1、 第6章 焊接接頭和結構的疲勞強度6.1 材料及結構疲勞失效的特征 材料在變動載荷作用下，會產生微觀的和宏觀的塑性變形，這種塑性變形會降低材料的繼續承載能力并引起裂紋，隨著裂紋逐步擴展，最后將導致斷裂，這一過程稱為疲勞。簡單說，疲勞即是裂紋的萌生與擴展過程。以應力循環次數計，裂紋的穩定擴展階段是總壽命的主要部分。疲勞斷裂是金屬結構失效的一種主要形式。大量統計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構，約占失效結構的90%。 工程實際中的疲勞有多種表現形式，其中包括完全由變動外載荷引起的機械疲勞，表面間滾動接觸與交變應力共同作用下的接觸疲勞，在高溫和交變應力作用下的蠕變疲勞，以及溫度變化引起的熱疲勞等。

2、本章只討論具有典型和普遍意義的材料、焊接接頭和結構的機械疲勞情況。材料及結構疲勞失效第一個特征表現為：疲勞斷裂形式與脆性斷裂形式有明顯差別。疲勞與脆性斷裂相比較，雖然二者斷裂時的形變都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需多次加載，結構脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂紋的擴展則是緩慢的，有時需要長達數年時間。此外對于脆性斷裂來說，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆性斷裂的危險性迅速增加，但疲勞強度卻木是這樣。疲勞斷裂和脆性斷裂相比還有不同的斷口特征等。 材料及結構疲勞失效第二個特征表現為：疲勞強度難以準確定量確定。疲勞過程受相互聯系的諸多因素影響，往往在同一組試驗中或同一問題的不同試驗

3、之間均存在試驗結果（強度數值）分散問題，因而難以準確定量預測。工程實踐中的工作疲勞強度預測，如果僅基于一般的技術資料和理論知識而不直接進行實際工作條件下的疲勞強度試驗，那么這種預測的可靠性只能作為表征設計、制造和使用等工作是否恰當的一種指標。 材料及結構疲勞失效第三個特征表現為：疲勞破壞一般從表面和應力集中處開始，而焊接結構的疲勞又往往是從焊接接頭處產生。 圖6-1 圖6-3是焊接結構產生的一些疲勞破壞事例。圖6-1為直升飛機起落架的疲勞斷裂圖。裂紋是從應力集中很高的角接板尖端開始的。該機飛行著陸2118次后發生破壞，屬于低周疲勞。圖6-2為載貨汽車底架縱梁疲勞斷裂。該梁板厚5mm，承受反復的

4、彎曲應力。在角鋼和縱梁的焊接處，因應力集中很高而產生裂紋。該車破壞時已運行30000km。圖6-3表示空氣壓縮機法蘭盤和管道連接處，因采用應力集中系數很高的角焊縫而導致的疲勞斷裂。改為應力集中較小的對接焊縫后，疲勞事故大大減少。從上述幾個焊接結構的疲勞斷裂事故中，可以清楚地看到焊縫接頭的重要影響。因此，采用合理的接頭設計、提高焊縫質量、消除焊接缺陷是防止和減少結構疲勞事故的重要方面。 近年來，雖然在這方面的研究已經取得很大成績，但是焊接結構疲勞斷裂事故仍然不斷發生，而且隨著焊接結構的廣泛應用而增加。由于結構的工作參數不斷提高，采用高強度鋼的結構日益增多。高強度鋼對應力集中的敏感性比低碳鋼高，如

5、果處理不當，高強度鋼焊接結構的疲勞強度反而會低于低碳鋼結構的疲勞強度。隨著新材料工藝的不斷出現，將會提出許多疲勞強度的新問題，需要研究解決。6.2疲勞試驗及疲勞圖6.2.1 疲勞載荷及其表示法由于金屬的疲勞是在變動載荷下經過一定循環周次才出現的，所以首先要了解變動載荷的特性。變動載荷是指載荷大小、方向、波形、頻率和應力幅隨時間發生周期性或無規則變化的一類載荷。變動載荷或應力循環特性主要用下列參量表示：max變動載荷或應力循環內的最大應力；min變動載荷或應力循環內的最小應力；m=平均應力；a=應力振幅或應力半幅；r=應力循環特性系數或應力循環對稱系數。 描述循環載荷的上述參數如圖6-4所示。

6、很容易看出，max=m+a和min=m-a。因此，可以把任何變動載荷看作是某個不變的平均應力（靜載恒定應力部分）和應力振幅（交變應力部分）的組合。 r也可用表示，其變化范圍為- +1。當r= -1時，稱為對稱交變載荷，如火車軸的彎曲、曲軸曲頸的扭轉等，旋轉彎曲疲勞試驗也屬于這一類，其疲勞強度用-1表示；當r=0時，稱為脈動載荷，例如齒輪齒根的彎曲，其疲勞強度用0表示；r一1的情況都稱為不對稱載荷或不對稱應力循環，其疲勞強度用r表示，下標r用相應的特性系數表示，如0.3。例如氣缸蓋螺釘受大拉小拉的拉伸變載荷作用時，0<r<1；而內燃機連桿受小拉大壓循環應力作用時，r<0；滾動軸

7、承的滾珠承受循環壓應力時，r = -。各種周期性載荷可簡單區分為脈動拉伸載荷、交變載荷和脈動壓縮載荷三種情況，如圖6-5所示。6.2.2基礎疲勞試驗及疲勞曲線在金屬構件的實際應用中，如果載荷數值或方向變化頻繁時，即使載荷的數值比靜載強度極b小得多，甚至比材料的屈服極限s低得多，構件仍然可能破壞。工程上最早的基礎疲勞強度試驗是A. Wohler(1819 - 1914)所做的循環載荷試驗。試驗時用一光滑（或帶缺口）試件或實際構件，使其受周期性重復（通常為正弦型）的恒幅載荷（拉伸、壓縮、彎曲和扭轉）作用，直至出現裂紋或完全斷裂。根據試件在裂紋萌生或完全斷裂時所經受的應力循環次數N與載荷幅或應力幅可

