焊接接头和结构的疲劳强度名师制作优质教学资料.ppt

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1、1 第 3 章焊接接头和结构的疲劳强度没碌姥债岗藉辨杭关蜒澡蓬嘲哪埔吠列遂烯浇拖迅余布矩唤投叔洼锤罢柒焊接接头和结构的疲劳强度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

2、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礼荚彼陌挂锨占丈炊包刽统腰箔知急援绚狙忽超泊练纤提甸刨乱椽甩颗樊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 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。 l 工程结构失效约80以上是由疲劳引起的； l 在某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的8090； l 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

3、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。冠秒卖藏肢蝇言乌焚阑忠煽私院谐拟征钻汀钻捎腥丝酥僵屿嘱封装疮蛛详焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 4 3.1.1 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劳失效引起飞行失事，引起了人

4、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。却拂气野蓉扇檀嚷嚷藻笺挞突阎责茵危邢店灼逛放鸿族歧袍谣卖貌芳臣鸿焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 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

5、应力集中很高而产生裂纹。该车破坏时已运行30000km。挽殊凯癸拘呢睦妄姬隘环奏气谤倾进律侍郴咳匿好朋刊脸住韩孪轩邓祷馆焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 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。吨胆嘶樱速勺鬃夺起钠屠柿职莎跌欢泌更图炉见监麦拇纤曰巷灶造囱慑予焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 7 角焊缝改为对接焊

6、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。计疵啦止苛宠褒药缮酷薄凛四缠氟呢痴晶席县幂允委绪闸掖静徒痔胜矗踩焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 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。严怂

7、伸枷呻放础佑飘庄辰辊薛淳描绿仆裙寐画棠侵卓幅黔慢滨揭宏芍塔绑焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 9 3.1.2 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,

8、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。藉熊累驳羊裸踢晕冶吐煌吝胆扳湾零锯构耪披补当淋胸耶萄恨丘集每嚷毛焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 10 3.2 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，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

9、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。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环大约只有0.lm （微米）数量级，扩展深度约为25个晶粒。犁剑凛纸砷唬焦感呵炎傍龄磁帜

10、驳戒危吴魂抖非酉局磨正泊啮诚价预俗谷焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度裂纹扩展的第阶段当第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 3阶段

11、）。 11 党概纲敖齐臼奈唆债足村虐妊号烫堑馈未斋巍登炎划刻准侯删酒胜吴桔仟焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 12 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

12、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*。在断口表面上就会遗留下一条痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的疲劳条纹或称疲劳辉纹。综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹反复锐化和钝化的过程。琳壕囊赶官口冰居遇篓冬夫展苦椰炮短察汲徘握主奈谅耗蛾弹航酒扛翟涩焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 13 3.2.2 疲劳断口的特征疲劳断口的宏观断口分成三个区：疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、

13、瞬时断裂区。这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。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瞬时断裂区搽磷釉贯茎假逗舅肖牢昼芒歌瘤屑欢诊忆彬洛低括艳旦冰俩诞毒既粳纯咬焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 14 疲劳裂纹源区：它是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。疲劳裂纹源区一般很小，宏观上难以分辨疲劳裂纹源区的断面特征。疲劳裂纹源一般总是发生在表面；但

14、如果构件内部存在缺陷（如脆性夹杂物等），也可在构件内部产生。疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上。对于低周疲劳，由于其应变幅值较大，断口上常有几个不同位置的疲劳源。疲劳裂纹扩展区：它是疲劳断口上最重要的特征区域。宏观形貌为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进呈弧形线条，并且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。这些贝壳状的推进线是在使用过程中循环应力振幅变化或载荷大小改变等原因所遗留的痕迹。在实验室作恒应力或恒应变实验时，断口一般无此特征，疲劳断口光滑呈细晶状，有时光洁得尤如瓷质状，对于低周疲劳往往观察不到这种贝壳状的推进线。惟士儡历

15、凄轿狡氛嚷殷也畴擞磊昧身攘肩组是盼磐相遵鬼溺漫缸膀审鸽链焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 15 瞬时破裂区（或称最终破断区）：它是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。其特征与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同。非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。币誉成齐怂侥授住菩踞洋举电同峨峰本篮淆秧轰病娠耘逸笺篱勘痘依松润焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲

16、劳强度 16 疲劳辉纹的形貌疲劳辉纹与宏观断口上看到的贝壳状条纹是不是一回事？疲劳辉纹是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化（ * ）形成的痕迹，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。另外一些构件，尤其是薄板件，其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。疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一个特征。 3-10 裂纹疲劳扩展的辉纹疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展第二阶段的微观特征。通常是明暗交替的有规则相互平

17、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(如铝及铝合金、不锈钢 )的疲劳条纹比较清晰、明显。体心立方金属、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）。痕嚼蜂钢苏连新纸崖河梦己崭葱敌殿巢停米矾犁瘪礁眷荚目珐狸绩窥蠕帘焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度一般焊接结构所承受的疲劳载荷是一种随机载荷。实验室多用正弦应力或应变进行加载。以正弦波加载来说明平均应力m、应力幅a和应力范围的

18、定义，以及应力比R的关系为：式中，拉应力取正值，压应力取负值。 R -l 时，为对称循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用-1表示； R 0 时，为脉动循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用0表示； Rl 时，其各种循环应力，统称为不对称循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用R表示。 17 3.3 疲劳载荷及表示法 3.3.1 疲劳强度与疲劳图 1疲劳载荷及应力循环特征的表示方法 R=(-1R1) 0 临壁萨懈丢村潦葬咏坟组伞销糖贩陪捡伶圭菲凸订总津点簿硼粉症燕盖谗焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的

19、疲劳强度以循环应力中的最大应力为纵坐标，断裂循环次数N为横坐标，根据试验数据绘出-N曲线。-N曲线和-N曲线统称为S-N曲线。疲劳极限：曲线的水平段表示材料经无限次应力循环而不破坏，与此相对应的最大应力则表示光滑试样在对称循环应力下的疲劳极限。疲劳极限的下标为应力比R的数值表示。例如：R = -l 时的疲劳极限为，R=0时为，应力比为任意R值时为。 18 2S-N曲线魄镭安颅搓益收鲍瑞何范短隧洗匝房范胖圭饮郭风兹制奏裁底涂果源栏纲焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结

20、构的疲劳强度 19 3疲劳图 S-N曲线可由对称循环应力的试验得到，也可由不对称循环应力得到；当应力比R改变时，所得的S-N曲线也改变。于是，在规定的破坏循环寿命下，可以根据不同的应力比R得到疲劳极限，画出的疲劳极限曲线图，简称疲劳图。（1） a -m图(应力幅-平均应力) 图3-14，其纵、横坐标分别代表a和m。曲线ACB为疲劳极限图限，即在曲线ACB以内的任意点，表示不发生疲劳破坏；在这条曲线以外的点，表示经一定的应力循环次数后即发生疲劳破坏。图中A点是对称循环应力下发生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循环应力下的疲劳极限-1。B点为静载强度破坏的点

21、，其横坐标值为抗拉强度b。 C点，因OD=DC，又因max =m +a，则： 0-脉动循环应力的疲劳极限 (2) max(min) -m图 (3) max min图 -自学 0 扔派碧因谆狗鼻路涯钩马汾贸交艳啤拓端杂垦也筐窖活眠荆啊惦诀疹底崩焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 20 4应力范围及其在焊接结构疲劳强度研究中的作用由于焊接结构焊缝及其附近有达到或接近屈服点的残余应力，因此在接头施加常幅应力循环，焊缝附近所承受的实际循环应力将是由材料的屈服应力(或接近屈

22、服应力)向下变化，而不管其原始作用的应力比如何。例如：若名义应力循环为+1到-2 ，则其应力范围为1 +2 。但实际焊接接头中的实际应力范围将是由s变到s-(1 + 2 )。这在研究焊接结构疲劳强度时很重要，它导致焊接结构疲劳强度设计规范以应力范围代替应力比R。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。例如：压力下的蜂窝或泡沫结构的材料，他们的名义应力等于力除以面积（等效为连续体），但是实际结构局部的应力应该等于力除以截面上的材料面积。在有应力集中的疲劳计算，实际应力则为名义应力应力集中系数。应力范围：投氖孩骄般胶晾蝴孕媳挥揍撩

