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1、焊接结构的疲劳断裂,本章内容：1.焊接结构疲劳失效的分类及危害 2.焊接疲劳断裂的特征 3.焊接结构疲劳的原因及影响因素 4.焊接结构疲劳的防治措施,疲劳断裂是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，约占失效结构的90%。疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样。两者比较，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的影响比较小。,一、疲劳断裂示例,1、疲劳断裂的示例：疲劳事故最早
2、发生在 19 世纪初期。疲劳一般从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生，下图 是几个典型的焊接结构疲劳断裂事例。,下图为直升飞机起落架的疲劳断裂图，裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低周疲劳。,下图为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂，该梁板厚5mm，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，该车破坏时已运行30000Km。,下图表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝而导致疲劳断裂，改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。,下图水压机疲劳断裂事例，很明显，疲劳裂纹是从设计不良的焊
3、接接头的应力集中点产生的。,焊接结构较其它结构（如铆接结构）更容易产生疲劳断裂，这是因为：1）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至整个构件断裂。2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。,火车轴（弯曲）曲轴（扭转）,齿轮齿根（弯曲）,球轴承（压缩）,二、疲劳断裂概念,2.疲劳破坏的概念 钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂，所以
4、疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。,折铁丝,三、疲劳极限,3疲劳极限 金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力，在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”，,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1=(0.450.55)b条件疲劳极限：,钢材的循环次数一般取 N=107,有色金属的循环次数一般取 N=108,陶瓷、高分子材料疲劳抗力很低；金属材
5、料疲劳强度较高；纤维增强复合材料较好的抗疲劳性能。,四、疲劳断裂的类型,4.疲劳断裂的类型1、低周疲劳。由反复塑性变形所造成的破坏称为低周疲劳。低周疲劳的循环应力很高，接近或超过材料的屈服点，在每次循环中，材料都产生一定的塑性变形，在这种情况下，加载时的频率不可能很高，一般为0.2-0.5HZ，断裂周次很低，在104-105次以下。例如，锅炉及压力容器的每一次升压“降压便产生了一次塑性变形循环，在使用期间这种反复塑性变形循环的积累，就可能造就其低周疲劳破坏。,低周疲劳的特点 1、局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命
6、取决于塑性应变幅。,多数零件按疲劳极限进行设计；有些零件承受的交变应力远高于疲劳极限，用过载持久值进行设计。低周疲劳 N105,2、热疲劳。工作过程中，受反复加热和冷却的元件，在反复加热和冷却的交变温度下，元件内部产生较大的热应力，由于热应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）在长期运行中受热不均匀经受较大的交变热应力，致使集箱产生热疲劳破坏。,1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。,2、热应力的产生 外部约束 不让材料自由膨胀；内部约束 温度梯度
7、，相互约束，产生热应力。热应变 导致裂纹的萌生，扩展。3、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径 材料 减小热膨胀系数，提高，均匀性，高温强度。工件状况 减小应力集中。使用 减小热冲击。,3、接触疲劳 1、基本概念 对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种 接N，接1/N。2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。,3、接触疲劳破坏方式（1）麻点剥落 局部塑性变形，产生裂纹、扩展（
