正弦波正弦波加载来说明加载来说明平均应力平均应力m、应力幅应力幅a和和应力范围应力范围的定义，以及的定义，以及应力比应力比R的关系为：的关系为： 式中，式中，拉应力取正值，压应力取负值拉应力取正值，压应力取负值。 R -l 时，为时，为对称循环应力对称循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用，其疲劳极限或疲劳强度用-1表示；表示； R 0 时，为时，为脉动循环应力脉动循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用，其疲劳极限或疲劳强度用0表示；表示； Rl 时，其各种循环应力，统称为时，其各种循环应力，统称为不对称循环应力不对称循环应力，其疲劳极限或疲劳，其

19、疲劳极限或疲劳 强度用强度用R表示。表示。173.3 疲劳载荷及表示法疲劳载荷及表示法3.3.1 疲劳强度与疲劳图疲劳强度与疲劳图1疲劳载荷疲劳载荷及及应力循环应力循环特征的特征的表示方法表示方法R=(-1R1)0 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那么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 。18 2S-N曲线曲线 1

20、93疲劳图疲劳图 S-N曲线可由曲线可由对称循环应力对称循环应力的试验得到，也可由的试验得到，也可由不对称循环应力不对称循环应力得到；得到；当当应力比应力比R改变改变时，所得的时，所得的S-N曲线也改变曲线也改变。于是，在规定的破坏循环寿命。于是，在规定的破坏循环寿命下，可以根据下，可以根据不同的应力比不同的应力比R得到得到疲劳极限疲劳极限，画出的疲劳极限曲线图，简称，画出的疲劳极限曲线图，简称疲劳图疲劳图。 1 a -m图图(应力幅应力幅-平均应力平均应力) 图图3-14，其纵、横坐标分别代表，其纵、横坐标分别代表a和和m。曲线。曲线ACB为疲劳极限图限，即在曲线为疲劳极限图限，即在曲线AC

21、B以内以内的任意点，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点为静载强度破坏的点，其横坐标值为抗拉强度b。 C点，因点，因OD=DC，又因，又因max =m +a，那么，那么 ： 0-脉动循环应力脉动循环应力的疲劳极限的疲劳极限(2) max(m

22、in) -m图图 (3) max min图图 -自学自学0204应力范围应力范围及其在及其在焊接结构焊接结构疲劳强度研究中的疲劳强度研究中的作用作用 由于焊接结构焊缝及其附近有到达或接近屈服点的剩余应力，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方何。 例如：假设名义应力循环为+1到-2 ，那么其应力范围为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标准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，并不是实

23、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，实际应力那么为名义应力应力集中系数。 应力范围应力范围：21应力范围应力范围在焊接结构疲劳强度研究中的作用在焊接结构疲劳强度研究中的作用-续续 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，那么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

24、(图b) 其应力范围为50MPa，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：在没有焊接剩余应力存在时，例如对于消除应力试样，假设在试样缺口尖端的应力也低于屈服点，即未产生塑性变形，那么名义应力比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

25、行强度设计并确定了各构件截面尺寸和连接细节后,为了防止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： 1容许应力设计法 2. 按考虑细节类型的焊接结构的疲劳设计 2223 它是把各种构件和接头的试验疲劳强度除以一个平安系数它是把各种构件和接头的试验疲劳强度除以一个平安系数(n1)作为容许作为容许应力应力 ，使设计载荷引起的最大应力容许应力。从而确定构件断，使设计载荷引起的最大应力容许应力。从而确定构件断面尺寸的设计方法。面尺寸的设计方法。 1常幅疲劳常幅疲劳 常幅疲劳是所有应力循

26、环的应力范围保持常量的疲劳，按下式计算：常幅疲劳是所有应力循环的应力范围保持常量的疲劳，按下式计算： 式中式中 对于焊接结构，应力范围对于焊接结构，应力范围 =max -min ； 对于非焊接结构为折算应力范围，对于非焊接结构为折算应力范围，=max - 0.7min； 容许应力范围容许应力范围(MPa)。 的计算根据表的计算根据表3-1的连接形式类别：的连接形式类别： 式中式中 n 应力循环次数；应力循环次数； C， 根据表根据表3-2构件和连接的类别，查表构件和连接的类别，查表3-1确定的系数。确定的系数。 1容许应力设计法容许应力设计法(3-1)(3-2)查表3-1和表3-2，确定C，。

