焊接结构疲劳性能课件.pptx

1、焊接结构疲劳性能4.1.1 焊接结构疲劳断裂事故多发的原因承受动载的焊接结构越来越多，承受的载荷越来越大，而焊接结构并没有严格按照疲劳设计规范进行设计；虽然焊接接头静载承受能力一般与母材相当，但承受疲劳载荷能力与母材相比较差，没有引起设计者、制造者、使用者的足够认识。斜拉索桥事故斜拉索桥事故委内瑞拉的委内瑞拉的Maracibo桥，桥，建于建于1960年，是世界著名年，是世界著名的预应力混凝土斜拉索桥，的预应力混凝土斜拉索桥，由于桥索涂漆层经不住风由于桥索涂漆层经不住风雨的侵蚀，在拉索的剧烈雨的侵蚀，在拉索的剧烈振动下，振动下，192根的钢索中根的钢索中有有25根存在严重隐患，根存在严重隐患，1

2、979年年2月，一根拉索突月，一根拉索突然疲劳断裂，造成桥体局然疲劳断裂，造成桥体局部坍塌，直接经济损失达部坍塌，直接经济损失达5000万美元。万美元。桥梁疲劳事故桥梁疲劳事故辽宁盘锦田庄台大桥辽宁盘锦田庄台大桥2004年年6月月10日早晨日早晨7时许，时许，辽宁省盘锦市境内田庄台辽宁省盘锦市境内田庄台大桥突然发生垮塌。大桥大桥突然发生垮塌。大桥从中间断裂从中间断裂27米。米。该桥在超限车辆长期作用该桥在超限车辆长期作用下，内部预应力严重受损。下，内部预应力严重受损。由于重载冲击力使大桥第由于重载冲击力使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂，致使桥板坍间脆性断裂，致使桥板

3、坍塌。塌。云天化公司爆炸云天化公司爆炸2009年年月日云南云天月日云南云天化股份有限公司的合成氨装化股份有限公司的合成氨装置合成塔出口管道断裂，事置合成塔出口管道断裂，事故导致名员工受到轻微伤。故导致名员工受到轻微伤。由于高温、高压气体外泄形由于高温、高压气体外泄形成了强冲击波，导致合成氨成了强冲击波，导致合成氨装置合成塔出口管道发生断装置合成塔出口管道发生断裂。裂。深圳华侨城事故深圳华侨城事故 “太空迷航太空迷航”在设备设计方在设备设计方面存在的问题包括：座舱支承系面存在的问题包括：座舱支承系统的中导柱法兰与活塞杆之间的统的中导柱法兰与活塞杆之间的联接为间隙配合，使中导柱内一联接为间隙配合，

4、使中导柱内一个直径为个直径为16毫米的螺栓承受交变毫米的螺栓承受交变载荷，设计上没有考虑该螺栓承载荷，设计上没有考虑该螺栓承受交变载荷，未进行相应的疲劳受交变载荷，未进行相应的疲劳验算，而且结构设计没有考虑在验算，而且结构设计没有考虑在现场安装、维护时保证该螺栓达现场安装、维护时保证该螺栓达到预紧力的有效措施。由于该螺到预紧力的有效措施。由于该螺栓松动，加剧了中导柱法兰与活栓松动，加剧了中导柱法兰与活塞杆在运行时的相对运动，使该塞杆在运行时的相对运动，使该螺栓的受力状况恶化，从而导致螺栓的受力状况恶化，从而导致该螺栓产生疲劳破坏。该螺栓产生疲劳破坏。2010年6月29日深圳东部华侨城“太空迷航

5、”娱乐项目发生重大安全事故，造成6人死亡，10人受伤。俄罗斯萨扬俄罗斯萨扬-舒申舒申斯克水电站事故斯克水电站事故 2009年年8月月17日，俄罗斯萨日，俄罗斯萨扬扬-舒申斯克水电站发生重大事舒申斯克水电站发生重大事故，故，6400 MW水电站被淹没，水电站被淹没，机电设备严重受损，电站停止机电设备严重受损，电站停止运行，造成运行，造成75人死亡，人死亡，13人失人失踪。踪。 发生事故的最初原因为一水发生事故的最初原因为一水轮机罩的螺栓发生疲劳破坏，轮机罩的螺栓发生疲劳破坏，螺栓断裂导致转子向上运动螺栓断裂导致转子向上运动100-150mm而发生破坏。由于电厂而发生破坏。由于电厂断电，紧急闸门不

6、能马上关闭，断电，紧急闸门不能马上关闭，洪水进入电厂，造成设备短路，洪水进入电厂，造成设备短路，从而引发一系列的破坏。从而引发一系列的破坏。飞机疲劳事故飞机疲劳事故2010年年11月月29日，阿根廷日，阿根廷举行飞机表演现场，金属举行飞机表演现场，金属疲劳造成机翼断裂，如图疲劳造成机翼断裂，如图中左机翼。中左机翼。疲劳断裂安全隐患疲劳断裂安全隐患铁道部大举召回动车原因：轮铁道部大举召回动车原因：轮对发现裂纹对发现裂纹 轮对是机车与钢轨相接触轮对是机车与钢轨相接触的部分，由左右两个车轮压装的部分，由左右两个车轮压装在同一根车轴上组成，其作用在同一根车轴上组成，其作用是保证机车车辆在钢轨上的运是保