8、滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑（2）浅层剥落 最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化。（3）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。,五、载荷的概念,所谓静荷载是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不变或变动很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小可忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力。相反，若构件在荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷载随时间有显著的变化，这类荷载称为动荷载。交变应力
9、工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。,三、应力幅：,二、平均应力：,曲线称为应力谱。应力重复变化一次的过程，称为一个应力循环。应力重复变化的次数，称为应力循环次数。,四、几种特殊的交变应力：,1.对称循环：,s,3.静循环：,五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。,t,2.脉动循环：,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。最大应力 max最小应力 min幅应力 a平均应力 m应力比 r,1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。变化分为周期性，无规则性。相对应的应
10、力，称为变动应力。2、循环应力 循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。（1）循环应力的描叙 平均应力 m=1/2（max+min）应力幅 a=1/2（max-min）应力比=min/max（2）循环应力的种类（See Fig 52/P108）对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。,反复作用的荷载值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保持常量，称为常幅疲劳。若反复荷载作用下，应力循环内的应力随时间随机变化，则称为变幅疲劳。其循环应力谱如图2和图3所示。,图2 常幅应力循环的谱,(b)脉冲循环,(a)完全对称循环,(c)不完全对称循环,(d)不完全对称循环,图3 变幅应力循环的
11、谱,反复荷载引起的应力循环形式有同号应力循环和异号应力循环两种类型。循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值最大的峰值之比称为应力循环特征值，当为拉应力时，或取正号；当为压应力时，或取负号。,最大应力和最小应力符号相反而其绝对值相等，即p=-1（图1a），称为对称循环。当最大应力为拉应力而最小应力为零时，（图19-5c），称为脉冲循环。,例如齿轮上任一齿的齿根处A点的应力(图(a)），在传动过程中，轴每转一周该齿啮合一次，A点的弯曲正应力就由零变到最大值，然后再回到零。齿轮不停地转动，应力就不断地作周期性变化，如图(b)所示。,结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏。,六、疲劳破坏的特点及特征,疲
12、劳破坏的特点（1）交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力破坏）。（2）无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为脆性断裂，没有明显的塑性变形。（3）材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应力越大，循环次数越少。（4）断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即光滑区域和粗糙区域，如图所示。,疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外荷载时，零件就突然断裂。,疲劳断口的特征,疲劳断口,（a）（b）图8-8 疲劳断
13、口（a）疲劳断口宏观形貌（b）疲劳条纹的微观图象,疲劳源,1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲劳区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。返回,零件所用材料的内部缺陷、加工缺陷、设计欠缺等引起局部应力集中，这些局部区域成为裂纹的产生地，即疲劳裂纹源区。,疲劳源区,疲劳裂纹扩展区,疲劳裂纹
14、形成后，在交变应力的作用下，裂纹口不断张开和闭合，裂纹表面相互摩擦，裂纹向前扩展的同时留下一条条光亮的弧线，称疲劳线。疲劳线呈“贝壳状”或“海滩状”，这是疲劳断裂的重要特征。,最后断裂区,随着裂纹的扩展，有效承载面积减小，应力增加，当应力超过材料的断裂强度时，即发生快速断裂。此区同静载脆断断口，呈放射状。,疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌,一个疲劳源,两个疲劳源,微裂纹,疲劳条纹,断口特征,七、疲劳断裂的过程及机理,疲劳破坏的过程及机理构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过程。三个阶段组成：1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；2）裂纹稳定扩展；3）结构断裂。疲劳破坏是积累损伤
