焊接接头和结构的疲劳强度课件.ppt

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 焊接结构的焊接结构的疲劳疲劳 3.1.1 疲劳断裂疲劳断裂事例事例 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 疲劳断裂的疲劳断裂的过程过程和和断口特征断口特征 3.3 疲劳载荷疲劳载荷及及表示法表示法 3.4 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3.6 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 3.6.1 应力集中应力集中的影响的影响 3.6.2 近缝区近缝区金属性能变化金属性能变化的影响的影响 3.6.3 残余

2、应力残余应力的影响的影响 3.6.4 其他因素其他因素的影响的影响3.7 提高提高焊接接头疲劳强度的焊接接头疲劳强度的措施措施 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

3、劳失效也相当普遍，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世纪初期世纪初期，随着，随着铁路运输铁路运输的发的发展，展，机车车辆机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个第一个疲劳强疲劳强度问题。度问题。 以后在以后在第二次世界大战第二次世界大战期间发生多起期间发生多起飞机疲劳失事飞机疲劳失

4、事事故。事故。 1954年年英国彗星喷气客机英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引起飞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，并使行失事，引起了人们的广泛关注，并使疲劳研究疲劳研究上升到上升到新新的高度的高度。 结构由结构由铆接连接铆接连接发展到发展到焊接连接焊接连接后，对疲劳的敏感性和产后，对疲劳的敏感性和产生裂纹的危险性更大。生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳往往是从往往是从焊接接头焊接接头处产生的。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

5、，该机飞行着陆开始的，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

6、焊角焊缝缝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

7、 疲劳定义疲劳定义：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

8、过其其屈服点屈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。510510103.2 疲劳断裂的过程和断口特征疲劳断裂的过程和断口特征3.2.1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

9、于作用的金属材料，由于晶粒取向晶粒取向不同，以及存在不同，以及存在各种各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各不相同同的；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，状态，这些这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，具有与最大切应力最大切应力面相一致的滑移面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。 随着随着循环加载循环加载的不断进行，的不断进行

10、，滑移线滑移线的量的量加大成为加大成为滑移带滑移带，并不断加宽、加深形成，并不断加宽、加深形成“挤出挤出”和和“挤入挤入”现象，现象，挤入部分挤入部分向滑移向滑移带的带的纵深发展纵深发展，形成，形成疲劳微裂纹疲劳微裂纹(图图3-6)。 这些微裂纹沿着和这些微裂纹沿着和拉应力拉应力成成45的的最大最大切应力切应力方向传播，这是方向传播，这是疲劳裂纹扩展的第疲劳裂纹扩展的第1阶段阶段。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环大约只有大约只有0.lm （微米）（微米）数量级，扩展深度数量级，扩展深度约为约为25个晶粒。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

11、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，裂纹扩展的途径是在该阶段内，裂纹扩展的途径是穿晶穿晶的，其扩展速率较快，的，其扩展速率较快，每一次应每一次应力循环力循环大约扩展大约扩展m数量级数量级，在电子，在电子显微镜下观察到的显微镜下观察到的疲劳条纹疲劳条纹主要是在主要是在这一阶段内形成的。这一阶段内形成的。 在在循环加载循环加载下下裂纹继续扩展裂纹继续扩展，承，承受载荷的受载荷的横截面面积继续减小横截面面积继

12、续减小，直到，直到剩余有效面积小到不能承受施加的载剩余有效面积小到不能承受施加的载荷时，构件就到达最终荷时，构件就到达最终断裂阶段（第断裂阶段（第3阶段）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 整个疲劳过程中的整个疲劳过程中的主要时间主要时间是属于是属于疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展阶段阶段，即，即第第阶段阶段，亦称亚临界裂纹扩展阶段。，亦称亚临界裂纹扩展阶段。 目前广泛流行的模型是目前广泛流行的模型是塑性钝化模型塑性钝化模型（图（图3-8）。）。 当当卸载卸载时，裂纹闭合，其尖端处于时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态尖锐状态。 开始加载开始加载时，在时，在切应力切应力下，

