焊接结构疲劳性能

4.1.2 焊接结构疲劳断裂事例
图4-1 直升飞机起落架的疲劳断裂
图4-2 载重汽车纵梁的疲劳断裂结构
裂纹从高度集中的角接板尖端开始， 该机飞行着陆2118次后发生破坏。
汽车底架纵梁断裂，该处承受反 复的弯曲应力，且高应力集中
高 应 力 集 中 部 位
图4-4
焊趾部位的疲劳裂纹
靠近焊缝端部的焊趾部位的疲劳 裂纹，由于较高应力集中所致。
云天化公司爆炸
2009年３月２３日云南云天 化股份有限公司的合成氨装 置合成塔出口管道断裂，事 故导致７名员工受到轻微伤。 由于高温、高压气体外泄形 成了强冲击波，导致合成氨 装置合成塔出口管道发生断 裂。
深圳华侨城事故
“太空迷航”在设备设计方 面存在的问题包括：座舱支承系 统的中导柱法兰与活塞杆之间的 联接为间隙配合，使中导柱内一 个直径为16毫米的螺栓承受交变 载荷，设计上没有考虑该螺栓承 受交变载荷，未进行相应的疲劳 验算，而且结构设计没有考虑在 现场安装、维护时保证该螺栓达 到预紧力的有效措施。由于该螺 栓松动，加剧了中导柱法兰与活 塞杆在运行时的相对运动，使该 螺栓的受力状况恶化，从而导致 该螺栓产生疲劳破坏。
图4-3 水压机焊接机架的疲劳断裂
对于焊接结构，疲劳裂纹都是从设计不良的焊接接头的应 力集中部位开始的。
4.2.1疲劳载荷及其表示方法
常用正弦应力或正弦应变进行加载
σ
σmax 0 σmin
(1)应力循环中的参数 σmax——应力循环中最大应力值； σmin ——应力循环中最小应力值，
t
σm ——应力循环中平均应力值； σa ——应力循环中应力振幅； R ——应力循环特征系数。
飞机疲劳事故
2010年11月29日，阿根廷 举行飞机表演现场，金属 疲劳造成机翼断裂，如图 中左机翼。
疲劳断裂安全隐患
铁道部大举召回动车原因：轮 对发现裂纹 轮对是机车与钢轨相接触 的部分，由左右两个车轮压装 在同一根车轴上组成，其作用 是保证机车车辆在钢轨上的运 行和转向，承受来自机车车辆 的全部静、动载荷，把它传递 给钢轨，并将因线路不平顺产 生的载荷传递给机车车辆各零 部件，使容易发生机械疲劳， 存在安全隐患。
(1)静态拉、压载荷(横轴，黄线) R=1,σa=0, σmax=σmin=σm (2)拉伸变载荷:(黑线) 0<R<1, 0<σmin<σmax (3)脉动载荷：(红线) R=0,σmin=0 (4)对称载荷: (蓝线) R=-1，σmin＝-σmax, (5)随机变载荷： 幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。 图 应力循环基本类型图
焊接结构疲劳性能
4.1.1 焊接结构疲劳断裂事故多发的原因

①承受动载的焊接结构越来越多，承受的载荷越来越大 ，而焊接结构并没有严格按照疲劳设计规范进行设计； ②虽然焊接接头静载承受能力一般与母材相当，但承受 疲劳载荷能力与母材相比较差，没有引起设计者、制造 者、使用者的足够认识。

