第五章焊接接头和结构的疲劳强度.doc

华 北 水 利 水 电 学 院 教 案 纸 第5–9 页
第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
§5—1 研究本问题的意义
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式。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％。这种结构的断裂形式与脆性断裂是不一样的。
一、疲劳与脆性断裂相比较：
（1）二者断裂时的形变都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需多次加载；（2）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；（3）对于脆断来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增
加，但疲劳强度却不是这样；
（4）疲劳断裂和脆性断裂相比较还有不同的断口特征等。
疲劳一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。
二、疲劳断裂的实例：
1、图5—l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的。该机飞行着陆2，l18次后发生破坏，属于低周疲劳。
2、图5—2为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板厚5毫米，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30000公里。
3、图5—3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的疲劳断裂。改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳事故大大减少了。
4、图5—4为400吨水压机疲劳断裂事例。很明显，疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。
从上述几个焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清楚地看到焊接接头的重要影响。因此采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷是防止和减少结构疲劳事故的重要方面。
应当指出，近年来，虽然在这方面的研究已经取得了很大的成绩，但是焊接结构疲劳断裂事故，仍然不断发生，而且随着焊接结构的广泛应用有所增加。
由于结构的工作参数不断提高，采用高强钢的结构日益增多。高强钢对应力集中的敏感性比低碳钢高，如果处理不当，高强钢焊接结构的疲劳强度反而会低于低碳钢结构的疲劳强度。随着新材料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。

§5—2 疲劳断裂的过程和断口特征

一、疲劳断裂的过程：
1、在应力集中处产生初始疲劳裂纹：
当然在这三个阶段之间是没有严格界限的。例如疲劳裂纹“产生”的定义就带有一定的随意性。这主要是因为采用的裂纹检测技术不一而引起的。
（1）从研究疲劳机理出发，有人采用电子显微镜，把裂纹长大到1000埃之前定义为裂纹产生阶段。
（2）从工程实用角度出发，则一般又以低倍显微镜(×10)看到之前为裂纹产生阶段。
2、裂纹稳定扩展
3、断裂: 一般根据结构的型式而定。
(1)同对于承力构件，可以定义为扣除裂纹面积的净截面已不能再承受所施应力时为断裂阶段。
(2)对于压力容器则把出现泄漏时定为断裂阶段的开始等。
二、焊接结构疲劳断裂的特殊性：在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其它联接型式的循环次数少。
这是因为焊接接头中不仅有应力集中(如角焊缝的焊趾处)，而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物，而疲劳裂纹也正是起源于这些缺陷处。对接焊缝和角焊缝的根部，也能观察到夹渣物、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因为有这些缺陷存在，使焊接接头的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中的一个相当短的时间，主要的时间是属于裂纹扩展。

三|疲劳裂纹扩展的机理的解释模型：其中著名的有拉埃特（Laird）和斯密司 (smitL) 模型。
拉埃特和斯密司模型如图5—6所示。由图可见，每经过一次加载循环，裂纹尖端即经历一次锐化一钝化一再锐化的过程，裂纹扩展一段距离，断口表面上就产生一道裂纹。这种机械模型可以有效的解释裂纹的扩展情况。这样我们便可以在某裂纹长度和应力下对裂纹尖端进行应力分析，把裂纹力学的有关理论应用到疲劳裂纹的扩展上去。
裂纹在循环载荷作用下，不断向前扩展，当扩展至一定程度，结构即进入最后断裂阶段。
四、疲劳断裂的过程和断口特征
在疲劳裂纹扩展过程中，显微断口分析表明，在均匀的循环应力作用下，只要应力值足够大，一般每一次应力循环将在断裂表面产生一道裂纹(图5—5)。
对断裂表面进行细致的宏观检查可以看到，从裂纹开始点向四周辐射出类似贝壳纹的疲劳纹。图5-7 为从焊趾裂纹开始的疲劳纹。由图可以看出疲劳裂纹从焊趾向外辐射而贯穿板厚，最后造成构件断裂。

§5—3 在焊接结构中疲劳限的常用表示法

一 、基本概念
（一） 疲劳强度和疲劳极限
在金属构件的实际应用中，如果载荷的数值和方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载荷强度极限σb小的多，甚至比材料的屈服极限σs小的多，构件仍然可能破坏。
对试样用不同载荷进行多次反复加载试验，即可以测的在不同载荷下使试样破坏所需要的加载循环次数N。将破坏应力与N绘成如图5—8所示的曲线，即为乌勒疲劳曲线。这条疲劳曲线随着循环次数N的增大而降低，当N很大时曲线趋于水平。
疲劳强度：曲线上对应于某一循环次数N的破坏应力即为该循环数下的疲劳强度。
疲劳极限：曲线的水平渐近线即为疲劳极限。
如果把图5—8 a中的横坐标改为载荷循环数的对数In N，则金属破坏应力与循环数之间的关系曲线σ＝f(N) 可用两条直线表示，如图5—8 b所示，水平线代表疲劳极限的数值。
(二)应力循环特性
疲劳强度的数值与应力循环特性有关，应力循环特性主要用下列参量表示：
σmax ——应力循环内的最大应力，
σmin——应力循环内的最小应力；
平均应力
应力振幅
应力循环特性
r也可用 表示，其变化范围为 -1 ～ +1。
很容易看出σmax＝σm十σa 和σmin＝σm一σa。因此可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力(静载＞一恒定应力部分)和应力振幅(交变应力部分)的组合。
二、 疲劳强度的常用表示法
（一）具有特殊循环特性的变动载荷
1、对称交变载荷，σmin ＝-σmax 而r＝-1(图5-9a)，其疲劳强度用σ-1表示；
2、脉动载荷σmin ＝0 而r = 0 (图5-9b)，其疲劳强度用σ0表示；
3、拉伸变载荷，σmax 和σmin 均为拉应力，但大小不等，0＜r＜1（图5-9c），其疲劳强度用σr 表示，脚标r用相应的特征系数表示，如σ0.3