8、做出圖6-6所示的烏勒（Wohler亦譯作韋勒）疲勞曲線，即S-N曲線。其中最重要的有兩種，即平均載荷為零時的對稱循環疲勞強度曲線和最小載荷為零時的脈動疲勞強度曲線。在低周疲勞時，因為載荷數值大，根據斷裂力學知識，此時常常以可承受的位移或應變代替載荷或應力來做出與破壞循環次數的關系曲線，故此時進行試驗常稱為位移疲勞試驗或應變疲勞試驗。實際情況下的疲勞載荷多為幅值變化且常是非周期性的變化過程，對此恒幅周期性循環載荷烏勒試驗便顯得不夠實用了。此時可用隨機試驗來代替烏勒試驗，隨機疲勞試驗時，僅給定載荷幅變動范圍和頻率范圍，直至裂紋萌生或發生斷裂為止。但實際中的加載過程并非是嚴格的隨機過程，為了進一步

9、改善試驗結果，可采用直方圖幅值加載（多級載荷試驗、載荷單元程序加載試驗）或載荷歷程模擬試驗。從烏勒疲勞曲線上可以看出，當金屬承受的應力幅越大，則斷裂時應力循環次數N越少；反之，應力幅越小，則N越大。當應力幅低于某值時，應力循環無數次也不會發生疲勞破壞，此時的應力幅稱為材料的疲勞極限，即曲線水平部分所對應的應力幅值。如果把圖6-6a中的橫坐標改為載荷環數的對數InN，則金屬破壞應力與循環數之間的關系曲線=f( N)可用兩條直線表示，如圖6-7所示，水平線代表疲勞極限的數值。需要特別說明的是，不同材料的疲勞曲線走向有所差異，大致可分為兩種類型，如圖 6 -7所示。對于具有應變時效現象的金屬，如常溫

10、下的鋼鐵材料，疲勞曲線有明顯的水平部分，如圖6-7a所示，此時疲勞極限有明確的物理意義。而對于沒有應變時效現象的金屬，如鋁合金等非鐵材料、在高溫下或腐蝕介質中工作的鋼等，其疲勞曲線上沒有水平部分，如圖6-7b所示，這時就根據具體情況和使用壽命人為規定某一 N0值所對應的應力作為“條件疲勞極限”或“有限疲勞極限”，N0稱為循環基數。6.2.3 疲勞強度的常用表示法疲勞圖為了表達疲勞強度和循環特性之間的關系，應當繪出疲勞圖。從疲勞圖中可以得出各種循環特性下的疲勞強度。疲勞圖可以有幾種形式。(1)用max和r表示的疲勞圖 即Moore，Kommers疲勞強度圖，如圖6-8所示。它能直接將max與r的

11、關系表示出來。(2)用max和m表示的疲勞圖 即Smith疲勞強度圖，如圖6-9所示。圖中橫坐標表示平均應力m，縱坐標表示應力max和min的數值。在與水平線成45o角的方向內繪一虛線，將振幅的數值a對稱地繪在斜線的兩側。兩曲線相交于C點，此點表示循環振幅為零，其疲勞強度與靜載強度b相當。線段ON表示對稱循環時的疲勞強度。在該疲勞圖上可以用作圖法求出任何一種循環特性系數r下的疲勞強度，自O點作一與水平線成a角的直線，使tan= =則直線與圖形上部曲線的交點的縱坐標就是該循環特性下的疲勞強度盯，。(3)用a和m表示的疲勞圖 即Haigh疲勞強度圖，如圖6-10所示。圖中橫坐標為平均應力m，縱坐標

12、為振幅a，曲線上各點的疲勞強度r=a+m。曲線與縱軸交點A的縱坐標即為對稱循環時的疲勞強度-1；曲線與橫軸交點B的橫坐標即為靜載強度b。此時，a=0，r=1，從O點作45o射線與曲線的交點C表示脈動循環，其疲勞強度0=a+m=2a=2m。若自O點作一與水平軸成角的射線與曲線相交，并使tan=則交點的a +m=即為循環特性系數為r時對應的疲勞強度。(4)用max和min表示的疲勞圖 即Goodman疲勞強度圖，如圖6-11所示。圖中縱坐標表示循環中的最大應力max，橫坐標表示循環中的最小應力min，由原點出發的每條射線代表一種循環特性。例如由原點向左與橫坐標傾斜45o的直線表示交變載荷，r=mi

13、n/max=-1，它與曲線交于B點，BB，即為-1；向右與橫坐標傾斜45o的直線表示靜載r=1，它與曲線交于D點，DD即為靜載強度b，而縱坐標本身又表示脈動載r=0，CC即為0。 圖6-12為一組實例。該鋼種的靜載強度為588N/mm2（A點）。200萬次脈動循環的疲勞強度為304N/ mm2（B點）。而其交變載荷r=-1的疲勞強度為196N/mm2（C點）。對于r=-1的疲勞強度，根據ADB線的交點即可找出，為412N/mm2。同樣在該圖上也可找出N=100萬次的各種循環特性的疲勞強度值。6.2.4 各類參數對疲勞強度的影響1材料的影響不同材料的疲勞強度不同，鋼材和輕金屬的條件疲勞極限(斷裂

14、循環次數N0=2×106)由無缺口的拋光試件在烏勒疲勞試驗中得到，其值與材料的抗拉強度b有關。對于鋼材，有-1=0.4 -0.6b ；0=0.6-0.8b對于鋁合金，有-1=0.4 -0.6b鋼材的對稱交變循環疲勞強度-1，亦可以表示為與硬度的一定比例關系，其數值取決于鋼材的成分和生產工藝（熔煉、澆注、冷熱加工及熱處理）。彎曲應力情形下所得數值比拉伸、壓縮應力時高。2表面狀況的影響試件的表面狀況對疲勞強度有相當大的影響，因為疲勞損傷通常是從表面開始的，表面粗糙度對疲勞強度的影響可用表面系數k*來表示，如圖6-13所示。表面粗糙度數值的大小決定著疲勞強度降低的程度。軋制表面的疲勞強度低

