第五章焊接接头和结构的疲劳强度.docVIP

第五章 焊接接头和结构的疲劳强度 §5—1 研究本问题的意义 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式。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％。这种结构的断裂形式与脆性断裂是不一样的。 一、疲劳与脆性断裂相比较： （1）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；（2）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；（3）对于脆断来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增 加，但疲劳强度却不是这样； （4）疲劳断裂和脆性断裂相比较还有不同的断口特征等。 疲劳一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。 二、疲劳断裂的实例： 1、图5—l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。该机飞行着陆2，l18次后发生破坏，属于低周疲劳。 2、图5—2为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板厚5毫米，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30000公里。 3、图5—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，疲劳事故大大减少了。 4、图5—4为400吨水压机疲劳断裂事例。很明显，疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。 从上述几个焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清楚地看到焊接接头的重要影响。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。 应当指出，近年来，虽然在这方面的研究已经取得了很大的成绩，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有所增加。 由于结构的工作参数不断提高，采用高强钢的结构日益增多。高强钢对应力集中的敏感性比低碳钢高，如果处理不当，高强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。 §5—2 疲劳断裂的过程和断口特征 一、疲劳断裂的过程： 1、在应力集中处产生初始疲劳裂纹： 当然在这三个阶段之间是没有严格界限的。例如疲劳裂纹“产生”的定义就带有一定的随意性。这主要是因为采用的裂纹检测技术不一而引起的。 （1）从研究疲劳机理出发，有人采用电子显微镜，把裂纹长大到1000埃之前定义为裂纹产生阶段。 （2）从工程实用角度出发，则一般又以低倍显微镜(×10)看到之前为裂纹产生阶段。 2、裂纹稳定扩展 3、断裂: 一般根据结构的型式而定。 (1)同对于承力构件，可以定义为扣除裂纹面积的净截面已不能再承受所施应力时为断裂阶段。 (2)对于压力容器则把出现泄漏时定为断裂阶段的开始等。 二、焊接结构疲劳断裂的特殊性：在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其它联接型式的循环次数少。 这是因为焊接接头中不仅有应力集中(如角焊缝的焊趾处)，而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物，而疲劳裂纹也正是起源于这些缺陷处。对接焊缝和角焊缝的根部，也能观察到夹渣物、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因为有这些缺陷存在，使焊接接头的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中的一个相当短的时间，主要的时间是属于裂纹扩展。 三|疲劳裂纹扩展的机理的解释模型：其中著名的有拉埃特（Laird）和斯密司 (smitL) 模型。 拉埃特和斯密司模型如图5—6所示。由图可见，每经过一次加载循环，裂纹尖端即经历一次锐化一钝化一再锐化的过程，裂纹扩展一段距离，断口表面上就产生一道裂纹。这种机械模型可以有效的解释裂纹的扩展情况。这样我们便可以在某裂纹长度和应力下对裂纹尖端进行应力分析，把裂纹力学的有关理论应用到疲劳裂纹的扩展上去。 裂纹在循环载荷作用下，不断向前扩展，当扩展至一定程度，结构即进入最后断裂阶段。 四、疲劳断裂的过程和断口特征 在疲劳裂纹扩展过程中，显微断口分析表明，在均匀的循环应力作用下，只要应力值足够大，一般每一次应力循环将在断裂表面产生一道裂纹(图5—5)。 对断裂表面进行细致的宏观检查可以看到，从裂纹开始点向四周辐射出类似贝壳纹的疲劳纹。图5-7 为从焊趾裂纹开始的疲劳纹。由图可以看出疲劳裂纹从焊趾向外辐射而贯穿板厚，最后造成构件断裂。 §5—3 在焊接结构中疲劳限的常用表示法 一 、基本概念 （一） 疲劳强度和疲劳极限 在金属构件的实际应用中，如果载荷的数值和方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载荷