（二）疲劳图：
1、用σmax 和r表示的疲劳图 如图5—10所示。它能直接的将σmax与r的关系表示出来。
2、用σmax和σm表示的疲劳图 如5—11 所示。图中横坐标表示平均应力σm，纵坐标表示σmax和σmin的数值 。在与水平线成45度角的方向内绘一虚线，将振幅的数值 σa对称的绘在斜线的两侧。两曲线相交于C点，此点表示循环振幅为零,其疲劳强度与静载强度σb相当.线段ON表示对称循环时的疲劳强度，此时σm等于零。线段 表示脉动循环时的疲劳强度。在该疲劳图上可以用作图法求出任何一种循环特性系数( r )下的疲劳强度,自O点作一与水平线成α角的直线,使

则直线与图形上部曲线的交点的纵坐标就是该循环特性下的疲劳强度σr。
3、用σa和σm表示的疲劳图 如图5—12所示.横坐标表示平均应σm,纵坐标为应力振幅σa,曲线上各点的疲劳强度σr＝σa+σm 。曲线与纵坐标交点A即为对称循环时的疲劳强度σ-1 ; 曲线与横坐标交点B即为静载强度σb , 此时, σa＝0， r＝1 ;从0点作45度射线与曲线的交点C表示脉动循环，其疲劳强度σ0＝σa十σm=2σa＝2σm。若自0点作一与水平轴成α角的射线与曲线相交，并使

则交点的σa+σm＝σ即为循环特征系数为r时的疲劳强度。
4、用σmax和σmin表示的疲劳图 如图5—13所示。图中纵坐标表示循环中的最大应力σmax ,而横坐标表示循环中的最小应力σmin,由原点出发的每条射线代表一种循环特性。例如由原点向左与横坐标倾斜45度的直线表示 ，交变载荷，r＝，它与曲线交于B点，即为σ-1，向右与横坐标倾斜45度的直线表示静载r＝1，它与曲线交于D点，即为静载强度σb。而纵坐标本身又表示脉动载荷r＝0， 即为σ0等等。
图5—14为一组实例。该钢种的静载强度为60 kgf／mm 2(588N／ A点)，200万次脉动循环的疲劳强度为31kgf／mm2(304N／mm2 B点)。而其交变载荷r＝一1的疲劳强度为20 kgf／mm2(196 kgf／mm2 C点)。对于r=0.5的疲劳强度，根据ADBC线的交点即可找出为42kgf／mm2等。同样在该图上也可找出n＝100万次的各种循环特性的疲劳强度值。

§5—4 焊接接头的疲劳强度计
疲劳强度计算标准包括焊接接头在内的典型连接的疲劳强度计算公式，均是在试验的基础上，利用σmax和σmin表示的疲劳图推导出来的。
我国钢结构设计规范TJ—17—74 (试行) 规定，计算钢结构的疲劳强度时，基本金属和连接的疲劳许用应力按下列公式确定 ：
绝对值最大的应力为拉力时，

绝对值最大的应力为压力时，

——r＝0时基本金属和连接的疲劳许用应力，按表5—1采用；
k——系数，按表5—1采用；
r——构件的应力循环特性系数，等于绝对值最小和最大的应力之比
（拉应力取正号，压应力取负号)。
我国起重机钢结构采用的疲劳强度计算方法与钢结构设计规范TJ—17—74(试行)相似，但 和 k 值略有出入。