15、于切削粗加工表面，就是因為相比之下軋制表面具有較大的表面粗糙度值及較嚴重的脫碳現象。環境的腐蝕作用對疲勞強度亦有很大影響，非合金鋼的疲勞強度在潮濕的空氣中降低1/3，在鹽水中降低2/3。此外，表面硬化及表面層中的殘余壓應力則可使疲勞強度大為提高。3循環次數的影響對應不同的疲勞破壞循環次數，疲勞強度有很大不同，從各類不同形式的疲勞圖中可以清楚地表達出來，如圖6-14圖6-17所示。4應力性質的影響應力特性對疲勞強度的影響亦很大，抗拉強度與擾壓強度范圍內的疲勞強度（疲勞極限）有很大不同，如圖6-18所示。平均應力對疲勞強度的影響如圖6-19a所示，對稱循環疲勞強度-1，與脈動循環疲勞強度0在S-N

16、疲勞曲線上的位置有較大差別，如圖6-19b所示。復合（多軸）應力狀態下的疲勞強度主要由Von Mises變形能準則或與之相近的Tresca最大切應力準則來確定。當各外加循環應力分量有相位差時，還會出現一附加強度下降。5缺口效應的影響試件或結構的缺口狀況對其疲勞強度有顯著的影響，承受疲勞載荷時缺口頂端的應力集中自始至終影響著疲勞強度，在有尖銳缺口和裂紋時，條件疲勞極限范圍內會出現一種可限制缺口應力集中效應的彈性約束效應（微觀結構約束效應），而有限壽命疲勞強度范圍內會因缺口頂端的塑性變形而產生一種附加的約束效應（宏觀結構約束效應）。因此，決定疲勞斷裂的不單是應力，還有缺口頂端的塑性應變。圖6-20

17、所示的不同疲勞缺口系數Kf情況下的結構鋼裂紋萌生S-N曲線，可用于實際設計（斷裂S-N曲線則更陡且平移），可以看到Kf對疲勞強度的顯著影響。此外，載荷循環頻率對疲勞強度也有不同程度的影響，鋼疲勞強度受載荷循環頻率影響不大，工程技術中常用的頻率范圍是0.1 200Hz，低溫試驗表明雖然頻率的增高試件疲勞強度稍有增加，但是溫度升高到一定程度后，隨著頻率的增高試件疲勞強度又會下降，對于鋁合金，這種頻率影響較為明顯。與材料的靜載強度類似，其疲勞強度在低溫時增加，在高溫時降低，高溫時要注意蠕變過程。6.3 疲勞斷裂的物理過程和斷口特征疲勞斷裂的過程一般由三個階段所組成：在應力集中處產生初始疲勞裂紋裂紋萌

18、生；裂紋穩定擴展；失穩斷裂。當然在這三個階段之間是沒有嚴格界限的。例如疲勞裂紋“產生”的定義就帶有一定的隨意性，這主要是因為采用的裂紋檢測技術不一而引起的。從研究疲勞機理出發，有人采用電子顯微鏡，把裂紋長大到1000（1=10-10m）之前定義為裂紋產生階段。但從工程實用角度出發，則一般又以低倍顯微鏡( x10)看到之前為裂紋產生階段。不論對焊縫的過渡區還是對母材光滑式樣，有關研究都表明：裂紋長度達到1mm（工程中的初始裂紋長度）的裂紋萌生時間的90%均消耗在微觀裂紋擴展上，裂紋萌生初期包括位錯在滑移面內的運動、在晶粒內伴隨位錯運動出現滑移帶和滑移帶上材料形成微觀分離。滑移帶首先出現在缺口、缺

19、陷、夾雜物、空穴和裂紋等引起的局部應力集中區域。在裂紋萌生最后階段，晶粒內滑移帶上材料中出現微觀分離，最終形成與晶粒尺寸相當、能夠進一步擴展的微觀裂紋。裂紋穩定擴展階段指：在循環載荷作用下，微觀裂紋穩定擴展成為大小與構件宏觀尺寸（如板厚）相當的臨界宏觀裂紋的過程，這一過程在總壽命中占主要部分。裂紋尺寸達到臨界值后隨即出現最終失穩斷裂。同樣，失穩斷裂階段的定義也是不嚴格的，一般根據結構的形式而定。例如對于承力構件，可以定義為扣除裂紋面積的凈截面已不能在承受所施應力時為斷裂階段；而對于壓力容器則把出現泄漏時定為斷裂階段的開始等。在焊接接頭中，產生疲勞裂紋一般要比其他連接形式的循環次數少。這是因為焊

20、接接頭中不僅有應力集中（如角焊縫的焊趾處），而且這些部位易產生焊接接頭缺陷，殘余焊接應力也比較高。例如焊趾處往往存在有微小非金屬夾渣物，而疲勞裂紋也正是起源于這些缺陷處。對接焊縫和角焊縫的根部，也能觀察到夾渣韌、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因為有這些缺陷存在，致使焊接接頭中的疲勞裂紋產生階段往往只占整個疲勞過程中的一個相當短的時間，主要的時間是屬于裂紋擴展。對斷裂表面進行細致的宏觀檢查可以看到，從斷裂開始點向四周射出類似貝殼紋的疲勞裂紋。圖6-21為從焊趾裂紋開始的疲勞裂紋。由圖可以清楚地看出疲勞裂紋從焊趾裂紋向外輻射而貫穿空板厚，最后造成構件斷裂。對于塑性材料，宏觀端口為纖維狀，暗灰色；對于

21、脆性材料則是結晶狀。根據宏觀斷口上的疲勞裂紋穩定擴展區與最后失穩斷裂區所占面積的相對比例，可以估計所受應力高低和應力集中程度的大小。一般來說，失穩瞬斷區的面積越大，越靠近斷口面中心，則表示工件過載程度越大；反之，其面積越小，位置越靠近斷口邊緣，則表示過載程度越小。兩個區域大小也受材料的斷裂韌度K1c值控制，同等應力水平下，K1c值越高，最后失穩斷裂區所占面積越小，K1c值越小，最后失穩斷裂區所占面積越大。表6-1為各種類型的疲勞斷口形態示意圖，它表征了載荷類型、應力大小和應力集中等因素對斷口形態的影響。 在疲勞裂紋擴展過程中，顯微斷口分析表明，在均勻的循環應力作用下，只要應力值足夠大，一般每一

