復(fù)習(xí)3疲勞強(qiáng)度：3.3.12-13

國(guó)際焊接工程師

3/3.12-13斷裂力學(xué)ⅢⅣ

Introductiontofracturemechanics焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度主要內(nèi)容疲勞的基本概念疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施3.1疲勞的基本概念疲勞的基本概念3.1.1應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞

應(yīng)力疲勞低應(yīng)力、高循環(huán)、低擴(kuò)展速率的疲勞稱(chēng)為應(yīng)力疲勞，也叫彈性疲勞。在應(yīng)力循環(huán)條件下，裂紋在彈性區(qū)內(nèi)擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展速率低。應(yīng)變疲勞在高應(yīng)力、低循環(huán)、高擴(kuò)展速率下的疲勞稱(chēng)為應(yīng)變疲勞，也叫塑性疲勞。應(yīng)變幅值很高，最大接近屈服應(yīng)變，故疲勞裂紋擴(kuò)展速率高（達(dá)每次循環(huán)10-2mm），壽命短（小于104周）疲勞的基本概念3.1.2疲勞強(qiáng)度和疲勞極限烏勒（W?hler）疲勞曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)在多次循環(huán)載荷作用下，在工作應(yīng)力σ（σmax）小于強(qiáng)度極限σb時(shí)即破壞，在不同載荷下使結(jié)構(gòu)破壞所需的加載次數(shù)N也不同表達(dá)結(jié)構(gòu)破壞載荷σ和所需加載次數(shù)N之間的關(guān)系（σ―N）即為烏勒（W?hler）疲勞曲線(xiàn)疲勞曲線(xiàn)在加載次數(shù)N很大時(shí)趨于水平，若以σ―lgN表示則為兩段直線(xiàn)關(guān)系疲勞的基本概念3.1.2疲勞強(qiáng)度和疲勞極限疲勞強(qiáng)度（條件疲勞極限）疲勞曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)于某一循環(huán)次數(shù)N的強(qiáng)度極限σ即為該循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度（σr）σr=f（N）σr對(duì)應(yīng)σmax，一般N<107疲勞極限構(gòu)對(duì)應(yīng)于無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的強(qiáng)度極限即疲勞極限為σ―lgN疲勞圖中的水平漸近線(xiàn)3.1.3應(yīng)力循環(huán)參數(shù)應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)r=σmin/σmax疲勞的基本概念特殊循環(huán)特性對(duì)稱(chēng)交變載荷，r=-1，疲勞強(qiáng)度σ-1脈動(dòng)載荷，r=0，疲勞強(qiáng)度σ0拉伸變載荷，0<r<1，疲勞強(qiáng)度σr

拉伸變載荷，σmin和σmax均為拉應(yīng)力，但大小不等，0<r<1，其疲勞強(qiáng)度用σr，腳標(biāo)r用相應(yīng)的特性系數(shù)表示。疲勞的基本概念3.1.4疲勞強(qiáng)度表示法疲勞圖概念表示在一定循環(huán)次數(shù)下疲勞強(qiáng)度σr與應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)r之間關(guān)系的曲線(xiàn)有四種表示法σmax——rσmax——σmσa——σmσmax——σmin疲勞的基本概念σmax―r

疲勞圖能直觀表示σmax和r的關(guān)系疲勞的基本概念σmax―σmin疲勞圖原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)成45°的直線(xiàn)表示交變載荷，r=σmim/σmax=-1，它與曲線(xiàn)交于B點(diǎn)，BB1即為σ-1向右與橫坐標(biāo)成45的直線(xiàn)表示靜載r=l，它與曲線(xiàn)交于D點(diǎn)DD1即為靜載強(qiáng)度σb縱坐標(biāo)本身又表示脈動(dòng)載荷r=0，CC1即為σ0疲勞的基本概念σmax―σmin應(yīng)用實(shí)例靜載強(qiáng)度為60kgf/mm2(588Mpa)200萬(wàn)次脈動(dòng)循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為3lkgf/mm2(304Mpa)交變載荷r=-1的疲勞強(qiáng)度為20kgf／mm2

(196Mpa)r=1/2疲勞強(qiáng)度為42kgf／mm23.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征