27、2425 2变幅疲劳：变幅疲劳： 它是应力循环内的应力范围随机变化的疲劳。假设能它是应力循环内的应力范围随机变化的疲劳。假设能预测结构在使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力预测结构在使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力范围水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，可范围水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，可将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行计算：将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行计算： 式中式中 e变幅疲劳的等效应力范围，按下式确变幅疲劳的等效应力范围，按下式确定：定： 式中式中 ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；命； ni预期寿命内应力范围水平到达

28、预期寿命内应力范围水平到达i的的应力循环次数。应力循环次数。 容许应力范围与常幅疲劳的容许应力范围与常幅疲劳的相同。相同。 (3-4)极限状态极限状态设计法设计法容许应力设计方法是建立在大量的试验资料和多年经验根底上容许应力设计方法是建立在大量的试验资料和多年经验根底上的设计方法，当疲劳载荷引起的应力偏差很大时，她往往是的设计方法，当疲劳载荷引起的应力偏差很大时，她往往是不经济的。目前工程结构的设计的总趋势是由容许应力设计不经济的。目前工程结构的设计的总趋势是由容许应力设计法向极限状态设计法过渡。法向极限状态设计法过渡。极限状态设计法是以可靠理论为根底，把疲劳载荷和各种接头极限状态设计法是以可

29、靠理论为根底，把疲劳载荷和各种接头的疲劳强度看作为按一定概率密度函数分布的变量，根据这的疲劳强度看作为按一定概率密度函数分布的变量，根据这两个变量的期望值和可能的变异性计算出结构设计寿命终止两个变量的期望值和可能的变异性计算出结构设计寿命终止时的存活概率，据此来决定构件的断面尺寸。时的存活概率，据此来决定构件的断面尺寸。这种方法并不意味着结构设计寿命终了时结构立即报废，而是这种方法并不意味着结构设计寿命终了时结构立即报废，而是反映结构抗疲劳的平安水平。反映结构抗疲劳的平安水平。27 2. 按按考虑细节类型考虑细节类型的焊接结构件及接头的的焊接结构件及接头的疲劳强度设计曲线疲劳强度设计曲线进行循

30、环加载焊接钢结构的进行循环加载焊接钢结构的设计设计 1疲劳强度设计曲线：一般的焊接结构通常采用细节分类法进行疲劳评定。细节类型的划分考虑接头的形式以及构造细节局部应力集中、受力方向、冶金效应、剩余应力、疲劳裂纹形状，在某些情况下还考虑焊接工艺和焊后的改进措施。 此处此处“疲劳强度疲劳强度 ：指给定一：指给定一定循环次数定循环次数(如如200万次万次)的应力的应力范围。范围。疲劳级别疲劳级别FAT：它指出在：它指出在200万万次次(2l06次次)循环次数下特定循环次数下特定的疲劳强度。的疲劳强度。 如如S-N曲线的曲线的125表示其在表示其在2106循环次数下的以应力范循环次数下的以应力范围围(

31、最大最大-最小应力之差最小应力之差)表征表征的疲劳强度为的疲劳强度为125MPa，112那那么表示在相同应力循环次数下么表示在相同应力循环次数下的疲劳强度为的疲劳强度为112MPa等。等。28铝结构件的疲劳强度铝结构件的疲劳强度添加了铝合金的不同接头的添加了铝合金的不同接头的S-N曲线分类曲线分类(图图3-20)。各条。各条S-N曲线具有相同曲线具有相同的的m值即相同的斜率，值即相同的斜率，m与循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表示与循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表示为：为：式中，式中，C为常数，它决定为常数，它决定S-N曲线的位置。曲线的位置。 (3-5)292细节类别细节类别 具体的不

32、同钢结构件的FAT值见表3-3 - P118页。表中FAT值是根据实验研究定出的，纳入以下事实和影响： 焊接结构的细节：焊缝形状所引起的局部应力集中；一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差；应力方向；剩余应力；冶金状态；焊接过程和随后的焊缝改善处理。 如果构件和接头中还存在其他原因所产生的应力集中，由于表3-3的FAT并未考虑之，因此在疲劳载荷计算中要乘以该应力集中系数，或将对应的FAT值除以该应力集中系数。303.4 断裂力学断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用在疲劳裂纹扩展研究中的应用 传统的疲劳设计方法：假定材料是无裂纹的连续体，经过一定的应力循环次数后，由于疲劳累积损伤而形成裂纹，再经裂纹扩展阶