22、次應力循環將在斷裂表面產生一道輝紋，如圖6-22所示。疲勞裂紋擴展的機理有不同的解釋模型，其中著名的有拉埃特( Laird)和斯密司( Smith)模型，如圖6-23所示。由圖可見，每經過一次加載循環，裂紋尖端即經歷一次銳化鈍化再銳化的過程，裂紋擴展一段距離，斷口表面上就產生一道輝紋。這種機械模型可以有效地解釋裂紋的擴展情況。這樣我們便可以在某裂紋長度和應力下對裂紋尖端進行應力分析，把斷裂力學的有關理論應用到疲勞裂紋的擴展上去。6.4 焊接接頭的疲勞強度計算標準 疲勞強度計算標準包括焊接接頭在內的典型連接的疲勞強度計算公式，均是在疲勞試驗的基礎上，利用max；和min表示的疲勞圖推導出來的。我

23、國鋼結構設計規范TJ-17-74（試行）規定，計算鋼結構的疲勞強度時，基本金屬和連接的疲勞許用應力按下列公式確定： 絕對值最大的應力為拉力時p= (6-1)絕對值最大的應力為壓力時p= (6-2)式中，為r=0時基本金屬和連接的疲勞許用應力；k為系數，按相關手冊選用；r為構件的應力循環特性系數。 應當注意：按式(6-1)、式(6-2)算得的p若等于或大于材料的許用應力，以及式(6-2)中的rk后時，則可不計算結構的疲勞強度，并且角焊縫的疲勞許用應力，不論最大應力為拉應力或壓應力，均按式(6-1)確定。我國起重機鋼結構采用的疲勞強度計算方法與鋼結構設計規范TJ-17-74（試行）相似，但和k值按

24、相關手冊選用。我國鐵路工程技術規范規定橋梁用鋼焊接接頭疲勞強度設計計算參見中華人民共和國鐵路橋梁鋼結構設計規范TB 10002. 2-2005之J 461-2005，見表6-2。6.5 影響焊接接頭疲勞強度的因素 影響基本金屬疲勞強度的因素（例如應力集中、截面尺寸、表面狀態、加載情況、介質等）同樣對焊接結構的疲勞強度有影響。除此以外焊接結構本身的一些特點，例如接頭部位近縫區性能的改變、焊接殘余應力等也可能對焊接結構疲勞強度發生影響。弄清這些因素的具體影響，對提高焊接結構的疲勞強度是有益的。下面分別探討這些因素的影響情況。6.5.1 應力集中的影響 焊接結構中，在接頭部位由于具有不同的應力集中，

25、即具有缺口效應，它們對接頭的疲勞強度產生程度不同的不利影響。為了便于說明理解焊接接頭與母材疲勞強度的差別，可引入疲勞強度系數這個參量，疲勞強度系數可定義為=（對于或） (6-3) =（對于） （6-4）式中，r和r分別為母材（無焊縫軋制板材）的正應力疲勞強度及切應力疲勞強度；rw和rw則分別為焊接接頭中母材（一般為焊縫以外熱影響區）的正應力疲勞強度及切應力疲勞強度。 材料承受復合載荷時，r和r間的關系可由Von Mises變形能準則給出r=r (6-5) 對接焊縫由于形狀變化不大，因此它的應力集中比其他形式接頭要小，但是過大的余高和過大的基本金屬間的過渡角都會增加應力集中，使接頭的疲勞強度下降

26、。 圖6-24為對接接頭的過渡角p以及過渡圓弧半徑R對疲勞強度的影響。 1鋼焊接接頭 圖6-25為低碳鋼及低合金錳鋼的對接接頭的疲勞強度，焊縫未經機械加工。若對焊縫表面進行機械加工，應力集中程度將大大減小，對接接頭的疲勞強度也相應提高。圖6-26為經過機械加工后的對接接頭的疲勞強度，但是這種表面機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜采用這種加工。而帶有嚴重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊根部應力集中要比焊縫表面的應力集中嚴重得多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。丁字和十字接頭在許多焊接結構中得到廣泛的應用。在這種接頭中，由于焊縫向基本金屬過渡處有明顯

27、的截面變化，其應力集中系數要比對接接頭的應力集中系數高，因此丁字和十字接頭的疲勞遠低于對接接頭。未開坡口的用角焊縫連接的接頭，當焊縫傳遞工作應力時，其疲勞斷裂可能發生在兩個薄弱的環節上，即母材與焊縫趾端交界處和焊縫上。當單個焊縫的計算厚度與板厚之比/<0.6-0.7時，一般斷于焊縫；當/>0.7時，一般斷于母材。圖6-27為兩種鋼材十字接頭的疲勞強度圖。實線代表的疲勞強度是按斷裂在母材計算的，虛線是按斷裂在焊縫計算的。由圖中可以看出合金鋼對應力集中比較敏感。在這種情況下，采用低合金鋼對疲勞強度并沒有優越性。此外增加焊縫的尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內才有效。因為焊縫尺寸的增加并

28、不能改變另一薄弱截面，即焊縫趾端處母材的強度，故充其量亦不能超過斷裂在此處的疲勞強度。提高丁字和十字接頭的疲勞強度的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區使之圓滑過渡。圖6-28為開坡口焊透的低碳鋼十字接頭的疲勞強度圖。通過這種改進措施，疲勞強度有較大的提高。焊縫不承受工作應力的丁字和十字接頭的疲勞強度主要取決于焊縫與主要受力板過渡區的應力集中。圖6-29為焊縫不承受工作應力的低碳鋼丁字和十字接頭的疲勞強度。丁字形接頭和過渡區經過機械加工的接頭具有較高的疲勞強度，其數值接近于圖中陰影線的上限，而十字接頭和過渡區未經加工的接頭的疲勞強度數值接近于圖中陰影線的下限。這是因為不對稱的丁字接頭上有一個偏

29、心力矩，降低了過渡區的應力，它的應力集中比對稱的十字接頭低。低碳鋼搭接接頭的疲勞試驗結果如圖6-30所示，這些試驗證明搭接接頭的疲勞強度是很低的。僅有側面焊縫的搭接接頭（見圖6-30a），其疲勞強度最低，只達到基本金屬的34%。焊腳為1:1的正面焊縫的搭接接頭(6-30b)其疲勞強度雖然比只有側面焊縫的接頭高一些，但數值仍然是很低的。正面焊縫焊腳為1:2的搭接接頭（見圖6-30c）應力集中稍有降低，因而其疲勞強度有所提高，但是這種措施的效果不大。即使在焊縫向基本金屬過渡區域進行表面機械加工（見圖6-30d）也不能顯著提高接頭的疲勞強度。只有當蓋板的厚度比按強度所要求的增加倍，焊腳比例為1:3.