7、证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车辆行和转向，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，把它传递的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零生的载荷传递给机车车辆各零部件部件，使，使容易发生机械疲劳容易发生机械疲劳，存在安全隐患。存在安全隐患。4.1.2 焊接结构疲劳断裂事例焊接结构疲劳断裂事例图4-1 直升飞机起落架的疲劳断裂 图4-2 载重汽车纵梁的疲劳断裂结构 裂纹从高度集中的角接板尖端开始，该机飞行着陆2118次后发生破坏。汽车底架纵梁断裂，该处承受反复的弯曲应力，且高应力集中图4-3 水压机焊接机架的疲劳断裂 高应力集中

8、部位 图4-4 焊趾部位的疲劳裂纹 靠近焊缝端部的焊趾部位的疲劳裂纹，由于较高应力集中所致。 对于焊接结构，疲劳裂纹都是从设计不良的焊接接头的应对于焊接结构，疲劳裂纹都是从设计不良的焊接接头的应力集中部位开始的。力集中部位开始的。4.2.1疲劳载荷及其表示方法常用正弦应力或正弦应变进行加载mintmax0(1)应力循环中的参数max应力循环中最大应力值；min 应力循环中最小应力值，m 应力循环中平均应力值；a 应力循环中应力振幅； R 应力循环特征系数。正弦波加载 应力循环中的参数之间有如下关系：应力循环中的参数之间有如下关系： maxmin2amaxmin2mmaxmaminmamaxmi

9、nminmax/R-1 R 1(1)静态拉、压载荷静态拉、压载荷(横轴，横轴，黄线黄线) R=1,a=0, max=min=m(2)拉伸变载荷拉伸变载荷:(黑线黑线) 0R1, 0min0R=0R=1 把载荷特征值的不同的数字用作区分静载荷或动载荷的分界值 minmin002mr maxmax002mr17minmax10mr 火车轴（弯曲）火车轴（弯曲）曲轴（扭转）曲轴（扭转）齿轮齿根齿轮齿根（弯曲）（弯曲）球轴承球轴承（压缩）（压缩）00mr连杆连杆（小拉大压）（小拉大压）010mr缸盖螺钉缸盖螺钉（大拉小拉）（大拉小拉）图 R值与实例 载荷种类对构件的强度行为具有根本的影响。随着载荷特征

10、值变小，构件产生疲劳断裂的危险增大。 对每一个焊接结构，在设计之前就应充分考虑到在不同的载荷状态下，其所承受相应载荷的能力，并使其达到设计的使用寿命。此外，构件是否出现疲劳断裂还受构件本身形状、材料厚度、表面状况或腐蚀情况等影响。 4.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线基础疲劳试验及疲劳曲线 在控制载荷或应力的试验条件下，记录试样在某一循环应在控制载荷或应力的试验条件下，记录试样在某一循环应力作用下达到断裂时的循环次数力作用下达到断裂时的循环次数N。 控制应力，得到控制应力，得到-N曲线曲线 控制应变，得到控制应变，得到-N曲线曲线4.2.2.1疲劳试验S-N曲线4.2.2.2疲劳曲线疲劳曲线乌勒疲

11、劳曲线乌勒疲劳曲线为防止结构在预定工作寿命期发生疲劳破坏，传统疲劳设计采用N曲线法确定疲劳强度。(1)疲劳曲线： 通过疲劳试验，测得发生疲劳破坏的应力（疲劳强度），与其所需的加载次数N(疲劳寿命）之间的对应关系曲线。(2)疲劳强度: 在某疲劳应力的作用下，经N次循环，发生破坏，称该应力N次循环的疲劳强度。疲劳强度是循环应力的最大值max，用R表示。(3)疲劳极限： 在规定循环次数以后，疲劳强度不再下降，达到饱和的极限值。 如图中水平虚线所对应的疲劳应力值称疲劳极限。两种形式的乌勒疲劳曲线两种形式的乌勒疲劳曲线图例图例1Nmax12N1 N2 N 疲劳曲线揭示内涵：不同载荷，不同寿命！ 降低载荷

12、，寿命提高！曲线的水平渐近线为疲劳极限两种形式的乌勒疲劳曲线图例2lnNmax12N1 N2 lnN 疲劳曲线揭示内涵：不同载荷、不同寿命！意义：曲线变折线，图形更好看！水平线代表疲劳极限的数值4.2.3疲劳强度的常用表示方法疲劳强度的常用表示方法 为了直观表达为了直观表达疲劳强度疲劳强度和和循环特性循环特性之间关系，之间关系，运用实验运用实验数据数据可绘出下列几种形式的可绘出下列几种形式的疲劳图疲劳图。 利用利用疲劳图，疲劳图，可查得各种循环特性下、对应可查得各种循环特性下、对应一定循环寿一定循环寿命命的的疲劳强度疲劳强度，了解某种材料的，了解某种材料的抗疲劳性能抗疲劳性能。 换言之，表示在

