焊接接头和结构的疲劳强度

《焊接接头和结构的疲劳强度》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、1第3章焊接接头和结构的疲劳强度2本章主要内容和重点：3.1焊接结构的疲劳3.1.1疲劳断裂事例3.1.2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★3.3疲劳载荷及表示法3.4断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用3.6影响焊接结构疲劳强度的因素★3.6.1应力集中的影响3.6.2近缝区金属性能变化的影响3.6.3残余应力的影响3.6.4其他因素的影响3.7提高焊接接头疲劳强度的措施★3第3章焊接接头和结构的疲劳强度3.1焊接结构的疲劳疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。工程结构失效约

2、80％以上是由疲劳引起的；在某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的80％～90％；对于承受循环载荷的焊接构件有90％以上的失效应归咎于疲劳破坏。在我国，疲劳失效也相当普遍，在能源、交通等部门都很严重。而且随着新材料、新工艺的不断出现，将会提出许多疲劳强度的新问题需要研究解决。43.1.1疲劳断裂事例疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期，随着铁路运输的发展，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。以后在第二次世界大战期间发生多起飞机疲劳失事事故。1954年英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲

3、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的高度。结构由铆接连接发展到焊接连接后，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头处产生的。5疲劳断裂的事例图3-1，直升飞机起落架的裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始的，该机飞行着陆2118次后发生破坏。图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚5mm，承受反复弯曲应力，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。6水压机的疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。7角焊

4、缝改为对接焊缝降低疲劳破坏如果在设计中，将易导致疲劳破坏的应力集中系数高的角焊缝改为应力集中较小的对接焊缝，疲劳事故就可大大减少。图3-4b用锻造法兰代替图a原法兰，将角焊缝改为对接焊缝大大改善抗疲劳能力。8原因：裂纹部位有较高的应力集中所致。措施：采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。图3-5，美国几座桥发生在靠近焊缝端部焊趾部位的疲劳裂纹。93.1.2焊接结构常见的疲劳类型疲劳定义：在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生的裂纹或突然发生完全

5、断裂的过程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳：是指材料在低于屈服点的循环应力作用下，经以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅控制，故又称应力疲劳。低周疲劳：是材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用下,经低于次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受应变幅控制，故又称应变疲劳。103.2疲劳断裂的过程和断口特征3.2.1疲劳断裂的过程疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成、扩展、断裂三个阶段组成。材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成。对于承受循环载荷作用的金属材料

6、，由于晶粒取向不同，以及存在各种宏观或微观缺陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方向上是各不相同的；当整体金属还处于弹性状态时，个别薄弱晶粒已进入塑性应变状态，这些首先屈服的晶粒可以看成是应力集中区。一般认为，具有与最大切应力面相一致的滑移面的晶粒首先开始屈服，出现滑移。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“挤入”现象，挤入部分向滑移带的纵深发展，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

7、。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环大约只有0.lm（微米）数量级，扩展深度约为2～5个晶粒。裂纹扩展的第Ⅱ阶段当第1阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转到与最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的第Ⅱ阶段，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

8、3阶段）。1112裂纹扩展机理--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Ⅱ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，其尖端处于尖锐状态。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，当拉应力达到最高值时，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。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△α*。在断口表