§5—5 影响焊接接头疲劳强度的因素
影响基本金属疲劳强度的因素(例如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况、介质等)同样对焊接结构的疲劳强度有影响。除此以外焊接结构本身的一些特点，例如接头部位近缝区性能的改变，焊接残余应力等也可能对焊接结构疲劳强度发生影响。弄清这些因素的具体影响，对提高焊接结构的疲劳强度是有益的。下面分别探讨这些因素的影响情况。
一、应力集中的影响
焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，它们对接头的疲劳强度发生程度不同的不利影响。
1、对接焊缝：应力集中比其它形式接头要小，但余高和θ↑--应力集中↑-接头的疲劳强度↓。
若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度也相应提高。
2、丁字和十字接头：应力集中系数＞对接接头的应力集中系数。因此丁字和十字接头的疲劳强度远低于对接接头。
（1）提高丁字和十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡
（2）丁字形接头和经过机械加工的接头具有较高的疲劳强度：而十字接头和未经加工的接头的疲劳强度较低。这是因为不对称的丁字接头上有一个偏心力矩降低了过渡区的应力，它的应力集中比对称的十字接头低。
3、仅有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度最低（只达到基本金属的34％）
4、采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的：试验结果表明，在这种情况下，
疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了(图5－27f)。
二、近缝区金属性能变化的影响
1、低碳钢和低合金钢的近缝区金属机械性能的变化对接头的疲劳强度影响较小。
2、高强钢焊接时，近缝区金属性能变化的影响取决于接头的匹配性：
（1）对于高组配即软夹硬的焊接接头，力学性能不均匀性对于接头的疲劳强度基本上没有影响，此时接头的疲劳强度取决于较软的基本金属。
（2）对于高组配硬夹软接头中的软夹层中有严重的应力集中因素时，此时接头的疲劳强度大大降低，其数值取决于这个软区本身的力学性能。
三、残余应力的影响
焊接残余应力对于结构疲劳强度的影响是人们广泛关心的问题。对于这个问题人们进行了大量试验研究工作。试验往往采用有焊接应力的试样与经过热处理消除内应力后的试样进行疲劳试验作对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能的变化，而热处理在消除内应力的同时也恢复或部分恢复了材料的性能。因此，对于试验的结果就产生了不同的解释；对内应力的影响也有了不同的评价。
消除内应力后的试样疲劳强度均高于末热处理的，内应力的影响在应力集中较高对更大。
四、缺陷的影响
焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。
1、 片状缺陷(如裂纹、未熔合、末焊透)的影响＞带圆角的缺陷(如气孔等)影响；
2、 表面缺陷的影响＞内部缺陷；
3、 与作用力方向垂直的片状缺陷的影响＞其它方向的影响；
4、 位于残余拉应力场内的缺陷的影响＞残余压应力区内的缺陷的影响；
5、 位于应力集中区的缺陷(如焊缝趾部裂纹)的影响＞在均匀应力场中同样缺陷影响。

§5—6 提高焊接接头疲劳强度的措施
综上所述可以看出，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊接金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。提高焊接接头和结构的疲劳强度，一般可以采取下列措施：
一、降低应力集中
(一)采用合理的构件结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。
图5－41为各组元件设计的正误对比。
(二)尽量采用应力集中系数小的焊接接头。
如对接接头的应力集中系数小，因而疲劳强度高，应当尽量选用。图5—42、5—43是采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝的实例。
1、在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡。
机械打磨过渡区:注意打磨方法应是顺着力线传递方向，而垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。
2、在对接焊缝中还应当指出的是，只有保证联接件的截面没有突然改变的情况下传力才是合理的。图5—44是一些不合理对接焊缝的实例，由于接头形状的突然改变，端部存在严重的应力集中，较易在焊缝端部产生疲劳裂纹。
3、对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝。这也是应当引起注意的。
(三)当采用角焊缝时(有的不可避免)须采取综合措施(机械加工焊缝端部，合理选择角接板形状，焊缝根部保证熔透等)来提高接头的疲劳强度，采取这些措施可以降低应力集中并消除残余应力的不利影响。
(四)在某些情况下，可以通过开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处来提高接头的疲劳强度。
图5－5就是用开缓和槽方法提高焊接接头疲劳强度的实例。
(五)用表面机械加工的方法，消除焊缝及其附近的各种刻槽，可以降低构件中的应力集中程度提高接头疲劳强度。但是这种表面机械加工的成本高，因此只有在真正有益和确实能加工到的地方，才适合采用这种加工。
（六）采用电弧整形的方法可以代替机械加工的方法来使焊缝与基本金属之间平滑过渡。如图5—46所示。
这种方法是用钨极氩弧焊方法在焊接接头的过渡区重熔一次，使焊缝与基本金属之间平滑过渡，同时减少该部位的微小非金属夹渣物，因而可使接头部位的疲劳强度提高。对于低碳钢和低合金钢来说，其疲劳强度提高的程度和机械加工的效果相似。对于高强钢来说，用电弧整形法就具有更重要的意义。因为高强度钢对应力集中比较敏感，采用电孤整形法对提高疲劳强度的效果更好。
二、调整残余应力场
消除接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力都可以提高接头的疲劳强度。这种方法可以分为两类：一类是结构或元件整体处理：包括整体退火或超载预拉伸法；另一类是对接头部位局部处理：一般是在接头某部位采用加热、辗压、局部爆炸等方法使接头应力集中处产生残余压应力。
三、改善材科的力学性能
表面强化处理，用小轮挤压和用锤轻打焊缝表面及过渡区，或用小钢九喷射(即喷丸处理)焊缝区，都可以提高接头的疲劳强度。因为材料经过这种处理后，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工硬化，因而可以提高疲劳强度。应当说明，采用这种方法时，对锻程度更加以严格规定。
四、特殊保护措施：介质往往对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有利的。例如在应力集中处涂上加填料的塑料层。