1、 焊焊 接接 结结 构构第六章 焊接结构的疲劳破坏Fatigue Fracture材料成型及控制工程2012.9 焊接结构焊接结构 疲劳断裂疲劳断裂是金属结构的一种是金属结构的一种主要失效形式主要失效形式。 金属结构金属结构疲劳破坏疲劳破坏几率高达几率高达90，具有广泛性。具有广泛性。 疲劳破坏发生在承受疲劳破坏发生在承受交变载荷交变载荷的构件中。的构件中。 疲劳断裂往往具有疲劳断裂往往具有低应力特征低应力特征。 焊接结构的焊接结构的疲劳寿命疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于不是决定于裂纹产生，而是决定于裂裂纹扩展纹扩展。 因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础因此，本章将在介
2、绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用上，利用断裂力学原理断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的着重分析疲劳裂纹的扩展机理扩展机理、影影响因素响因素及焊接结构及焊接结构疲劳破坏的预防措施疲劳破坏的预防措施。 焊接结构焊接结构 本章要点本章要点: 1）疲劳断裂的）疲劳断裂的基本特征基本特征与与疲劳图疲劳图； 2）疲劳裂纹的）疲劳裂纹的扩展机理扩展机理； 3）焊接结构疲劳断裂的）焊接结构疲劳断裂的影响因素影响因素； 4）焊接结构疲劳断裂的）焊接结构疲劳断裂的防止措施防止措施。 焊接结构焊接结构6.1 疲劳破坏的基本概念疲劳破坏的基本概念 6.1.1 疲劳破坏疲劳破坏 在在交变载荷交变载荷反复作用反复作
3、用下，金属结构产生的破坏现象称下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为疲劳破坏。6.1.2 疲劳破坏的疲劳破坏的基本特征基本特征 1)疲劳裂纹是疲劳裂纹是交变载荷交变载荷多次反复作用多次反复作用后产生的一种失效后产生的一种失效形式，形式，裂纹扩展缓慢裂纹扩展缓慢； 2) 疲劳破坏与疲劳破坏与应力集中应力集中关系密切关系密切，对应力集中，对应力集中十分敏感十分敏感，与温度的关系不大与温度的关系不大； 焊接结构焊接结构 3）疲劳破坏时变形小；）疲劳破坏时变形小； 4）疲劳破坏的断口特征：）疲劳破坏的断口特征： 宏观断口宏观断口 有辐射状的疲劳纹有辐射状的疲劳纹“年轮状年轮状”花样花样，其辐射条纹
4、的起点就是疲劳裂，其辐射条纹的起点就是疲劳裂纹源；纹源； 微观断口微观断口 有疲劳扩展的辉纹，呈有疲劳扩展的辉纹，呈“海滩状海滩状”花样花样； 疲劳裂纹扩展部分的断面较为疲劳裂纹扩展部分的断面较为平滑平滑、颜色较深；颜色较深； 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压作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，即所谓的用逐渐被磨光；因而出现贝壳状条纹的光滑表面，即所谓的“海滩状海滩状”、“年轮年轮状状”花样。花样。 瞬时断裂区较瞬时断裂区较为为粗糙粗糙，属于，属于脆性断口脆性断口。 焊接结构焊接结构“年
5、轮状”花样图示 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构材料：材料：TC2钛合金钛合金工艺情况：工艺情况：660710，15 min60min，空冷，空冷组织说明：组织说明：断裂起始断裂起始于表面，点源，疲劳于表面，点源，疲劳扩展初期为条带和轮扩展初期为条带和轮胎花样特征，扩展中胎花样特征，扩展中后期主要为疲劳条带后期主要为疲劳条带特征特征 焊接结构焊接结构材料：材料：LD7铝合金铝合金工艺情况：工艺情况：工作温度为工作温度为50270（进口低，出口高）（进口低，出口高）组织说明：组织说明：疲劳条带形貌，条疲劳条带形貌，条带间距细密，应为高周疲劳断带间距细密，应为高周疲劳断裂特征裂特征 焊接结构焊接
