1、第6章焊接接頭和結構的疲勞強度§ 6-1 概述一、定義結構在變動載荷下工作，雖然應力低于材料的但在較長時間工作后 仍發生斷裂的現象叫金屬的疲勞。疲勞斷裂金屬結構失效的一種主要形式，大量統計資料表明，因為 疲勞而失效的金屬結構約占結構的 90%項目實際中的疲勞有多種表現形式：機械疲勞：完全由變動外載荷引起接觸疲勞：表面間滾動接觸與交變應力共同作用 蠕變疲勞：高溫和交變應力作用熱疲勞：溫度變化引起本章討論的是具有典型意義和普遍意義的材料、焊接接頭和結構的 機械疲勞情況。例如：直升飛機起落架，疲勞斷裂，裂紋從應力集中很高的角接板 尖端開始，斷裂時飛機已起落 2118次。再如：載重汽車的縱梁

2、的疲勞裂紋，該梁承受反復的彎曲應力，在 角鋼和縱梁的焊接處，因應力集中很高而產生裂紋，開裂時該車運行3萬公里。圖金1宜升飛機起落架的按勞斷製可見，疲勞斷裂是在正常的工作應力作用下經較長時間后產生的， 也就是說疲勞斷裂的結構是在應力低于許用應力的情況下產生的，這使 我們聯想到結構的低應力脆斷，疲勞和脆斷都是在低應力作用下產生的, 那么它們之間有什么相同點和不同點呢？二、疲勞和脆斷的比較疲勞和脆斷都是低應力情況下的破壞，那么它們之間有什么異同呢？相同點不同點疲勞脆斷低應力作用下破壞加載次數多次少次斷裂時變形很小裂紋擴展速率慢快斷裂都具有突然性，危害大溫度影響小大影響斷裂的因素大部分相同斷口疲勞輝紋

3、結晶狀三、疲勞的類型根據構件所受應力的大小、應力交變頻率的高低，通常可以把金屬 的疲勞分為2類：一類為高速疲勞它是在應力低，應力交變頻率高的情況下產生的， 也叫應力疲勞，即通常所說的疲勞；另一類為低周疲勞，它是在應力高，工作應力近于或高于材料的屈 服強度，應力交變頻率低斷裂時應力交變周次少（少于102105次）的情況下產生的疲勞，也叫應變疲勞。1高速疲勞（應力疲勞）： 載荷小（應力小），頻率高，裂紋擴展 速率小。2、低周疲勞（應變疲勞）： 應力高，頻率低，裂紋擴展速率大。 焊接結構的疲勞破壞大部分屬于第二類：低周疲勞。§ 6-2 疲勞限的常用表示方法一、變動載荷（掌握二max、二mi

4、n、二m、二a、概念）金屬的疲勞是在變動載荷下經過一定的循環周次后出現的，所以要 首先了解變動載荷的性質。變動載荷是指載荷的大小、方向或大小和方向都隨時間發生周期性 變化（或無規則變化）的一類載荷。變動載荷的變化是如此的不同，那么該怎樣來描述它的特性呢？除了無規則的變動載荷外，變動載荷的特性可用下列幾個參量表示:-max :應力循環內的最大應力 rmin :應力循環內的最小應力-m =(二 max + - min )/2 :平均應力 -a =(二max一 - min )/2 :應力幅值 r = ；min /二max :應力循環特征系數， r的變化范圍是一x +1下面介紹幾種典型的具有特殊 循環

5、特性的變動載荷：1、2、3、對稱交變載荷應力波形如圖，由圖可見：這種變動載荷的 min = 一 a max應力循環特征系數r = - 1 二max、二min、平均應力二 m = 應力幅值；"a =二max 脈動載荷應力波形如圖，由圖可見：-min =0 r = 0； - max、二 min ;平均應力二m與應力幅值相等，都等于二max /2 , - m = <ia = bmax/2 拉伸變載荷二max、二 min 均為拉應力，但大小不等，0 v r v 1由圖可見：二 max、二 min、二 m、二 a;由上面幾個波形圖中我們可以看出這樣max = m +匚 a；cmin =