13、一定循环次数下换言之，表示在一定循环次数下疲劳强度疲劳强度R与与应力循环应力循环特性系数特性系数R之间关系的之间关系的曲线曲线即为即为疲劳图疲劳图。有。有4种种常见表示常见表示法法 。 四种表示法：四种表示法： maxR 表示法；表示法； maxm 表示法；表示法； a m 表示法；表示法； maxmin 表示法。表示法。 疲劳图的应用意义：疲劳图的应用意义： 工程上用疲劳图查找疲劳强度工程上用疲劳图查找疲劳强度用于结构设计用于结构设计； 用于用于疲劳断裂机理疲劳断裂机理探讨。探讨。(1)maxR表示的疲劳图表示的疲劳图 图例：图例：max特点：直观、方便1 0 R 1R101R直接地将max

14、与R的关系表示出来（2）a-m表示法表示法图图4-9 a-m表示法表示法图解:已知R, 则 tan= a /m= (1-R)/(1+R);特征值: OA=-1 OB=1, 即bOC线与横轴的夹角=45, tg= 1.相应于应力循环特性为R的情况,只需作一条与横坐标轴夹角为的射线,其交于曲线ACB上的交点C的坐标之和: a(C)m (C) = R(C) ACB为疲劳极限曲线，即该曲线内的任意点不发生疲劳破坏，曲线外的点，经一定的应力循环次数后发生疲劳破坏。对称循环应力下疲劳破坏的临界点静载强度破坏点脉动循环疲劳破坏临界点(3) max(min)-m表示的疲劳图表示的疲劳图 ADC最大应力线最大应

15、力线BEC最小应力线最小应力线OA=-1C点：静载荷破坏点点：静载荷破坏点E点：点：min=0D点：脉动循环的疲劳极点：脉动循环的疲劳极限限(min=0)用作图法可求出任一用作图法可求出任一R下的疲劳强度，下的疲劳强度， 则直线与图线上部曲线的交点的纵坐标就是该则直线与图线上部曲线的交点的纵坐标就是该R下的疲劳强度下的疲劳强度RRm122tanminmaxmaxmax ABCD曲线为疲劳极限曲线，即该曲曲线为疲劳极限曲线，即该曲线内的个点是不产生疲劳破坏的；线内的个点是不产生疲劳破坏的； 由原点由原点0发出的每条射线代表一种循发出的每条射线代表一种循环特性：环特性： 如原点向左与横坐标成如原点

16、向左与横坐标成45的直线的直线 表示交变载荷，表示交变载荷，R =mim/max= -1，它，它与曲线交于与曲线交于B点，点，BB即为即为-1； 向右与横坐标成向右与横坐标成45的直线表示静载，的直线表示静载，R = mim/max= l，它与曲线交于，它与曲线交于D点点DD即为静载强度即为静载强度b， 而纵坐标本身又表示脉动载荷而纵坐标本身又表示脉动载荷R =0，CC即为即为0。（4） max-min表示法用作图法可求出任一用作图法可求出任一R下的疲劳强度，下的疲劳强度， 则直线与图线上部曲线的交点的纵坐标就是该则直线与图线上部曲线的交点的纵坐标就是该R下的疲劳强度下的疲劳强度RR1tanm

17、inmax+min（拉伸）（拉伸）R=-1maxCrB-min（压缩）（压缩）m-1minR=+1BCDDR= min /max静载强度静载强度bR=0450450minmaxEE（1）缺口效应）缺口效应 材料的强度越高，缺口越尖锐材料的强度越高，缺口越尖锐 （2）尺寸效应）尺寸效应 试样尺寸增加时，材料疲劳强度降低试样尺寸增加时，材料疲劳强度降低（3）表面加工方法）表面加工方法 表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学处理）表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学处理）应力集中越敏感。应力集中越敏感。4.2.4疲劳强度的影响因素(4)实验技术的影响实验技术的影响外载荷平均应力外载

18、荷平均应力 拉伸载荷拉伸载荷疲劳强度疲劳强度、疲劳寿命、疲劳寿命 压缩载荷压缩载荷疲劳强度疲劳强度、疲劳寿命、疲劳寿命加载频率加载频率 低频率低频率疲劳极限疲劳极限 高频率高频率疲劳极限疲劳极限应力波形：应力波形：影响较大影响较大中间停歇中间停歇 停歇频繁、停歇时间长停歇频繁、停歇时间长疲劳寿命疲劳寿命（5）材料性质 无应力集中时，疲劳强度屈服点 低合金高强钢低碳钢 有应力集中时，高强钢的疲劳极限下降得比低碳钢快 应力集中达到一定程度高强钢低碳钢 4.2.5金属疲劳的分类按研究对象材料疲劳结构疲劳按失效周次高周疲劳低周疲劳按受力状态单轴疲劳多轴疲劳按载荷特征恒幅疲劳变幅疲劳随机疲劳按载荷工况

