焊接结构学第六章.docx

第6章焊接接头和结构的疲劳强度6.1 材料及结构疲劳失效的特征材料在变动载荷作用下，会产生微观的和宏观的塑性变形，这种塑性变形会降低材料的继续承载能力并引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后将导致断裂，这一过程称为疲劳。简单说，疲劳即是裂纹的萌生与扩展过程。以应力循环次数计，裂纹的稳定扩展阶段是总寿命的主要部分。疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。工程实际中的疲劳有多种表现形式，其中包括完全由变动外载荷引起的机械疲劳，表面间滚动接触与交变应力共同作用下的接触疲劳，在高温和交变应力作用下的蠕变疲劳，以及温度变化引起的热疲劳等。本章只讨论具有典型和普遍意义的材料、焊接接头和结构的机械疲劳情况。材料及结构疲劳失效第一个特征表现为：疲劳断裂形式与脆性断裂形式有明显差别。疲劳与脆性断裂相比较，虽然二者断裂时的形变都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需多次加载，结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外对于脆性断裂来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆性断裂的危险性迅速增加，但疲劳强度却木是这样。疲劳断裂和脆性断裂相比还有不同的断口特征等。材料及结构疲劳失效第二个特征表现为：疲劳强度难以准确定量确定。疲劳过程受相互联系的诸多因素影响，往往在同一组试验中或同一问题的不同试验之间均存在试验结果（强度数值）分散问题，因而难以准确定量预测。工程实践中的工作疲劳强度预测，如果仅基于一般的技术资料和理论知识而不直接进行实际工作条件下的疲劳强度试验，那么这种预测的可靠性只能作为表征设计、制造和使用等工作是否恰当的一种指标。材料及结构疲劳失效第三个特征表现为：疲劳破坏一般从表面和应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。图6-1 ~图6-3是焊接结构产生的一些疲劳破坏事例。图6-1为直升飞机起落架的疲劳断裂图。裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始的。该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低周疲劳。图6-2为载货汽车底架纵梁疲劳断裂。该梁板厚5mm，承受反复的弯曲应力。在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹。该车破坏时已运行30000km。图6-3表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝而导致的疲劳断裂。改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳事故大大减少。从上述几个焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清楚地看到焊缝接头的重要影响。因此，采用合理的接头设计、提高焊缝质量、消除焊接缺陷是防止和减少结构疲劳事故的重要方面。近年来，虽然在这方面的研究已经取得很大成绩，但是焊接结构疲劳断裂事故仍然不断发生，而且随着焊接结构的广泛应用而增加。由于结构的工作参数不断提高，采用高强度钢的结构日益增多。高强度钢对应力集中的敏感性比低碳钢高，如果处理不当，高强度钢焊接结构的疲劳强度反而会低于低碳钢结构的疲劳强度。随着新材料工艺的不断出现，将会提出许多疲劳强度的新问题，需要研究解决。6.2疲劳试验及疲劳图6.2.1 疲劳载荷及其表示法由于金属的疲劳是在变动载荷下经过一定循环周次才出现的，所以首先要了解变动载荷的特性。变动载荷是指载荷大小、方向、波形、频率和应力幅随时间发生周期性或无规则变化的一类载荷。变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：σmax——变动载荷或应力循环内的最大应力；σmin——变动载荷或应力循环内的最小应力；σm=——平均应力；σa=——应力振幅或应力半幅；r=——应力循环特性系数或应力循环对称系数。描述循环载荷的上述参数如图6-4所示。很容易看出，σmax=σm+σa和σmin=σm-σa。因此，可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力（静载恒定应力部分）和应力振幅（交变应力部分）的组合。r也可用ρ表示，其变化范围为-∞ ~ +1。当r= -1时，称为对称交变载荷，如火车轴的弯曲、曲轴曲颈的扭转等，旋转弯曲疲劳试验也属于这一类，其疲劳强度用σ-1表示；当r=0时，称为脉动载荷，例如齿轮齿根的弯曲，其疲劳强度用σ0表示；r≠一1的情况都称为不对称载荷或不对称应力循环，其疲劳强度用σr表示，下标r用相应的特性系数表示，如σ0.3。例如气缸盖螺钉受大拉小拉的拉伸变载荷作用时，0r1；而内燃机连杆受小拉大压循环应力作用时，r0；滚动轴承的滚珠承受循环压应力时，r = -∞。各种周期性载荷可简单区分为脉动拉伸载荷、交变载荷和脉动压缩载荷三种情况，如图6-5所示。6.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线在金属构件的实际应用中，如果载荷数值或方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载强度极σb小得多，甚至比材料的屈服极限σs低得多，构件仍然可能破坏。工程上最早的基础疲劳强度试验是A. Wohler(1819 - 1914)所做的