焊接结构课件第五章.ppt

第七章 焊接结构疲劳断裂§1 疲劳破坏及特性 疲劳破坏—材料在循环荷载反复作用下，经历一定时间的损伤积累，构件和连接部位出现裂纹、最后断裂的现象。 疲劳破坏是焊接金属结构的一种主要失效形式。材料在交变或波动载荷作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的屈服极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，从而产生裂纹并最终断裂。在循环应力、拉伸应力和塑性应变的共同作用下形成的，一般来说，循环应力造成疲劳裂纹产生，拉伸应力造成扩展 3)断口的特征：疲劳断面是细齿状的光亮花纹；脆断的断面是光亮、平直的结晶状断口 二、疲劳断裂分类 1．按疲劳破坏的原因分为： 腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳。 2．按应力大小和应力循环次数分为： 低周高应力疲劳；高周低应力疲劳 §2 疲劳断裂的过程和断口特征 一、疲劳断裂过程 疲劳破坏的实质就是疲劳裂纹的成核和长大。其过程分为三个阶段:疲劳形核：疲劳裂纹扩展、瞬时断裂 （1）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。 ①构件表面的不光滑处、结构上的内圆角 ②亚表面的夹杂物及缺陷处 ③晶界、纯金属及单相合金的晶界滑移带处。 （2）扩展阶段； I阶段——沿与拉应力轴线成45度角的最大切应力方向扩展。特点：裂纹扩展的速度和深度都比较小，无明显形貌特征。 II阶段 裂纹沿与正应力垂直的方向扩展。 疲劳裂纹扩展的机理：L-S模型， 特点：此阶段的裂纹扩展速度和深度大于I阶段。 二、断口形态 宏观断口特征是脆性的，无明显塑性变形。疲劳断口可分成三个区域： 1）疲劳裂纹源： 肉眼可见晶粒的粗滑移。 较平坦、光滑并富有光泽 2）疲劳裂纹扩展区：疲劳裂纹扩展区是疲劳失效断口最重要的特征区域。常呈海滩波纹状，有时呈贝纹状。它是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，往往是疲劳失效分析最重要的见证。 §3 焊接结构中常用的疲劳极限的表示 ②疲劳强度曲线上对应于某一循环次数n的破坏应力即为该循环数的疲劳强度。③疲劳极限曲线的水平渐近线对应的应力值。④工程中二者的定义该种材料在规定的应力循环次数内不发生疲劳破坏的最低应力。 三、疲劳图 反映疲劳强度与循环特性之间的关系。 1.σmax ―r表示的疲劳图： 疲劳强度——载荷的最大应力 交变载荷：σmax =σ-1 脉动载荷：σmax =σ0 波动载荷：σmax =σr 2.σmax―σm表示的疲劳图： 特征：45度方向描绘直线，根据振幅对称的特性将其描绘于两侧，得到两条曲线，相交于C点 曲线CNˊN为最大应力σmax线，曲线COˊ为最小应力σmin线。两曲线相交于C，其疲劳强度与静载强度σb相当即σmax=σmin=σm=σb 线段ON表示对称循环时的疲 劳强度，此时σm等于零。 线段OˊNˊ表示脉动循环时 的疲劳强度。 3.σa―σm表示的疲劳图： 图形特征： 曲线上各点的疲劳强度σr=σm +σa 在曲线内任意点，表示不产生疲劳破坏。A点表示对称循环应力下产生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值表示对称对称循环应力的疲劳极限σ-1。B点为静强度破坏点，其横指标值为强度极限σb。由原点O作 与横坐标成45度角的直线，并 与曲线ACB相交于C点，则OD=DC 因σmax＝σa＋σm，所以OD=DC ＝σ0/2。σ0为脉动循环应力 的疲劳极限。 4.σmax-σmin表示的疲劳图： 原点出发的每条射线代表一种应力循环特性：tga=r=σmax/σmin 负45度，r=-1，为交变载荷，B点：σ-1 =σmax 正45度，r=1，为静载荷，D点：σb=σmax 纵坐标，r=0，为脉动载荷 C点：σ0 §3 焊接接头疲劳强度计算 (3) 对接接头焊缝形状变化不大，因此和角接接头及十字等相比，应力集中程度要小，接头疲劳强度最高。 3、焊接残余应力的影响 残余应力与疲劳强度的关系不是很明确：疲劳强度在很大程度上依赖于接头表面状况，而残余应力的影响是第二位的，它被焊缝几何尺寸和表面不规整等一些重要因素所掩盖；在反复载荷作用下，残余应力本身将发生改变；疲劳裂纹有可能首先发生于残余拉伸应力区，由于残余拉伸应力，疲劳裂纹的扩展速率可能提高，但当裂纹进入残余压缩应力区时，扩展速率可能降低。因此，在裂纹全面扩展过程中的残余应力最终影响并不明显。 在σa和σm表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同平均应力时的极限应力振幅值σa。当构件中的应力振幅值大于极限振幅值时，将发生疲劳破坏。随着σm的增加，极限应力幅值有所下降。 假设构件：内应力σ0，存在应力循环（σm，对应的极限应力振幅为σa0） 对应的极限应力振幅 σa2σa0，疲劳强度上升。 5、预超载 在恒幅载荷的疲劳过程中，施加一次或多次超载，对随后疲劳裂纹扩展速率产生明显影响