6、cm 二 a因此我們可以把任何變動載荷看作是某個不變的平均應力，也就是 靜載恒定部分和應力幅值即交變應力部分的組合。二、疲勞強度和疲勞極限1、疲勞曲線（疲勞強度和疲勞極限）在金屬構件的實際應用中，如果載荷的數值和方向變化頻繁時，即 使載荷的數值比靜載強度小得多，甚至比材料的屈服強度小的多構件仍 可能破壞，破壞前載荷的循環次數與變動載荷的大小和特性是有關系的,N和二及r有關，這個關系通常用疲勞曲線來描述。rnm*廠圖 如0.5X10*多年來，人們對疲勞的研究發現，金屬 承受的最大交變應力ax越大，則斷裂時應 力交變的次數N越少，即： maxN J,反之 bmaxJf Nf,對試樣用不同載荷進行反

7、復多次加載試 驗，即可測得在不同載荷下使試樣破壞所需 要的加載循環次數 N，將破壞應力與加載循 環次數N之間的關系繪成曲線就叫疲勞曲線。該曲線的意義是：構件在變動載荷著用下所能承受的最大應力循環 次數，或：與各循環次數相對應的不破壞的最大應力。疲勞曲線隨著應力循環次數 N的增大而降低，當N很大時曲線趨于 水平。曲線上對應于某一應力循環次數 N的不破壞的最大應力為該循環 次數下的疲勞強度；曲線的水平漸近線為疲勞極限。疲勞強度是與循環次數N相關的破壞應力；疲勞極限是與循環次數 N無關的，也就是說構件經無限多次應力循 環而不破壞的最大應力。通常在構件的疲勞設計中，出于減輕重量及經濟性考慮，并不把構

8、件設計成永不破壞的，而是根據使用年限得出循環次數N，再根據循環次數N和疲勞強度來設計構件。但是有些構件如：核電站，一經使用中途是不能停下來更換零部件 的，這時就應該根據永不破壞的原則，按疲勞極限來設計。疲勞極限與 疲勞強度的區別就在于疲勞強度是進行有限壽命設計時使用的，而疲勞 極限是進行無限壽命設計時使用的。因為疲勞斷裂時的循環 周次很多，所以疲勞曲線的 橫坐標通常取對數坐標，如 右圖：不同材料的疲勞曲線 形狀不同，大致可分為 2 類，一類是具有應變時效現 象的合金，如常溫下的鋼鐵 材料，其疲勞曲線就是我們上面所講的，曲線上有明顯的水平部分，疲 勞極限有明顯的物理意義，即：無限多應力循環不破壞

9、的最大應力。而對于沒有應變時效現象的金屬合金，如部分有色金屬合金，在高 溫下或腐蝕介質中工作的鋼，它們的疲勞曲線上沒有水平部分，如右圖： 這時就規定某一 N。值所對應的應力作為“條件疲勞極限”或“有限疲勞 極限”，No稱為循環基數，對于實際構件來講，No值是根據構件的工作條件和使用壽命來定的。2、疲勞圖上面講的疲勞曲線是對應于某一應力循環特征系數 r測定的，當r改 變時，曲線上各數值的大小也將改變。實驗發現在最大應力相同的情況下，應力循環的不對稱度越大，即 平均應力越高（r f、 mf）,金屬斷裂前所能承受的應力循環次數越多。 即：二max相同時，二mN f ，這是因為：rm f使得二a J這

10、是因為材料的疲勞損傷（不均勻滑移）是由交變應力長期作用形 成的，應力循環不對稱度越大也就是r越大，就表示應力交變幅度占最大 應力的比例越小，疲勞損傷就小，因此達到斷裂時的應力循環次數就多。疲勞壽命就長。圉"用嘰津r表示的疲勞圖可見材料的疲勞強度與應力循環特征系數 r、平均應力二m都有關系，但是我們怎樣表 示這個關系呢？表示這個關系的最常用的方 法就是疲勞圖，從疲勞圖中我們可以得出各種循環特性下的疲勞強度，疲勞圖常用的主要有以下幾種:(1) 用二max與r表示的疲勞圖它直接反映sax與r關系，可以明確的看出r上升，疲勞強度也上升, 疲勞強度用“表示，角標r表示“是對應于該應力特征循環系

