船舶建造工艺力学第四章.docx

第四章 影响焊接结构疲劳性能的因素

4.1 应力集中
焊接结构的几何形状一般总是比较复杂的，在焊接结构几何变化处所产生的应力往往能引起比名义应力大的多的局部应力，这时疲劳裂纹总是从这些结构的局部应力集中处开始。因而，研究这些部位的应力集中，对于了解焊接结构的疲劳破坏性质，预测其疲劳寿命是非常有意义的。在焊接结构中，结构的几何变化包括以下两个方面。其一，是结构的整体几何变化，具体体现在接头的形式上；其二，是焊缝局部几何的变化。
4.1.1 接头形式
焊接接头形式不同，它们的应力集中程度也不同，因而接头的疲劳强度存在差异。一般来说，应力集中程度越高，其疲劳强度越低对接接头疲劳强度要高于角接头和搭接接头。在焊接管节点中，T型接头关节点的疲劳强度较高。
4.1.2 焊缝局部几何形状
焊缝局部几何形状的变化，对焊接结构的疲劳强度将产生十分明显的影响。实验表明：焊缝宽度与高度的夹角变大，其疲劳强度降低。
4.1.3 错位和角变形
焊接接头的错位或角变形，使得焊缝局部几何形状变化加剧，使得焊趾根部的应力集中程度增加，这必然是焊接结构的疲劳强度降低。
对于有角变形的焊接结构，小林，田中等提出了鱿鱼角变形而产生附加弯曲应力的公式： 式中为附加弯曲应力； e是每米的角变形；是名义应力。 其中E， 分别是弹性模量和泊松比。
对低合金钢错位板接头进行的疲劳断裂实验表明，错位量的增加，其疲劳极限降低。这种变化趋势如图所示。

4.1.4 焊接缺陷
焊接缺陷主要是指焊缝中的裂纹，未焊透，咬边，气孔，夹渣等。由于这些缺陷的存在，使得焊缝局部产生应力集中，因而使焊接结构的疲劳强度降低。若通过检测得知焊缝的缺陷，则可以通过理论计算求出焊接结构的应力场及缺陷处的最大应力值或裂纹尖端应力强度因子，进而可预测结构的疲劳寿命。
4.2 尺寸效应
大量的试验研究表明，不同尺寸的构件，其疲劳强度是不相同的。一般来说，随着尺寸的增加，其疲劳强度呈下降的趋势。这种疲劳强度随构件尺寸的变化而变化的现象，称为尺寸效应。
材料尺寸效应的定量描述可以用尺寸系数来表征。它定义为：当应力集中情况相同时，尺寸为d的试样的疲劳极限与标准试样的疲劳极限之比值 式中是尺寸为d的大构件在对称循环时的疲劳极限；是尺寸为的标准尺寸试样在对称循环时的疲劳极限。
产生尺寸效应的原因：加工因素和比例因素。
（1） 一般来说，大型构件的加工质量比小型试件的差，因而所包含的缺陷更多些，其疲劳强度也就降低。
(2)构件上的应力梯度是造成尺寸效应的主要原因之一。大试件的应力梯度比小试件的小，使得大试件在某一相同深度内的名义应力比小试件的要大。根据试件疲劳破坏时其深度相等的观点，从而大试件比小试件的疲劳强度要低。
4.3 平均应力
应力幅对焊接结构的疲劳寿命有决定性作用，而平均应力也是重要的影响因素之一。平均拉应力是疲劳强度降低，平均压应力使疲劳强度提高。关于平均应力对疲劳寿命的影响，可用极限应力线图表示。

图中ACB曲线为格伯疲劳极限图线。在曲线内的任一点，表示不发生疲劳破坏；在曲线外的点，表示经一定的应力循环数后发生疲劳破坏。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。 B点为静强度破坏的点，其横坐标值为强度极限。 由原点O作与横坐标轴成45°角的线，并与曲线ACB相交于C点，则=, 因σmax=σm+σa，所以有== 式中： --脉动循环应力的疲劳极限。
应指出，疲劳极限的脚标表示应力比r的数值。如r=-1时的疲劳极限为。应力比为任意r时的疲劳极限写成。
平均应力的三种疲劳极限线图：

格伯疲劳极限线是经过对称循环应力的疲劳极限点A和静强度极限点B的抛物线（图中曲线1），其方程式为

古德曼图线是经过对称循环应力的疲劳极限点A和静强度极限点B的直线（图中曲线2），其方程式为

索德倍尔图线是经过对称循环应力的疲劳极限点A和屈服极限点S的直线（图中曲线3），其方程式为

4.5 残余应力
焊接残余应力是由加热不均匀所引起的。在焊接过程中，由于焊缝处温度较高，而金属的集体约束焊缝，使其不能自由膨胀，因而出现内部压应力，局部达到塑性变形。温度降低后，由于周围的约束不能自由收缩，出现内部拉应力，局部达到拉伸屈服极限。在远离焊缝的地方则存在残余压应力，其形成过程恰好是相反。残余拉应力使焊接结构的疲劳强度降低。
4.6 材质和力学非均匀性
通常把焊接接头分为三个特征区，即焊缝区，热影响区和母材区。因为这三个区具有不同的金相组织和力学性质，因此反映出整个焊接接头具有材质和力学非均匀性。目前，工程上对焊接接头进行疲劳分析的方法，是把它作为均匀材料来处理。几年来，人们开始研究各分区材质非均匀性对整体接头力学性能，断裂力学参量等的影响。
4.7 焊后热处理及焊缝修整技术
焊接结构在焊后进行热处理，可以把焊接残余应力减
到较低的水平，从而可提高疲劳强度。
关于焊缝修整技术，常用的方法有以下四种：研磨，TIG熔修，等离子弧熔修以及锤击。这些方法都是通过改善焊趾处缺陷和外部形状来降低应力集中现象，从而提高焊接结构的疲劳强度的。
4.8 腐蚀
腐蚀疲劳是指腐蚀性介质与循环应力联合作用下产生的断裂现象。循环应力加速了腐蚀作用，而腐蚀又加速了机械疲劳过程。腐蚀疲劳是一种决定于环境，材料和受力状态三者相互作用的力学—电化学过程。象海洋工程中的海上平台管节点这样的焊接结构经常处在海水腐蚀环境中。由于海水的腐蚀作用，使得焊接结构的疲劳强度降低，其降低的程度与应力水平和加载频率有关。研究表明：当加在频率在1HZ以内，应力水平在屈服极限附近，海水腐蚀对疲劳强度的影响较小。随着应力水平的降低，海水腐蚀对疲劳强度的影响加大。
预防措施有：
（1）采用电化学势（阴极保护）的方法。阴极保护可以有效地防止焊接结构的腐蚀，但提高疲劳寿命是有限的，在高应力水平下没有提高。对于海上平台管节点，海水自由腐蚀使疲劳寿命降低的程度有经验公式：
而在阴极保护条件下，其疲劳寿命相对于空气中的降低程度有经验公式： 式中为海水自由腐蚀修正系数；为管节点的热点应力；为材料的屈服极限；为阴极保护系数。
（2）对焊缝进行修整也可以提高在海水中的焊接结构的疲劳强度。
但是，不论采用哪有那种预防措施，焊接结构在海水中的疲劳强度都达不到其在空气中的疲劳强度。