13、下，裂纹尖端裂纹尖端上下两侧上下两侧沿沿45方向产生方向产生滑移滑移，使，使裂纹尖端变钝裂纹尖端变钝，当拉应力达到，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。 开始卸载开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿时，裂纹尖端的金属又沿45 继续卸载继续卸载时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化裂纹锐化。 这样每经过一个这样每经过一个加载、卸载循环加载、卸载循环，裂纹由，裂纹由钝化到钝化到锐化锐化并向前扩展一段长度并向前扩展一段长度*。在断口表面上就会遗。在断口表面上就会遗留下一条留下一条痕迹痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的，这就是在金相断口图上

14、通常看到的疲疲劳条纹劳条纹或称或称疲劳辉纹疲劳辉纹。 综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹裂纹反复反复锐锐化和钝化化和钝化的过程的过程。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。这三个区与区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 2疲劳裂纹扩展区3疲劳裂纹加速扩展区 4瞬时断裂

15、区14 疲劳裂纹源区：疲劳裂纹源区： 它是疲劳裂纹的它是疲劳裂纹的形成过程形成过程在断口上留下的真实记录。疲劳在断口上留下的真实记录。疲劳裂纹源区裂纹源区一般很小一般很小，宏观上，宏观上难以难以分辨疲劳裂纹源区的分辨疲劳裂纹源区的断面特断面特征征。疲劳裂纹源一般总是发生在。疲劳裂纹源一般总是发生在表面表面；但如果构件；但如果构件内部存在内部存在缺陷缺陷（如脆性夹杂物等），也可在（如脆性夹杂物等），也可在构件内部构件内部产生。产生。 疲劳源数目有时疲劳源数目有时不止一个不止一个，而有，而有两个甚至两个以上两个甚至两个以上。对于。对于低周疲劳低周疲劳，由于其，由于其应变幅值较大应变幅值较大，断口上

16、常有，断口上常有几个几个不同位置不同位置的的疲劳源疲劳源。 疲劳裂纹扩展区：疲劳裂纹扩展区： 它是疲劳断口上它是疲劳断口上最重要最重要的特征区域。的特征区域。宏观形貌宏观形貌为为贝壳状贝壳状或或海滩波纹状条纹海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进呈周推进呈弧形线条弧形线条，并且，并且垂直于垂直于疲劳裂纹的扩展方向。这些疲劳裂纹的扩展方向。这些贝壳状的贝壳状的推进线推进线是在使用过程中循环是在使用过程中循环应力振幅变化应力振幅变化或或载荷大载荷大小改变小改变等原因所遗留的痕迹。等原因所遗留的痕迹。 在在实验室实验室作作恒应力或恒应变实验恒

17、应力或恒应变实验时，断口一般无此特征，时，断口一般无此特征，疲劳断口疲劳断口光滑呈细晶状光滑呈细晶状，有时光洁得尤如瓷质状，对于，有时光洁得尤如瓷质状，对于低周低周疲劳疲劳往往往往观察不到观察不到这种贝壳状的这种贝壳状的推进线推进线。 15 瞬时破裂区瞬时破裂区（或称最终破断区）：（或称最终破断区）： 它是它是疲劳裂纹扩展到疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后临界尺寸之后发生的发生的快速破断快速破断。其特征与其特征与静载拉伸断口静载拉伸断口中快速破坏的中快速破坏的放射区及剪切唇放射区及剪切唇相同。相同。非常脆的材料非常脆的材料，此区为，此区为结晶状的脆性断口结晶状的脆性断口。 16疲劳辉纹疲劳辉纹的形貌

18、的形貌 疲劳辉纹疲劳辉纹与与宏观断口宏观断口上看到的上看到的贝壳状条纹贝壳状条纹是不是是不是一回事？一回事？ 疲劳辉纹疲劳辉纹是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化塑性钝化（ * ）形成的痕迹，贝壳状条纹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疲劳辉纹。 另外一些构件，尤其是薄板件薄板件，其宏观断口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。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。疲劳台阶疲劳台阶也是疲劳裂纹也是疲劳裂纹扩展区的一个特征扩展区的一个特征。3