11、數下的疲 勞強度。從圖中我們可以看出：對稱交變載荷下的疲勞強度二i、脈動循環下的疲勞強度6。當r=1時是靜載強度。(2) 用-max與二m表示的疲勞圖(已知r如何求二r)此圖以max和min為縱坐標， m為橫坐標，過原點作一直線與坐標 軸成45度角，再將震幅的數值對稱地繪再該斜線的的上下兩側，則該斜 線及上下線所表示的應力為平均應力及在其上疊加的對稱交變應力。當二m =0時，表示對稱應力循環，故縱軸上 ON表示匚-1；線段O / N /表示脈動循環時的疲勞強度 匚0；當匚m b時，相當于靜拉伸強度，這時材料已不能再承受交變應力， 故匚a = 0。該疲勞圖告訴我們，在不同的 平均應力二m下，材料

12、所能承受的 最大交變應力匚max及應力幅值二a, 它直接表示的是疲勞強度 6與平 均應力二m的關系，也就是說已知 平均應力匚m,就可以從該圖上求得r。a角的直線，角a根據下式確定:但是如果我們知道 r怎樣求 -r，也就是說怎樣從該圖上求某種 循環系數r下的疲勞強度s呢？可 用作圖法，自0點作一與水平線成maxmaxCmO'maxmin該直線與圖形上部曲線的交點的縱坐標就是該r下的疲勞強度二r(3) 用二a與二m表示的疲勞圖(已知 r如何求二r)圖中橫坐標為平均應力二m， 縱坐標為應力幅值口，曲線上各 點的疲勞強度-r = m +；a，使用 時只要知道平均應力 匚m查出對 應的應力幅值

13、J，或已知應力幅 值6,查出對應的平均應力f， 把它們的縱橫坐標加起來就是疲 勞強度二r。曲線與縱軸交點A的縱坐標 就是對稱循環的疲勞強度二1，曲線與橫軸交點B的橫坐標 就是靜載強度匚b，此時匚a = 0、r = 1圖條10 用O和療榕表禾的疲勞圄若僅僅已知循環特征系數r,怎樣求疲勞強度呢？仍然用作圖法，自0點作一與水平軸成a角的直線與曲線相交，并使a角滿足下式：tg Sax Jin(J .1 _ minamax-aSaxJina .1 亠min_amax則交點的縱橫坐標之和二m +；a ="r，即為循環系數為r時的疲勞強度r。例如：求脈動循環r=0的疲勞強度，把r=0代入上式，得t

14、g a = 1、 a =45 °,所以過原點作一條45 °的射線，與曲線相交，交點的縱橫坐標 之和就是脈動循環的疲勞強度。圖H 用"“和；1,表示的疲勞圖（4）用匚max與匚min表示的疲勞圖（已知 r如何求匚r）圖中縱坐標表示循環中的最大應力-max，橫坐標表示最小應力 fin , 由原點發出的每一條射線代表一種循環特性，因為這些射線的斜率的倒 數就是應力循環特征系數r （ = c min /二max）。例如：由原點向左與橫軸傾斜 45°的直線，其斜率的倒數為負1， 即r=-1 ，所以它表示交變載荷， 它與曲線交點B的縱坐標BB即為 交變載荷的疲勞強度

15、二1。向右與橫軸傾斜45°的直線， 其斜率的倒數為1,即r=1，所以 它表示靜載情況，它與曲線交于D 點，貝S DD即為靜載強度。縱軸本身又表示脈動載荷r=0 , CC即為匚o。§ 6-3 疲勞斷裂過程和斷口特征、在應力集中處產生初始疲勞裂紋一疲勞斷裂的過程一般由三個階段組成： 裂紋萌生；（2）、裂紋穩定擴展；（3）、失穩斷裂。當然在這三個階段之間是沒有嚴 格界限的。一、裂紋核心的形成裂紋萌生初期包括位錯在滑移面內的移動、在晶粒內伴隨位錯運動出現滑移帶和 滑移帶上的材料形成 微觀分離。滑移帶首先出現在缺口、缺陷、夾雜物、空穴和裂 紋等引起的局部應力集中區域。在裂紋萌生的最后

16、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。這就是裂紋核心 的形成，也叫裂紋的萌生。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 次數要少。這是因為焊接接頭中不僅有應力集中，而且這些部位易產生焊接接頭缺陷， 焊接殘余應力也比較高。二、疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋擴展的拉埃特和史密斯模型是：每經過一次加載循環，裂紋尖端即經歷 一次銳化一一鈍化一一再銳化的過程，裂紋擴展一段距離，斷口表面就產生一道輝紋陽eg護越顯墳打曝的譯紋附甜 植勞聲紋的擴展過樣朗 尤戴術b）小的拘種我簡 珅 皿人位上 戰輸tlj小的丄卿昶口 町竝丸性斛覘曲）小購槍井載修應力沿i|