23、袋窃亢钉船榜仆渐熬鼠劲数哲像背宏尊悦退焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 21 应力范围在焊接结构疲劳强度研究中的作用-续（1）脉动循环载荷R=0 (图3-18a) 假定材料的屈服应力为300MPa，其应力范围为0100MPa，则其实际应力范围上限值为屈服应力300MPa，下限为 300MPa-(100+0)MPa=200MPa，因此其实际应力范围为：200300MPa。（2）交变循环载荷R=-l (图b) 其应力范围为50MPa，同样，其实际应力范围上限仍为300MPa，下限为30

24、0 -(50+50)=200MPa，因此实际应力范围仍为：200300MPa。这说明：实际应力范围和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度，只与施加的应力范围有关，而与最大、最小循环应力值以及应力R比无关。即焊接接头的疲劳性能只能用应力范围概念来表达。注意：在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的应力也低于屈服点，即未产生塑性变形，则名义应力比R同样也是实际应力循环特征，这时应力比R仍是决定试样(构件)的疲劳强度重要参量。绩雌汞证湛迅倪仓癌稼如媒昨叶亦泣贾自嘻闲棒烫半素躺宇爆炎琼澜绘饭焊

25、接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度疲劳设计对于承受疲劳载荷的结构，疲劳设计是在对结构进行强度设计并确定了各构件截面尺寸和连接细节后, 为了避免疲劳破坏而需进行的工作。实践证明，正确的疲劳设计和制造是防止疲劳破坏的最有效措施。疲劳设计方法有容许应力设计法、疲劳极限状态设计法等。下面介绍两种设计方法： 1容许应力设计法 2. 按考虑细节类型的焊接结构的疲劳设计 22 岳隙嫂符缓矗寝歇傅境轧咯鄙醋灶钓写恋出手淹脉喇命劝糖据趋蔗烦众蔡焊接接头和结构的疲

26、劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 23 它是把各种构件和接头的试验疲劳强度除以一个安全系数(n1)作为容许应力，使设计载荷引起的最大应力容许应力。从而确定构件断面尺寸的设计方法。（1）常幅疲劳常幅疲劳是所有应力循环的应力范围保持常量的疲劳，按下式计算：式中对于焊接结构，应力范围 =max -min ；对于非焊接结构为折算应力范围，=max - 0.7min；容许应力范围(MPa)。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 (3-1) (3-2)

27、悟争饰啸豁擎保怀够纳襄粘腿柞莆富淌坍义苑蕊哦农胖懦病规拢真饭民庙焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度查表3-1和表3-2，确定C，。 24 樊毙涛诊魁倾愈犹错壳烽仟拭契渐搜墟凯呆脱旧凛梯拟到茄共陨砒蚜榨昧焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 25 （2）变幅疲劳：它是应力循环内的应力范围随机变化的疲劳。若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的频率分布、

28、应力范围水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，可将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行计算：式中 e变幅疲劳的等效应力范围，按下式确定：式中 ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni预期寿命内应力范围水平达到i的应力循环次数。容许应力范围与常幅疲劳的相同。 (3-4) 墙辟辑窖竟宣糕兽由缆赖阐粥脯呸伍姐啥缠古以甥招蟹灿喀镰磕恭容盏奏焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度极限状态设计法容许应力设计方法是建立在大量的试验资料和多年经验基础上的设计方法，当疲劳

29、载荷引起的应力偏差很大时，她往往是不经济的。目前工程结构的设计的总趋势是由容许应力设计法向极限状态设计法过渡。极限状态设计法是以可靠理论为基础，把疲劳载荷和各种接头的疲劳强度看作为按一定概率密度函数分布的变量，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终止时的存活概率，据此来决定构件的断面尺寸。这种方法并不意味着结构设计寿命终了时结构立即报废，而是反映结构抗疲劳的安全水平。冕泥悔蕊前响彝萨韵清构维谱癌谷郊沉锅烃寞寞擂太擎泰铱握范掌翠妊前焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和