19、-10 裂纹疲劳扩展的辉纹 疲劳辉纹疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展第二阶段第二阶段的的微观特征微观特征。通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在0.l0.4m之间。 面心立方金属面心立方金属(如铝及铝合金、不锈钢)的疲劳条纹比较清晰、明显清晰、明显。体心立方金体心立方金属、密排六方金属属、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

20、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

21、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ammax2minmaxm2minmaxamaxminRamminminmaxR=(-1R1)mamaxmin0 以循环应力中的以循环应力中的最大应力最大应力为纵坐标，为纵坐标，断裂循环次数断裂循环次数N为横坐标，根据为横坐标，根据试验数据绘出试验数据绘出-N曲线曲线 。-N曲线和曲线和-N曲线统称为曲线统称为S-N曲线曲线。 疲劳极限疲劳极限：曲线的曲线的水平段水平段表示材料经表示材料经无限次应力循环无限次应力循环而不破坏，与而不破坏，与此相对应的此相对应的最大应力最大应力则表示光

22、滑试样在则表示光滑试样在对称循环应力对称循环应力下的下的疲劳极限疲劳极限 。疲劳极限的下标为疲劳极限的下标为应力比应力比R的数值表示。的数值表示。 例如：例如：R = -l 时的疲劳极限为时的疲劳极限为 ，R=0时为时为 ，应力比为任意，应力比为任意R值时值时为为 。18 2S-N曲线曲线 1R10193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

23、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为疲劳极限图限为疲劳极限图限，即在曲线，即在曲线ACB以内以内的任意点，表示的任意点，表示不发生疲劳破坏不发生疲劳破坏；在这条曲线；在这条曲线以外以外的点，表示经一定的应力循环次数后即的点，表示经一定的应力循环次数后即发发生疲劳破坏生疲劳破坏。图中。图中A点点是是对称循环应力对称循环应力下发生下发生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循疲劳破坏

24、的临界点，该点的纵坐标值为对称循环应力下的疲劳极限环应力下的疲劳极限-1。B点点为为静载强度静载强度破坏破坏的点，其横坐标值为抗拉强度的点，其横坐标值为抗拉强度b。 C点点，因，因OD=DC，又因，又因max =m +a，则则 ： 02ODDC0-脉动循环应力脉动循环应力的疲劳极限的疲劳极限(2) max(min) -m图图 (3) max min图图 -自学自学mamaxmin0204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作用用 由于焊接结构由于焊接结构焊缝及其附近焊缝及其附近有有达到或接近屈服点达到或接近屈服点的的残余应力残余应力，因此在，因此在接头

25、施加接头施加常幅应力循环常幅应力循环，焊缝附近所承受的，焊缝附近所承受的实际循环应力实际循环应力将是由材料的屈将是由材料的屈服应力服应力(或接近屈服应力或接近屈服应力)向下变化，而向下变化，而不管其原始作用的应力比不管其原始作用的应力比如何。如何。 例如：若例如：若名义应力名义应力循环为循环为+1到到-2 ，则其应力范围为，则其应力范围为1 +2 。但实际。但实际焊接接头焊接接头中的中的实际应力实际应力范围将是由范围将是由s变到变到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疲劳强度设计规范规范以以应力范围

26、应力范围代替代替应力比应力比R。 名义应力名义应力是一种整体的等效应力，并不是实际作用于结构的局部的力。是一种整体的等效应力，并不是实际作用于结构的局部的力。 例如：压力下的例如：压力下的蜂窝或泡沫结构的材料蜂窝或泡沫结构的材料，他们的，他们的名义应力名义应力等于力除以面积等于力除以面积（等效为连续体），但是（等效为连续体），但是实际结构局部的应力实际结构局部的应力应该等于力除以应该等于力除以截面上的材截面上的材料面积料面积。在有。在有应力集中应力集中的疲劳计算，的疲劳计算，实际应力实际应力则为则为名义应力名义应力应力集中系应力集中系数数。 maxmin2a应力范围应力范围：21应力范围应力范