6、结构5.1.3 疲劳破坏的分类1) 应力疲劳（高周疲劳）应力疲劳（高周疲劳） 在在低应力低应力、高循环高循环、低扩展速率低扩展速率下产生的疲劳称下产生的疲劳称为为应力疲劳应力疲劳或或弹性疲劳弹性疲劳。 其特点是：在应力循环条件下，裂纹在弹性区内其特点是：在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低；循环寿命长，达扩展，且裂纹扩展速率低；循环寿命长，达1067次次. 2) 应变疲劳（低周疲劳）应变疲劳（低周疲劳） 在在高应力高应力、低循环低循环、高扩展速率高扩展速率下产生的疲劳称为下产生的疲劳称为应变疲劳应变疲劳或或塑性塑性疲劳疲劳。 其特点是：应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲
7、劳裂纹扩展其特点是：应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（速率高（10-2mm/次，循环寿命短（次，循环寿命短（N104次）。次）。 焊接结构焊接结构6.1.4 疲劳强度和疲劳极限 传统疲劳设计传统疲劳设计： 为防止结构在为防止结构在预定工作寿命期预定工作寿命期发生疲劳破坏，传统疲发生疲劳破坏，传统疲劳设计采用劳设计采用N曲线法曲线法确定疲劳强度确定疲劳强度。 1）乌勒（乌勒（WWhlerhler）疲劳曲线）疲劳曲线 结构在多次循环载荷作用下，即使工作应力结构在多次循环载荷作用下，即使工作应力max小小于于强度极限强度极限b时也会发生疲劳破坏。时也会发生疲劳破坏。 在不同载
8、荷在不同载荷max下使结构破坏所需的加载次数下使结构破坏所需的加载次数N也不也不同。同。 表达结构破坏载荷表达结构破坏载荷与所需加载次数与所需加载次数N之间关系的曲线之间关系的曲线即为即为乌勒乌勒（Whler）疲劳曲线疲劳曲线。 焊接结构焊接结构疲劳曲线示意图 焊接结构焊接结构两种形式的乌勒疲劳曲线两种形式的乌勒疲劳曲线图例1Nmax12N1 N2 N 疲劳曲线揭示内涵：不同载荷，不同寿命！不同载荷，不同寿命！ 降低载荷，寿命提高！降低载荷，寿命提高！ 焊接结构焊接结构两种形式的乌勒疲劳曲线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！不
9、同载荷、不同寿命！意义：曲线变折线，图形更好看！ 焊接结构焊接结构 2）疲劳强度疲劳强度（条件疲劳极限）（条件疲劳极限） 疲劳曲线上对应于某一循环次数疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限的强度极限max，即为即为该循环条件该循环条件下的下的疲劳强度疲劳强度r 。 理解为：理解为：有限寿命有限寿命所能承受的所能承受的最大载荷最大载荷maxmax即为即为r r ！ 换言之，换言之，最大载荷最大载荷maxmax是规定循环次数是规定循环次数NN 疲劳寿命的函数！即疲劳寿命的函数！即r = f（N） 一般循环次数一般循环次数NN小于小于10 10 7 7。 焊接结构焊接结构 3）疲劳极限疲劳极限 结
10、构对应于结构对应于无限次应力循环无限次应力循环而而不发生破坏不发生破坏的强度极限的强度极限即疲劳极限即疲劳极限r 。 它在它在 N N 疲劳曲线图疲劳曲线图中应理解为中应理解为疲劳曲线的疲劳曲线的水平渐进水平渐进线线相对应的最高循环应力相对应的最高循环应力max！ 这时，对应的循环寿命理论上为：这时，对应的循环寿命理论上为： N !N ! 一般大于一般大于10107 7 ! ! 焊接结构焊接结构6.1.5 应力循环特性应力循环特性的基本概念应力循环特性的基本概念 在疲劳极限的符号在疲劳极限的符号r中中,其下脚标其下脚标“”“”表示不同的表示不同的应力应力循环特性循环特性！ 对应具体的应力循环状
11、况，有其特定的数值。其定义为：对应具体的应力循环状况，有其特定的数值。其定义为： maxminr =具体分析如下: 焊接结构焊接结构应力循环中的参数应力循环中的参数 焊接结构焊接结构6.1.6 特殊应力循环的特性系数 对称交变载荷对称交变载荷 r = 1，疲劳强度记为，疲劳强度记为-1 脉动载荷脉动载荷 r = 0，疲劳强度记为，疲劳强度记为0 拉伸变载荷拉伸变载荷 0r1，疲劳强度记为，疲劳强度记为r 拉伸静载荷拉伸静载荷 r = 1，疲劳强度记为疲劳强度记为1 焊接结构焊接结构6.1.7 特殊应力循环的特性图示图例图例 rt对称：对称：r = 1脉动：脉动： r = 0拉伸变载荷拉伸变载荷
