疲劳断裂

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一.疲劳断裂影响因素
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一.疲劳断裂影响因素
搭接接头
仅有侧面焊缝的搭接接头疲劳强 度最低，只达到基本金属的34 度最低，只达到基本金属的34 ％。正面焊缝的焊脚为 正面焊缝的焊脚为1 ％。正面焊缝的焊脚为1：1、1： 2、1：2(表面机加工)、1： 2(表面机加工 表面机加工) 3.8(表面机加工 3.8(表面机加工)的搭接接头疲 表面机加工) 劳强度分别为基本金属的40％、 劳强度分别为基本金属的40％、 49％、51％和100％。 49％、 ％ 100％。 ％、51 采用所谓“加强” 采用所谓“加强”盖板的对接接 头是不合理的接头形式， 头是不合理的接头形式，试验结 果表明， 果表明，加盖板对接接头疲劳强 度只达原对接接头疲劳强度的一 半。 一般应避免用搭接接头， 一般应避免用搭接接头，若必须 采用搭接接头时要保证焊缝比例 （1：2）并经机械加工使其过 渡平滑。 渡平滑。
第二部分 疲劳断裂与动载焊接 结构设计
参考教材 断裂力学Ⅲ 断裂力学Ⅲ、Ⅳ 动载焊接结构设计Ⅰ 动载焊接结构设计Ⅰ、Ⅱ 动载焊接结构设计Ⅲ 动载焊接结构设计Ⅲ -铁路桥梁 动载焊接结构设计Ⅳ 动载焊接结构设计Ⅳ -吊车及吊车轨道
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一.疲劳断裂影响因素
疲劳断裂影响因素：结构构造刚柔相济程度； 疲劳断裂影响因素：结构构造刚柔相济程度；应力 集中；材质纯度与塑性和韧性； 集中；材质纯度与塑性和韧性；残余应力与热处理
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一.疲劳断裂影响因素
焊接缺陷
焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位 焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、 置有关。 置有关。 缺陷位置： 缺陷位置：位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区 内的大；位于应力集中区的缺陷(如焊趾部裂纹) 内的大；位于应力集中区的缺陷(如焊趾部裂纹)的影响比在均匀 应力场中同样缺陷影响大。 应力场中同样缺陷影响大。 缺陷形状：片状缺陷(如裂缝、未熔合、未焊透) 缺陷形状：片状缺陷(如裂缝、未熔合、未焊透)比带圆角的缺陷 (如气孔等)影响大。 如气孔等)影响大。 缺陷种类：表面缺陷比内部缺陷影响大。 缺陷种类：表面缺陷比内部缺陷影响大。 缺陷方向：与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大。 缺陷方向：与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大。 材料影响： 材料影响：缺陷对缺口敏感性强的材料的疲劳强度影响比对一般 缺口敏感性材料影响大，所以高强钢强度高而实际疲劳强度并没 缺口敏感性材料影响大， 吉林大学 有提高很多。 有提高很多。
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二.提高疲劳强度措施
局 部 刚 度 设 计 方 案 示 例 7 ：
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二.提高疲劳强度措施
提高疲劳强度措施：设计措施、工艺措施、 提高疲劳强度措施：设计措施、工艺措施、维护措施 （2）工艺措施 正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内、 正确选择焊接规范 ，保证焊缝良好成形和内、 外部没 有缺陷；当采用角焊缝时须采取综合措施： 有缺陷； 当采用角焊缝时须采取综合措施 ：机械加工 焊缝端部，保证焊缝根部焊透。 焊缝端部，保证焊缝根部焊透。 用表面机械加工的方法消除焊缝及其附近的各种刻槽 降低接头应力集中程度。 降低接头应力集中程度。 TIG电弧整形 可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度； 电弧整形， TIG电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度；