27、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）脉动循环载荷R=0 (图图3-18a) 假定材料的假定材料的屈服应力屈服应力为为300MPa，其，其应力范围为应力范围为0100MPa，则其实际应力范，则其实际应力范围上限值为屈服应力围上限值为屈服应力300MPa，下限为，下限为300MPa-(100+0)MPa=200MPa，因此其，因此其实际应力范围实际应力范围为：为：200300MPa。 （2）交变循环载荷）交变循环载荷R=-l (图图b) 其其应力范围为应力范围为50MPa，同样，其实，同样，其实际应力范围上限仍为际应力范围上限仍为300MPa，

28、下限为，下限为300-(50+50)=200MPa，因此，因此实际应力范实际应力范围围仍为：仍为：200300MPa。 这说明：这说明：实际应力范围实际应力范围和与其相关的和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度疲劳循环次数、疲劳强度，只与，只与施加的应施加的应力范围力范围有关，而与最大、最小循环应力值有关，而与最大、最小循环应力值以及应力以及应力R比无关。即比无关。即焊接接头焊接接头的的疲劳性疲劳性能能只能用只能用应力范围应力范围概念来表达。概念来表达。 注意：注意：在在没有焊接残余应力没有焊接残余应力存在时，例如对于消除应力试样，假如在试样缺口尖端存在时，例如对于消除应力试样，假如在试样缺口尖端

29、的应力也的应力也低于屈服点低于屈服点，即，即未产生塑性变形未产生塑性变形，则，则名义应力比名义应力比R同样也是同样也是实际应力循环特实际应力循环特征征，这时，这时应力比应力比R仍是决定试样仍是决定试样(构件构件)的疲劳强度重要参量。的疲劳强度重要参量。疲劳设计疲劳设计 对于承受对于承受疲劳载荷疲劳载荷的结构，的结构，疲劳设计疲劳设计是在对结构是在对结构进行进行强度设计强度设计并确定了各构件并确定了各构件截面尺寸和连接细节截面尺寸和连接细节后后,为了为了避免疲劳破坏避免疲劳破坏而需进行的工作。而需进行的工作。 实践证明，实践证明，正确的疲劳设计和制造正确的疲劳设计和制造是防止疲劳破坏的是防止疲劳

30、破坏的最有效措施最有效措施。 疲劳设计方法有疲劳设计方法有容许应力设计法容许应力设计法、疲劳极限状态疲劳极限状态设计法设计法等。等。 下面介绍两种设计方法：下面介绍两种设计方法： 1容许应力容许应力设计法设计法 2. 按按考虑细节类型考虑细节类型的焊接结构的疲劳的焊接结构的疲劳设计设计 2223 它是把各种构件和接头的它是把各种构件和接头的试验疲劳强度试验疲劳强度除以除以一个一个安全系数安全系数(n1)作为作为容许容许应力应力 ，使，使设计载荷设计载荷引起的引起的最大应力最大应力容许应力容许应力。从而确定构件。从而确定构件断面断面尺寸尺寸的设计方法。的设计方法。 （1）常幅疲劳）常幅疲劳 常幅

31、疲劳常幅疲劳是所有应力循环的是所有应力循环的应力范围应力范围保持保持常量常量的疲劳的疲劳，按下式计算： 式中式中 对于对于焊接结构焊接结构，应力范围，应力范围 =max -min ； 对于对于非焊接结构非焊接结构为折算应力范围，为折算应力范围，=max - 0.7min； 容许应力范围容许应力范围(MPa)。 的计算的计算（根据表3-1的连接形式类别）： 式中 n 应力循环次数； C， 根据表3-2构件和连接的类别，查表3-1确定的系数。 1容许应力设计法容许应力设计法/1nC(3-1)(3-2)查表3-1和表3-2，确定C，。2425 （2）变幅疲劳）变幅疲劳： 它是应力循环内的它是应力循环