33、段直到断裂。 常规的疲劳计算就是在疲劳试验的大量统计结果上，获得应力-寿命即S-N曲线，然后在此根底上利用疲劳图并给以一定的平安系数进行设计和选材。 应用断裂力学的疲劳设计方法：实际构件由于各种原因(如焊接、铸造、锻造等)往往不可防止地会产生各种缺陷及裂纹。带有裂纹的构件，在循环应力和应变作用下，裂纹可能逐渐扩展。 应用断裂力学把疲劳设计建立在构件本身存在裂纹这一客观事实的根底上，按照裂纹在循环载荷下的扩展规律，估算结构的寿命。这是保证构件平安工作的重要途径，同时也是对传统疲劳试验和分析方法的一个重要补充和开展。 313.4.1 裂纹的裂纹的亚临界扩展亚临界扩展 假假设构件承受一个低于c但又足

34、够大的循环应力，那么这个初始裂纹0便会发生缓慢扩展，当到达临界裂纹尺寸c时，会使构件发生破坏。裂纹在循环应力作用下，由初始值0到临界值c这一段扩展过程就是疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。图3-22 亚临界裂纹扩展与临界裂纹尺寸0一个含有初始裂纹一个含有初始裂纹a0的构件，当承受静载荷时，只有在应力水平的构件，当承受静载荷时，只有在应力水平到达临界应力到达临界应力c时时(图图3-22)，即：当其裂纹尖端的应力强度因子，即：当其裂纹尖端的应力强度因子到达临界值到达临界值KIC(KC)时，才会发生失稳破坏。时，才会发生失稳破坏。32疲劳裂纹疲劳裂纹扩展速率扩展速率 式中 K应力强度因子范围(K=Kmax-

35、Kmin)； KIC 应力强度因子的临界值； C、m由材料决定的常数； R平均应力的应力比。 疲劳裂纹扩展的疲劳裂纹扩展的寿命估算寿命估算帕瑞斯帕瑞斯Paris半经验定律：应力强度因子半经验定律：应力强度因子K既然能够表示裂纹尖端的应既然能够表示裂纹尖端的应力场强度，那么就可以认为力场强度，那么就可以认为K值是控制裂纹扩展速率的重要参量。值是控制裂纹扩展速率的重要参量。帕瑞斯帕瑞斯Paris规律公式：规律公式：福尔曼福尔曼Forman修正公式：修正公式：3.5 应变疲劳应变疲劳 前面讨论是在前面讨论是在应力循环应力循环条件下裂纹在条件下裂纹在弹性区范围弹性区范围内的扩展规律。内的扩展规律。这些

36、规律的适用范围是低应力、高循环寿命、低扩展速率。在这些规律的适用范围是低应力、高循环寿命、低扩展速率。在上述条件下获得上述条件下获得dadN与与K之间的之间的指数关系指数关系，反映金属材料，反映金属材料疲劳裂纹扩展的疲劳裂纹扩展的一般规律一般规律。 -高周疲劳高周疲劳 但是，但是，指数规律指数规律不能用来表征不能用来表征高应变循环高应变循环条件下的裂纹扩条件下的裂纹扩展规律。展规律。 -低周疲劳低周疲劳 3.5.1 应力和应变循环应力和应变循环 应力循环疲劳应力循环疲劳即即高周疲劳高周疲劳，它是控制，它是控制应力范围应力范围 ； 应变循环疲劳应变循环疲劳也称为也称为低周疲劳低周疲劳，它是控制，

37、它是控制应变范围应变范围 。其中，其中，低周疲劳低周疲劳是材料在是材料在接近或超过其屈服点接近或超过其屈服点的循环应力，经的循环应力，经低于低于 次次塑性应变循环塑性应变循环而产生的疲劳。而产生的疲劳。3.5.1 应力和应变循环应力和应变循环-续续 图3-27为循环载荷条件下可能发生的应力-应变关系。当在完全弹性范围内变化时，如图 a；当交变载荷包含塑性区时，图b，在每个循环中应力-应变关系不再是线性的，而是按滞后曲线BCDEB变化。 是总应力范围， 是总应变范围，它包括两局部：控制应变控制应变疲劳试验可分为：疲劳试验可分为：控制总应变幅控制总应变幅和和控制塑性应控制塑性应变幅变幅两种。两种。

38、 一般认为，一般认为，塑性应变幅塑性应变幅产生疲劳损伤。用产生疲劳损伤。用控制塑性控制塑性应变幅应变幅试验所得的试验数据，试验所得的试验数据，更能揭示更能揭示低周疲劳低周疲劳破坏的实破坏的实质。所以一般都采用质。所以一般都采用控制塑控制塑性应变幅性应变幅。 弹性应变弹性应变塑性应变塑性应变3.5.2 S-N曲线曲线 对塑性材料作一系列的对称循环试验，用双对数坐标作塑性应变幅 与寿命Nc关系曲线，得图3-28直线1。 在疲劳强度试验中，因为在弹性范围内，可以用-N直接表示。为了与直线相比较，将应力幅 用 的关系换成应变幅，如图中的直线2。 进一步分析，图3-28曲线1是塑性应变幅与NC的关系曲线