19、工作环境常规疲劳高低温疲劳热疲劳热-机械疲劳腐蚀疲劳接触疲劳材料疲劳：材料疲劳：主要研究材料的失效机理，化学成分、微观组织、主要研究材料的失效机理，化学成分、微观组织、环境和工况等对疲劳强度的影响，研究疲劳断口的宏观和微观环境和工况等对疲劳强度的影响，研究疲劳断口的宏观和微观形貌等。形貌等。结构疲劳：结构疲劳：以部件、接头以致整个结构为研究对象，研究它们以部件、接头以致整个结构为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法，的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法，形状、尺寸和工艺因素的影响以及提高疲劳强度的方。形状、尺寸和工艺因素的影响以及提高疲劳强

20、度的方。高周疲劳：高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104105以上循环产生的失效。以上循环产生的失效。(弹簧、传动轴等弹簧、传动轴等)低周疲劳：低周疲劳：材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于104105次循环产生的失效。次循环产生的失效。(压力容器、燃气轮机零件等压力容器、燃气轮机零件等)单轴疲劳：单轴疲劳：单向循环应力作用下的疲劳。单向循环应力作用下的疲劳。多轴疲劳：多轴疲劳：多向循环应力作用下的疲劳。多向循环应力作用下的疲劳。恒幅疲劳：恒幅疲劳：疲劳载荷中，所有峰值载荷均相等和所有

21、谷值载疲劳载荷中，所有峰值载荷均相等和所有谷值载荷均相等的载荷，承受恒幅载荷的疲劳为恒幅疲劳。荷均相等的载荷，承受恒幅载荷的疲劳为恒幅疲劳。变幅疲劳：变幅疲劳：疲劳载荷中，所有峰值载荷不等或所有谷值载荷疲劳载荷中，所有峰值载荷不等或所有谷值载荷不等或两者均不等的载荷为谱载荷，承受谱载荷的疲劳为变不等或两者均不等的载荷为谱载荷，承受谱载荷的疲劳为变幅疲劳。幅疲劳。随机疲劳：随机疲劳：疲劳载荷中峰值载荷和谷值载荷及其序列是随机疲劳载荷中峰值载荷和谷值载荷及其序列是随机出现的谱载荷为随机载荷，承受随机载荷的疲劳为随机疲劳。出现的谱载荷为随机载荷，承受随机载荷的疲劳为随机疲劳。常常 规规 疲疲 劳：劳

22、：在室温、空气介质中的疲劳在室温、空气介质中的疲劳低低 温温 疲疲 劳：劳：低于室温的疲劳低于室温的疲劳高高 温温 疲疲 劳：劳：高于室温的疲劳高于室温的疲劳热热 疲疲 劳：劳：温度循环变化产生的热应力导致的疲劳温度循环变化产生的热应力导致的疲劳热热-机械疲劳：机械疲劳：温度循环与应变循环叠加的疲劳温度循环与应变循环叠加的疲劳腐腐 蚀蚀 疲疲 劳：劳：腐蚀环境与循环应力腐蚀环境与循环应力(应变应变)的复合作用所导致的疲劳的复合作用所导致的疲劳接接 触触 疲疲 劳：劳：滚动接触零件在循环接触应力作用下，产生局部永久滚动接触零件在循环接触应力作用下，产生局部永久性累积损伤，经一定的循环次数后，接触

23、表面发生麻点、浅层或深性累积损伤，经一定的循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深层剥落的过程层剥落的过程冲冲 击击 疲疲 劳：劳：重复冲击载荷所导致的疲劳重复冲击载荷所导致的疲劳4.3.1 金属材料疲劳断裂的过程疲劳破坏过程一般可分为三个阶段： 疲劳裂纹形成疲劳裂纹形成疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展断裂断裂 疲劳裂纹的形核主要有三疲劳裂纹的形核主要有三种方式：种方式： 滑移带开裂；滑移带开裂； 夹杂物和基体晶面开裂；夹杂物和基体晶面开裂； 孪晶和晶界开裂。孪晶和晶界开裂。（1）疲劳裂纹的形成 第阶段图 疲劳裂纹的形成方式位置：在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移，微裂纹形成及长大而完成晶粒取向不同

24、晶粒取向不同 部分晶粒先屈服部分晶粒先屈服 高应力集中高应力集中 与最大切应力面相一致的滑移面的晶粒与最大切应力面相一致的滑移面的晶粒 滑移线滑移线 滑移带滑移带 挤出峰、挤入槽挤出峰、挤入槽 微裂纹微裂纹滑移带开裂图4-15 滑移带示意图 晶界处开裂晶界处开裂 晶界就是面缺陷；晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。相界面开裂相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形两相（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。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

25、界尺寸的裂纹核，才能继续长大。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。裂纹扩展第一阶段：与拉应力轴线成裂纹扩展第一阶段：与拉应力轴线成45度角。沿主滑移系，度角。沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m数量级。数量级。图 疲劳裂纹的扩展与拉应力轴向垂直：晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂与拉应力轴向垂直：晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向直于主应力方向扩展速率扩展速率m级级可以穿晶扩展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形成疲劳条纹（疲劳辉纹），一条辉纹就是一次循环的结果。果。（2）疲劳裂纹的扩展 第阶段图 疲

