焊接结构的疲劳断裂

Chapter 5 焊接结构的疲劳断裂
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本章内容：1.焊接结构疲劳失效的分类及危害 2.焊接疲劳断裂的特征 3.焊接结构疲劳的原因及影响因素 4.焊接结构疲劳的防治措施
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 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%。
劳极限”，
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb 条件疲劳极限：
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。
四、疲劳断裂的类型
2、晶界处开裂 晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界
开裂。
3、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，
各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出 现开裂。 只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续
长大。
二、疲劳裂纹扩展过程及机理
1、裂纹扩展的两个阶段 第一阶段 沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速
例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）在 长期运行中受热不均匀经受较大的交变热 应力，致使集箱产生热疲劳破坏。
1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的
疲劳称为热疲劳。
热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性 变形）。
由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称 为热机械疲劳。
2、热应力的产生 外部约束 不让材料自由膨胀； 内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。 热应变 导致裂纹的萌生，扩展。
这种应力称为交变应力。
二、平均应力：
三、应力幅：
m
m
ax
2
m
in
a
m
ax
2
m
in
t 曲线称为应力谱。应力重复变化一次的过程，称为
一个应力循环。应力重复变化的次数 ，称为应力循环次数。
四、几种特殊的交变应力：
1.对称循环：
r min 1 max
m min
a
T
t
m 0
2.脉动循环：
m a
对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。
反复作用的荷载值不随时间变化，则 在所有应力循环内的应力幅将保持常量， 称为常幅疲劳。
若反复荷载作用下，应力循环内的应 力随时间随机变化，则称为变幅疲劳。其 循环应力谱如图2和图3所示。
min max
max
min
max
= -1
min
＜0
max max
＜0
由于应力交变，断面摩擦而光亮。 加工硬化。 随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。
2、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶
（高应力作用）。
3、瞬断区
一般在疲劳源的对侧。
脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘
2、接触应力（赫兹应力） 两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为
接触应力。 接触处的接触应力为三向压应力。
3、接触疲劳破坏方式 （1）麻点剥落
局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂） 润滑剂气蚀（高压冲击波） 剥落下一块金属而形成一凹坑 （2）浅层剥落 最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂 物附近萌生裂纹。 表层、次表层产生了加工硬化。 （3）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩 展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。
下图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。
焊接结构较其它结构（如铆接结构）更 容易产生疲劳断裂，这是因为：
1）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或板 层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性， 一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至 整个构件断裂。
2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集 中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。
一、疲劳断裂示例
1、疲劳断裂的示例：
疲劳事故最早发生在 19 世纪初期。疲劳一般 从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从 焊接接头处产生，下图 是几个典型的焊接结构疲 劳断裂事例。
下图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， 该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低 周疲劳。
二、疲劳断裂概念
2.疲劳破坏的概念 钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽
然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强 度时，也可能发生突然破坏，这种现象称 为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没有 明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂， 所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性 破坏。
PP
PP
折铁丝
三、疲劳极限
疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样。 两者比较，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多 次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；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。
此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温 度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度 却受温度的影响比较小。
a
max
min 2
m
max
min 2
r min max
1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。
变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动
应力。
2、循环应力 循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波
等。
（1）循环应力的描叙 平均应力 σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅 σa=1/2（σmax-σmin） 应力比 γ=σmin/σmax （2）循环应力的种类（See Fig 5－2/P108）
3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。
r min 1 max
m 0
r 0 0 max
m
max 2
r min 0
m
min 2
0
r0
mm 0
0 r 1
m 0
火车轴（弯曲） 齿轮齿根 曲轴（扭转） （弯曲）
球轴承
连连杆杆
缸盖螺钉
（压缩） （（小小拉拉大大压压）） （大拉小拉）
3、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次
数。 4、提高热疲劳寿命的途径
材料 减小热膨胀系数，提高λ，均匀性， 高温强度。
工件状况 减小应力集中。 使用 减小热冲击。