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一.疲劳断裂影响因素
丁字和十字接头 应力集中系数比对接接头的高， 应力集中系数比对接接头的高，其 疲劳强度远低于对接接头。 疲劳强度远低于对接接头。 未开坡口的角焊缝的十字接头， 未开坡口的角焊缝的十字接头，危 险截面有两个： 险截面有两个：母材与焊缝趾端交 界处、焊缝根部。 界处、焊缝根部。当焊缝承受工作 应力（垂直于焊缝方向） 应力（垂直于焊缝方向）时，疲劳 断裂发生在焊缝(a/δ≤0.6~0.7)的 断裂发生在焊缝(a/δ≤0.6~0.7)的 薄弱环节或母材与焊缝趾端交界处 a/δ>0.7）。 （a/δ>0.7）。 适当提高焊角尺寸可使疲劳断裂发 生在母材与焊缝趾端交界处， 生在母材与焊缝趾端交界处，在一 定程度上提高疲劳强度； 定程度上提高疲劳强度； 若开坡口并焊透使焊缝在焊趾处向 母材平滑过渡， 母材平滑过渡，则其疲劳强度可明 显提高。 显提高。
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二.提高疲劳强度措施
点 状 加 热 调 整 残 余 应 力 场 工 艺 方 案 示 例 2 ：
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二.提高疲劳强度措施
局 部 挤 压 调 整 残 余 应 力 场 工 艺 方 案 示 例 2 ：
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二.提高疲劳强度措施
提高疲劳强度措施：设计措施、工艺措施、 提高疲劳强度措施：设计措施、工艺措施、维护措施 （3）维护措施 覆盖涂层、喷洒涂层防止腐蚀介质的不利影响。 覆盖涂层、喷洒涂层防止腐蚀介质的不利影响。 特殊保护措施-------塑料涂层 特殊保护措施 ---- 塑料涂层 ， 采用特殊塑料涂层可 提高焊接接头疲劳强度。 提高焊接接头疲劳强度。
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一.疲劳断裂影响因素
(3)材质纯度与塑性和韧性； (3)材质纯度与塑性和韧性； 材质纯度与塑性和韧性 材质塑性和韧性影响裂纹的萌生和扩展； 材质塑性和韧性影响裂纹的萌生和扩展； 缺口敏感性强的材料容易开裂； 缺口敏感性强的材料容易开裂； 在实际焊接结构中，如果焊接热影响区的尺寸不大， 在实际焊接结构中，如果焊接热影响区的尺寸不大， 一般不会降低焊接接头的疲劳强度。 一般不会降低焊接接头的疲劳强度。
国际焊接工程师 培训课程
断裂力学与动载焊接结构设计 吉林大学
二00七年三月 00七年三月
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第二部分
疲劳断裂与动载焊接结构设计
第二部分 疲劳断裂与动载焊接 结构设计
主要内容 疲劳断裂影响因素 提高疲劳强度措施 疲劳寿命设计 疲劳极限状态设计方法 钢结构疲劳设计规范 动载焊接结构设计标准动载焊接结构设计标准-铁路桥梁 动载焊接结构设计标准动载焊接结构设计标准-吊车及吊车轨道 吉林大学
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二.提高疲劳强度措施
（2）工艺措施 调整残余应力场， 调整残余应力场， 消除接头的应力集中处的焊接残余 应力或使该处产生残余压应力均可以提高接头的疲劳 强度。其方法可以分为两类：整体处理， 强度 。其方法可以分为两类 ：整体处理， 包括整体退 火或超载予拉伸法；局部处理， 火或超载予拉伸法 ；局部处理， 即在接头某部位采用 加热、辗压、局部爆炸等方法， 加热 、辗压、 局部爆炸等方法， 使接头应力集中处产 生残余压应力。 生残余压应力。 TIG焊表面强化处理、 改善材料的机械性能 。 TIG焊表面强化处理、用小轮 挤压或锤轻打焊缝表面及过渡区、 挤压或锤轻打焊缝表面及过渡区 、或用小钢丸喷射焊 缝区都可提高接头的疲劳强度。 缝区都可提高接头的疲劳强度。
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一.疲劳断裂影响因素