斜拉索桥事故
lnN N1 N2
σ— lnN 疲劳曲线
4.2.3疲劳强度的常用表示方法
为了直观表达疲劳强度和循环特性之间关系，运用实验 数据可绘出下列几种形式的疲劳图。
利用疲劳图，可查得各种循环特性下、对应一定循环寿 命的疲劳强度，了解某种材料的抗疲劳性能。 换言之，表示在一定循环次数下疲劳强度σR与应力循环 特性系数R之间关系的曲线即为疲劳图。有4种常见表示 法。
委内瑞拉的Maracibo桥， 建于1960年，是世界著名 的预应力混凝土斜拉索桥， 由于桥索涂漆层经不住风 雨的侵蚀，在拉索的剧烈 振动下，192根的钢索中 有25根存在严重隐患， 1979年2月，一根拉索突 然疲劳断裂，造成桥体局 部坍塌，直接经济损失达 5000万美元。
桥梁疲劳事故
辽宁盘锦田庄台大桥 2004年6月10日早晨7时许， 辽宁省盘锦市境内田庄台 大桥突然发生垮塌。大桥 从中间断裂27米。 该桥在超限车辆长期作用 下，内部预应力严重受损。 由于重载冲击力使大桥第 9孔悬臂端预应力结构瞬 间脆性断裂，致使桥板坍 塌。
向右与横坐标成45°的直线表示静载， R = σmim/σmax= l，它与曲线交于D点 DD’即为静载强度σb，
而纵坐标本身又表示脉动载荷R =0， CC’即为σ0。

用作图法可求出任一R下的疲劳强度， 则直线与图线上部曲线的交点的纵坐标就是该R下的疲劳强度σR
t an
max 1 min R
(1)疲劳曲线： 通过疲劳试验，测得发生疲劳破坏 的应力σ（疲劳强度），与其所需的加 载次数N(疲劳寿命）之间的对应关系 曲线。 (2)疲劳强度: 在某疲劳应力的作用下，经N次循 环，发生破坏，称该应力N次循环的疲 劳强度。疲劳强度是循环应力的最大 值σmax，用σR表示。 (3)疲劳极限： 在规定循环次数以后，疲劳强度不 再下降，达到饱和的极限值。 如图中 水平虚线所对应的疲劳应力值称疲劳 极限。
R －1 0 R 1
直接地将σmax与R的关系表示出来
（2）σa-σm表示法
对称循环应力下疲 劳破坏的临界点

图解:已知R, 则 tanα= σa /σm= (1-R)/(1+R); 特征值:
ACB为疲劳极限曲线，即 该曲线内的任意点不发生 疲劳破坏，曲线外的点， 经一定的应力循环次数后 发生疲劳破坏。
常 规 疲 劳：在室温、空气介质中的疲劳
低 温 疲 劳：低于室温的疲劳 高 温 疲 劳：高于室温的疲劳 热 疲 劳：温度循环变化产生的热应力导致的疲劳 热-机械疲劳：温度循环与应变循环叠加的疲劳 腐 蚀 疲 劳：腐蚀环境与循环应力(应变)的复合作用所导致的疲劳 接 触 疲 劳：滚动接触零件在循环接触应力作用下，产生局部永久 性累积损伤，经一定的循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深 层剥落的过程 冲 击 疲 劳：重复冲击载荷所导致的疲劳
正弦波加载
应力循环中的参数之间有如下关系：

