疲劳脆断.doc

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第三章 焊接结构强度的基本理论 焊接结构在使用中,除结构强度不够时会导致破坏外,还有其他形式的破坏,如疲劳破坏、脆性断裂等,这些破坏也是焊接结构常见的破坏形式。本章主要介绍焊接结构的疲劳破坏、脆性断裂产生的原因,以及提高疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。 第一节 焊接结构的疲劳破坏 一、疲劳的概念 疲劳是材料在循环应力、应变作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳极限是在指定循环基数下的中值疲劳强度,循环基数一般取107或更高一些。一般解释为试样受“无数次”应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。在承受重复载荷结构的应力集中部位,当部件所受的公称应力低于弹性极限时,就可能产生疲劳裂纹,由于疲劳裂纹发展的最后阶段──失稳扩展(断裂)是突然发生的,没有预兆,没有明显的塑性变形,难以采取预防措施,所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大威胁。 焊接结构在交变应力或应变作用下,也会由于裂纹引发(或)扩展而发生疲劳破坏。疲劳破坏一般从应力集中处开始,而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。 二、影响焊接结构疲劳性能的因素 焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因。除此之外,焊接结构自身的一些特点,如接头性能的不均匀性、焊接残余应力等,都对焊接结构疲劳强度有影响。 1.应力集中和表面状态的影响 结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中,金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可能造成应力集中。焊接接头本身就是一个几何不连续体,不同的接头形式和不同的焊缝形状,就有不同程度的应力集中,其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。 构件上缺口越尖锐,应力集中越严重(即应力集中系数K越大),疲劳强度降低也越大。不同材料或同一材料因组织和强度不同,缺口的敏感性(或缺口效应)是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感,即在具有同样的缺口情况下,高强度钢的疲劳强度比低强度钢的低很多。焊接接头中,承载焊缝对缺口效应比非承载焊缝敏感,而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。 图3-1是三种强度不同的结构钢的轧制表面光滑试件、对接接头和十字接头(均未加工)的疲劳极限与应力比r的关系曲线(疲劳图)。图中说明,表面光滑的(无应力集中) 高强度材料,其疲劳强度也高;这三种材料,即使是对接接头,有了应力集中,其疲劳强度都会降低。强度越高,降低的幅度也越大;这三种材料的十字接头,因其应力集中更严重,疲劳强度都降低很多,都在一个很低的应力水平上。说明在疲劳载荷的作用下,应力集中的存在,静载强度很高的钢材失去了优势。 图3-2为低碳钢搭接接头的疲劳试验结果比较。图3-2a是只有侧面焊缝的搭接接头,其疲劳强度只达到母材的34%。焊脚尺寸为1:l的正面焊缝的搭接接头(见图3-2b),其疲劳强度比只有侧面焊缝的接头略高一些,但仍然很低。正面焊缝焊脚尺寸比例为1:2的搭接接头,应力集中获得改善,疲劳强度有所提高,但效果不大(见图3-2c)。如果在焊缝向母材过渡区进行表面机械加工(见图3-2d),也不能显著地提高接头的疲劳强度。只有当盖板的厚度比按强度条件所要求的增加1倍,焊脚尺寸比例为1:3.8,并经机械加工使焊缝向母材平滑地过渡(见图3-2e),才可提高到与母材一样的疲劳强度,但这样的接头成本太高,不宜采用。 图3-2f是在对接接头上加盖板,这种接头极不合理,把原来疲劳强度较高的对接接头大大地削弱了。 表面状态粗糙相当于存在很多微缺口,这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙,疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高,表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙,对接头的疲劳强度也是不利的。 2.焊接残余应力的影响 焊接结构的残余应力影响其疲劳强度。焊接残余应力的存在,会改变平均应力σav的大小,应力幅值σa却没有改变。在残余拉应力区平均应力σav增大,与工作应力叠加会达到或超出疲劳极限,对疲劳强度不利,甚至造成破坏。显然残余压应力对提高疲劳强度是有利的。塑性较好的材料,当循环特征应力r=σmin/σmax <1时,因在σmax+σav>σs的作用下,材料屈服有塑性变形,使残余应力消失不再影响疲劳强度。 由于焊接残余应力是内应力,拉应力与压应力同时存在。如果将残余压应力调整到位到材料表面或应力集中区,将是十分有利的;如果材料表面或应力集中区是残余拉应力,则极为不利,应设法消除。 3.焊接缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的大小、种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷(如裂纹、未熔合、未焊透)比

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