12、0r1 焊接结构焊接结构6.2 疲劳强度表示法 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，运用实验数运用实验数据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、对应一定循环寿命一定循环寿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，换言之，表示在一定循环次数下表示在一定循环次数下疲劳强度疲劳强度r r与与应力循环应力循环特性系数特性系数r 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种种常见表示法常见表示法 。 焊接结构
13、焊接结构 四种表示法：四种表示法： maxmaxr r 表示法；表示法； maxmaxm m 表示法；表示法； a am m 表示法；表示法； maxmaxminmin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。 基本要求基本要求 已知已知r，会用疲劳图，会用疲劳图求出求出r，并掌握，并掌握特殊循环特性特殊循环特性的疲的疲劳强度劳强度1、0、-1 。 焊接结构焊接结构maxr 表示的疲劳图 图例：图例： 焊接结构焊接结构用maxm 表示的疲劳图 焊接结构焊接结
14、构am 表示的疲劳图 D 焊接结构焊接结构用am 疲劳图的求解r 图解图解: :已知已知r r, , 则则tgtg= a /m= (1-r)/(1+r); 特征值特征值: : OA=OA=-1 OB=OB=1 1 即即b C C点的坐标之和点的坐标之和 am = 0 0 , , OC OC线与横轴的夹角线与横轴的夹角=45, tgtg= 1. 相应于应力循环特性为相应于应力循环特性为r的情况的情况,只需作一条与横坐标轴只需作一条与横坐标轴夹夹角为角为的射线的射线,其交于曲线其交于曲线ACB上的上的交点交点D 的的 坐标之和坐标之和: a(D)m (D) = r r(D) 焊接结构焊接结构用用m
15、axmin表示的疲劳图表示的疲劳图 焊接结构焊接结构maxmin 疲劳图的解释 由原点由原点0发出的发出的每条射线代表一种循环特性每条射线代表一种循环特性： 如原点向左与横坐标成如原点向左与横坐标成45的直线的直线 表示表示交变载荷交变载荷，r =mim/max= -1，它与曲线交于，它与曲线交于B点，点，BB即为即为-1； 向右与横坐标成向右与横坐标成45的直线的直线 表示静载表示静载r =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， 而而纵坐标本身纵坐标本身又表示脉动载荷又表示脉动载荷r =0，CC即为即为0。 焊接结构焊接结构用maxmin 疲劳图求解求解r 由原
16、点向与总坐标轴成由原点向与总坐标轴成4545角范围内的方向引出任一射角范围内的方向引出任一射线线a,a,使使该射线的斜率该射线的斜率 tgtg= 1/r = max/min 它与曲线交于一点它与曲线交于一点e,e,直接量取直接量取e e点的总坐标即为该应力循点的总坐标即为该应力循环特性下的疲劳强度环特性下的疲劳强度r r ! ! 方法方法: : 已知已知r,r,求出求出,作作射线射线a,a,找到射线与疲劳线的交点找到射线与疲劳线的交点e,e,其总其总坐标坐标即为所求的即为所求的r r ! ! 焊接结构焊接结构 用maxm 表示的疲劳图 D 焊接结构焊接结构用maxm 疲劳图求解 r 请同学们试
17、作请同学们试作! ! 提示提示: tgtg= max/m =2max/(max+min) =2/ (1+r) 已知已知r,求出求出,作过原点的射线与曲线作过原点的射线与曲线NNC 的交点的纵坐标的交点的纵坐标,即为即为r r! ! 焊接结构焊接结构举例说明 参考参考maxmaxminmin表示的疲劳图表示的疲劳图 kgf/mm2minminmamax xN=2106-1=200=310.5=40 焊接结构焊接结构6.3 疲劳裂纹扩展机理 6.3.1 疲劳裂纹扩展过程疲劳裂纹扩展过程 整个疲劳断裂过程分为整个疲劳断裂过程分为三个阶段三个阶段： 微裂纹产生微裂纹产生疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展最后断裂