39、，即低周疲劳的S-N曲线；曲线2是在弹性范围内由应力幅与NC的关系曲线转化而来的，是高周疲劳的S-N曲线。这两线的交点P，表示低周疲劳与高周疲劳的分界点过渡寿命点。在P点的右侧，弹性应变起主导作用，在P点的左侧塑性应变起主导。或者说，P点的右侧为高周疲劳区，P点的左侧是低周疲劳区。 在图在图3-28中还根据试验数据，画出了中还根据试验数据，画出了总应变幅总应变幅2(弹性应变幅弹性应变幅与与塑性应变塑性应变幅之和幅之和)与与NC的关系的关系曲线曲线3。由图可看出：。由图可看出：在在P点左侧点左侧，曲线，曲线3与与低周疲劳的直线低周疲劳的直线1逼逼近近；在；在P点的右侧点的右侧，曲线，曲线3与与高

40、周疲劳的直高周疲劳的直线线2逼近逼近。 当材料当材料强度强度提高时，提高时，P点左移；材料点左移；材料的的韧度韧度提高时，提高时，P点右移。点右移。塑性弹性高周疲劳区低周疲劳区应变疲劳寿命应变疲劳寿命 低周疲劳的科芬低周疲劳的科芬-曼森曼森(coffin-Manson)公式：公式： 式中式中 塑性应变范围；塑性应变范围； Nc 材料到达疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿材料到达疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命；命； 材料的塑性指数，材料的塑性指数，=0.30.8； C与静拉伸断裂应变有关的常数。与静拉伸断裂应变有关的常数。 上式上式 假设参量假设参量a及及C，能画出材料的滞回线，由图，能画出材料的滞回

41、线，由图3-27b可可求得求得 ，即可得到疲劳寿命，即可得到疲劳寿命N。3-13373.6 影响影响焊接结构疲劳强度的焊接结构疲劳强度的因素因素影响因素影响因素3. 残余应力的影响残余应力的影响4.383.6.1 应力集中应力集中的影响的影响 不合理的设计、接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷未焊透、咬边等是产生应力集中的主要原因。1. 各种接头各种接头对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响1对接接头对接接头 疲劳强度最高。因这种接头形状的变化程度较小，应力集中系数最低。 其疲劳强度主要取决于焊缝向根本金属过渡的形状。过大的余高和过大的根本金属与焊缝金属间的过渡角都会增加应力集中，使接头的疲劳极限下降

42、。图3-29 过渡角口以及过渡圆弧半径R对 对接接头疲劳极限的影响40机械加工机械加工对焊接接头疲劳性能的影响对焊接接头疲劳性能的影响 对焊缝外表进行机械加工，应力集中程度大大降低，从而使对接接头的疲劳极限相应提高。 但是这种外表机械加工的本钱很高，在一般情况下，是没有必要的。尤其是带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，其缺陷处或焊缝根部尤其是带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，其缺陷处或焊缝根部的应力集中要比焊缝外表严重得多。所以在这种情况下焊缝外表的应力集中要比焊缝外表严重得多。所以在这种情况下焊缝外表的机械加工没有意义。的机械加工没有意义。41 2T形和十字接头形和十字接头 在焊缝向根本金属过渡处

43、有明显的截面变化，其应力集中系数比对接接头的高。因此疲劳极限低于对接接头。 表3-7结果说明：不开坡口的十字接头由于在焊缝根部形成严重的应力集中，破坏从焊缝根部开始，破坏面通过焊缝，其疲劳极限值最低。 构件开坡口可以改善接头中的应力分布条件，降低接头中的应力集中。这种接头的疲劳极限值比不开坡口时高，破坏时一般是由焊缝向根本金属过渡处-焊趾部位开始。 如果在焊趾部位处进行加工，使其为圆滑过渡，接头的疲劳极限进一步提高，并与根本金属相当。3搭接接头 疲劳极限是最低的。仅有侧面焊缝搭接接头的疲劳极限最低，只到达根本金属的34。 注意：采用所谓“加强盖板的对接接头是极不合理的。原来疲劳极限较高的对接接

