焊接结构的疲劳断裂.ppt

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1、Chapter5焊接结构的疲劳断裂本章内容：1.焊接结构疲劳失效的分类及危害2.焊接疲劳断裂的特征3.焊接结构疲劳的原因及影响因素4.焊接结构疲劳的防治措施疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。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%。疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样。两者比较，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的影响比较小。一、疲劳断裂示例1、疲劳断裂的示

2、例：疲劳事故最早发生在19世纪初期。疲劳一般从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生，下图是几个典型的焊接结构疲劳断裂事例。下图为直升飞机起落架的疲劳断裂图，裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低周疲劳。下图为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂，该梁板厚5mm，承受反复的弯曲应力，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。下图表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝而导致疲劳断裂，改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。下图水压机疲劳断裂事例，很明显，疲劳裂纹

3、是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。焊接结构较其它结构（如铆接结构）更容易产生疲劳断裂，这是因为：1）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至整个构件断裂。2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。火车轴（弯曲）曲轴（扭转）齿轮齿根（弯曲）球轴承（压缩）连杆（小拉大压）缸盖螺钉（大拉小拉）连杆（小拉大压）二、疲劳断裂概念2.疲劳破坏的概念钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏

4、。钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。PP折铁丝三、疲劳极限3．疲劳极限金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力，在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”，钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb条件疲劳极限：钢材的循环次数一般取N=1

5、07有色金属的循环次数一般取N=108陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低；金属材料－疲劳强度较高；纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。四、疲劳断裂的类型4.疲劳断裂的类型1、低周疲劳。由反复塑性变形所造成的破坏称为低周疲劳。低周疲劳的循环应力很高，接近或超过材料的屈服点，在每次循环中，材料都产生一定的塑性变形，在这种情况下，加载时的频率不可能很高，一般为0.2-0.5HZ，断裂周次很低，在104-105次以下。例如，锅炉及压力容器的每一次升压“降压便产生了一次塑性变形循环，在使用期间这种反复塑性变形循环的积累，就可能造就其低周疲劳破坏。低周疲劳的特点1、局部产生宏观变形，应力与应变

6、之间呈非线性。2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。多数零件按疲劳极限进行设计；有些零件承受的交变应力远高于疲劳极限，用过载持久值进行设计。低周疲劳N<105;高周疲劳N>1052、热疲劳。工作过程中，受反复加热和冷却的元件，在反复加热和冷却的交变温度下，元件内部产生较大的热应力，由于热应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）在长期运行中受热不均匀经受较大的交变热应力，致使集箱产生热疲劳破坏。1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）

7、。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、热应力的产生外部约束不让材料自由膨胀；内部约束温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变导致裂纹的萌生，扩展。3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径材料减小热膨胀系数，提高λ，均匀性，高温强度。工件状况减小应力集中。使用减小热冲击。3、、接触疲劳1、基本概念对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（