18、最后断裂 1)初始微裂纹产生初始微裂纹产生 位置：疲劳裂纹在位置：疲劳裂纹在应力最高、强度最低应力最高、强度最低的基体上产生。的基体上产生。焊接结构产生焊接结构产生微裂纹微裂纹的时间很短。的时间很短。 标准：疲劳机理标准：疲劳机理_电镜电镜1000 工程实用标准工程实用标准_金相显微镜：金相显微镜：10 焊接结构焊接结构2） 疲劳裂纹的稳定扩展阶段 疲劳裂纹疲劳裂纹稳定扩展时间稳定扩展时间结构使用寿命结构使用寿命 疲劳裂纹稳定扩展机理疲劳裂纹稳定扩展机理塑性钝化模型塑性钝化模型 每经过一次加载循环，疲劳裂纹尖端就经历一次：每经过一次加载循环，疲劳裂纹尖端就经历一次： 锐化锐化钝化钝化再锐化再锐
19、化的的过程；过程； 裂纹扩展一段距离；裂纹扩展一段距离； 疲劳断口表面产生一条辉纹疲劳断口表面产生一条辉纹 Laird-Smith模型模型 焊接结构焊接结构3）疲劳裂纹的失稳扩展阶段 当当裂纹尺寸足够大裂纹尺寸足够大，结构有效受力截面小到，结构有效受力截面小到不足以承受所不足以承受所加载荷加载荷时，即转入时，即转入失稳扩展阶段失稳扩展阶段断裂阶段断裂阶段。该阶段可。该阶段可为为延性断裂延性断裂，多为，多为脆性断裂脆性断裂。 断裂阶段标准：断裂阶段标准： 承载构件：不能再承受工作载荷；承载构件：不能再承受工作载荷； 压力容器：产生泄漏。压力容器：产生泄漏。 焊接结构焊接结构6.3.2 疲劳裂纹的
20、亚临界扩展 传统疲劳强度计算方法，是在疲劳试验中获得载荷传统疲劳强度计算方法，是在疲劳试验中获得载荷循环循环次数曲线图基础上，利用次数曲线图基础上，利用疲劳图疲劳图并选择适当的并选择适当的安全系数安全系数进进行选材设计；行选材设计； 该方法是以构件中该方法是以构件中没有缺陷没有缺陷来确定其疲劳强度。来确定其疲劳强度。 事实上，构件在加工制造和使用过程中，由于种种原因，事实上，构件在加工制造和使用过程中，由于种种原因，往往往往存在着各种类型的缺陷存在着各种类型的缺陷，因此对，因此对带有缺陷构件带有缺陷构件在在交变交变载作用载作用下，裂纹如何逐渐扩展进行研究，即用下，裂纹如何逐渐扩展进行研究，即用
21、断裂力学观断裂力学观点点来研究疲劳裂纹的扩展。这对估算在交变载荷下结构寿来研究疲劳裂纹的扩展。这对估算在交变载荷下结构寿命，保证构件安全工作是又一重要途径。命，保证构件安全工作是又一重要途径。 焊接结构焊接结构6.3.2 疲劳裂纹的亚临界扩展 一个含有初始裂纹一个含有初始裂纹a0的构件，当的构件，当承受静载荷承受静载荷时，时，只有只有在在其其应力水平达到临界应力应力水平达到临界应力c时，亦即当裂纹尖端的时，亦即当裂纹尖端的应力强应力强度因子度因子K达到临界值达到临界值Kc时，才会发生失稳破坏。时，才会发生失稳破坏。 当构件承受一个低于当构件承受一个低于c，但不足够大的循环应力时，这，但不足够大
22、的循环应力时，这个初始裂纹个初始裂纹a0便会便会发生缓慢扩展发生缓慢扩展；当；当达到临界裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸ac时，会使构件时，会使构件发生破坏发生破坏。 焊接结构焊接结构疲劳裂纹的亚临界扩展 裂纹在循环应力作用下，由初始裂纹裂纹在循环应力作用下，由初始裂纹a0扩展到临界扩展到临界ac这段这段扩展过程就是疲劳裂纹的扩展过程就是疲劳裂纹的亚临界扩展亚临界扩展阶段，也就是阶段，也就是稳定扩稳定扩展展阶段。阶段。 图解：图解： 焊接结构焊接结构疲劳裂纹的亚临界扩展的注释 承受较低交变载荷承受较低交变载荷0 0 c c的带有疲劳裂纹的构件，因每的带有疲劳裂纹的构件，因每次应力循环均使原始裂纹发生稳
23、定扩展次应力循环均使原始裂纹发生稳定扩展a a ，最终使其由，最终使其由初始裂纹初始裂纹a a0 0扩展到临界尺寸扩展到临界尺寸a ac c，从而，达到了对应于从而，达到了对应于临界临界裂纹尺寸裂纹尺寸a ac c条件下的临界应力条件下的临界应力0 0 ， 使裂纹尖端使裂纹尖端应力强度因子应力强度因子K K达到了临界值达到了临界值K Kcc，于是，于是, ,便发便发生了疲劳裂纹的失稳扩展而破坏生了疲劳裂纹的失稳扩展而破坏! ! 裂纹裂纹a0 ac 应力应力c 0 焊接结构焊接结构6.4 焊接接头疲劳破坏的影响因素6.4.1 应力集中应力集中的影响的影响 对接接头对接接头 对接接头形状变化不大，