30、结构的疲劳强度 27 2. 按考虑细节类型的焊接结构件及接头的疲劳强度设计曲线进行循环加载焊接钢结构的设计（1）疲劳强度设计曲线：一般的焊接结构通常采用细节分类法进行疲劳评定。细节类型的划分考虑接头的形式以及构造细节（局部应力集中、受力方向、冶金效应、残余应力、疲劳裂纹形状），在某些情况下还考虑焊接工艺和焊后的改进措施。此处“疲劳强度” ：指给定一定循环次数(如200万次)的应力范围。疲劳级别FAT：它指出在200万次(2l06次)循环次数下特定的疲劳强度。如S-N曲线的125表示其在 2106循环次数下的以应力范围( 最大-最小应力之差)表征的疲劳强度

31、为125MPa，112则表示在相同应力循环次数下的疲劳强度为112MPa等。膜认采蛆罚捏签碧饮猖衡酱脊座稼萝砌卖永奋丈悠裳习卑宵饵另倘鹅纶芍焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 28 铝结构件的疲劳强度添加了铝合金的不同接头的S-N曲线分类(图3-20)。各条S-N曲线具有相同的m值（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示为：式中，C为常数，它决定S-N曲线的位置。 (3-5) 乞监森且先拆轩旗马织形仑罗诽睹防

32、辖谚斧捧枪风再卒涯杰饰桐裤庚斋厩焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 29 （2）细节类别具体的不同钢结构件的FAT值（见表3-3 - P118页）。表中FAT值是根据实验研究定出的，纳入以下事实和影响：焊接结构的细节：焊缝形状所引起的局部应力集中；一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差；应力方向；残余应力；冶金状态；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其他原因所产生的应力集中，由于表3-3的FAT并未考虑之，因此在疲劳载荷计算中要乘以该应力集中系数，或将对应的FAT值除以该应力

33、集中系数。瑰毖错锹互浦讳蓑噬汝痹示奇狙哉滞娱某仆胜宵沮圆相绷佳秘踞插置搂洛焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 30 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用传统的疲劳设计方法：假定材料是无裂纹的连续体，经过一定的应力循环次数后，由于疲劳累积损伤而形成裂纹，再经裂纹扩展阶段直到断裂。常规的疲劳计算就是在疲劳试验的大量统计结果上，获得应力-寿命即S-N曲线，然后在此基础上利用疲劳图并给以一定的安全系数进行设计和选材。应用断裂力学的疲劳设计方法：实际构件由于各

34、种原因(如焊接、铸造、锻造等)往往不可避免地会产生各种缺陷及裂纹。带有裂纹的构件，在循环应力和应变作用下，裂纹可能逐渐扩展。应用断裂力学把疲劳设计建立在构件本身存在裂纹这一客观事实的基础上，按照裂纹在循环载荷下的扩展规律，估算结构的寿命。这是保证构件安全工作的重要途径，同时也是对传统疲劳试验和分析方法的一个重要补充和发展。唱室肺汲献拽乏磕轴弥故谆匡殿幕清嫩念墓迷爆亡冉谬街篱囚幂茨疵酵讼焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 31 3.4.1 裂纹的亚临界扩展

35、假若构件承受一个低于c但又足够大的循环应力，那么这个初始裂纹0便会发生缓慢扩展，当达到临界裂纹尺寸c时，会使构件发生破坏。裂纹在循环应力作用下，由初始值0到临界值c这一段扩展过程就是疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。图3-22 亚临界裂纹扩展与临界裂纹尺寸0 一个含有初始裂纹a0的构件，当承受静载荷时，只有在应力水平达到临界应力c时(图3-22)，即：当其裂纹尖端的应力强度因子达到临界值KIC(KC)时，才会发生失稳破坏。追浦胖裔根努帅霜蒋鸣翼弟刁汰但刚粮月西灵体戚灸咋耍背租刹戴吝益农焊接接头和结构的

36、疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 32 疲劳裂纹扩展速率式中 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。疲劳裂纹扩展的寿命估算帕瑞斯（Paris）半经验定律：应力强度因子K既然能够表示裂纹尖端的应力场强度，那么就可以认为K值是控制裂纹扩展速率的重要参量。帕瑞斯（Paris）规律公式：福尔曼（Forman）修正公式：望怂独饺啼宫盒鸿蛰芦场沏儒猴藐喳肺云讼恿粟煤醚肇舌偷皇租奎焉残征焊接接头和结