15、的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹。,（疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳扩展、断裂。）一、裂纹萌生及机理 常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。,1、滑移带开裂（1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。（2）挤出峰和挤入槽 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）。（柯垂耳-赫尔模型）。孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。,2、晶界处开裂 晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积
16、，出现应力集中，晶界开裂。3、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。,二、疲劳裂纹扩展过程及机理 1、裂纹扩展的两个阶段 第一阶段 沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅.1m数量级。第二阶段 在da/dN的II区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率m级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹）。一条辉纹就是一次循环的结果。,2、疲劳裂纹扩展模型（1）Laird塑性钝化模型 裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。材料的强度越低，裂纹
17、扩展越快，条带越宽裂纹扩展模型：塑性钝化模型。裂纹反复锐化和钝化的过程。,（2）再生核模型 疲劳裂纹的扩展是断续的。主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。强度高的材料，可形成解理裂纹。返回,八、材料的疲劳曲线,疲劳曲线-循环次数N与疲劳极限rN或rN之间的关系曲线,AB段 视为静应力强度的情况，使材料发生破坏的最大应力值基本不变，或下降很小。BC段 应力疲劳或低周疲劳阶段，使材料发生破坏的最大应力值将不断下降，材料出现塑性变形。CD段机械零件的疲劳大多发生区，为有限寿命疲劳阶段 D 点以后 无限寿命疲劳阶段，为一水平线：
18、CD 和D 以后两段所代表的疲劳叫高周疲劳,总结：疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应力循环次数之间的个关系曲线，它反映了材料抵抗疲劳断裂的能力。通常分为有限寿命区和无限寿命区，以循环基数为界，利用疲劳曲线可以对只需要工作一定期限的零件进行有限寿命设计，以期减小零件尺寸和重量。,应力循环次数N（疲劳寿命）应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。,焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他联接形式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝的焊趾处），而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物，疲劳
19、裂纹往往就起源于这些缺陷处。因为有这些缺陷存在，使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中一个相当短的时间，主要的时间是属于裂纹的扩展。,九、影响焊接接头疲劳强度的因素,焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因。除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。,1应力集中和表面状态的影响结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可造成应力集中。焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形
20、式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。,构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。,（1）焊缝表面机械加工的影响。未经机械加工低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度，见下图。若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度也相应提高
21、，见图111。但是焊缝表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适宜采用机加工。带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，有缺陷处或焊缝根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。,图111：未经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度1低合金锰钢 2低碳钢,图111：经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度1低合金锰钢 2低碳钢 3未焊低合金锰钢 4未焊低碳钢,（2）接头形式的影响。不同的接头形式对于疲劳强度的影响是各不相同的。对接接头的焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他接头形式要小，但是过大的余高和过大的基