3、、接触疲劳
1、基本概念 对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力
长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。 形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。 （轴承、齿轮表面、钢轨等） 接触疲劳曲线两种 σ接～N，σ接～1/N。
下图为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂， 该梁板厚5mm，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30000Km。
下图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 导致疲劳断裂，改为应力集中较小的对接 焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。
最后断裂区
随着裂纹的扩展，有效承载面积减小， 应力增加，当应力超过材料的断裂强度时， 即发生快速断裂。
此区同静载脆断断口，呈放射状。
疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌
一个疲 劳源
疲 劳 源 区
疲劳 条纹
疲 劳 裂 纹 扩 展 区
两个疲 劳源
微裂纹
断口特征
七、疲劳断裂的过程及机理
疲劳破坏的过程及机理 构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、
最大应力和最小应力符号相反而其绝对值 相等，即p=-1（图1a），称为对称循环。
当最大应力为拉应力而最小应力为零时， （图19-5c），称为脉冲循环。
例如齿轮上任一齿的齿根处A点的应力(图 (a)），在传动过程中，轴每转一周该齿啮 合一次，A点的弯曲正应力就由零变到最大 值，然后再回到零。齿轮不停地转动，应 力就不断地作周期性变化，如图(b)所示。
五、载荷的概念
所谓静荷载是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不 变或变动很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没 有加速度，或加速度很小可忽略不计，此时构件处于静止 或匀速直线运动的平衡状态。
在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力。 相反，若构件在荷载作用下，体内各点有明显的加速度，
或者荷载随时间有显著的变化，这类荷载称为动荷载。 交变应力 工程中的某些构件工作可经无限次应力循环而不破坏的最大应力
值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂
的能力，在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，
材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最
大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。
循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以
经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲
r min 0 max
a m
t
max
2
3.静循环：
t
r min 1 max
五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。
a 0
交变载荷：载荷大小和方向 随时间发生周期变化的载 荷。
疲劳断裂：零件在交变载荷 下经过长时间工作而发生 断裂的现象成为疲劳断裂。
最大应力 σmax 最小应力 σmin 幅应力 σa 平均应力 σm 应力比 r
扩展和最后断裂的全过程。 三个阶段组成：1）在应力集中处产生初始
疲劳裂纹； 2）裂纹稳定扩展； 3）结构断裂。 疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观
裂纹→宏观裂纹。
（ 疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳 扩展、断裂。）
一、裂纹萌生及机理 常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。 引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均
疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象 是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微 裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展， 直至余下的未裂开的截面积不足以承受外 荷载时，零件就突然断裂。
疲劳断口的特征
疲劳断口
疲劳源
（a）
图8-8 疲劳断口
（b）
（a）疲劳断口宏观形貌 （b）疲劳条纹的微观图象
1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。
低周疲劳的特点 1、局部产生宏观变形，应力与应变之间
呈非线性。
2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。 3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。 4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。
多数零件按疲劳极限进行设计；
有些零件承受的交变应力远高于疲劳 极限，用过载持久值进行设计。
低周疲劳 N<105; 高周疲劳 N>105
2、热疲劳。工作过程中，受反复加热和冷 却的元件，在反复加热和冷却的交变温度 下，元件内部产生较大的热应力，由于热 应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。
结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏。
六、疲劳破坏的特点及特征
疲劳破坏的特点 （1） 交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于
静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力 破坏 （2） 无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下， 均表现为脆性断裂，没有明显的塑性变形 （3） 材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大 小有关，应力越大，循环次数越少 （4） 断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域， 即光滑区域和粗糙区域，如图所示。
＞0
min
=0
= max
min
=1
min
图2 常幅应力循环的谱
(a)完全对称循环
(b)脉冲循环
(c)不完全对称循环
(d)不完全对称循环
图3 变幅应力循环的谱
反复荷载引起的应力循环形式有同号应 力循环和异号应力循环两种类型。
循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值 最大的峰值之比称为应力循环特征值，当 为拉应力时，或取正号；当为压应力时， 或取负号。
为剪切唇。
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疲劳源区
零件所用材料的内部缺陷、 加工缺陷、设计欠缺等引起局 部应力集中，这些局部区域成 为裂纹的产生地，即疲劳裂纹 源区。
疲劳裂纹扩展区
疲劳裂纹形成后，在交变应力 的作用下，裂纹口不断张开和闭合， 裂纹表面相互摩擦，裂纹向前扩展 的同时留下一条条光亮的弧线，称 疲劳线。
疲劳线呈“贝壳状”或“海滩 状”，这是疲劳断裂的重要特征。
匀塑性形变。 方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他
界面开裂。
1、滑移带开裂 （1）驻留滑移带
在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移 带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使驻 留滑移带加宽。 （2）挤出峰和挤入槽
滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移 动，形成挤出峰和挤入槽。
循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变 深）。（柯垂耳-赫尔模型）。孪晶处也易出现挤 出峰和挤入槽。