焊接接头和结构的疲劳强度培训.ppt

b、焊缝金属过渡半径的影响 随着焊缝金属过渡半径R的增加，接头的疲劳强度增加；过渡角θ越大，疲劳强度下降越大。 图12 焊缝过渡半径、过渡角对疲劳强度的影响 c、机加工的影响 若对焊缝表面进行机械加工，焊缝的应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度将相应提高。 由于机械加工使成本提高，故只有确实需要时，才宜采用机加工。当焊缝有严重缺陷时，由于有高度的应力集中，此时采用机加工则毫无意义。 对于十字接头或T形接头，由于在焊缝向基体金属过渡处具有明显的截面变化，故其应力集中系数较高。对于未开坡口或未焊透的接头，其疲劳断裂易出现在两个薄弱环节：基体金属与焊缝趾端的交界处或焊缝上。当焊缝的厚度a与板厚B之比a/B＜0.6~0.7时，一般断于焊缝处；当a/B＞0.7时，一般断于焊趾处。 图13 角焊缝和极限尺寸 对于开坡口并焊透的十字接头或T形接头，断裂一般只发生在焊趾处，而非焊缝处。 提高十字接头或T形接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑过渡，就可大幅度提高接头的疲劳强度。 当不承受工作应力时， T形接头的疲劳强度一般高于十字接头。 图14 不承受载荷的十字接头和T形接头的疲劳强度 2、缺陷引起应力集中的影响 a、裂纹 焊缝中的冷、热裂纹是严重的应力集中源，会大幅度降低结构或接头的疲劳强度。 b、未焊透 构件未焊透时将削弱截面积和引起应力集中，是疲劳裂纹主要的萌生来源。 图15 未焊透对接头疲劳强度的影响 c、气孔 由于气孔减少了截面尺寸，故焊接接头中随气孔的增加，接头的疲劳强度下降。同时，气孔是应力集中源，易成为疲劳裂纹的起裂点。 研究表明，气孔的位置对接头疲劳强度的影响比其尺寸影响更大。当气孔处于构件表面或表层下时，其不利影响最大。 一般而言，构件中的表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的面状缺陷比其它方向缺陷的影响大；位于残余拉应力区内的缺陷比残余压应力区缺陷的影响大；位于应力集中区内的缺陷比均匀应力场中同样的缺陷影响大。 △ * 焊接接头和结构的疲劳强度 2016年7月 主讲：刘伟 第一节 疲劳断裂的基本概念 疲劳——构件在交变应力的作用下，经过足够的应力循环后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。 疲劳是一个随时间变化的发展过程，也是在交变应力的作用下损伤不断形成和积累的过程。当裂纹扩展至临界尺寸时，就会很快导致断裂。 构件在发生疲劳破坏时，其断口的特征为——断口有两个明显的区域：光滑的疲劳裂纹扩展区和粗糙的断裂破坏区。 一般而言，裂纹起源于构件表面的缺陷处和高应力区。在循环载荷的作用下，裂纹上下表面不断地开闭，相互摩擦并由于交变载荷或腐蚀环境的作用，裂纹将以不同的速率扩展并发生形状的改变，从而在断口上形成疲劳裂纹扩展区的“海滩条带”。当裂纹扩展至临界尺寸以上时，就会产生断裂，并在断口上形成较为粗糙的断裂破坏区。 第二节 疲劳破坏机理 一、疲劳裂纹萌生机理 疲劳裂纹成核或萌生有两种可能来源：其一：当材料表面有缺陷、夹杂、缺口或其它应力集中源时，裂纹可能在此处形核； 其二：由于构件表面的应力一般较高，且易出现加工痕迹等缺陷，也容易成为裂纹萌生的来源。 绝大多数材料均为多晶体，其晶粒中的原子按一定的有序形式排列。其中，某些晶粒的方位可能正好使晶粒内容易发生滑移的平面与外部施加的剪应力方向一致，此时在晶粒内就会出现一个或多个平面发生滑移的情况，既可能出现在高应力循环载荷下的粗滑移，又可能出现在低应力循环载荷下的细滑移。 图1 金属中的粗滑移和细滑移 材料中的滑移主要由切应力控制。在循环载荷的作用下，切应力越大，循环次数越多，滑移就越严重。滑移后，在材料表面将形成滑移的挤出带和凹入带。在凹入处将形成应力集中，成为裂纹萌生的起源。 图2 滑移后在材料中形成的裂纹 二、疲劳裂纹扩展机理 疲劳裂纹在表面处形核，由最大切应力控制，并在与外力成45°角的切应力方向上形成微裂纹。在循环载荷的作用下，这些微裂纹将扩展并连接，当其长度达到几十微米后，其方向将逐渐偏离到与外力垂直的平面内，使裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展转变。 图3 疲劳裂纹扩展阶段 在疲劳裂纹扩展的第一阶段，一般只有一个裂纹会继续扩展；在第一阶段向第二阶段转变时，其裂纹长度通常只有几个晶粒的大小。第二阶段是裂纹由几个晶粒大小扩展到临界裂纹尺寸（af），该阶段的裂纹扩展称为疲劳裂纹的亚临界扩展或稳定扩展。 Laird关于疲劳裂纹扩展的“塑性钝化模型”： 在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态，如图a; 当拉应力增大时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向将产生滑移，如图b； 当拉应力增大到最大值时，裂纹进一步张开，塑性变形也随之