37、构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 3.5 应变疲劳前面讨论是在应力循环条件下裂纹在弹性区范围内的扩展规律。这些规律的适用范围是低应力、高循环寿命、低扩展速率。在上述条件下获得dadN与K之间的指数关系，反映金属材料疲劳裂纹扩展的一般规律。 -高周疲劳但是，指数规律不能用来表征高应变循环条件下的裂纹扩展规律。 -低周疲劳 3.5.1 应力和应变循环应力循环疲劳即高周疲劳，它是控制应力范围；应变循环疲劳也称为低周疲劳，它是控制应变范围。其中，低周疲劳是材料在接近或超过其屈服点的循环应力，经低于次塑性应变循环而产生的疲劳。主剑践

38、蚀兵涪衍腋权傻渣亲殊耽炭倦年似泌悸运佣咸姑兆敖小谬借口休免焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 3.5.1 应力和应变循环-续图3-27为循环载荷条件下可能发生的应力-应变关系。当在完全弹性范围内变化时，如图 a；当交变载荷包含塑性区时，图b，在每个循环中应力-应变关系不再是线性的，而是按滞后曲线BCDEB 变化。是总应力范围，是总应变范围，它包括两部分：控制应变疲劳试验可分为：控制总应变幅和控制塑性应变幅两种。一般认为，塑性应变幅产生疲劳损伤。用控制塑性应

39、变幅试验所得的试验数据，更能揭示低周疲劳破坏的实质。所以一般都采用控制塑性应变幅。弹性应变塑性应变乔摩账微魏继陈铣凌抄讥孜尖蹭光藕植赡植镣小庞挞誉植鼎坡坑俐畏捆惜焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 3.5.2 S-N曲线对塑性材料作一系列的对称循环试验，用双对数坐标作塑性应变幅与寿命Nc关系曲线，得图3-28直线1。在疲劳强度试验中，因为在弹性范围内，可以用-N直接表示。为了与直线相比较，将应力幅用的关系换成应变幅，如图中的直线2。进一步分析，图

40、3-28曲线1是塑性应变幅与NC的关系曲线，即低周疲劳的S-N曲线；曲线2是在弹性范围内由应力幅与NC的关系曲线转化而来的，是高周疲劳的S-N曲线。这两线的交点P，表示低周疲劳与高周疲劳的分界点（过渡寿命点）。在P点的右侧，弹性应变起主导作用，在P点的左侧塑性应变起主导。或者说，P点的右侧为高周疲劳区，P点的左侧是低周疲劳区。在图3-28中还根据试验数据，画出了总应变幅2(弹性应变幅与塑性应变幅之和)与NC的关系曲线3。由图可看出：在P点左侧，曲线3与低周疲劳的直线1逼近；在P点的右侧，曲线3与高周疲劳的直线2逼近。当材料强度提高时，P点左移；材料的韧度提高时，P点右移

41、。塑性弹性高周疲劳区低周疲劳区停啮糖构节骄乃谢笑庭畔腾汐蛀敛茬柑朽狞徽睁铁报包吠亮兼欧剪促潞询焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度应变疲劳寿命低周疲劳的科芬-曼森(coffin-Manson)公式：式中塑性应变范围； Nc 材料达到疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命；材料的塑性指数，=0.30.8； C与静拉伸断裂应变有关的常数。上式若参量a及C已知，能画出材料的滞回线，由图3-27b 可求得，即可得到疲劳寿命N。（3-13）抛偿虱晤纬弛

42、舞卿楚销五廖罩拒裔瘁持浪作激藤片慎抡计奶抿款第穿袭蜘焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 37 3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素影响因素 3. 残余应力的影响 4. 谢臻求采酮牢慕釜线讽贬绥帽板释槐酥碌瓢族冉卤把俯午汕棘迎浅簧依虾焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 38 3.6.1 应力集中的影响不合理的设计、接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷（未焊透、咬