26、劳裂纹的扩展图 疲劳裂纹扩展留下形貌 未加载，未加载，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态。裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态。 开始加载，开始加载，在切应力下，裂纹尖端上下两侧沿在切应力下，裂纹尖端上下两侧沿45产生滑移，使裂纹尖端变钝，当拉应力达到产生滑移，使裂纹尖端变钝，当拉应力达到最高值时，裂纹停止扩展。最高值时，裂纹停止扩展。 开始卸载，开始卸载，裂纹尖端的金属又沿裂纹尖端的金属又沿45继续卸载，继续卸载，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化。裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化。 每经过一次加载循环，每经过一次加载循环，疲劳裂纹尖端就经历一次：疲劳裂纹尖端就经历一次： 锐化锐化钝化钝化再

27、锐化的过程，并向前扩展一段长再锐化的过程，并向前扩展一段长度度a，在断口表面遗留下一条痕迹，即看到的，在断口表面遗留下一条痕迹，即看到的疲劳辉纹。疲劳辉纹。 综上，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹反复锐化和综上，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹反复锐化和钝化的过程。钝化的过程。疲劳裂纹稳定扩展机理塑性钝化模型（3）疲劳断裂 第阶段 在循环加载下裂纹继续扩展，承受载荷的横截面面积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，直到有效面积小到不能承受施加的载荷时，构继续减小，直到有效面积小到不能承受施加的载荷时，构件达到最终断裂阶段。件达到最终断裂阶段。该阶段可为延性断裂，多为脆性断该阶段可为延性断

28、裂，多为脆性断裂。裂。断裂阶段标准： 承载构件：不能再承受工作载荷； 压力容器：产生泄漏。 初始疲劳裂纹在应力集中区孕育、萌生； 裂纹亚临界扩展或稳定扩展； 失稳扩展，以至与断裂。4.3.2疲劳断口的特征断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。 随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同(1)宏观断口特征1-裂纹源 2-疲劳裂纹扩展区 3-疲劳裂纹加速扩展区4-瞬时断裂区 疲劳源区：区域很小，发生疲劳源区：区域很小，发生在表面或内部缺陷处。随应在表面或内部缺陷处。随应力状态及其大小的不同，可力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。有一个或几个疲劳源。1-裂纹源 2-疲劳裂纹

29、扩展区 3-疲劳裂纹加速扩展区4-瞬时断裂区 裂纹扩展区：裂纹扩展区：贝壳状或海滩波纹状贝壳状或海滩波纹状 由于空气及介质的氧化或腐蚀作用；由于空气及介质的氧化或腐蚀作用；凸起部分则因扩展过程的摩擦和挤凸起部分则因扩展过程的摩擦和挤压作用逐渐被磨光；因而出现贝壳压作用逐渐被磨光；因而出现贝壳状条纹的光滑表面，即所谓的状条纹的光滑表面，即所谓的“海海滩状滩状”、“年轮状年轮状”花样。花样。 条纹推进线一般从裂纹源开始向四条纹推进线一般从裂纹源开始向四周推进，并且垂直于疲劳裂纹的扩周推进，并且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。展方向。 疲劳裂纹扩展部分的断面较为平滑、疲劳裂纹扩展部分的断面较为平滑、颜色较

30、深颜色较深. . 1-裂纹源 2-疲劳裂纹扩展区 3-疲劳裂纹加速扩展区4-瞬时断裂区 瞬断区瞬断区 一般在疲劳源的对侧。一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结晶状断口；韧脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。为剪切唇。 瞬时断裂区较为粗糙，属于瞬时断裂区较为粗糙，属于脆性断口。脆性断口。1-裂纹源 2-疲劳裂纹扩展区 3-疲劳裂纹加速扩展区4-瞬时断裂区 微观断口：微观断口：在疲劳裂纹扩展第二阶段内形成在疲劳裂纹扩展第二阶段内形成 特征是：特征是：疲劳辉纹疲劳辉纹，每一条纹代表一次载荷循环，每一条纹代表一次载荷循环疲劳辉纹与贝壳条纹是一回事吗？疲劳辉纹

31、与贝壳条纹是一回事吗？ 疲劳辉纹：是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化疲劳辉纹：是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化( (a)a)形成的形成的痕迹痕迹 贝壳状条纹：是循环应力振幅变化或载荷变化而形成的宏观贝壳状条纹：是循环应力振幅变化或载荷变化而形成的宏观特征，相邻的贝壳纹线之间可能有成千上万条辉纹。特征，相邻的贝壳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。辉纹。脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点：脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点： 同：同： （1）都属低应力破坏；）都属低应力破坏； （2）破坏前结构

32、都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，）破坏前结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，令人猝不及防；令人猝不及防； （3）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。或起裂于应力集中点。 异：异：不同点不同点脆性断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳断裂载荷性质载荷性质静载、冲击静载、冲击疲劳疲劳对温度的敏感性对温度的敏感性敏感、低温易脆断敏感、低温易脆断不敏感不敏感受载次数受载次数大于临界值，一次即可断裂大于临界值，一次即可断裂需几十几百万次需几十几百万次断裂经历时间断裂经历时间大于临界值，瞬间断裂大于临界值，瞬间断裂需较长或很长时间