3.2.1疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程整個(gè)疲勞斷裂過(guò)程分為三個(gè)階段微裂紋產(chǎn)生→疲勞裂紋擴(kuò)展→斷裂（1）初始微裂紋產(chǎn)生（2）穩(wěn)定擴(kuò)展階段（3）失穩(wěn)擴(kuò)展階段疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征3.2.2疲勞破壞的基本特征（1）疲勞破壞是經(jīng)多次交變載荷作用形成的，裂紋擴(kuò)展緩慢（2）結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力集中關(guān)系密切，對(duì)應(yīng)力集中十分敏感，與溫度的關(guān)系不大（3）疲勞破壞時(shí)變形小（4）疲勞破壞的斷口特征疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征3.2.2疲勞破壞的基本特征（4）疲勞破壞的斷口特征宏觀上有輻射狀的疲勞紋，呈“年輪狀”花樣，其輻射條紋的起點(diǎn)就是裂紋的起源點(diǎn)微觀上有疲勞擴(kuò)展的輝紋，呈“海灘狀”花樣。疲勞裂紋擴(kuò)展斷面為細(xì)晶區(qū)，出現(xiàn)條紋（貝殼）狀的光滑表面，即所謂的“海灘狀”、“年輪狀”花樣瞬時(shí)斷裂區(qū)為粗晶區(qū)，顏色較灰暗疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征3.2.3脆性破壞與疲勞破壞的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)3.2.3.1相同點(diǎn)⑴都屬于低應(yīng)力破壞破壞時(shí)的工作應(yīng)力＜或＜＜材料的強(qiáng)度⑵破壞之前，結(jié)構(gòu)都沒(méi)有明顯的征兆或外觀變形，突發(fā)性強(qiáng)，令人促不及防。⑶都對(duì)應(yīng)力集中很敏感起裂位置多半都存在原始缺陷，或起裂于應(yīng)力集中點(diǎn)。疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及疲勞破壞的基本特征3.2.3.2不同點(diǎn)

⑴載荷性質(zhì)不同⑵對(duì)溫度敏感性⑶受載次數(shù)多少⑷斷裂經(jīng)歷時(shí)間⑸斷裂經(jīng)歷過(guò)程⑹斷裂機(jī)理機(jī)制⑺宏觀斷口形貌⑻微觀斷口形貌3.3影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素3.3.1影響載荷、環(huán)境效應(yīng)的因素（外因）⑴疲勞載荷的性質(zhì)和大?、骗h(huán)境因素影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素3.3.2影響結(jié)構(gòu)抗力的因素（內(nèi)因）結(jié)構(gòu)構(gòu)造剛?cè)嵯酀?jì)程度；結(jié)構(gòu)或接頭的應(yīng)力集中；材質(zhì)純度與塑性和韌性；殘余應(yīng)力與熱處理3.3.2.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造剛?cè)嵯酀?jì)程度結(jié)構(gòu)整體剛度、強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)承載的根基提高結(jié)構(gòu)相互連接的平滑、圓滑、柔韌程度,可以降低應(yīng)力集中敏感程度影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素3.3.2.2結(jié)構(gòu)或接頭的應(yīng)力集中1)結(jié)構(gòu)表面形狀的突然變化；2)各種缺陷及孔洞等；3)焊接變形：錯(cuò)邊、角變形等；4)金屬表面的粗糙度等。(1).結(jié)構(gòu)表面形狀突然變化—接頭形式的影響影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素丁字和十字接頭應(yīng)力集中系數(shù)比對(duì)接接頭的高，其疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對(duì)接接頭未開(kāi)坡口的角焊縫的十字接頭，危險(xiǎn)截面有兩個(gè)：母材與焊縫趾端交界處、焊縫根部。當(dāng)焊縫承受工作應(yīng)力（垂直于焊縫方向）時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫(a/δ≤0.6~0.7)的薄弱環(huán)節(jié)或母材與焊縫趾端交界處（a/δ>0.7）影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素(2).角變形和錯(cuò)邊余高或角變形過(guò)大使熔合線(xiàn)的應(yīng)力集中增加,即局部應(yīng)力增大;產(chǎn)生附加彎矩,出現(xiàn)彎曲應(yīng)力;角變形或錯(cuò)邊處的材料韌性差(3).焊接缺陷(4).金屬表面的粗糙度影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素3.3.2.3材質(zhì)純度與塑性和韌性材質(zhì)塑性和韌性影響裂紋的萌生和擴(kuò)展缺口敏感性強(qiáng)的材料容易開(kāi)裂在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中，如果焊接熱影響區(qū)的尺寸不大，一般不會(huì)降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素3.3.2.4殘余應(yīng)力與熱處理理論分析與試驗(yàn)結(jié)果KT越大、σR越大、r越小(負(fù)數(shù))，殘余應(yīng)力（σR）使疲勞強(qiáng)度降低越嚴(yán)重，這時(shí)可通過(guò)熱處理提高疲勞強(qiáng)度。若殘余應(yīng)力（σR）為壓應(yīng)力或應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r大且應(yīng)力集中系數(shù)KT小則不需要熱處理消應(yīng)力。下一節(jié)3/3.12-13斷裂力學(xué)Ⅳ提高疲勞強(qiáng)度措施提高疲勞強(qiáng)度措施提高疲勞強(qiáng)度措施設(shè)計(jì)措施、工藝措施、維護(hù)措施