44、头被大大削弱。422焊接工艺缺陷焊接工艺缺陷对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 焊接时产生的焊接时产生的各种缺陷各种缺陷，将在构件中引起很大的，将在构件中引起很大的应力集中应力集中。在循环载荷下，有在循环载荷下，有缺陷的焊缝区缺陷的焊缝区常常是结构破坏的常常是结构破坏的发源地发源地。 各种缺陷对接头疲劳强度影响：各种缺陷对接头疲劳强度影响： 1平面形状缺陷平面形状缺陷(如裂纹、未如裂纹、未焊透焊透)比立体形状缺陷比立体形状缺陷(如气孔、夹如气孔、夹 渣渣)影响大；影响大； 2外表缺陷比内部缺陷影响大；外表缺陷比内部缺陷影响大； 3与作用力方向垂直的平面状与作用力方向垂直的平面状缺陷的影响比不垂直

45、方向的大；缺陷的影响比不垂直方向的大； 4位于剩余拉应力场内的缺陷位于剩余拉应力场内的缺陷比在剩余压应力场内的缺陷影响大；比在剩余压应力场内的缺陷影响大； 5位于应力集中区的缺陷位于应力集中区的缺陷(如如焊趾裂纹焊趾裂纹)比在均匀应力场中同样缺比在均匀应力场中同样缺陷的影响大。陷的影响大。 6随着未焊透的增加，疲劳极随着未焊透的增加，疲劳极限迅速下降图限迅速下降图3-34。43 典型的焊接缺陷，典型的焊接缺陷，A组的影响组的影响比比B组组的影响大。的影响大。 典型缺陷典型缺陷在在不同位置不同位置和和不同载荷不同载荷下对疲劳强度的影响下对疲劳强度的影响443.6.2 近缝区近缝区金属性能变化金属

46、性能变化的影响的影响低碳钢焊接接头：低碳钢焊接接头：1在常用的热输入下焊接，低碳钢近缝区金属力学在常用的热输入下焊接，低碳钢近缝区金属力学性能的变化对接头的疲劳强度影响较小。性能的变化对接头的疲劳强度影响较小。2只要在非常高的热输入下只要在非常高的热输入下焊接焊接(在生产实际中很少采用在生产实际中很少采用)，才能使焊接热影响区对应力集中才能使焊接热影响区对应力集中的敏感性下降，其疲劳极限可比的敏感性下降，其疲劳极限可比母材高得多。母材高得多。 (图图3-35)低合金钢低合金钢焊接接头焊接接头： 低合金钢的情况比较复杂。在热循环下，热影响区的力学性能低合金钢的情况比较复杂。在热循环下，热影响区的

47、力学性能变化比低碳钢大。变化比低碳钢大。 试验说明：试验说明：低合金钢低合金钢的的化学成化学成分分、金相组织和力金相组织和力学性能学性能的的不一致性不一致性，在在有应力集中有应力集中或或无无应力集中应力集中时都对疲时都对疲劳强度的劳强度的影响不大影响不大。3.6.3 剩余应力的影响剩余应力的影响 焊接剩余应力对结构疲劳强度的影响是人们广泛关心的问题，对于这个问焊接剩余应力对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大量的试验研究工作。题人们进行大量的试验研究工作。 试验时往往采用有焊接应力的试件和经过热处理消除内应力后的试件进试验时往往采用有焊接应力的试件和经过热处理消除内应

48、力后的试件进行疲劳试验，并作比照。行疲劳试验，并作比照。 由于焊接剩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，由于焊接剩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局部恢复材料的性能。因此，对于而热处理在消除内应力的同时也恢复或局部恢复材料的性能。因此，对于试验的结果就产生不同的解释，对内应力的影响也有了不同的评价。试验的结果就产生不同的解释，对内应力的影响也有了不同的评价。 但对有刻槽试件的研究说明，由于在刻槽根部有应力集中存在，接头中但对有刻槽试件的研究说明，由于在刻槽根部有应力集中存在，接头中的剩余应力不易调匀，所以它们对疲劳强度的

49、影响是很明显的。的剩余应力不易调匀，所以它们对疲劳强度的影响是很明显的。 下面通过几个具体试验研究的结果来说明焊接剩余应力对疲劳强度的影响。下面通过几个具体试验研究的结果来说明焊接剩余应力对疲劳强度的影响。471不同焊接顺序获得不同焊接应力分布试件的比照不同焊接顺序获得不同焊接应力分布试件的比照试验试验图图3-37中，中，A组先焊纵向组先焊纵向焊缝焊缝1，后焊横向焊缝，后焊横向焊缝2。B组试件先焊横向焊缝组试件先焊横向焊缝1，后焊纵向焊缝后焊纵向焊缝2。在焊缝。在焊缝交叉处焊接剩余拉应力：交叉处焊接剩余拉应力：A组组B组。组。疲劳强度：疲劳强度：A组组B组。组。 实验没有采用热处理消实验没有采