30、8，并采用機械加工使焊縫向基本金屬平滑過渡，這樣的搭接接頭的疲勞強度才等于基本金屬的疲勞強度（見圖6-30e）。但是在這種情況下已經喪失了搭接接頭簡單易行的優點，因此不宜采用這種措施。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不合理的。試驗結果表明，在這種情況下，原來疲勞強度較高的對接接頭被大大地削弱了(見圖6-30f)。低強度結構鋼和中強度結構鋼焊接接頭脈動載荷(r=0)疲勞強度與缺口效應（應力集中）的關系如圖6-31所示。結合前面的幾個圖可以看出，與低強度鋼相比，中高強度鋼在作為光滑試件時的疲勞強度確有一定增加，而存在應力集中并作為缺口試件時，疲勞強度的增加將隨缺口效應的嚴重程度而變化。因此，只有

31、在缺口效應較弱時才適合使用中高強度鋼。這種情況對于焊接接頭十分明顯，即具有較嚴重應力集中的焊接接頭如十字接頭，無論它是由低強度鋼或高強度鋼制成，其對稱循環疲勞強度成脈動循環疲勞強度均不高，高強度鋼會失去其靜載強度方面的優勢。不同的接頭形式應力集中情況即缺口效應不同，疲勞強度系數也不同，表6-3歸納了不同焊縫種類對應的接頭疲勞強度系數。受拉伸載荷十字接頭和帶橫向角焊縫的搭接接頭。 搭接接頭中的縱向角焊縫。 工字梁雙面斷續角焊縫。 所列數值還可能更小（取決于接頭的支承條件）。 基于缺口應力分析的估值。 上述的討論適合高周疲勞情況（破壞循環次數N2×106），然而，在中周和低周疲勞強度范圍

32、內高強度鋼的優點就會顯示出來，它的S-N曲線會隨其抗拉強度的增大而相應升高，如圖6-32所示。所以說，只有當靜平均應力較高（如大跨度橋梁）和循環次數適當時（如高壓容器、飛機旋翼、深海潛艇），焊接構件才宜使用高強度鋼。對于載荷峰值很高的載荷譜作用下的構件，高強度鋼也特別適用，但必須設法減輕這類構件上的缺口效應（應力集中），此外還應考慮到焊接殘余應力會因高強度鋼屈服強度高而相應增大，這會使疲勞強度降低，或相變導致應力分布、符號和數值的改變。 2鋁合金焊接接頭鋁合金焊接接頭疲勞強度的研究開始得相對較晚，這是因為在以往的飛機制造業中用以承受疲勞載荷的高強度鋁合金結構全部采用鉚接形式連接，隨著鋁合金焊接

33、結構應用范圍的擴大，對其接頭疲勞性能的研究也在增多。鋁合金焊接接頭的疲勞強度約為結構鋼接頭的13 - 2/3，而密度卻低23，這對輕型結構來說是十分重要的優點。與結構鋼的情形類似，鋁合金靜載強度的增加一般并不明顯改善其焊接接頭的疲勞強度，與高強度鋁合金相比，低強度鋁合金的疲勞強度僅稍低一些。 鋁合金焊接接頭與結構鋼焊接接頭相比，其疲勞強度系數稍小，而設計應力卻小得多，故同樣大小的焊接接頭，鋁合金接頭的疲勞強度僅約為鋼接頭之半，但此時質量卻比鋼接頭輕2/3，故鋁合金接頭單位質量的疲勞強度又比鋼接頭高。表6-4總結了Hertel等多位國外學者的試驗結果，列出了各類鋁合金焊接接頭的疲勞強度系數，這些

34、結果是針對AIMg5、AIMgSi1和AlZnMg1等得出的，這幾種鋁合金母材的疲勞強度接近。但表6-3所示的疲勞強度系數并未反映出缺口狀況的影響，故還不能得出鋁合金及其焊接接頭對于缺口和平均應力較為敏感這一結論。某些情況下鋁合金焊接接頭的疲勞強度下降較大，這可能是焊接過程引起的熱變形和熱軟化所致。表6-4鋁合金焊接接頭疲勞強度系數（拉伸脈動應力幅疲勞強度為155 - 170N/mm2對稱交變循環應力幅疲勞強度為95 I00N/mm2，破壞概率Pf=0.1）焊縫種類母材受載情況 疲勞強度系數對接焊縫0. 45 0. 75K形對接縫（十字接頭）0.2角焊縫（十字接頭中）0.30.5正面角焊縫側面

35、角焊縫（搭接）或0.150.2橫向肋板接頭0.40.7對接焊縫與角焊縫（工字梁上）0.450.7縱向肋板接頭0.150.2注：這里的或分別表示外載荷與焊縫成垂直和平行角度時的疲勞強度。6.5.2 近縫區金屬性能變化的影響 焊接過程中近縫區金屬性能的變化對接頭疲勞強度的影響也是人們關心的問題。首先分析低碳鋼焊接接頭的情況。大量研究表明，在常用的熱輸入下焊接，熱影響區和基本金屬的疲勞相當接近。只有在非常高的熱輸入下焊接（生產實際中很少采用），使熱影響區對應力集中的敏感性下降，如圖6-33所示，其疲勞強度可比基本金屬高得多。綜合考慮上面的試驗結果可以得出結論，低碳鋼的近縫區金屬力學性能的變化對接頭的

36、疲勞強度影響較小；低合金鋼的情況是比較復雜的，在熱循環作用下，熱影響區的力學性能變化比低碳鋼大。有人用低合金鋼(wc=0.12%；wMn=0.65%；wSi=0.75%；wCr=0.70%；wNi=0.57%；wCu=0.40%；s = 400N/mm2；b=570N/mm2）做焊接接頭疲勞強度試驗，試件采用圓棒及平板兩種。圓棒試樣表面光滑不開缺口，其熔合線之一位于試樣中心。平板試樣的兩側開有缺口，缺口的頂端位于熔合線。圓棒試樣做彎曲疲勞，平板試樣做拉伸脈動疲勞試駿。同時用兩組基本金屬試樣作對比，試驗結果如圖6-34所示。對圓形試件它們基本上都在試件肩部圓角處斷裂，個別的在中間部位破壞，但不論