1、設(shè)計(jì)措施

減小應(yīng)力集中：整體設(shè)計(jì)時(shí)注意分散集中載荷；細(xì)部設(shè)計(jì)應(yīng)注意圓滑過(guò)渡；減小接頭局部剛度整體設(shè)計(jì)采用合理的結(jié)構(gòu)形式要點(diǎn)：使焊縫易于施焊、焊縫間距離不能過(guò)近、避免焊縫交叉、盡量使焊縫遠(yuǎn)離高工作應(yīng)力區(qū)、盡量使焊縫遠(yuǎn)離高應(yīng)力集中區(qū)、考慮次要焊縫提高疲勞強(qiáng)度措施細(xì)部設(shè)計(jì)應(yīng)注意選擇合理接頭形式焊接接頭疲勞斷裂的危險(xiǎn)性從低到高依次為對(duì)接接頭、十字街頭（開(kāi)坡口焊透）、十字接頭（未開(kāi)坡口）、正面搭接接頭和側(cè)面搭接接頭優(yōu)先采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭，盡量少采用角焊縫；不同厚度板對(duì)接時(shí)合理設(shè)計(jì)接頭形式使焊縫形狀過(guò)渡平緩角焊縫連接合理選擇角（搭）接板（包括坡口）形狀連續(xù)焊縫比斷續(xù)焊縫有利。提高疲勞強(qiáng)度措施設(shè)計(jì)方案示例1：焊縫交叉、焊縫位置等提高疲勞強(qiáng)度措施設(shè)計(jì)方案示例2：接頭形式提高疲勞強(qiáng)度措施設(shè)計(jì)方案示例3：焊縫形狀過(guò)渡提高疲勞強(qiáng)度措施設(shè)計(jì)方案示例4：局部剛度提高疲勞強(qiáng)度措施2、工藝措施

（1）正確選擇焊接規(guī)范，保證焊縫良好成形和內(nèi)、外部沒(méi)有缺陷；當(dāng)采用角焊縫時(shí)須采取綜合措施：機(jī)械加工焊縫端部，保證焊縫根部焊透（2）用表面機(jī)械加工的方法消除焊縫及其附近的各種刻槽降低接頭應(yīng)力集中程度（3）調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)，消除接頭應(yīng)力集中處的焊接殘余應(yīng)力或使該處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力均可提高接頭的疲勞強(qiáng)度。整體處理——整體退火或超載予拉伸局部處理——在接頭某部位采用加熱、輾壓、局部爆炸等方法，使接頭應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度措施舉例

措施：①首先按嚴(yán)格的工藝要求，焊好結(jié)構(gòu)的縱向主焊縫，并采用尖錘或風(fēng)鎬及時(shí)捶擊焊縫，將殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力；措施：②隨后焊接筋板焊縫時(shí)，先在焊縫交叉點(diǎn)外引弧，焊到頂點(diǎn)后，回程重熔焊道，消除引弧點(diǎn)的焊接缺陷，并及時(shí)捶擊焊縫，消除焊接應(yīng)力。提高疲勞強(qiáng)度措施（4）改善材料的機(jī)械性能TIG焊表面強(qiáng)化處理、用小輪擠壓或錘輕打焊縫表面及過(guò)渡區(qū)、或用小鋼丸噴射焊縫區(qū)都可提高接頭的疲