金属结构的疲劳现象与提高疲劳强度的措施.doc

焊接结构的疲劳现象及提高疲劳强度的措施
河南省南阳市高级技工学校 顾鹏展

摘要：介绍焊接结构的疲劳现象，分析焊接结构的疲劳强度的主要因素，如静载强度与应力集中对疲劳强度的影响，并提出提高焊接接头疲劳强度的措施。

一、 金属结构的疲劳现象
1、焊接结构的疲劳概念
所谓疲劳是指在循环应用力与应变作用下，在一处与几处产生局部永久性积累损伤。疲劳断裂是金属结构断裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂是金属结构断裂的一种主要形式。大量的统计资料表明工程结构失效约80％以上是由疲劳引起的。在循环应力作用下，由疲劳源慢慢形成微裂纹以及随后裂纹扩展，当裂纹达到临界尺寸，构件剩余断面不足以承受外载荷时，裂纹失稳扩展至断裂。
金属构件的疲劳破坏可分为3个阶段 ：①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界与夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段 ，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源 、疲劳裂纹扩展与瞬时断裂3个区。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。扫描与透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。
一般根据破坏时循环次数高低，疲劳可分为高周疲劳与低周疲劳。高周疲劳是材料在低于屈服点的循环应力作用下，经10的五次方以上循环次数而产生的疲劳。低周疲劳是材料在接近或超出屈服点的循环应力作用下，经102～105次塑性应变循环次数而产生的疲劳。因为疲劳裂纹发展的最后阶段――瞬时断裂是突然发生的，没有预兆，无明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对于结构的安全性具有严重威胁。
2、焊接结构的疲劳问题
自从20世纪初涂药焊条发明至今100年来，焊接已经成为应用最的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模与多样化方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最的技术问题必须采用焊接才能解决，例如造船、铁路、汽车、航天、桥梁、锅炉、大型厂房与高层建筑技术的支持。目前在工程生产上，焊接是最主要的方法，焊接结构的重量忆占钢铁总产量的50%以上，工业发达国家的这一比例已经接近70%。然而焊接结构以常发生断裂事故，其中80%为疲劳失效。
疲劳破坏一直被认为是船舶及海洋工程结构的一种主要的破坏形式，自钢质海船诞生至今，因结构中疲劳裂纹的生成 、扩展，最后导致船舶破坏的事例屡有报道。同样，疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁与发电站的管道上。在20世纪五六十年代，欧洲公路网得到高速发民，当时大多采用焊接技术建造钢桥，由于那时对公路桥梁的疲劳认识不足，在规范中没有规定进行抗疲劳设计，出现了许多设计不合理的焊接接头，在今天日益繁忙与加重的交通运输载荷下，加快了疲劳损伤过程，使许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹。
二、 影响金属结构疲劳强度的主要因素
1、静载强度对焊接结构疲劳强度的影响
在钢铁材料的研究中，人们问题希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度。
一般情况下，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高，但对于焊接结构来说情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢与低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线。材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。在设计承受交变载茶的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。只有在应力比〉0.5、静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强钢。
2、 应力集中对疲劳强度的影响
（1）接头类型的影响 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头与搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。
对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也高于其他接头形式。十字接头或T形接头在焊接结构中应用。在这种承力接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或T形接头的疲劳强度要低于对接接头。对未开坡口的用角焊缝连接的接头与局部熔透焊缝的开坡口接头，当焊缝传递工作应力叶，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节上，即基本金属与焊缝趾端交界处或焊缝上。对于开坡口焊透的的十字接头，断裂一般只发生在焊趾处，而不是在焊缝处。搭接接头的疲劳强度是很低的，这是由于力线受到了严重的扭曲。采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不登时的，由于加大了应力集中影响，采用盖板后，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了。
（2）焊缝形状的影响 无论是何种接头形式，它们都是由两种焊缝连接的，对接焊缝与角焊缝。焊缝形状不同，其应力集中系数也不相同，从而疲劳强度具有较大的分散性。对接焊缝的形状对接头的疲劳强度影响最大。焊缝过渡半径对接头疲劳强度具有重要影响，即过渡半径增加（过渡角保持不变），疲劳强度增加。角焊缝的形状对接头的疲劳强度也有较大的影响。
（3）焊接缺陷的影响 ①焊接中的裂纹，如冷、热裂纹，除具有脆性的组织结构外，还是严重的应力集中源，可大幅度降低结构或接头的疲劳强度。②未焊透。未焊透缺陷有时为表面缺陷（单面焊缝），有时为内部缺陷（双面焊缝），它可以是局部性质的，也可以是整体性质的。其主要影响足以削弱截面积与引起应力集中。以削弱面积10%时的疲劳寿命与未含有该类缺陷的试验结果相比，其疲劳强度降低了25%。③咬边。表征咬边的主要参量有咬边长度L、咬边深度h、咬边宽度W。影响疲劳强度的主要参量是咬边浓度h，目前可用深度h或深度与板厚比值（h/B）作为参量评定接头疲劳强度。④气孔。为体积缺陷，疲劳强度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸造成，它们之间有一定的线性关系。但一些研究表明，当采用机加工的方法加工试样表面，使气孔处于表面上时，或刚妈位于表现下方时，气孔的不利影响加大，它将作为应力集中源起作用，而成为疲劳裂纹的起裂点。这说明气孔的位置比其尺寸对接头疲劳强度的影响更大，表面或表层下气孔具有最不利影响。⑤夹渣作为体积型缺陷，比气孔对接头疲劳强度的影响要大。
可见，焊接缺陷对接头疲劳强度的影响，不但与缺陷尺寸有关，而且还决定于许多其他因素，如表面缺陷比内部缺陷影响大，与作用力方向垂直的面关缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大；位于应力集中区的缺陷（如焊缝趾部裂纹）比在均匀应力场中同样缺陷的影响大。
三、提高金属结构疲劳强度的措施
1、降低应力集中现象
（1）采用合理结构形式降低应力集中。零件结构形状与尺寸的突变是应力集中的结构根源。因此，为了降低压力集中，应尽量减少零件结构形状与尺寸的突变，或使其变化改可能地平滑与均匀。为此，要尽可能地增大过渡处的圆角变径；同一零件上相邻剖面处的刚性变化尽可能地小。
（2）选用应力集中的系数小的焊接接头。凡是结构中承受交变载荷的构件，都应尽量对接或开坡口的T形接头。下图所示为采用复合结构(a）把角焊缝改为对接焊缝(b)、(c)。