32、内的应力范围应力范围随机变化随机变化的疲劳。若能预测结构在的疲劳。若能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布总和总和所构成的所构成的设计应力谱设计应力谱，可将其，可将其折算折算为为等效常幅疲劳等效常幅疲劳，按，按下式进行计算：下式进行计算： 式中式中 e变幅疲劳的等效应力范围变幅疲劳的等效应力范围，按下式确定：，按下式确定： 式中式中 ni以应力循环次数表示的以应力循环次数表示的结构预期使用寿命结构预期使用寿命； ni预期寿命内应力范围水平达到预期寿命内应力范围水平达到i的的应力循环次数应力循环次数。 容许应力

33、范围容许应力范围与常幅疲劳的与常幅疲劳的相同。相同。 1ieniine (3-4)极限状态极限状态设计法设计法 容许应力设计方法容许应力设计方法是建立在大量的是建立在大量的试验资料试验资料和和多年经验多年经验基础基础上的设计方法，当疲劳载荷引起的上的设计方法，当疲劳载荷引起的应力偏差很大应力偏差很大时，她往往时，她往往是是不经济不经济的。目前工程结构的设计的的。目前工程结构的设计的总趋势总趋势是由是由容许应力设容许应力设计法计法向向极限状态设计法极限状态设计法过渡。过渡。 极限状态设计法极限状态设计法是以是以可靠理论可靠理论为基础，把为基础，把疲劳载荷疲劳载荷和各种和各种接头的接头的疲劳强度疲

34、劳强度看作为按一定概率密度函数分布的看作为按一定概率密度函数分布的变量变量，根，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时的终止时的存活概率存活概率，据此来决定，据此来决定构件的断面尺寸构件的断面尺寸。 这种方法这种方法并不意味着并不意味着结构设计寿命终了时结构结构设计寿命终了时结构立即报废立即报废，而，而是反映是反映结构抗疲劳的安全水平结构抗疲劳的安全水平。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

35、 （1）疲劳强度设计曲线）疲劳强度设计曲线：一般的焊接结构通常采用一般的焊接结构通常采用细节分类法细节分类法进行疲进行疲劳评定。劳评定。细节类型的划分细节类型的划分考虑考虑接头的形式接头的形式以及以及构造细节构造细节（局部应力集中、受（局部应力集中、受力方向、冶金效应、残余应力、疲劳裂纹形状力方向、冶金效应、残余应力、疲劳裂纹形状），在某些情况下还考虑，在某些情况下还考虑焊接焊接工艺和焊后的改进措施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)的的应力应力范围范围。疲劳级别疲劳级别FAT：它它指出在指出在200万万次次(2l

36、06次次)循环次数下循环次数下特定的特定的疲劳强度疲劳强度。 如如S-N曲线的曲线的125表示其在表示其在2106循环次数下的以循环次数下的以应力范应力范围围(最大最大-最小应力之差最小应力之差)表征表征的的疲劳强度为疲劳强度为125MPa，112则表则表示在相同应力循环次数下的疲示在相同应力循环次数下的疲劳强度为劳强度为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添加了铝合金铝合金的不同接头的的不同接头的S-N曲线分类曲线分类(图图3-20)。各条。各条S-N曲线具有曲线具有相同相同的的m值值（即相同的斜率），（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与

37、循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表示为：示为：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。 mCN(3-5)29（2）细节类别）细节类别 具体的具体的不同钢结构件的不同钢结构件的FAT值值（见（见表表3-3 - P118页页）。）。表中表中FAT值是根据值是根据实验研究实验研究定出的，纳入以下事实和影响：定出的，纳入以下事实和影响： 焊接结构的细节焊接结构的细节：焊缝形状所引起的：焊缝形状所引起的局部应力集中局部应力集中；一定；一定范围内的范围内的焊缝尺寸和形状偏差焊缝尺寸和形状偏差；应力方向应力方向；残余应力残余应力；冶金状冶金状态态；焊接过程和随后的焊缝改善处