22、本金属与焊缝金属间的过渡角和过渡圆弧半径 对疲劳强度的影响，见图111，T形和十字形接头。这两种接头在焊接结构中得到了广泛的应用，在这种接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高。因此，T形和十字形接头的疲劳强度远低于对接接头。,图111 过渡角和过渡圆弧半径对对接接头疲劳强度的影响,开I形坡口用角焊缝连接的十字形接头，其疲劳强度和应力循环特性系数的关系，见下图。当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节上，即母材与焊缝焊趾端交界处和焊缝上。当单个焊缝的计算厚度与板厚之比小于0.6-0.7时，一般断于焊缝；当大于0.7时，一般断于
23、母材。图1212中的实线代表的疲劳强度是按断裂在母材计算的，虚线是按断裂在焊缝计算的，由图中可以看出合金钢对应力集中比较敏感。,在这种情况下，采用低合金钢对疲劳强度并没有优越性。此外，增加焊缝的尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内才有效，因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面，即焊缝焊趾端处母材的强度，故最多亦不能超过断裂在此处的疲劳强度。提高T形和十字形接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。低碳钢开坡口焊透的十字形接头的疲劳强度图，见下图。,图111：开I形坡口的十字形接头的疲劳强度1低合金锰钢 2低碳钢,图 121 开坡口焊透的十字形接头的疲劳强度1焊缝经机械加工
24、 2焊缝未经机械加工,搭接接头。低碳钢搭接接头的疲劳试验结果，见下图。试验证明搭接接头的疲劳强度是很低的。仅有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度最低，只达到基本金属的34%（图a）焊脚尺寸为1：1的侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度虽然比只有侧面焊缝的接头高一些，其数值仍然是很低的，只达到基本金属的40%（图b）正面焊缝焊脚尺寸为1：2的搭接接头应力集中稍有降低，因而其疲劳强度有所提高，但是效果不大。（图c）,图122 低碳钢搭接接头的疲劳强度对比,焊缝向基本金属过渡区域进行表面机械加工的搭接接头，其疲劳强度也没有显著提高（图d）。具有盖板的对接接头，当盖板的厚度比按强度所要求的增加1倍，焊脚尺寸比例
25、为1：3.8，并采用机械加工使焊缝向基本金属平滑过渡，此时疲劳强度最高，等于基本金属的疲劳强度（图e）。但是在这种情况下，已经丧失了搭接接头简单易行的优点，因此不宜采用这种措施。采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。试验结果表明，在这种情况下，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了（图f）。,表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度是不利的。,2焊接残余应力的影响焊接结构的残余应力对疲劳强度是有影响的。焊接残余应力的存在，改变了平均应力 m的大
26、小，而应力幅a却没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。对于塑性材料，当循环特征r1时，材料是先屈服后才疲劳破坏，这时残余应力已不发生影响。由于焊接残余应力在结构上是拉应力与压应力同时存在。如果能调整到压残余应力位于材料表面或应力集中区则是十分有利的，如果材料表面或应力集中区存在的是残余拉应力，则极为不利，应设法消除。,为了研究焊接残余应力对疲劳强度的影响，试验往往采用有残余应力的试样与经过热处理去除残余应力后的试样，进行疲劳试验对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性
27、能变化，而焊后热处理在消除残余应力的同时，也恢复或部分恢复了材料的性能，而这些性能对接头的疲劳强度又产生影响，因此对于试验的结果就产生了不同的解释。,例如，曾用Q345低合金结构钢进行试验，试样有一条横向对接焊缝，在正、反两面堆焊纵向焊道各一条。一组试样焊后作消除应力热处理；另一组未经热处理，然后进行疲劳强度对比试验，疲劳试验采用三种应力循环特征系数，-1，0+0.3，试验结果见下图。从图中可以看出，在交变载荷下（-1）消除内应力试样的疲劳强度接近130MPa，而未消除内应力的仅为75MPa。在脉动载荷下（0），两组试样的疲劳强度相同，为185MPa,图111 带有交叉焊缝试样的疲劳强度对消除
28、应力热处理的影响1焊态 2经热处理消除内应力,而当0.3应力循环下，经热处理消除内应力的试样疲劳强度为260MPa，反而略低于未经热处理的试样（270MPa）。因此，当应力循环特征系数较高时，利用焊后消除应力的热处理，并不能提高接头的疲劳强度。,为了单独弄清焊接残余应力对疲劳强度的影响，曾采用不同的焊接次序，来获得不同的焊接残余应力分布的试样，作对比试验，见下图。这是两组带有纵向和横向焊道的试样：第一组试样图a是先焊纵向焊缝1，后焊横向焊缝2；第二组试样图b是先焊横向焊缝1，后焊纵向焊缝2。从图上可以看出第一组疲劳强度高于第二组，说明焊接残余应力将对疲劳强度产生不利的影响。这个试验没有采用热处
29、理来消除残余应力，排除了热处理对材料性能的影响。,图1221 焊接残余应力将对疲劳强度的影响,3焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中的影响大。,焊接缺陷对焊接接头的疲劳强度产生重大的不利影响，影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷
30、（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；位于残余拉应力区内缺陷的比在残余压应力区内的影响大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比在均匀应力区中同样缺陷的影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下的影响，见下图，A组的影响大，B组的影响小。,1）外观缺欠咬边、焊瘤、凹坑、未熔合、未焊透、余高、弧坑未填满、表面气孔飞溅及裂纹等。2）内部缺欠气孔、夹渣、偏析、裂纹、剩余应力、焊缝和HAZ组织粗化、析出脆化、HAZ软化等。3）焊后缺欠在焊后热处理或服役中产生的缺欠，包括裂纹、热疲劳脆化、析出脆化、时效脆化、晶间腐蚀、孔蚀、应力腐蚀开裂、异种钢接头熔合
31、区脆化等。,图111 咬边在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响,图111 未焊透在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响,不同材料具有不同的缺口敏感性，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度影响并不相同，未焊透对五种材料疲劳强度的影响，见下图，由图中可以看出，随着未焊透的增加，疲劳强度迅速下降，并且以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的下降幅度为最大，尽管这种材料在静载和一次冲击载荷下有较好的韧性。,图111 未焊透百分比对疲劳强度的影响1机械化氩弧焊 2 埋弧焊 3机械化氩弧焊4机械化氩弧焊 5低碳钢埋弧焊,4.零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响。,问答
32、题,1、试述焊接接头形式对疲劳极限的影响。焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，将对接头的疲劳极限产生程度不同的不利影响。对接接头 对接接头从焊缝至母材的形状变化不大，应力集中比其它接头要小，所以在所有的接头形式中具有最高的疲劳极限。但是过大的余高会增加应力集中，使疲劳极限下降。T形接头 这种接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，应力集中系数比对接接头的应力集中系数高，因此其疲劳极限远低于对接接头。提高T形接头疲劳极限的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。搭接接头 这是一种疲劳极限最低的接头形式，特别是在原来对接接头的基础上，增加盖板来进行“加强”，其结果适得其
33、反，这种盖板非但没有起到“加强”作用，反而使原来疲劳极限较高的对接接头被大大地削弱了。,2、试述焊接缺陷对疲劳极限的影响。焊接缺陷对焊接接头的疲劳极限产生重大的不利影响，这种不利影响与焊接缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔、点状夹渣）影响大。表面缺陷比内部缺陷影响大。与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向大。位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余应力区内的大；位于应力集中区内的缺陷（如焊趾裂纹）的影响比在均匀应力区中同样缺陷影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下对接头疲劳极限的影响，见图38，其中A组的影响最大，B组的影响较小。,
34、3如何减少焊接接头的应力集中？答：减少焊接接头应力集中的措施是：（1）尽量采用对接接头，对接接头的余高值不应太大，焊趾处应尽量圆滑过渡。（2）T型接头（十字接头）应该开坡口，采用深熔焊，以保证焊透。（3）减少或消除焊接缺陷，如裂纹、未焊透、咬边等。（4）不同厚度钢板对接时，对厚板应进行削薄处理。（5）焊缝之间不应过分密集，以保证有最小的距离。（6）焊缝应尽量避免出现在结构的转弯处。,4试比较焊接结构的疲劳断裂和脆性断裂有何不同？答：焊接结构的疲劳断裂和脆性断裂从性质到形态都不一样，两者断裂时的变形都很小，但疲劳断裂需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩
35、展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外，脆断受温度的影响特别明显，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的影响比较小。,5为什么重要的焊接结构上两条焊缝不能靠得太近？答：焊后在焊缝附近将出现残余拉应力，离开焊缝区其值迅速减小，所以在焊缝附近的峰值或残余应力有助于脆断的发生。当结构上有两条焊缝时，如果两条焊缝间距小于两条焊缝拉应力区宽度之和，则残余拉应力发生叠加，造成结构低应力破坏。,焊接结构疲劳失效的原因,焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有
36、密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；,工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。,提高焊接结构疲劳性能方法的研究意义,疲劳事故的频