50、用热处理消除内应力。比较明确地说除内应力。比较明确地说明内应力的作用。即：构明内应力的作用。即：构件中的剩余拉应力越低，件中的剩余拉应力越低，其疲劳强度越高。其疲劳强度越高。482在在不同应力比不同应力比R下下内应力内应力的影响的影响 对称循环交变载荷对称循环交变载荷(R= -1)消除内应力消除内应力试件的疲劳极限接近试件的疲劳极限接近130MPa，而，而未未消除消除内应力的仅为内应力的仅为75MPa；在在脉动循环交变载荷脉动循环交变载荷下下(R=0)两组试两组试件的件的疲劳极限相同疲劳极限相同，为，为185MPa；当当R=0.3时，经时，经热处理消除内应力热处理消除内应力的的试件疲劳极限反而

51、略试件疲劳极限反而略低于低于未热处理未热处理的的试件。试件。 试验采用14Mn2低合金结构钢，试件有一条横向对接焊缝，并在正反两面堆焊纵向焊道各一条。一组试件焊后作消除内应力热处理，另一组未经热处理，然后进行疲劳强度比照试验。采用三种应力比R= -l，0，+0.3进行疲劳试验，试验结果见图3-38。 49产生上述现象的产生上述现象的原因原因： 在minmax值比较高时，例如在脉动循环载荷下(R= 0) ，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minmax增大到(R= 0.3) 时，内应力在载荷作用下，进一步降低，实际上对疲劳强度已不起

52、作用。而热处理在消除内应力的同时，又消除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。 在对称循环交变载荷(R= -1)试件里，这个有利影响并缺乏以抵消内应力的不利影响。而在脉动载荷R= 0试件里正好抵消剩余内应力的不利影响。 因此，焊接内应力对疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特征有关。总之，在总之，在minmax值即值即R值较低时，影响较大。值较低时，影响较大。 503内应力在有内应力在有应力集中应力集中试件内的影响试件内的影响 消除内应力消除内应力后试件的后试件的疲劳强度疲劳强度均高于均高于未经未经热处理热处理的试件。的试件。在这个试验中，内应在这个试验中，内应力的

53、作用在力的作用在脉动载荷脉动载荷下下(R=0)仍有反映。仍有反映。说明说明内应力的影响内应力的影响：在应力集中较高时更在应力集中较高时更大。大。 试件带试件带纵向短肋板纵向短肋板，具有，具有较高的应力集中系数较高的应力集中系数(应力集中严重应力集中严重程度不同程度不同)。 513.6.4 其他因素的影响其他因素的影响 1材料性质的影响材料性质的影响 当无应力集中时，材料的当无应力集中时，材料的疲劳强度与屈服点成正比，疲劳强度与屈服点成正比，对于光滑试件，材料的疲对于光滑试件，材料的疲劳极限随着材料强度以约劳极限随着材料强度以约50的比率增加。所以，的比率增加。所以，屈服点较高的低合金钢比屈服点

54、较高的低合金钢比低碳钢具有更高的疲劳极低碳钢具有更高的疲劳极限。限。 高强度钢对应力集中高强度钢对应力集中非常敏感，当结构中有应非常敏感，当结构中有应力集中时力集中时,高强度低合金钢高强度低合金钢的疲劳强度下降得比低碳的疲劳强度下降得比低碳钢快；钢快； 当应力集中因素到达当应力集中因素到达某种程度时，两种钢的疲某种程度时，两种钢的疲劳极限相同或相差无几，劳极限相同或相差无几，图图3-40。 522结构尺寸结构尺寸的影响的影响 疲劳强度疲劳强度在很大程度上决定于在很大程度上决定于结构截面尺寸结构截面尺寸。当结构。当结构尺寸增加尺寸增加时，时，疲劳强度疲劳强度将会将会降低降低。这可能是由于结构。这

55、可能是由于结构尺寸增加，其尺寸增加，其缺陷缺陷也必将也必将增加增加；或者是焊缝；或者是焊缝缺陷缺陷在在小小构件构件上所引起的上所引起的应力集中应力集中要比在要比在大构件大构件中中小些小些等原因等原因所致。所致。 因而在考虑材料的因而在考虑材料的疲劳强度疲劳强度时，必须注意时，必须注意绝对尺绝对尺寸寸这一这一不良影响不良影响。 533.7 提高焊接接头疲劳强度的提高焊接接头疲劳强度的措施措施改善措施：改善措施：降低应力集中降低应力集中调整剩余应力场消除剩余拉应力或产调整剩余应力场消除剩余拉应力或产生剩余压应力生剩余压应力特殊保护措施如塑料保护涂层特殊保护措施如塑料保护涂层541. 降低应力集中降