24、应力集中比其他形式接头小对接接头形状变化不大，应力集中比其他形式接头小; 焊缝余高过大、过渡角过大会使接头疲劳强度下降。焊缝余高过大、过渡角过大会使接头疲劳强度下降。 若若保证焊透保证焊透并使焊缝向母材平滑过渡或经机械加工使其并使焊缝向母材平滑过渡或经机械加工使其平滑过渡，平滑过渡，则其疲劳强度可则其疲劳强度可接近接近或或达到达到母材强度母材强度。（1）接头形式引起的应力集中：）接头形式引起的应力集中： 焊接结构焊接结构 丁字和十字接头丁字和十字接头 总体特点：总体特点： 这类这类焊缝向母材基本金属过渡处焊缝向母材基本金属过渡处自然会有明显的自然会有明显的截面变化截面变化，其其应力集中系数应力
25、集中系数要要比对接接头的高。因此，其比对接接头的高。因此，其疲劳强度疲劳强度远低远低于于对接接头。对接接头。 特别指出：特别指出： 未开坡口的十字接头未开坡口的十字接头，危险截面有两个：，危险截面有两个： 焊趾处焊趾处 和和 焊缝根部焊缝根部。 原因就是：原因就是：应力集中系数高！应力集中系数高！ 改善方法改善方法 采用：采用：开坡口开坡口并保证并保证根部焊透，根部焊透，且使焊缝在且使焊缝在焊趾处焊趾处向母材向母材平滑平滑过渡过渡，则其疲劳强度可，则其疲劳强度可明显提高明显提高。 三项并举，以三项并举，以改善改善焊趾焊趾和和焊根处焊根处危险截面的状况危险截面的状况！ 焊接结构焊接结构 搭接接头
26、搭接接头 总体特点：总体特点： a）仅有仅有侧面角焊缝侧面角焊缝的搭接接头的搭接接头疲劳强度最低疲劳强度最低，只达到基本金，只达到基本金属的属的34左右。而且，搭接长度应有所控制左右。而且，搭接长度应有所控制(Lrr rc c 0 0，即，即r r s s时时, ,因残余应力能够在因残余应力能够在一次加一次加载后被消除载后被消除, ,因而因而影响不大影响不大. . 而且，而且，经过一次过载后经过一次过载后，往往有助于，往往有助于 提高疲劳强度提高疲劳强度！（2）当）当r 0，即，即r 0，r 越小越小(rs且且KT较小时，则较小时，则不需要热处理不需要热处理消应力。消应力。 焊接结构焊接结构6
27、.5 提高焊接结构疲劳强度的措施提高焊接结构疲劳强度的措施（1）降低应力集中）降低应力集中 1）采用合理的结构及接头形式采用合理的结构及接头形式：焊缝布置避开三向应力区；：焊缝布置避开三向应力区；选用对接接头，不用搭接，减小应力集中、且选择合适的选用对接接头，不用搭接，减小应力集中、且选择合适的余高；不等截面过渡；背面不能放置永久垫板；余高；不等截面过渡；背面不能放置永久垫板；2）表面机械加工：表面机械加工：消除沟槽消除沟槽3）电弧整形电弧整形：作用与表面机加工相似，通过钨极氩弧焊方：作用与表面机加工相似，通过钨极氩弧焊方法使接头过渡区重熔一次，使焊缝与基本金属间过渡平滑。法使接头过渡区重熔一
28、次，使焊缝与基本金属间过渡平滑。 焊接结构焊接结构（2）正确选择焊接规范，调整残余应力场）正确选择焊接规范，调整残余应力场 通过调整施焊顺序、采用整体局部退火、表面锤击或喷丸、通过调整施焊顺序、采用整体局部退火、表面锤击或喷丸、激光冲击的方法获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。激光冲击的方法获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。 焊接结构焊接结构（3）改善材料的力学性能）改善材料的力学性能表面强化、锤击焊缝及过渡区、喷丸处理可以获得表表面强化、锤击焊缝及过渡区、喷丸处理可以获得表面的压应力状态，同时使材料局部加工硬化，提高疲面的压应力状态，同时使材料局部加工硬化，提高疲劳强度。劳强度。 （4）特殊保护措施）特殊保护措施-塑料涂层塑料涂层 采用采用特殊塑料特殊塑料涂层技术涂层技术也可也可提高焊接接头疲劳强提高焊接接头疲劳强度。度。 焊接结构焊接结构6.6 焊接接头疲劳强度计算焊接接头疲劳强度计算 钢结构设计规范：钢结构设计规范：GB50017-2003