37、繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动载的工程实际，故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外有关专家和工程技术人员，尤其是国际焊接学会疲劳专业委员会的普遍关注。,在大量疲劳试验与工程实践的基础上，焊接结构抗疲劳设计规范不断出台，如英国桥梁疲劳设计规范BS5400、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的疲劳设计规范IIW.DOC-639-8l以及我国的钢结构设计规范GB-17-88。世界各主要造船及海洋资源开发国家，都在船舶及海洋工程结构的设计建
38、造和检验入级规范中对焊接结构的疲劳强度作出了规定和要求。,由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度，显然这造成极大浪费。即使如此，在接头处局部应力集中作用下，仍然会发生整体结构的过早疲劳失效。,为了使焊接结构很好地满足工程上对其提出的承受动载的要求，能够采取的措施主要有两点。一方面，增加对焊接结构
39、抗疲劳性能的了解，精心设计结构形式及接头形式，使所设计的焊接结构更合理，具有更高的疲劳强度；同时提高和严格控制焊接质量，防止和减少焊接缺陷的产生；另一方面，直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱点，在焊接结构制造过程中、完成后以及使用过程中采取有效的工艺措施，提高接头的疲劳强度，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命。,由上面讨论知道，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。,十、焊接接头疲劳强度的改善,应从根本上考虑，尽可能消除裂纹源和减少应力集中。概括起来不外三方面：1）从设计开始就
40、尽量做到接头构造合理，降低缺口效应；2）加强制造、施工的质量管理，防止或减少焊接缺欠的产生；3）必要的焊后改善措施和服役期间的质量管理。,1、降低应力集中 疲劳裂纹源于焊接接头和结构上的应力集中点，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因。因此，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳强度。通常采用的方法是：（1）采用合理的结构形式，图 121是几种设计方案的正误比较。,焊接结构构造要合理，能均匀、连续、平顺地传力，避免构件截面剧烈变化。必要时用圆弧过渡（图8）。,图8 桁架节点,要尽量选用刚度均匀的方案，焊缝连接处构件的不均匀刚度,导致焊缝的变形和应力分布不均,必然影响连接的
41、疲劳性能。例如图10所示工字形牛腿与钢柱用角焊缝的连接,牛腿端部有弯矩M和剪力V用。在图10a中,由于柱翼缘变形,牛腿端部截面不能保持平面变形,牛腿翼缘的应力也就不可能均匀分布。如果在牛腿翼缘端部柱子腹板上设置横向加劲肋（图10b),便能改善应力分布,提高连接的疲劳性能。,图10 构件刚度对疲劳性能的影响,角焊缝（图11）在角焊缝的焊跟和焊趾处,有严重的应力集中,裂纹从这里开后,向焊缝内部或主体金属扩展。侧面角焊缝因两端应力集中严重,疲劳破坏从端部开始。,图11 角焊缝的疲劳破坏位置,T形连接可以用角焊缝,用部分熔透或全熔透的K型焊缝构成。前二者疲强度很低。全熔透的K型焊缝（图14）的性能与对
42、接焊缝的相同,在经过加工,无损检验后,疲劳强度较高,宜用于直接承受动力荷载的T形连接。不论对接焊缝或角焊缝,它们的疲劳强度都比母材的为低，在动力荷载作用时比较危险。因此,对直接承受动力荷载的焊缝连接,必须进行疲劳计算。,图14 全熔透的K型焊缝,（2）尽量采用应力集中系数小的接头，如对接接头。采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝的实例，见图121、图1212。在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡，机械打磨过渡区是可采用的方法，但应注意打磨方向应是顺着力线传递方向，因为垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。此外，在对接焊缝中应保证在连接件的截面没有改变时进行力的传递。对接焊缝虽然一般具有较
43、高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝，这是应当引起注意的。,减小断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应作成圆弧状，其曲率半径越大越好。,在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡，机械打磨过渡区是可采用的方法，但应注意打磨方向应是顺着力线传递方向，因为垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。此外，在对接焊缝中应保证在连接件的截面没有改变时进行力的传递。对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝，这是应当引起注意的。,（3