56、低应力集中 (1) 采用合理的结构形式采用合理的结构形式 这可以减小应力集中，这可以减小应力集中，提高疲劳强度。提高疲劳强度。 图图3-41为几种设计方案为几种设计方案的正误比较。的正误比较。 a推荐设计方案推荐设计方案 b力求防止的设计方力求防止的设计方案案推荐方案避免方案55(2) 尽量采用尽量采用应力集中系数小应力集中系数小的的焊接接头焊接接头 但凡结构中承受交变载荷的构件，都应当尽量采用对接接头或开坡口的T形接头；搭接接头或不开坡口的T形接头，应力集中较为严重，应力求防止采用。56还应当指出还应当指出：对接焊缝，对接焊缝，只有保证连接件的只有保证连接件的截面没有突然截面没有突然改变改变

57、的情况下的情况下传力传力才是才是合理合理的。的。图图3-43a，一个设计不好的底盘，一个设计不好的底盘框架的框架的“垂直角部垂直角部A点，有不点，有不可防止要破坏的危险；可防止要破坏的危险；图图b，把一块三角形加强板对焊，把一块三角形加强板对焊到这个角上。到这个角上。 这种措施只是把破坏点由这种措施只是把破坏点由A点移至焊缝端部点移至焊缝端部B点，因为在点，因为在该处接头形状突然改变，仍存在该处接头形状突然改变，仍存在严重的应力集中。严重的应力集中。最好改善方法：把两翼缘之间的最好改善方法：把两翼缘之间的垂直连接改用一块曲线过渡板，垂直连接改用一块曲线过渡板，用对接焊缝与构件拼焊在一起，用对接

58、焊缝与构件拼焊在一起，图图c。图3-43 焊接框架角部设计的改善a) A角有严重应力集中的设计 b) 小改进，B角仍有严重的应力集中c) 减小应力集中，使焊缝远离应力集中区的改进方案(2) 采用采用应力集中系数小应力集中系数小的的焊接接头焊接接头-续续57(3) 采取妥善的工艺措施采取妥善的工艺措施 1) 减少焊接缺陷等。对接焊缝一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质减少焊接缺陷等。对接焊缝一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高，其中存在严重缺陷，那么疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊量不高，其中存在严重缺陷，那么疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝。缝。 当采用角焊缝时，须采取综合措施

59、来提高接头的疲劳强度如机械加工当采用角焊缝时，须采取综合措施来提高接头的疲劳强度如机械加工焊缝端部、合理选择角接板形状、焊缝根部保证熔透等焊缝端部、合理选择角接板形状、焊缝根部保证熔透等 。采取这些措施。采取这些措施可以降低应力集中，并消除剩余应力的不利影响。采用综合处理后，低碳钢可以降低应力集中，并消除剩余应力的不利影响。采用综合处理后，低碳钢接头处的疲劳强度提高接头处的疲劳强度提高313倍，对于低合金钢，效果更显著。倍，对于低合金钢，效果更显著。 2) 外表机械加工。这种方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，可大大降外表机械加工。这种方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，可大大降低构件的应力集中程度，

60、提高接头的疲劳强度。但是机械加工的本钱极高，低构件的应力集中程度，提高接头的疲劳强度。但是机械加工的本钱极高，因此只有在真正受益和确实能加工到的地方，才适宜进行这种加工。因此只有在真正受益和确实能加工到的地方，才适宜进行这种加工。 此外，对带有严重刻槽不用封底焊的焊缝，其根部应力集中要比焊缝外表的此外，对带有严重刻槽不用封底焊的焊缝，其根部应力集中要比焊缝外表的应力集中严重得多，焊缝外表的机械加工将变得没有意义。应力集中严重得多，焊缝外表的机械加工将变得没有意义。 另外，采用电弧整形的方法可以代替机械加工的方法使焊缝与母材之间另外，采用电弧整形的方法可以代替机械加工的方法使焊缝与母材之间平滑过

61、渡。采用钨极氩弧焊在焊接接头的过渡区重熔一次，不仅可使焊缝与平滑过渡。采用钨极氩弧焊在焊接接头的过渡区重熔一次，不仅可使焊缝与母材之间平滑过渡，而且还减少该部位的微小非金属夹杂物，从而提高接头母材之间平滑过渡，而且还减少该部位的微小非金属夹杂物，从而提高接头的疲劳强度。的疲劳强度。 3) 开缓和槽开缓和槽583) 开缓和槽开缓和槽 在有些情况下，可以通过在有些情况下，可以通过开缓和槽开缓和槽，使，使力线力线绕开绕开焊缝焊缝的的应应力集中力集中处，从而提高接头的疲劳强度。处，从而提高接头的疲劳强度。592调整剩余应力场调整剩余应力场 (1) 整体处理整体处理 整体退火方法：不一定都能提高构件的疲