37、是焊接試件還是母材試件它們的疲勞強度都在一定的分散帶內（圖6-34b）。對于具有缺口的板狀試件來說，有焊縫和無焊縫的試件之間的試驗結果分散性更小，甚至可以說二者間沒有差別。由此可以看出，化學成分、金相組織和力學性能的不一致性，在有應力集中或無應力集中時都對疲勞強度的影響不大。圖6-34c為20鋼的試驗結果，圖6-34d為10Mn2Si鋼的試驗結果，它和前述結論也是一致的。近年來，有人對各種焊縫金屬以及低碳鋼和高強度鋼的模擬焊接熱處理材料進行裂紋擴展速率試驗發現，在平面應變范圍內描述裂紋擴展速率的帕瑞斯公式中的參量變化不大。在平面應力范圍內，n隨材料的屈服點的增加而降低，而另一參量C隨屈服點的增

38、加而上升。圖6-35為幾種焊縫金屬及鋼材的裂紋擴展速率規律。從圖上可以看出，材料的性能對裂紋擴展速率有一定的影響，但不太大。近年來，在焊接結構中已逐漸采用高強度鋼，其屈服強度達390 490N/mm2或590 744 N/mm2。這種鋼一般來說是經過一定熱處理的低合金鋼，焊接后局部區域強度降低，另一些區域強度提高，在熱影響區形成力學性能的急劇變化。此外，焊縫金屬與兩側的金屬在性能上也可能有較大的差別。為了研究這種性能不均勻性對接頭疲勞強度的影響，進行了模擬焊接接頭性能不均勻情況的試驗。試件分兩種：第一種試件是以直徑為20mm的40Cr鋼的圓棒料為基體，并在兩塊圓棒中間用接觸對焊方法焊上一段20

39、鋼料（直徑相同），以這種試件來模擬局部區域強度降低的接頭；第二種試件是以低碳鋼為基體在其中間焊上40Cr鋼，用此來模擬局部區域強度提高的接頭情況。為了研究這種強度變化區域尺寸大小的影響，中間夾層的鋼料厚度在230mm之間變化，試件采用光滑圓棒不開缺口。試驗結果表明，對于高組配即軟夾硬的焊接接頭，力學性能不均勻性對接頭的疲勞強度基本沒有影響，如圖6- 36所示。此時接頭的疲勞強度取決于較軟的基本金屬。而在具有較較夾層即硬夾軟的焊接接頭中，疲勞強度還取決于層的尺寸h/d（h為夾層的厚度；d為試件直徑）。當h/d >0. 75時，接頭的疲勞強度在很大程度上取決于夾層的疲勞強度（這時疲勞強度對接

40、頭來說是降低了）；而當夾層厚度比減少到一定程度h/d <0. 75時，焊接接頭的疲勞強度隨比值h/d的減小而提高，如圖6-36所示。在實際焊接結構中，如果熱影響區的尺寸不大，就不會降低焊接接頭的疲勞強度。可是，如果在硬夾軟接頭中的軟夾層中有嚴重的應力集中因素時，情況則不同。試驗結果表明，此時接頭的疲勞強度大大降低，其數值取決于這個軟區本身的力學性能。6.5.3 殘余應力的影響焊接殘余應力對于結構疲勞強度的影響是人們廣泛關心的問題。對于這個問題人們進行了大量試驗研究工作。試驗往往采用有焊接應力的試樣與經過熱處理消除內應力后的試樣，進行疲勞試驗作對比。由于焊接殘余應力的產生往往伴隨著焊接熱循

41、環引起的材料性能的變化，而熱處理在消除內應力的同時也恢復或部分恢復了材料的性能。因此，對于試驗的結果就產生了不同的解釋，對內應力的影響也有了不同的評價。首先分析內應力對構件疲勞強度的影響。如圖6-37所示，在用a和m表示的疲勞圖中，曲線ACB代表不同平均應力時的極限應力振幅值a。當構件中的應力振幅值大于極限幅值時，在規定的循環次數之前將發生疲勞破壞；反之，小于極限幅值則是安全的。由圖中可以看出，隨著m的增加，極限應力幅值有所下降。如果構件中存在著內應力0，則它將始終作用于應力循環中，使整個應力循環的應力值偏移一個0值。假設載荷的平均應力為m，如圖6-38a所示，與此平均應力相應的極限應力振幅為

42、a。若構件中內應力0為正值時，它將與載荷應力相疊加使應力循環提高0，如圖6-38b所示，平均應力將增加到m1（m1=m+0），其極限應力幅值降低到a1，構件的疲勞強度將降低。若內應力為負值，它將使應力循環降低0，如圖6-38c所示，平均應力將降低到m2（m2=m-0），其極限應力幅值將增加到a2，構件的疲勞強度將有所提高。在上述分析中，未考慮內應力在載荷作用下的變化。實際上，當應力循環中的最大應力max到達s時，亦即m與a之和達到s時，內應力將因材料全面達到屈服而消除。在圖6-37中直線SCR與水平軸成45o角，是m+a=s的軌跡。在此線上所有點的m與a之和均達到s。當m達到相當于圖中C點的數

43、值時(m+a=s)，內應力對疲勞強度將沒有影響。當m小于相當于C點的數值，則m越小，內應力的影響越顯著。下面再通過幾個具體試驗研究的結果來說明焊接殘余應力對疲勞強度的影響。首先介紹一個采用不同焊接次序來獲得不同的焊接應力分布的試樣對比試驗。圖6-39為兩組帶有縱向、橫向焊道的試樣。第一組試樣A是先焊縱向焊縫；后焊橫向焊縫；另一組試樣B是先焊橫向焊縫，后焊縱向焊縫。在焊縫交叉處，第一組試樣的拉伸焊接應力低于第二組。兩組試樣的對比疲勞試驗結果如圖6-39所示。從圖上可以看出第一組疲勞強度高于第二組。這個試驗并沒有采用熱處理來消除內應力，排除了熱處理對材料性能的影響，比較明確地說明了內應力的作用。如

