第10讲 焊接结构地疲劳失效

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1、实用标准第10讲焊接结构的疲劳失效绝大多数的焊接结构和焊接机械零部件，都是在变载荷下工作的，疲劳破坏是这种构件的主要破坏形式。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%。3.1金属材料的疲劳破坏一、疲劳强度金属机件在循环应力作用下的疲劳破坏，与在静应力作用下的失效有本质区别。静强失效，是由于在构件的危险截面中，产生过大的残余变形或最终断裂。疲劳破坏，是在构件局部高应力区内，较弱的晶粒在变动应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展导致最终疲劳破坏。疲劳破坏与脆性断裂相比：同：两者断裂时的变形都很小。异：(1)疲劳破坏需要多次加载，而脆断一般不需多次加载。

2、(2)结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展是缓慢的有时要长达数年时间。(3)脆断受温度影响极大。随温度的小而降低，脆断的危险性增加。而疲劳破坏受温度影响甚小。(4)疲劳破坏的断口特征明显不同于脆断。二、载荷的种类掌握载荷的变化情况，是进行疲劳强度设计的先决条件。变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：文案大全实用标准——变动载荷或应力循环内的最大应力；——变动载荷或应力循环内的最小应力；——平均应力；——应力振幅或应力半幅；——应力循环特性系数或应力循环对称系数。描述循环载荷的上述参数如图3-1所示。图3-1疲劳试验中的载荷参数单向等幅变动载荷，按照应力幅值和平均应力的大小，可分为对

3、称拉压、脉动拉伸、波动拉压等形式。的变化范围在-1~+1。图3-2为疲劳失效中载荷类型。文案大全实用标准图3-2疲劳时效中的载荷类型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。3.2疲劳裂纹形成及影响疲劳强度的因素一、疲劳裂纹的形成及扩展疲劳破坏——材料在多次重复的变应力作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的强度极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，

4、从而产生裂纹并且最终断裂，这种破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂。疲劳断裂是由循环应力、拉应力、和塑性应变同时作用而造成的。循环应力使裂纹形成，拉应力使裂纹扩展，塑性应变影响整个疲劳过程。若三者缺一，则疲劳裂纹都不可能形成和扩展。（一）疲劳裂纹的形成总是首先在应力最高、强度最弱的基本上形成。文案大全实用标准疲劳裂纹的形成主要有三种形式：夹杂物和基体晶面开裂、滑移带开裂、变晶和晶界开裂，如图3-3所示。图3-3疲劳裂纹的形成方式（二）疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹形成后，便沿着与拉应力轴线成45°角的最大切应力方向扩展，这是裂纹扩展第Ⅰ阶段。在这个阶

5、段中，裂纹扩展速度和最大深度都非常小，裂纹达到某一深度后，即称为扩展的第Ⅱ阶段。在这个阶段中，裂纹垂直于拉应力轴的方向。当疲劳裂纹长度达到材料的临界裂纹尺寸时，最终的瞬时断裂，如图3-4所示。图3-4疲劳裂纹的扩展（三）疲劳破坏的宏观断口特征脆性的，无明显的塑性变形。疲劳断口分成疲劳裂纹扩展（疲劳区）和瞬时断裂（瞬断区）两个区。图3-5为疲劳断裂的断口形貌。文案大全实用标准图3-5疲劳断裂的断口形貌二、影响疲劳强度的因素（一）应力集中材料的强度越高，缺口越尖锐应力集中越敏感。（二）表面状况在变载荷作用下，疲劳裂纹常开始产生于构件表面。因为在弯曲及扭转载荷作用下，、表层的应力最高，且表层经

6、常存在各种缺陷。表面加工质量，对疲劳强度有很大影响。eg1:抛光是最精密的机械加工。在试样表面上按平行于载荷方向进行抛光，所得的疲劳强度最高。eg2:在构件或合金坯料上打印，会使疲劳极限明显下降。在厚度为4mm，=47kgf/mm2的硬铝试样上打印，其疲劳强度约降低30%。（三）尺寸的影响早在1933年福耳哈贝尔(Faulhaber)研究和金钢试样时，将直径由7.5mm增至27mm时，发现疲劳强度降低0～15%。关于尺寸对材料疲劳极限的影响，综合许多研究资料，可归纳为以下几点：(1)试样尺寸增加时，材料疲劳极限降低；（考虑表层状态）(2)强度高的合金钢，其尺寸影响比强度低的钢大；(3)当

7、应力分布不均匀性增加时，尺寸影响也增加；(4)尺寸增加时，有效应力集中系数也增加。文案大全实用标准3.3断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用在传统的疲劳强度设计方法中，总是假定材料的初始状态是连续体，是没有裂纹的，经过一定循环数后，由于材料的损伤积累，才形成裂纹。并且认为，凡是强度指标（如强度极限和屈服极限）高的材料，其疲劳寿命也长。然而，实践证明，为了提高疲劳强度而采用强度级别高的材料后，构件的断裂事故增加了。因为构件中总存在微裂纹