第 6 章 焊接结构疲劳课件.ppt

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1、第6章焊接接头和结构的疲劳强度主要内容：材料及结构疲劳失效的特征疲劳试验及疲劳图疲劳断裂的物理过程和断口特征焊接接头的疲劳强度计算标准影响焊接接头的疲劳强度的因素提高焊接接头的疲劳强度的措施大约用6~8学时概述在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的4％左右(约1200亿美元)；疲劳所涉及的领域有汽车，航空航天，机械，船舶，铁路，国防，军工，海洋工程等等。随着科技日新月异和用户对产品的要求越来越苛刻，企业面临的挑战越来越大，要缩短产品上市时间，疲劳问题要走在设计的前面

2、等。在产品的早期设计阶段，评估疲劳相关的问题和进行耐久性分析从而预测产品的寿命能给公司在缩减开发和测试成本、缩短投放市场的时间、提高产品使用寿命等方面带来很大的收益。6.1材料及结构疲劳失效的特征疲劳定义：材料在变动载荷作用下，会产生微、宏观的塑性变形，降低了材料的承载能力并引起裂纹，随着裂纹的逐步扩展，最后将导致断裂。统计表明：疲劳破坏占失效结构的90％。疲劳失效的特征一：与脆断有明显差别，加载次数、断裂过程、温度、端口；疲劳失效的特征二：疲劳强度难以确定，其值与实际工作条件密切相关不易预测；疲劳

3、失效的特征三：疲劳破坏一般从表面和应力集中出开始，焊接结构的疲劳从焊接接头产生。图6-1、-2、-3、-4疲劳破坏实例2118次着陆后发生破坏-低周疲劳运行30000km后，车架纵梁破坏-疲劳法兰与管道连接处发生破坏-KT高的角焊缝水压机机架在多次工作后破坏-低周疲劳焊接结构的大量使用和研究，疲劳破坏不断高强钢的使用，对KT比低碳钢敏感-疲劳破坏问题增加不锈钢管焊缝的微观疲劳断口汽车排气系统不锈钢管材的焊缝疲劳实验的断口照片。断裂在母材与焊缝之间的HAZ上。6.2疲劳试验及疲劳图6.2.1疲劳载荷及

4、其表示法金属的疲劳是在变载条件下经过N次循环才出现的。变载荷：是指大小、方向、波形、频率和应力幅随时间发生周期性或无规则变化的一类载荷。变载荷的主要参量：图6-4r——应力循环特征系数或应力循环对称系数，r值不同，循环特征亦不同。常用σr表示某种疲劳应力。1.对称交变载荷2.脉动载荷3.拉伸变载荷几种典型的动载荷高周与低周疲劳高周低应力（在弹性范围内）疲劳，N：104~105次以上，又称应力疲劳；低周高应力（超出弹性范围）疲劳，N＜104~105次，又称应变疲劳任何工程结构都不允许出现全截面的标称应

5、力大于屈服点的情况。所以，低周次疲劳仅是某些应力集中区域的材料单元疲劳行为。6.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线乌勒[德]第一个完成的基础疲劳试验，得到疲劳S-N曲线应力循环无数次也不发生疲劳破坏的最大的应力幅叫疲劳极限。N取对数，则破坏应力与N关系可用两直线表示。S-N曲线的类型其一，有应变时效的金属如常温的钢铁，S-N曲线有明显的水平部分；其二，无应变时效的金属如铝等，无水平部分，用人为的循环基数N0对应的应力值作为条件疲劳极限。高强钢的低周疲劳曲线（1）用σmax和r表示的疲劳图即Moore，Ko

6、mmers疲劳强度图r=1时，σmax=σb6.2.3疲劳强度的常用表示法_疲劳图（2）用σmax和σm表示的疲劳图即Smith疲劳图（3）用σa和σm表示的疲劳图即Haigh疲劳强度图举例：已知σb=588N/mm2，N=2*106时，σ0=304N/mm2，σ-1=196N/mm2，作图求出σ1/2=？解：过0点作射线使r=1/2，交于BC延长线上D点，得412N/mm26.2.4各类参数对疲劳强度的影响1、材料2、表面状态3、N4、应力性质5、缺口效应1、材料的影响材料不同，σr不同，无缺口光

7、滑试件疲劳强度与σb有关：钢材：2、表面状态的影响影响很大，因为疲劳往往从表面开始用表面系数k*来表示，图6-13，k*与表面粗糙度成反比腐蚀亦可看成表面粗糙表面强化和残余压应力有助于提高疲劳强度图6-13，k*与表面粗糙度成反比3、N——循环次数的影响图6-14~17可见，疲劳曲线是一族线束；相同条件下，N值越大，对应的疲劳强度越低。Haight、Smith、Goodman、以及Moore，Kommers4、应力性质的影响同一材料（如铸铁）的抗压疲劳强度高于抗拉疲劳强度；图6-18材料的疲劳强度随

8、σm增加而降低；图6-19（a）相同条件下，σ0＞σ-1；图6-19（b）5、缺口效应相同材料350~850MPa结构钢，疲劳缺口系数kf↑→σ-1↓图6-20f的影响：0.1~200Hz，影响不大温度的影响，温度↓→σr↑（稍）6.3疲劳断裂的物理过程和断口特征疲劳断裂的三个阶段：1）应力集中产生初始疲劳裂纹——裂纹萌生2）裂纹稳定扩展3）失稳断裂裂纹的长度界限：1000埃？×10放大镜？1mm？断口宏观特征：辐射的贝壳纹焊趾裂纹引发的疲劳裂纹对于塑性材料，疲劳宏观