17、i蚪兒向三、斷口特征疲勞斷裂的斷口一般來說由2個區域組成，即疲勞裂紋產生及擴展區和最后斷裂區戲勺；|曰解杓和玫尸皓的獨訝兗收§ 6-4 焊接接頭的疲勞強度計算（教材 227頁）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，利用二max和二min表示的疲勞圖推導出來的我國鋼結構設計規范規定，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應力時：1 -kr(6-1)絕對值最大的應力為壓應力時:I p , ； It （6-2）k -r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

18、；r為構件的應力循環特征系數。應當注意：按式（6-1）、式（6-2）算得的若等于或大于材料的 許用應力，以及式（6-2）中的r > k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剛結構設計規范 TJ-17-74相似，但 和k值按相關手冊選用。我國鐵路項目技術規范規定橋梁用剛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J4612005,§ 5-5 斷裂力學在疲勞裂紋擴展中的應用一、疲勞裂紋擴展速率疲勞裂紋擴展速率： da/

19、dn=f （ ；、a、C）Paris公式、Morman公式、華格公式門檻值 Kth :疲勞裂紋不擴展的臨界值。二、疲勞壽命估計（了解）§ 6-6 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同樣對焊接結構的疲勞強度有影響， 此外焊接結構本身的一些特點也會對結構的疲勞強度產生影響，下面我 們分別探討一下。一、應力集中的影響（對接接頭，十字接頭，搭接接頭）應力集中的大小不同、產生原因不同對疲勞強度的影響程度也不同 對接焊縫：土-對接焊縫因為形狀變化不大，應力集中比其它接頭形式要小，雖然如此，但要注意：、I加厚高上升，疲勞強度下降JJ焊縫向母材的過渡角上升，疲勞強度下降 J J過渡

20、圓弧半徑上升，疲勞強度上升 二r f 機械加工焊縫表面，應力集中下降，疲勞強度上升 二r f。但無封底焊或有嚴重缺陷的機械加工無意義。十字接頭：十字接頭因為在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應力 集中要比對接接頭大，因此疲勞強度遠低于對接接頭，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二個 薄弱環節上，即母材與焊趾交界處和焊縫上。當單個焊縫的計算厚度a與板厚之比小于0.60.7時一般斷于焊縫；大于0.7時一般斷于母材。增大焊角只能有限的提高疲勞強度 j f,這是因為焊縫尺寸的增加 并不能改變另一薄弱截面即焊趾處母材的強度。合金鋼對應力集中敏感，所以采用合

21、金鋼對提高疲勞強度沒有優越 性。十字接頭提高疲勞強度的措施：1）開坡口焊接；2）加工焊縫過渡區，使之圓滑過渡。搭接接頭搭接接頭的疲勞強度是很低的，實驗表明：側面焊縫，最低，34%正面焊縫，焊角1: 1 ,匚r略有提高。40%正面焊縫，焊角1 : 2,二r >c r 1: 1，效果不大。 49%機械加工，效果也不顯著，51%正面焊縫，焊角1:3.8蓋板加厚一倍，并機械加工，二r最高，100%。 這時已失去搭接接頭簡單易行的特點。加蓋板的對接接頭極不合理，蓋板幫倒忙。49%。7T圖6-30 低碳鋼搭接接頭的疲勞強度對比二、近縫區金屬性能變化的影響低碳鋼近縫區性能變化對疲勞強度影響較小，低合金

22、鋼近縫區性能 變化對疲勞強度影響不大，對高強鋼若用高組配接頭，則無影響；若用低組配接頭，則取決于夾層厚度。當h/d>0.75時接頭的疲勞強度二r取決與軟層的二r，比母材低； 當h/dvo.75時接頭的疲勞強度二r隨比值h/d的減小而提高。三、殘余應力的影響對沒有內應力的結構施加一個變動載荷，那么這個載荷在構件內部 產生的應力波形圖是這樣的：圖 6-38 a。囲6-3«炸確闊力竝應力橢環的書響如果這個結構內部預先有一個拉伸應力的話，那么這個變動載荷產生 的應力波形就必須疊加在這個正的內應力之上，構件內部的應力波形圖 將變為這樣的，圖6-38 b。最大應力和平均應力都有所上升，這個