62、劳强度。实整体退火方法：不一定都能提高构件的疲劳强度。实践说明，退火后的焊接构件在某些情况下能够提高构践说明，退火后的焊接构件在某些情况下能够提高构件的疲劳强度，而在某些情况下反而有所降低。件的疲劳强度，而在某些情况下反而有所降低。 一般情况下在循环应力较小或应力比一般情况下在循环应力较小或应力比R较低、应较低、应力集中较高时，剩余拉应力的不利影响增大，退火是力集中较高时，剩余拉应力的不利影响增大，退火是有利的。有利的。 超载预拉伸方法：可降低剩余拉应力，甚至在某些条超载预拉伸方法：可降低剩余拉应力，甚至在某些条件下可在缺口尖端处产生剩余压应力。因此，可以提件下可在缺口尖端处产生剩余压应力。因

63、此，可以提高接头疲劳强度。高接头疲劳强度。60(2) 局部处理局部处理 采用局部加热或挤压可以调节焊接剩余应力场，在应力集中处产生剩余压应力。 对“盖板型试件(图3-45)进行局部加热前后在2106次循环时取得的疲劳极限。 图图3-46是是局部加热局部加热后提高试件疲劳强度的后提高试件疲劳强度的效果显著效果显著。尤其是在。尤其是在高循环高循环周次周次即即长寿命长寿命时疲劳强度提高得时疲劳强度提高得更显著更显著。61 表3-8是不同研究者对“盖板型试件(图3-45)进行局部加热前后在2106次循环时取得的疲劳极限。 62(2) 局部处理局部处理-挤压调节焊接剩余应力场挤压调节焊接剩余应力场 图图

64、3-47为带有不承载为带有不承载纵向角焊缝纵向角焊缝的的低碳钢低碳钢与与高强度钢高强度钢试件试件进行进行局局部压缩处理部压缩处理前后的前后的S-N曲线。曲线。 在在原焊接状态原焊接状态时两种钢的时两种钢的S-N曲线曲线没有区别没有区别。经。经压缩处理压缩处理后，后，高强度钢高强度钢比比低碳钢低碳钢提高疲劳强度提高疲劳强度的效果的效果更显著更显著，两种钢在，两种钢在2106次次循环时相应的提高量分别是循环时相应的提高量分别是109与与74。图3-47 对带有不承载纵向角焊缝的低碳钢与高强度钢试件进行局部压缩处理时对强度的影响低碳钢用19mm直径压模加压 低碳钢用44mm直径压模加压 高强度钢用4

65、4mm直径压模加压图3-38 带有不承载纵向角焊缝试件63(3) 外表强化处理外表强化处理 它是一种冷作加工，是用风开工具操作的锤头锤击焊缝外表，或用小钢丸喷射(即喷丸处理)焊缝区等。经过这样处理后，不但形成有利的外表压应力，而且使材料局部加工硬化，从而提高接头的疲劳强度。 表3-9为用不同方法撞击硬化后，带有不承载角焊缝的低碳钢试件在2106次循环时的疲劳极限比较。3特殊保护措施特殊保护措施 大气及介质侵蚀往往对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有利的。 例如：在应力集中处涂上含填料的塑料层是一种实用的改进方法。-腐蚀疲劳654. 几种改善疲劳强度方法的比较几种改善疲劳强度方法的

66、比较 图图3-48中，超载预拉伸方法明显地比撞击硬中，超载预拉伸方法明显地比撞击硬化或化或“全磨削的效果差些全磨削的效果差些,而而TIG修整对疲修整对疲劳强度的改善效果最显著。劳强度的改善效果最显著。 究竟什么方法是最满意呢？决定于结构受到究竟什么方法是最满意呢？决定于结构受到作用的应力水平。作用的应力水平。 如果应力低而循环次数多，那么调整剩余应力方如果应力低而循环次数多，那么调整剩余应力方法中的任何一个都可能是最有利的；法中的任何一个都可能是最有利的；如果应力高而循环次数又相当少时如果应力高而循环次数又相当少时,采用局部机采用局部机加工方法将会得到满意的结果。加工方法将会得到满意的结果。当有高、低两种应力时，采用焊趾磨削和当有高、低两种应力时，采用焊趾磨削和TIG修修整，而不用调整剩余应力的改善方法。整，而不用调整剩余应力的改善方法。 66结结 束束