44、果在14Mn2低合金結構鋼試樣上有一條橫向對接焊縫，在正反兩面各堆焊一條縱向焊道。一組試樣焊后作消除內應力熱處理，另一組未經熱處理。疲勞試驗采用三種應力循環特性系數r=-1，0，+0.3。試驗結果如圖6-40所示。由圖可見，在交變載荷下（r= -1）消除內應力試樣的疲勞強度接近130N/mm2，而未消除內應力的僅為75 N/mm2。在脈動載荷下(r=0)兩組試樣的疲勞強度相同，為185N/mm2。而當r=+0.3經熱處理消除內應力的試樣的疲勞強度為260N/mm2，反而略低于未熱處理的試樣( 270N/mm2)。產生這個現象的原因是：在r比值較高時，例如在脈動載荷下，疲勞強度較高，在較高的拉應

45、力作用下，內應力較快地得到釋放，因此內應力對疲勞強度的影響就減弱；當r增大到+0.3時，內應力在載荷作用下進一步降低，實際上對疲勞強度已不起作用。而熱處理擴在消除內應力的同時又消除了焊接過程對材料疲勞強度的有利影響，因而疲勞強度在熱處理后反而下降。這個有利影響在交變載荷試樣里并不足以抵消內應力的不利影響，在脈動載荷試樣里正好抵消了殘存的內應力的不利影響。這一試驗比較好地說明了內應力和焊接熱循環所引起的材質變化對疲勞強度的影響。由此也可以看出焊接內應力對疲勞強度的影響與疲勞載荷的應力循環特性系數有關。在r比值較低時，影響比較大，如上述試驗所采用的試樣，屬于應力集中比較低的情況。下面再介紹一個應力

46、集中比較嚴重的試樣結果。試樣帶縱向短肋板，具有較高的應力集中系數。一組試樣焊后經過消除應力熱處理，另一組不作熱處理，兩組試樣做脈動載荷疲勞強度試驗，其結果如圖6-41所示。消除內應力后的試驗疲勞強度均高于未熱處理的。在這個試驗中，內應力的作用在脈動載荷下仍有反映，說明內應力的影響在應力集中較高時更大。6.5.4 缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度的影響與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。平面類型缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；表面缺陷比內部缺陷影響大；與作用力方向垂直的平面缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應力場內的缺陷的影響比在殘余壓應力場內的大；位于應力集中區的

47、缺陷（如焊縫趾部裂紋）的影響比在均勻應力場中同樣缺陷影響大。圖6-42及圖6-43為幾種典型缺陷在不同位置載荷下的影響，A組的影響大，B組的影響小。由于不同的材料具有不同的缺口敏感性，同樣尺寸的缺陷對不同材料焊接結構的疲勞強度的影響并不相同。圖6-44為未焊透對五種材料的疲勞強度的影響。由圖中可以看出，隨著未焊透的增加，疲勞強度迅速下降。12Cr18Ni9Ti奧氏體鋼盡管在靜載和一次沖擊載荷下有較好的韌性，但其下降幅度最大。圖6-45為在均勻應力場及應力集中區中的裂紋（平板表面裂紋及焊趾裂紋）在相同的應力循環下的擴展。由圖中可以看出，焊趾裂紋的擴展速率明顯高于平板表面裂紋。在裂紋穿透板的厚度時

48、的裂紋尺寸比平板表面裂紋達到穿透時大得多，討此在應力集中區的焊趾裂紋具有更大的危險性。6.6 提高焊接接頭疲勞強度的措施 6.6.1 焊接結構疲勞強度設計概述 焊接結構及其構件的設計應做到既能滿足所需的疲勞強度、使用壽命和安全性，又能使所需費用盡可能降低。所謂“疲勞強度設計”，是指按照規定的目標（例如費用指標），對強度、壽命和安全性進行優化，并使組成結構的各構件都具有相同的疲勞強度、疲勞壽命和安全性的一種設計方法，其他問題，諸如是否易于制造、試驗和維修等，設計時也應充分考慮。 形狀設計，包括整體結構及其構件的形狀設計（整體結構設計），以及焊接接頭的位置與形狀設計（局部結構設計），是疲勞強度設計

49、所關心的首要問題。 對于實際工程結構，除穩定性之外，其強度方面最危險的極限狀態便是疲勞斷裂和脆性斷裂。雖然脆性斷裂一般認為是靜載強度的一種極限狀態，但作為斷裂的最后階段，只要能顯示出一定的脆性，那么它也是試件和結構疲勞破壞的重要組成部分。綜觀實際中的脆性斷裂情況可以看出：很大一部分脆性斷裂是由結構中的疲勞裂紋引起的。 疲勞斷裂和脆性斷裂始于形狀不連續、缺口和裂紋等部位，即始于局部彈性應力極大值“應力峰值”（結構應力、缺口應力和應力強度因子）所在之處。對于整個結構的強度問題，應力峰值所在處的一小部分材料可能起著決定性作用。若能采用一定的設計措施使結構應力峰值降低或消除，則疲勞斷裂和脆性斷裂便面推

50、遲或避免。即便在使用韌性材料且應力峰值只有因材料產生屈服而下降時，有關設計改進措施仍然有效。因為金屬材料的韌性是有限的，當應力峰值所在處的韌性逐步耗竭時，脆性斷裂的危險便隨之增大。采用適當的設計措施以避免局部結構應力峰值和缺口應力峰值，是提高結構強度和壽命的最有效方法。實際中，通常在不確切知道具體的受載情況時設法去掉結構中各基礎載荷引起的應力峰值，這樣便足以保證該結構不致破壞。因此不應忽視設計改善措施的重要作用。 結構應力峰值出現在整體結構中的不連續處（如焊縫、轉角、加勁肋板及開口等），缺口應力峰值出現在局部結構中的不連續處，即橫截面發生變化的部分、焊趾、焊縫根部、焊縫端部、焊波、間隙、裂紋、