33、需较长或很长时间断裂经历过程断裂经历过程弹性能释放有余，弹性能释放有余，连续自动开裂连续自动开裂“张开闭合张开闭合”循环循环断裂机制断裂机制需要大于临界的扩展能需要大于临界的扩展能张开扩展，张开扩展，闭合硬化、锐化闭合硬化、锐化宏观断口形貌宏观断口形貌沿薄弱环节扩展，沿薄弱环节扩展，错落交织人字纹错落交织人字纹带有幅射线的贝壳纹带有幅射线的贝壳纹微观断口形貌微观断口形貌错层，河流样花纹错层，河流样花纹疲劳辉纹疲劳辉纹4.4.1应力集中的影响 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。4.4.1.1接头形式接头形式 应力集中：对接接头最小应力集中

34、：对接接头最小 疲劳强度：对接接头最高疲劳强度：对接接头最高一般对接接头：疲劳裂纹位于焊趾部位、焊缝或热一般对接接头：疲劳裂纹位于焊趾部位、焊缝或热影响区影响区垫板对接接头：疲劳裂纹位于焊缝和垫板接合处垫板对接接头：疲劳裂纹位于焊缝和垫板接合处不开坡口十字接头：裂纹位于焊趾或焊根不开坡口十字接头：裂纹位于焊趾或焊根开坡口熔透十字接头：裂纹位于焊趾开坡口熔透十字接头：裂纹位于焊趾不承受工作应力的十字和不承受工作应力的十字和T形接头：疲劳强度依赖形接头：疲劳强度依赖于焊缝和受力板之间过渡应力集中状况，疲劳裂纹于焊缝和受力板之间过渡应力集中状况，疲劳裂纹发生在焊趾部位。发生在焊趾部位。4.4.1.2

35、焊趾区几何形状焊趾区几何形状(1)焊趾过渡半径焊趾过渡半径过渡半径增加过渡半径增加疲劳强度增加疲劳强度增加(2)过渡角过渡角过渡角增加过渡角增加疲劳强度降低疲劳强度降低图4-25 过渡角以及过渡圆弧半径R对对接接头疲劳强度的影响 试验研究表明，在常用的线能量下试验研究表明，在常用的线能量下低碳钢低碳钢焊缝、焊缝、热影响区和基本金属的疲劳强度相当接近，其近缝区热影响区和基本金属的疲劳强度相当接近，其近缝区金属机械性能变化对对接接头的疲劳强度金属机械性能变化对对接接头的疲劳强度影响较小影响较小。只有在非常高的线能量下焊接，热影响区对应力集中只有在非常高的线能量下焊接，热影响区对应力集中的敏感性下降

36、，其疲劳强度比基本金属高得多。的敏感性下降，其疲劳强度比基本金属高得多。 低合金钢低合金钢的情况较为复杂，在热循环作用下，热的情况较为复杂，在热循环作用下，热影响区的机械性能变化影响区的机械性能变化幅度幅度比低碳钢大，但在有应力比低碳钢大，但在有应力集中或无应力集中时都对疲劳强度的影响不大。集中或无应力集中时都对疲劳强度的影响不大。 4.4.2近缝区金属性能变化的影响 安全区 不安全区ABrcC4.4.3 焊接残余应力的影响(参考疲劳图)构件中内应力0为正时，与载荷应力相叠加使循环应力提高0mm(m+0)极限应力幅值下降构件的疲劳强度降低相反，构件的疲劳强度提高以上没有考虑内应力在载荷作用下的

37、变化 当应力循环中的最大应力max到达s时，即m+a=s时，内应力将因全面达到屈服而消除，即图中蓝色直线。即m达到C点的数值时，内应力对疲劳强度没有影响。当m小于C点数值，则m越小，内应力的影响越显著。热处理消除残余应力提高疲劳强度。热处理消除残余应力提高疲劳强度。R小，小，Kt大时，热处理大时，热处理提高提高疲劳强度疲劳强度R大，大，Kt小时，热处理小时，热处理降低降低疲劳强度疲劳强度(热处理一方面热处理一方面消除残余应力，另一方面，导致接头表面氧化、脱消除残余应力，另一方面，导致接头表面氧化、脱碳及组织软化碳及组织软化)4.4.4外载应力循环比外载应力循环比R的影响的影响 当焊接构件中有高

38、值残余应力时，构件疲劳强度与构当焊接构件中有高值残余应力时，构件疲劳强度与构件承受应力范围有关，与件承受应力范围有关，与R无关。无关。对于薄板、小尺寸构件或应力消除构件，疲劳强度增对于薄板、小尺寸构件或应力消除构件，疲劳强度增高，且与高，且与R有关。有关。R=0.3，消除残余应力有害R=0，残余应力无影响R=-1，消除残余应力有利R比较低时，内应力对疲劳强度影响比较大 焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、种类、尺寸、方向和位置方向和位置有关。有关。 缺陷形状：缺陷形状：片状缺陷片状缺陷(如裂纹、未熔合、未焊透如裂纹、未熔合、未焊透)比带圆角比带圆

