影响焊接结构疲劳强度的因素清单.docx

1、焊接结构的疲劳断裂焊接结构的疲劳断裂:疲劳断裂是指机件在变动载荷下经过较长时间运行发生的失效现象 疲劳断裂呈低应力脆性断裂性质 断裂发生在较低的应力下，其最大循环应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度；断裂部位无宏观塑性变形；断裂呈突发性，没有预先征兆；疲劳断裂在交变应力作用下经过数百次，甚至几百万次循环才发生。疲劳断裂呈损伤积累过程 金属材料内部组织首先在局部区域发生变化并受到损伤；损伤逐渐积累，并到一定程度后发生疲劳断裂；疲劳断裂三个阶段：疲劳裂纹的形成、扩展、断裂。疲劳断裂是焊接钢结构失效的一种主要形式，在焊接结构断裂事故中，疲劳失效约占 90%。如：船舶及海洋工程结构、铁路及公路钢桥以及高速客车转向架等。2、焊接缺陷引起的应力集中：焊接缺陷引起的应力集中：焊接缺陷应力集中源，对接头疲劳强度的影响程度取决于缺陷的种类、方向和位置。缺陷种类：缺陷种类：平面状缺陷（如裂纹、未熔合等）体积型缺陷（如气孔、夹渣等）裂纹：裂纹：如热裂纹、冷裂纹，是严重的应力集中源，大幅度降低结构及接头的疲劳强度。如裂纹面积约为试件横截面积的 10%时，在交变载荷作用下，接头 2106 循环寿命的疲劳强度下降了 55%65%。未焊透：未焊透：未焊透并非都是缺陷，有些结构要求接头局部焊透；未焊透缺陷：表面缺陷（单面焊缝）；内部缺陷（双面焊缝）；未焊透缺陷对疲劳强度的影响不如裂纹严重。3、焊接缺陷其它因素对接头疲劳强度的影响：焊接缺陷其它因素对接头疲劳强度的影响：表面缺陷比内部缺陷的影响大；与作用力方向垂直的平面缺陷比其它方向的影响大；位于残余拉应力区的缺陷比在残余压应力区的影响大；位于应力集中区的缺陷（如悍趾裂纹）比在均匀应力场中同样缺陷的影响大。4、材料强度对接头疲劳强度的影响：材料强度对接头疲劳强度的影响：材料的疲劳强度随着材料本身抗拉强度的增加约以 50%的比率增加；接接头（对接、角接）的疲劳强度与材料本身的抗拉强度无关；当接头疲劳寿命较短时，高强钢接头的疲劳强度高于低强钢接头的疲劳强度。5、按疲劳破坏的原因分为：按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳按应力大小和应力循环次数分为 低周高应变疲劳：作用的应力超过弹性范围，疲劳循环次数小于 104105 周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大于 104105 6、疲劳破坏及影响因素（疲劳裂纹形成过程）：疲劳破坏及影响因素（疲劳裂纹形成过程）：疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。扩展阶段；初始裂纹在交变载荷作用下，当裂纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开，尖端向前延伸 瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬时断裂。7、疲劳断口可分成三个区域：疲劳断口可分成三个区域：疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳条纹 瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱线，外观与脆性失稳断裂相似。8、焊接接头疲劳强度计算（疲劳设计方法分类）：焊接接头疲劳强度计算（疲劳设计方法分类）：许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率 95的 2106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方法。安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设计。所谓安全寿命指在某一环境下，在已知小于疲劳破坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。由-N 曲线获得 r，并利用max-min 疲劳图进行设计。02 如何提高焊接疲劳强度？降低应力集中疲劳裂纹源在焊接接头和结构上的应力集中点，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳强度。1、采用合理的结构形式采用合理的结构形式 优先选用对接接头，尽量不用搭接接头；重要结构把 T 形接头或角接接头改成对接接头，让焊缝避开拐角部位；采用 T 形接头或角接接头时，希望采用全熔透的对接焊缝。尽量避免偏心受载的设计，使构件内力的传递流畅、分布均匀，不引起附加应力。减少断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应做成圆弧状，其曲率半径越大越好。避免三向焊缝空间汇交，焊缝尽量不设置在应力集中区，尽量不在主要受拉构件上设置横向焊缝；不可避免时，一定要保证该焊缝的内外质量，减少焊趾处的应力集中。只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。2、正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量 对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高；T 形接头最好采用带凹度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝；焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。任何焊接缺陷都有不同程度的应力集中，尤其是片状焊接缺陷，如裂纹、未焊透、未熔合和咬边等对疲劳强度影响最大。因此，在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊，以减少焊接缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。3、调整残余应力调整残余应力 构件表面或应力集中处存在的残余压应力，就能提高焊接结构的疲劳强度。例如，通过调整施焊顺序、局部加热等都有可能获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。此外，还可以采取表面形变强化，如滚压、锤压或喷丸等工艺使金属表面塑性变形而硬化，并在表层产生残余压应力，以达到提高疲劳强度的目的。对有缺口的构件，采取一次性预超载拉伸，可以使缺口顶端得到残余压应力。因为在弹性卸载后，缺口残余应力的符号总是与（弹塑性）加载时缺口应力的符号相反。此方法不宜用弯曲超载或多次拉伸加载。它常与结构验收试验结合，如压力容器做水压试验时，能起到预超载拉伸作用。4、改善材料的组织和性能改善材料的组织和性能 首先，提高母材金属和焊缝金属的疲劳强度还应从材料的内在质量考虑。应提高材料的冶金质量，减少其中的夹杂物。重要构件可采用真空熔炼、真空除气、甚至电渣重熔等冶炼工艺的材料，以保证纯度；在室温下细化晶粒钢可提高疲劳寿命；通过热处理可以获得最佳的组织状态，在提高强度的同时，也能提高其塑性和韧性；回火马氏体、低碳马氏体和下贝氏体等组织都具有较高的抗疲劳能力。其次，强度、塑性和韧性应合理配合。强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料对缺口敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形，可吸收变形功，削减应力峰值，使高应力重新分布，同时也使缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹的扩展得到缓和甚至停止。塑性能保证强度作用充分发挥。所以对于高强度钢和超高强度钢，设法提高一点塑性和韧性，将显著改善其抗疲劳能力。5、特殊保护措施特殊保护措施 大气介质侵蚀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含填料的塑料层是一种实用的改进方法