2、采取妥善的工艺措施
（1）采用机械加工焊缝端部，合理选择角接形状，焊缝根部保证焊透等综合措施来提高接头疲劳强度。
（2）用表面机械加工的方法来消除焊缝及附近的各种划痕与沟槽，降低构件应力集中。
（3）开缓与槽使应力绕开焊缝的应力集中处。
3、调整残余应力场
（1）整体退火或利用超载预拉伸法降低构件的残余拉应力。
（2）采用局部加热或挤压在应力集中处产生残余压应力。
（3）表面强化处理。用风动工具的锤头锤击焊缝表面，或对焊缝区进行喷丸，不但形成有得的表面压应力，而且使材料局部加工强化，接头疲劳强度有所提高。
（4）涂层保护。大气及介质侵蚀往往对材料疲劳强度产生不利的影响，因此采用涂层保护是有效的。
4、提高焊接接头疲劳强度的最新技术
（1）超声冲击处理方法 近年来发展起来的超声冲击提高焊接接头及结构疲劳强度的方法，其机理与锤击与喷丸基本一致。但这种方法执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便，噪声极小，效率高，应用时受限少，成本低而且节能，适用于各种接头，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。
（2）低相变点焊条方法 天津大学材料学院设计与优化研制了低相变点焊条，并在各种焊接接头上进行了大量的疲劳试验与工艺性能试验。采用低相变焊条LTTE与普通焊条E5015分别对横向对接接头、非承载十字接头、纵向环绕角焊缝接头、纵向平行角焊缝接头与纵向对接接头施焊，并进行疲劳对比试验。结果表明，相变点焊条LTTE接头的疲劳强度分别比变通焊条E5015的疲劳强度提高11%、23%、42%、46%与59%，寿命提高幅度从几倍到上百倍。

参考资料：《机械零件设计》1988劳动人事出版社
作者简介:顾鹏展 河南省南阳市高级技工学校
高级实习指导教师 从事焊工教学工作
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河南省南阳市高新区七里园村南阳市高级技工学校
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