39、角的缺陷的缺陷(如气孔如气孔)影响大。影响大。 缺陷方向：与作用力方向缺陷方向：与作用力方向垂直的片状缺陷垂直的片状缺陷的影响比其它方的影响比其它方向的大。向的大。 缺陷位置：缺陷位置： 表面缺陷表面缺陷比内部缺陷影响大比内部缺陷影响大. 残余残余拉应力区内的缺陷拉应力区内的缺陷比残余压应力区内的缺陷影响大比残余压应力区内的缺陷影响大 应力集中区的缺陷应力集中区的缺陷(如焊趾部裂纹如焊趾部裂纹) 比在均匀应力场中同比在均匀应力场中同样缺陷影响大。样缺陷影响大。4.4.5 焊接缺陷的影响4.4.6结构尺寸的影响结构尺寸的影响 疲劳强度在很大程度上决定于疲劳强度在很大程度上决定于结构截面尺寸结构截

40、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。由于结构尺寸增加，其由于结构尺寸增加，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构件小构件上上所引起的所引起的应力集中应力集中要比在要比在大构大构件件中中小些小些等原因所致等原因所致。 因而在考虑材料的疲劳强度时，必须注意绝对尺寸这因而在考虑材料的疲劳强度时，必须注意绝对尺寸这一不良影响。一不良影响。 4.4.7服役温度的影响服役温度的影响使用温度上升，焊接接头的疲劳强度不断下降，影响程使用温度上升，焊接接头的疲劳强度不断下降，影响程度更为显著度更为显著不同材料焊接结构的疲劳强度随温度的变化程

41、度不同不同材料焊接结构的疲劳强度随温度的变化程度不同 例如：耐热钢、奥氏体不锈钢制成的焊接接头随温度上例如：耐热钢、奥氏体不锈钢制成的焊接接头随温度上升，其疲劳强度的下降趋势较普通低碳钢、低合金钢缓升，其疲劳强度的下降趋势较普通低碳钢、低合金钢缓慢得多。慢得多。 总体把握总体把握 应力集中应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素罪魁祸首罪魁祸首！ 提高焊接结构的疲劳强度，应从：提高焊接结构的疲劳强度，应从： 焊接接头与结构设计、完善焊接工艺、焊接接头与结构设计、完善焊接工艺、 减少焊接缺减少焊接缺陷陷等方面综合考虑。等方面综合考虑。 一般可以具体采取以下措施

42、：一般可以具体采取以下措施： (1) 降低应力集中降低应力集中 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。 推荐方案避免方案4.5.1提高焊接接头疲劳强度的途径 凡是结构中承受凡是结构中承受交变载荷交变载荷的构件，都应当尽量采用的构件，都应当尽量采用对接对接接头接头或或开坡口的开坡口的T形接头形接头；搭接接头搭接接头或或不开坡口的不开坡口的T形接头形接头，应力集中较为严重，应力求应力集中较为严重，应力求避免采用避免采用。采用应力集中系数小的焊接接头（a） 角焊缝连接 （b） 对接焊缝连接 （c）对接焊缝连接图4-30 复合结构把角

43、焊缝改为对接焊缝的实例图图4-29 焊接框架角部设计的改善焊接框架角部设计的改善a) A角有角有严重应力集中严重应力集中的设计的设计 b) 小改进，小改进，B角角仍有严重的应力集中仍有严重的应力集中c) 减小应力集中，使减小应力集中，使焊缝远离应力集中区焊缝远离应力集中区的改进方案的改进方案对接焊缝，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改变截面没有突然改变的情况下的情况下传传力力才是才是合理的。合理的。右图，一个右图，一个设计不好设计不好的的底盘框架底盘框架的的“垂直角垂直角”部部A点，有不可避点，有不可避免要破坏的危险；免要破坏的危险；图图b，把一块，把一块三角形加强板三角

44、形加强板对焊对焊到这个角上。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，因为在该点，因为在该处接头形状突然改变，仍存在严处接头形状突然改变，仍存在严重的应力集中。重的应力集中。最好改善方法：最好改善方法：把两翼缘之间的把两翼缘之间的垂直连接垂直连接改用一块改用一块曲线过渡板曲线过渡板，用用对接焊缝对接焊缝与构件拼焊在一起，与构件拼焊在一起，图图c。(2)采用高疲劳性能的焊接方法采用高疲劳性能的焊接方法 真空电子束焊、线性摩擦焊、搅拌摩擦焊、真空电子束焊、线性摩擦焊、搅拌摩擦焊、TIG焊、焊、A-TIG焊、等离子焊、激光焊等焊、等离子焊、激光焊等