23、變化 將對結構的疲勞強度產生什么影響呢？讓我們通過 m和a a表示的疲勞圖 來分析這一變化，圖中曲線ACB表示不同平均應力時 的極限應力振幅°,當構件中應力振幅大 于極限幅值時，將發生疲勞破壞，小于 極限幅值則是安全的。當結構沒有內應力時，它承受載荷 的平均應力為匚m，與此對應的極限應力 幅值為二a。當結構中存在正的內應力時，它和 外載荷疊加，使結構的平均應力提高到 ；韋1,這時從疲勞圖中可以看出，起極限應力幅值 J降低了，構件的疲勞 強度也隨之降低。當結構中存在負的內應力時，它將使整個應力循環降低，平均應力 也降到二m2，在疲勞圖上其對應的極限應力幅值將增加到 2，構件的疲 勞強度

24、也隨之提高。在上述分析中沒有考慮內應力在載荷作用下的變化，實際上當應力 循環中的最大應力匚max達到匚s時，亦即 f與匚a之和達到匚s時，內應力 將因全面屈服而消除，為了考慮這一因素， 在二m和二a表示的疲勞圖中作 出二m + ca =二s的軌跡線，也就是與兩個坐標的截距都是 二s的直線，該直 線與極限應力幅值 匚曲線相交于C點，在此直線之上，所有點的匚m與S 之和均達到二s，因此，當外加變動載荷的平均應力大于等于 C點所對應 的數值時，那么該變動載荷的最大應力 二max = cm + ca必然大于等于材料 的，這時內應力將全面消除。所以平均應力大于C點的變動載荷，在最初的幾次循環中就將消除

25、殘余應力，因此在這種情況下，內應力對結構的疲勞強度沒有影響。當平均應力小于C點數值時，二m越小則加卸載過程中殘余應力消除 的也就越少，所以內應力的影響也就越顯著。最后的結論是拉伸殘余應力降低疲勞強度；壓縮殘余應力提高疲勞 強度；變動載荷的二m大于C點應力時殘余應力對結構的疲勞強度沒有影 響。小于C點數值時，二m越小，內應力的影響也就越顯著。以上是內應力影響 “的理論分析，下面再用幾個具體的試驗數據來 說明焊接殘余應力對J的影響。用2組焊接試件做疲勞試驗；A組： 先焊縱縫，后焊橫縫，殘余應力小6高B組： 先焊橫縫，后焊縱縫，殘余應力大S低實驗結果見圖6-39, A組的“> B組的;二，可見

26、殘余應力小的，二r、*,nr卜1旳&040200080 11-1 I咼6-a? 利用伍同坪接伙序逓整試樣好強應巧的城勞強度対比垃驗軸簞 高，殘余應力大的，J低。該實驗因為沒有采用熱處理消除內應力，排除了熱處理對材料性能 的影響，比較明確的說明了內應力的作用。四、焊接缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度有很大的影響，影響程度與缺陷的種類，尺寸, 方向，所在位置有關。片狀缺陷（裂紋、未融合、未焊透）比圓角的（氣孔）影響大； 表面缺陷比內部的影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷比其他方向的影響大；拉應力場中的缺陷比壓應力場中的影響大； 應力集中區的缺陷（如焊趾裂紋）比均勻應力場中的影響大。A組的影響大

27、，B組下圖為幾種典型缺陷在不同位置載荷下的影響, 的影響小。4*R 尸1他|!Lnnrrrd 1H圖乩42咬邊在不同的載荷作用下對疲勞強度的影響4 * 4*。口。卜Pb 飛圖6-43未燼透在不同載荷作用卜対疲勞強度的帶響§ 6-7疲勞強度設計的一般原則總結項目實例，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型焊縫和K型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、采用帶有搭接板的搭接接頭和彎搭接接頭， 盡可能不用偏心搭接。5、使焊縫（特別是焊趾、焊縫根部和焊縫

28、端部）位于低應力區（例 如彎曲時的中性帶、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少扭矩。9、承受拉伸與彎曲的構件如需加強，則加強桿長度應小，以減小加 強桿對構件變形的拘束。10、承受扭轉的構件，為避免橫向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、使焊縫能包圍較大的面積或局部增加構件壁厚

29、以減輕外力作用 于薄壁構件上時引起的局部彎曲。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，但與力流垂直的加強勁板板角部 應切除（加強勁板切角） 。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 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的越來