44、）当采用角焊缝时，需采取综合措施，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来提高接头的疲劳强度，因为采取这些措施可以降低应力集中，并消除残余应力的不利影响。试验证明，采用综合处理后，低碳钢接头处的疲劳强度能提高3-13 倍，对低碳合金钢的效果更加显著。,（4）开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处；可以提高接头的疲劳强度，见图。,（5）用表面机械加工的方法，消除焊缝及其附近的各种刻槽，可以降低构件中的应力集中程度。但是这种表面机械加工的方法成本高，因此只有在真正有益和确实能加工到的地方，才适合采用这种方法。,只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用
45、断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。,（6）采用电弧整形的方法来代替机械加工，使焊缝与母材之间平滑过渡。这种方法是用钨极氩弧焊在焊接接头的过渡区重熔一次，使焊缝与母材之间平滑过渡，同时减少该部位的微小非金属夹杂物，因而可使接头部位的疲劳强度提高，见下图。采用氩弧整形方法，提高焊接接头疲劳强度的效果，见表。,由表 1-3可知，对于低碳钢和低合金钢，其疲劳强度提高的程度和机械加工的效果相似。对于高强度钢，用电弧整形法就具有更重要的意义，因为高强度钢对应力集中比较敏感，采用电弧整形法对提高疲劳强度的效果更好。,（7）正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量 对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最
46、好能刨（或磨）平而不留余高；T形接头最好采用带凹度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝；焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。,任何焊接缺陷都有不同程度的应力集中，尤其是片状焊接缺陷如裂纹、未焊透、未熔合和咬边等对疲劳强度影响最大。因此，在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊、以减少焊接缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。,（8）钢材选用我国规范对钢材选用采取规定钢号和保证项目的办法。考虑的因素有:(1)是否焊接结构；(2)是否承受动力荷载；(3)是否处于低温。对于焊接结构,钢材质量要求得比非焊接结构严格。关于保证项目必须符合有关要求,。这里着重讨论
47、钢号问题。（1）焊接构件的要求高于铆接构件：铆接重级工作制吊车梁,当计算温度高于20时可以采用Q235沸腾钢,同样条件下的焊接吊车梁则必须采用Q235镇静钢或低合金钢,。（2）重级工作制构件高于中轻级工作制构件，处于低温工作的构件要求高：对于处在低温的其他结构,材料也要求严格,如50t以上的中级工作制焊接吊车梁,当计算温度高于20时可以采用Q235沸腾钢,而当计算温度等于或低于20时，则应该用Q235镇静钢。（3）承受动力荷载的构件要求高于承受静力荷载的构件。前者除荷载循环次数少,或荷载小,或非焊接结构外,都要求用镇静钢,并保证冲击韧性；后者除在温度低达30的情况外都可以用沸腾钢,且不论温度是
48、否低于30都不要求保证冲击韧性。,我国规范不足之处,是没有把焊接结构的选材和钢材厚度相联系。欧洲的一些钢材选用的规定,考虑因素多而细致。比如把应力状态分为三个等级,钢板厚度每差15mm为一个等级,气温分为 10和10至30两级,还把构件的重要性分为两级。把这些级别综合起来,选定构件材料的质量等级。材料等级分为1d、B、c、D四级,以冲击试验的温度为准。,2、进行焊后消除应力热处理 残余压应力可提高疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此，若能调整构件表面或应力集中处存在残余压应力，就能提高疲劳强度。例如，通过调整施焊顺序、局部加热等都有可能获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。,消除接头应力集中处的
49、应力可以提高接头的疲劳强度，但是用焊后消除应力的退火方法不一定都能提高构件的疲劳强度。一般情况下，在循环应力较小或应力循环系数较低，应力集中较高时，利用焊后整体或局部消除应力的热处理将取得较好的效果。,3改善材料的组织和性能1）提高母材金属和焊缝金属的疲劳抗力还应从材料内在质量考虑。应提高材料的冶金质量、减少钢中夹杂物。重要构件可采用真空熔炼、真空除气、甚至电渣重熔等冶炼工艺的材料，以保证纯度；在室温下细化晶粒钢可提高疲劳寿命；通过热处理可以获得最佳的组织状态，在提高（或保证）强度同时，也能提高其塑性和韧性。回火马氏体、低碳马氏体（一般都有自回火效应）和下贝氏体等组织都具有较高抗疲劳能力。,2
50、）强度、塑性和韧性应合理配合。强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料对缺口敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形，可吸收变形功、削减应力峰值，使高应力重新分布。同时，也使缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹的扩展得到缓和甚至停止。塑性能保证强度作用充分发挥。所以对于高强度钢和超高强度钢，设法提高一点塑性和韧性，将显著改善其抗疲劳能力。,4、改善材料的力学性能 表面强化处理，用小轮挤压或用锤头锤击焊缝表面及过渡区，或用小钢丸喷射（即喷丸处理）焊缝区，都可以提高接头的疲劳强度。因为材料经过这种处理后，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工硬化，因而可以提高疲劳强度。,5、特殊保护措施 介质往往对材料的疲