45、4.5.2 工艺措施工艺措施(1) 改变焊缝的几何外形，降低焊趾部位的应力集中程改变焊缝的几何外形，降低焊趾部位的应力集中程度度(2)消除接头部位尤其是焊趾区表层焊接缺陷及显微缺消除接头部位尤其是焊趾区表层焊接缺陷及显微缺陷陷(3) 调节残余应力场调节残余应力场 消除接头的应力集中处的焊接残余拉应力；消除接头的应力集中处的焊接残余拉应力； 使接头的应力集中处产生残余压应力；使接头的应力集中处产生残余压应力；(4)使接头部位尤其是焊趾区表层得以硬化使接头部位尤其是焊趾区表层得以硬化具体方法：具体方法：整体处理整体处理：包括包括整体退火整体退火或或拉伸拉伸法；法；局部处理局部处理：即采用在焊接接头

46、即采用在焊接接头局部加热局部加热、辗压焊道辗压焊道等方法，等方法，使接头应力集中处产生使接头应力集中处产生残余压应力残余压应力！改善材料的机械性能：改善材料的机械性能：表面强化处理表面强化处理(喷丸处理喷丸处理)特殊保护措施特殊保护措施：塑料涂层塑料涂层 提高疲劳强度的具体方法整体处理 整体高温回火消除残余应力整体高温回火消除残余应力 工艺：工艺：将整个焊接构件加热到一定温度，然后保温将整个焊接构件加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却，从而消除残余应力。一段时间，再冷却，从而消除残余应力。 效果：效果：R小，小，Kt大时，整体退火消除残余应力可提高大时，整体退火消除残余应力可提高疲劳强度疲

47、劳强度(前面分析过前面分析过) 预拉伸法预拉伸法 工艺：工艺：在近缝区施加拉伸载荷在近缝区施加拉伸载荷 原理：原理：由于预先施加拉伸载荷，在焊接热输入作用下，焊由于预先施加拉伸载荷，在焊接热输入作用下，焊缝附近的材料较早处于屈服状态，使焊缝在塑性状态下被缝附近的材料较早处于屈服状态，使焊缝在塑性状态下被拉伸延展，因此可抑制纵向变形，减小纵向残余应力。拉伸延展，因此可抑制纵向变形，减小纵向残余应力。 机械拉伸法：机械拉伸法： 工艺：工艺：焊后对结构施加拉伸载荷焊后对结构施加拉伸载荷 原理：原理：通过一次加载拉伸，拉应力区在外载荷作用下产生通过一次加载拉伸，拉应力区在外载荷作用下产生拉伸塑性变形，

48、从而抵消焊接残余拉应力拉伸塑性变形，从而抵消焊接残余拉应力局部处理 局部加热法局部加热法 工艺：工艺：利用气焊炬在焊缝附近特定位置进行加热利用气焊炬在焊缝附近特定位置进行加热 原理：原理：实际加热部位产生残余拉应力，而在实际加实际加热部位产生残余拉应力，而在实际加热部位以外区域产生与之平衡的压应力热部位以外区域产生与之平衡的压应力 磨削法磨削法 工艺：工艺：机加工焊缝余高至平滑机加工焊缝余高至平滑 原理：原理：减小焊趾部位应力集中程度，消除熔渣缺陷减小焊趾部位应力集中程度，消除熔渣缺陷 TIG熔修法熔修法 工艺：工艺：使用使用TIG焊炬将已存在的焊缝金属沿着焊趾重新熔焊炬将已存在的焊缝金属沿着

49、焊趾重新熔化，焊枪一般位于距焊趾部位化，焊枪一般位于距焊趾部位0.51.5mm处处 原理：原理：TIG焊的接头成形好，焊趾处没有熔渣缺陷焊的接头成形好，焊趾处没有熔渣缺陷 压延法压延法(碾压法碾压法) 工艺：工艺：利用机械手段碾压拉应力部位或应力集中高部位利用机械手段碾压拉应力部位或应力集中高部位 原理：原理：挤压焊缝及其附近的压缩塑变区，使压缩塑变得以挤压焊缝及其附近的压缩塑变区，使压缩塑变得以延展，挤压后焊缝及附近拉应力降低或产生压应力延展，挤压后焊缝及附近拉应力降低或产生压应力 Gunnert法法 工艺：工艺：直接向缺口部位进行加热，加热温度控制在直接向缺口部位进行加热，加热温度控制在能

50、产生塑性变形但低于相变温度或直接加热到能产生塑性变形但低于相变温度或直接加热到550，然后进行急剧喷淋冷却。然后进行急剧喷淋冷却。 原理：原理：表面层受急冷先冷却收缩，表层下及周围金表面层受急冷先冷却收缩，表层下及周围金属冷却较晚，后冷却的收缩将在已冷却表面上产生属冷却较晚，后冷却的收缩将在已冷却表面上产生压缩应力。压缩应力。 超声冲击法超声冲击法 工艺：工艺：超声冲击设备利用大功率的能量推动冲击头以每秒超声冲击设备利用大功率的能量推动冲击头以每秒约约2万次的频率冲击金属物体表面万次的频率冲击金属物体表面 原理：原理：高频、高效和聚焦下的大能量使金属表面产生较大高频、高效和聚焦下的大能量使金属