38、理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如果构件和接头中还存在其他原因其他原因所产生的所产生的应力集中应力集中，由，由于表于表3-3的的FAT并未考虑之，因此在并未考虑之，因此在疲劳载荷计算疲劳载荷计算中要中要乘以乘以该该应力集中系数应力集中系数，或将对应的，或将对应的FAT值值除以除以该该应力集中系数应力集中系数。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 传统传统的疲劳设计方法的疲劳设计方法：假定材料是：假定材料是无裂纹无裂纹的的连续体连续体，经过一定，经过一定的应力循环次数后，由于的应力循环次数后，由于疲劳累积损伤疲劳累积损伤而而形成

39、裂纹形成裂纹，再经，再经裂裂纹扩展阶段纹扩展阶段直到直到断裂断裂。 常规的疲劳计算常规的疲劳计算就是在就是在疲劳试验疲劳试验的大量统计结果上，获得的大量统计结果上，获得应力应力-寿命即寿命即S-N曲线曲线，然后在此基础上利用，然后在此基础上利用疲劳图疲劳图并给以一并给以一定的定的安全系数安全系数进行进行设计和选材设计和选材。 应用断裂力学应用断裂力学的疲劳设计方法的疲劳设计方法：实际构件实际构件由于各种原因由于各种原因(如焊如焊接、铸造、锻造等接、铸造、锻造等)往往不可避免地会产生各种往往不可避免地会产生各种缺陷及裂纹缺陷及裂纹。带有裂纹的构件，在循环应力和应变作用下，裂纹可能带有裂纹的构件，

40、在循环应力和应变作用下，裂纹可能逐渐逐渐扩展扩展。 应用断裂力学应用断裂力学把疲劳设计建立在构件把疲劳设计建立在构件本身存在裂纹本身存在裂纹这一这一客客观事实观事实的基础上，按照裂纹在循环载荷下的的基础上，按照裂纹在循环载荷下的扩展规律扩展规律，估算估算结构的结构的寿命。寿命。这是保证构件安全工作的重要途径，同时也是这是保证构件安全工作的重要途径，同时也是对对传统疲劳试验和分析方法传统疲劳试验和分析方法的一个的一个重要补充和发展重要补充和发展。 313.4.1 裂纹的裂纹的亚临界扩展亚临界扩展 假若构件承受一个假若构件承受一个低于低于c但但又足够大又足够大的的循环应力循环应力，那么，那么这个这

41、个初始裂纹初始裂纹0便会发生便会发生缓缓慢扩展慢扩展，当达到，当达到临界裂纹尺临界裂纹尺寸寸c时，会使构件发生时，会使构件发生破坏破坏。裂纹在循环应力作用下，由裂纹在循环应力作用下，由初始值初始值0到临界值到临界值c这一段这一段扩展过程就是疲劳裂纹的扩展过程就是疲劳裂纹的亚亚临界扩展阶段临界扩展阶段。图3-22 亚临界裂纹扩展与临界裂纹尺寸0一个含有一个含有初始裂纹初始裂纹a0的构件，当承受的构件，当承受静载荷静载荷时，只有在应力水平时，只有在应力水平达到达到临界应力临界应力c时时(图图3-22)，即：当其裂纹尖端的，即：当其裂纹尖端的应力强度因子应力强度因子达到达到临界值临界值KIC(KC)

42、时，才会发生时，才会发生失稳破坏失稳破坏。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-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00m0ddCNKCN）（mKCdNd)(KKRIC)1 (K)C(dNdmd)(100cmcKCKKR）（或帕瑞斯帕瑞斯（Paris）半经验定律半经验定律：应力强度因子应力强度因子K既然能够表示裂纹尖端的既然能够表示裂纹尖端的应力场强度应力场强度，那么就可以认为，那么就可以认为K值是控制值是控制裂纹扩展速率裂纹扩展速率的重要参量。的重要参