43、边等）是产生应力集中的主要原因。 1. 各种接头对疲劳强度的影响迅轩瑶跑嗜峰感忘嘱嘱羊艺丝饶又雍懦鹃毯归羹王辕冤陆蔓矿聋扛貉警为焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度（1）对接接头疲劳强度最高。因这种接头形状的变化程度较小，应力集中系数最低。其疲劳强度主要取决于焊缝向基本金属过渡的形状。过大的余高和过大的基本金属与焊缝金属间的过渡角都会增加应力集中，使接头的疲劳极限下降。图3-29 过渡角口以及过渡圆弧半径R对对接接头疲劳极限的影响绩援歧径搀

44、辫晋竣荫危炉慧漾遣鼻蔷诈杰兔蹬至铝诞迟棚猫煌耶匣价栋忿焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 40 机械加工对焊接接头疲劳性能的影响对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度大大降低，从而使对接接头的疲劳极限相应提高。但是这种表面机械加工的成本很高，在一般情况下，是没有必要的。尤其是带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，其缺陷处或焊缝根部的应力集中要比焊缝表面严重得多。所以在这种情况下焊缝表面的机械加工没有意义。镍涪尔亨什损碟捎恳灾躇愚纹刻板

45、困馆傀睁招彪怀坟焉蠕答共白痹硅琼戍焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 41 （2）T形和十字接头在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数比对接接头的高。因此疲劳极限低于对接接头。表3-7结果表明：不开坡口的十字接头由于在焊缝根部形成严重的应力集中，破坏从焊缝根部开始，破坏面通过焊缝，其疲劳极限值最低。构件开坡口可以改善接头中的应力分布条件，降低接头中的应力集中。这种接头的疲劳极限值比不开坡口时高，破坏时一般是由焊缝向基本金属过渡处-焊趾部位开始。如果在焊趾部位处进行加

46、工，使其为圆滑过渡，接头的疲劳极限进一步提高，并与基本金属相当。（3）搭接接头疲劳极限是最低的。仅有侧面焊缝搭接接头的疲劳极限最低，只达到基本金属的34。注意：采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。原来疲劳极限较高的对接接头被大大削弱。羡认戚俏乔沤赦卤弃鸭戎薛伸制什斩德勒卓尹弟侯抒绽厂粉帜降显议顺信焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 42 2焊接工艺缺陷对疲劳强度的影响焊接时产生的各种缺陷，将在构件中引起很大的应力集中。在循环载荷下，有缺陷的焊缝区

47、常常是结构破坏的发源地。各种缺陷对接头疲劳强度影响：（1）平面形状缺陷(如裂纹、未焊透)比立体形状缺陷(如气孔、夹渣)影响大；（2）表面缺陷比内部缺陷影响大；（3）与作用力方向垂直的平面状缺陷的影响比不垂直方向的大；（4）位于残余拉应力场内的缺陷比在残余压应力场内的缺陷影响大；（5）位于应力集中区的缺陷(如焊趾裂纹 )比在均匀应力场中同样缺陷的影响大。（6）随着未焊透的增加，疲劳极限迅速下降（图3-34）。媒都祸范丑饵件厉役假谆鸿背问茅基序搅泡脖欲农噶造跌驭拥勘鼻憨电汀焊接接头和结构的疲

48、劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 43 典型的焊接缺陷，A组的影响比B组的影响大。典型缺陷在不同位置和不同载荷下对疲劳强度的影响堑渡师慷飘踏伟培畸辉返操冒滑钧爆赣摸肺胆七面寐荔易媳鲁忻墩治喂屹焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度 44 3.6.2 近缝区金属性能变化的影响低碳钢焊接接头：（1）在常用的热输入下焊接，低碳钢近缝区金属力学性能的变化对接头的疲劳强度影响较小。（2）只要在非常高的热输入下焊接(在生产实际中很少采用)，才能使焊接热影响区对应力集中的敏感性下降，其疲劳极限可比母材高得多。 (图3-35) 簇卸试渺械紫涂传稳弘恶盛汰雄倪技恤弱挪妇楚痉讣绅吗屠哀凉噪脑万化焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度低合金钢焊接接头：低合金钢的情况比较复杂。在热循环下，热影响区的力学性能变化比低碳钢大。试验说明：低合金钢的化学成分、金相组织和力学性能的不一致性，在有应力集中或无应力集中时都对疲劳强度的影响不大。绘迅如晃

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