51、焊點熔核邊緣和焊接缺陷等處。整體結構由設計圖樣中的尺寸確定，局部結構則僅需確定焊縫的形式、位置及厚度。局部結構應力分析所需的數據資料須由焊縫測量或其他行之有效的方式得出。6.6.2 疲勞強度設計的一般原則總結工程實例，焊接結構疲勞強度設計的一般原則是： 1)承受拉伸、彎曲和扭轉的構件應采用長而圓滑的過渡結構以減少剛度的突然變化。 2)優先選用對接焊縫、單邊V形焊縫和K形焊縫，盡可能不用角焊縫。 3)采用角焊縫時最好用雙面焊縫，避免使用單面焊縫。 4)采用帶有搭接板（蓋板）的搭接接頭和彎搭接接頭，盡可能不用偏心搭按。 5)使焊縫（特別是焊趾、焊縫根部和焊縫端部）位于低應力區（例如彎曲時的中性帶、

52、承受小彎矩的區域、孔邊緣上使缺口應力為零的地方、過渡段和轉角以外的部位），使缺口效應分散而避免其疊加。 6)在焊趾缺口、焊縫根部缺口和焊縫端部缺口之前或之后（處于力流之中）設置一些緩沖缺口以消除或降低上述缺口部位的應力。 7)承受橫向彎曲的構件應縮短支撐間距以減小彎矩。 8)橫向力應作用于剪切中心之上以減小扭矩。 9)承受拉伸與彎曲的構件如需加強，則加強件長度應小，以減小加強件對于構件變形的拘束。 10)承受扭轉的構件，為避免橫截面翹曲受阻可采用切除翼緣端部、翼緣端部斜接等形式以及采用橫截面不產生翹曲的型材。 11)使焊縫能包圍較大面積或局部增加構件壁厚以減輕外力作用于薄壁構件上時引起的局部彎

53、曲。 12)在薄板范圍內合理布置焊縫以減輕彎曲變形。 13)避免能擾亂力流的開口（或切口），但與力流垂直的加勁肋板角部應切除（加勁肋板切角）。 14)在特別危險的部位以螺栓接頭或鉚接接頭、鍛造連接件或鑄造連接件代替焊接接頭（尤其當這樣做更便于裝配時）。 15)消除能引起腐蝕的根部間隙。 為檢查設計質量，可通過測試或計算確定結構應力峰值。測試原型（去掉漆層，用應變計）上或光彈模型上的結構應力峰值，是設計承受疲勞載荷的焊接結構時采用的一種基本方法。如破壞發生在焊趾而不在焊縫根部，則焊趾區測得的應變即可作為評價焊縫的一個可靠指標。近年來，計算方法特別是基于有限元法的計算方法用得越來越多，大有代替測試

54、方法之勢。6.6.3 提高疲勞強度的工藝措施 綜上所述可以看出，應力集中是降低焊接接頭和結構疲勞強度的主要原因，只有當焊接接頭和結構的構造合理，焊接工藝完善，焊接金屬質量良好時，才能保證焊接接頭和結構具有較高的疲勞強度。提高靜載條件下強度的最重要措施，即相應增大承載橫截面的方法，在疲勞受載條件下卻不起作用，甚至起負作用，這是因為在已經“補強”的邊緣周圍會產生附加的缺口效應。此外，對于已經制造完成但不滿足使用要求的結構，可考慮降低使其產生疲勞破壞的工作載荷，但這也僅僅是臨時性的應急措施。為提高已成結構的工作疲勞強度，采用適當的工藝措施十分重要，實踐證明下列工藝措施是行之有效的。 (1)降低應力集

55、中 1)采用合理的結構形式，減少應力集中，以提高疲勞強度。圖6-46為各組元件沒計的正誤對比。2)盡量采用應力集中系數小的焊接接頭形式。如對接接頭的應力集中系數小，因而疲勞強度高，應當盡量選用。圖6-47、圖6-48是采用復合結構把角焊縫改為對接焊縫的實例。 應當保證基本金屬與焊縫之間平緩過渡，用磨盤或砂輪對焊趾（或焊縫端部）進行局部磨削將降低其缺口效應，焊縫金屬與母材間熱影響區中的微觀缺口亦得以消除，這將延遲裂紋萌生階段。通過磨削來消除缺口殘余應力并使表面硬化亦會帶來一定好處。需要注意打磨方法應是順著力線傳遞方向，垂直力線方向打磨往往取得相反的效果。 還應當指出的是，在對接焊縫中只有保證連接

56、的截面沒有突然改變的情況下傳力才是合理的。圖6-49是一些不合理對接焊縫的實例，由于接頭形狀的突然改變，端部存在嚴重的應力集中，故易在焊縫端部產生疲勞裂紋。 另外，對接焊縫雖然一般具有較高的疲勞強度，但如果焊縫質量不高，其中存在嚴重的缺陷，則疲勞強度值將下降很多，甚至低于搭接焊縫。這也是應當引起注意的。3)當采用角焊縫時（有時不可避免）須采取綜合措施（機械加工焊縫端部，合理選擇接板形狀，焊縫根部保證熔透等）來提高接頭的疲勞強度，采取這些措施可以降低應力集中并消除殘余應力的不利影響。表6-5是部分接頭進行綜合處理的實例。實驗證明，采用綜合處理后，低碳鋼接頭處的疲勞強度提高3 13倍。對低碳合金鋼

57、的效果更顯著。4)有些試驗證明，在某些情況下，可以通過開緩和槽使力線繞開焊縫的應力集中處來提高接頭的疲勞強度。圖6-50就是用開緩和槽的方法提高焊接接頭疲勞強度的實例。5)用表面機械加工的方法，消除焊縫及其附近的各種刻槽，可以降低構件中的應力集中程度，提高接頭疲勞強度。但是這種表面機械加工的成本高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適合采用這種加工方法。 6)采用電弧TIG或等離子束整形的方法可以代替機械加工的方法來使焊縫與基本金屬之間平滑過渡，如圖6-51所示。這種方法是用鎢極氬弧焊或等離子束焊的方法在焊接接頭的過渡區重熔一次，使焊縫與基本金屬之間平滑過渡，減少該部位的應力集中以提高疲勞強度。要注意的是，采用這一方法可能會引起局部過度硬化，修整焊道（即重熔焊趾而形成的焊道）的端部也可能會對強度產生不利影響。因此，建議修整的起止處應在焊趾缺口部位之外的焊縫