43、量。帕瑞斯帕瑞斯（Paris）规律公式：福尔曼福尔曼（Forman）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，反映金属材料疲劳裂纹扩展的料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

44、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，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。5103.5.1 应力和应变循环应力和应变循环-续续 图图3-27为循环载荷条件下为循环载荷条件下可能发生可能发生的的应力应力-应变应变关系。当在关系。当在完全完全弹性范围弹性范

45、围内变化时，如图内变化时，如图 a；当交变载荷；当交变载荷包含塑性区包含塑性区时，图时，图b，在每个循环中应力在每个循环中应力-应变关系不再是线性的，而是按应变关系不再是线性的，而是按滞后曲线滞后曲线BCDEB变化。变化。 是总应力范围，是总应力范围， 是是总应变范围总应变范围，它包括两部，它包括两部分：分：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。 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

46、破坏的破坏的实质。所以一般都采用实质。所以一般都采用控制控制塑性应变幅塑性应变幅。 ep 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 对对塑性材料塑性材料作一系列的作一系列的对称循环试验对称循环试验，用，用双对数坐标双对数坐标作作塑性应变幅塑性应变幅 与与寿命寿命Nc关系曲线，得图关系曲线，得图3-28直线直线1。 在疲劳强度试验中，因为在在疲劳强度试验中，因为在弹性范围弹性范围内，可以用内，可以用-N直接表示。为了与直线直接表示。为了与直线相比较，将相比较，将应力幅应力幅 用用 的关系换成应变幅，如图中的的关系换成应变幅，如图中的直线直线2。 进一步分析，图进一步分析，图3-

47、28曲线曲线1是是塑性应变幅塑性应变幅与与NC的关系曲线，即的关系曲线，即低周疲劳低周疲劳的的S-N曲线；曲线；曲线曲线2是在是在弹性范围弹性范围内由应力幅与内由应力幅与NC的关系曲线转化而来的，的关系曲线转化而来的，是是高周疲劳高周疲劳的的S-N曲线。这两线的曲线。这两线的交点交点P，表示，表示低周疲劳低周疲劳与与高周疲劳的分界高周疲劳的分界点点（过渡寿命点）。在（过渡寿命点）。在P点的点的右侧右侧，弹性应变弹性应变起主导作用，在起主导作用，在P点的点的左侧左侧塑性塑性应变应变起主导。或者说，起主导。或者说，P点的右侧为点的右侧为高周疲劳区高周疲劳区，P点的左侧是点的左侧是低周疲劳区低周疲劳

48、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与与高周疲劳的高周疲劳的直线直线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。a2p2eaE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 低周疲劳低周疲劳的的科芬科芬-曼森曼森(coffin-Mans

49、on)公式：公式： 式中式中 塑性应变范围；塑性应变范围； Nc 材料达到疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命；材料达到疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命； 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 若参量若参量a及及C已知，能画出材料的已知，能画出材料的滞回线滞回线，由图，由图3-27b可求得可求得 ，即可得到，即可得到疲劳寿命疲劳寿命N。CNacp（3-13）pp373.6 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1.2.3.接接头头形形式式应应力力集集中中焊焊接接工工艺艺缺缺陷陷母母材材的的因

50、因素素截截面面尺尺寸寸表表面面状状态态加加载载情情况况焊焊接接接接头头因因素素（近近缝缝区区金金属属性性能能变变化化）材材料料性性质质（低低碳碳钢钢、高高强强度度钢钢等等）其其他他因因素素结结构构尺尺寸寸（截截面面尺尺寸寸）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 不合理的设计不合理的设计、接头形式接头形式和焊接过程中产生的和焊接过程中产生的各种缺陷各种缺陷（未焊透、咬边等）是产生（未焊透、咬边等）是产生应力集中应力集中的主要原因。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 疲劳强度最高疲劳强度最高。因这