（4）残余应力与热处理 焊接接头的疲劳强度理论 分析与试验结果表明： 分析与试验结果表明 ： 焊 接残余应力对疲劳强度的 影响与应力集中情况（ 影响与应力集中情况 （ 应 力集中系数K 力集中系数 KT ） 、 残余应 性质及大小、 力（σR）性质及大小、应 力循环特征系数r有关。 力循环特征系数r有关。
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二.提高疲劳强度措施
施 焊 方 便 性 设 计 方 案 示 例 1 ：
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二.提高疲劳强度措施
焊 缝 间 距 离 合 理 2 ： 设 计 方 案 示 例
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二.提高疲劳强度措施
焊 缝 交 叉 、 焊 缝 位 置 等 设 计 方 案 示 例 3 ：
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二.提高疲劳强度措施
次 要 焊 缝 设 计 方 案 示 例 4 ：
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二.提高疲劳强度措施
接 头 形 式 设 计 方 案 示 例 5 ：
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二.提高疲劳强度措施
焊 缝 形 状 过 渡 设 计 方 案 示 例 6 ：
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二.提高疲劳强度措施
减小接头局部刚度 在焊缝附近开缓和槽、加过渡圆角等可减小接头局 在焊缝附近开缓和槽 、 加过渡圆角等可 减小接头局 部刚度，减小开裂危险性。 部刚度，减小开裂危险性。
二.提高疲劳强度措施
提高疲劳强度措施：设计措施、工艺措施、 提高疲劳强度措施：设计措施、工艺措施、维护措施 （1）设计措施 减小应力集中：整体设计时注意分散集中载荷； 减小应力集中 ：整体设计时注意分散集中载荷 ；细部 设计应注意圆滑过渡；减小接头局部刚度。 设计应注意圆滑过渡；减小接头局部刚度。 采用合理的结构形式 要点：使焊缝易于施焊、焊缝间距离不能过近、 要点 ：使焊缝易于施焊 、焊缝间距离不能过近 、避免 焊缝交叉、尽量使焊缝远离高工作应力区、 焊缝交叉 、尽量使焊缝远离高工作应力区 、尽量使焊 缝远离高应力集中区、考虑次要焊缝。 缝远离高应力集中区、考虑次要焊缝。
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一.疲劳断裂影响因素
从 σa～ σm 的疲劳图可以看出有残余拉应力（σR >0 ） 时， σa～σm的疲劳图可以看出有残余拉应力 的疲劳图可以看出有残余拉应力（ +σa； σmax=σm+σR+σa； 残余拉应力（ 增加，导致应力振幅σa 残余拉应力（σR）使平均应力 σm 增加，导致应力振幅σa 减小，从而使承载能力降低，即疲劳强度降低； 减小，从而使承载能力降低，即疲劳强度降低； 当应力循环中最大应力σmax到达σs 当应力循环中最大应力σmax到达σs时，残余应力因应力全 σmax到达σs时 面达到屈服而消除，所以当σm达到一定数值(σm+σa=σs) σm达到一定数值(σm+σa=σs)， 面达到屈服而消除，所以当σm达到一定数值(σm+σa=σs)， 即应力循环特性r> r>0 残余应力对疲劳强度将没有影响； 即应力循环特性 r>0 时 ， 残余应力对疲劳强度将没有影响 ； σm小于此值 应力循环特性r< 小于此值， r<0 当σm小于此值，应力循环特性r<0时，则残余拉应力会使疲 劳强度降低，σm越小 内应力的影响愈显著。 越小， 劳强度降低，σm越小，内应力的影响愈显著。 越大、 越大、 越小(负数) 残余应力（ KT越大、σR越大、r越小(负数)，残余应力（σR）使疲劳强 度降低越严重，这时可通过热处理提高疲劳强度。 度降低越严重，这时可通过热处理提高疲劳强度。 若残余应力（ 为压应力或应力循环特征系数r 若残余应力（σR）为压应力或应力循环特征系数r大且应力 集中系数K 小则不需要热处理消应力。 集中系数KT小则不需要热处理消应力。 吉林大学