a


max
min 2 min 2

m
max
max m a min m a
max min
R min / max
-1≤ R ≤1
(2)应力循环的基本类型（载荷的种类）
R= σmin /σmax σmax
D
R=0 C R=-1 B r E’ △σ E
R=+1
静载强度 σb σmax σmin D’ +σmin
σ-1
450 -σmin （压缩） B’ C’ σm σmin 450
（拉伸）
4.2.4疲劳强度的影响因素
（1）缺口效应 材料的强度越高，缺口越尖锐 应力集中越敏感。 （2）尺寸效应 试样尺寸增加时，材料疲劳强度降低 （3）表面加工方法 表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学处理）
4.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线
4.2.2.1疲劳试验 在控制载荷或应力的试验条件下，记录试样在某一循环应 力作用下达到断裂时的循环次数N。
控制应力，得到σ-N曲线
控制应变，得到ε-N曲线
S-N曲线
4.2.2.2疲劳曲线——乌勒疲劳曲线 为防止结构在预定工作寿命期发生疲劳破坏，传统疲劳设计采 用σ―N曲线法确定疲劳强度。
R=-1 R>0 σm σmin t σa σmax
σ
0
R=0
R=1
把载荷特征值的不同的数字用作区分静载荷或动载荷的 分界值
17
min r 1 max m 0
火车轴（弯曲） 曲轴（扭转）
r
0
m
max max
2
0
r
min
0 2
0
r0
0 r 1
m
min
m 0
连杆
m 0
缸盖螺钉 （大拉小拉）
齿轮齿根
（弯曲）
球轴承
（压缩） （小拉大压）
图 R值与实例
载荷种类对构件的强度行为具有根本的影响。随着 载荷特征值变小，构件产生疲劳断裂的危险增大。 对每一个焊接结构，在设计之前就应充分考虑到在 不同的载荷状态下，其所承受相应载荷的能力，并使其 达到设计的使用寿命。此外，构件是否出现疲劳断裂还 受构件本身形状、材料厚度、表面状况或腐蚀情况等影 响。
两种形式的乌勒疲劳曲线
图例1 σmax
σ1 σ2 揭示内涵：不同载荷，不同寿命！
降低载荷，寿命提高！
曲线的水平渐近线为疲劳极限
N N1 N2
σ— N 疲劳曲线
两种形式的乌勒疲劳曲线
图例2 σmax
σ1 σ2 揭示内涵：不同载荷、不同寿命！ 意义：曲线变折线，图形更好看！ 水平线代表疲劳极限的数值
(3) σmax(σmin)-σm表示的疲劳图
ADC最大应力线 BEC最小应力线 OA=σ-1 C点：静载荷破坏点



E点：σmin=0
D点：脉动循环的疲劳极 限(σmin=0)

max 2 max 2 tan 用作图法可求出任一R下的疲劳强度， m max min 1 R
四种表示法： ①σmax―R 表示法； ②σmax―σm 表示法； ③σa ―σm 表示法； ④σmax―σmin 表示法。 疲劳图的应用意义：
①工程上用疲劳图查找疲劳强度用于结构设计；
②用于疲劳断裂机理探讨。
(1)σmax―R表示的疲劳图
图例：
σmax
特点：直观、方便
σR
σ－1
σ0
σ1
(4)实验技术的影响 ①外载荷平均应力 拉伸载荷→疲劳强度↓、疲劳寿命↓ 压缩载荷→疲劳强度↑、疲劳寿命↑ ②加载频率 低频率→疲劳极限↓ 高频率→疲劳极限↑ ③应力波形：影响较大
④中间停歇
停歇频繁、停歇时间长→疲劳寿命↓
（5）材料性质 ①无应力集中时，疲劳强度∝屈服点 低合金高强钢>低碳钢 ②有应力集中时，高强钢的疲劳极限下降得比低碳钢快
低周疲劳：材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于 104~105次循环产生的失效。(压力容器、燃气轮机零件等)
单轴疲劳：单向循环应力作用下的疲劳。 多轴疲劳：多向循环应力作用下的疲劳。 恒幅疲劳：疲劳载荷中，所有峰值载荷均相等和所有谷值载 荷均相等的载荷，承受恒幅载荷的疲劳为恒幅疲劳。 变幅疲劳：疲劳载荷中，所有峰值载荷不等或所有谷值载荷 不等或两者均不等的载荷为谱载荷，承受谱载荷的疲劳为变 幅疲劳。 随机疲劳：疲劳载荷中峰值载荷和谷值载荷及其序列是随机 出现的谱载荷为随机载荷，承受随机载荷的疲劳为随机疲劳。
则直线与图线上部曲线的交点的纵坐标就是该R下的疲劳强度σR
（4） σmax-σmin表示法
ABCD曲线为疲劳极限曲线，即该曲 线内的个点是不产生疲劳破坏的； 由原点0发出的每条射线代表一种循 环特性： 如原点向左与横坐标成45°的直线 表示交变载荷，R =σmim/σmax= -1，它 与曲线交于B点，BB’即为σ-1；
脉动循环疲劳 破坏临界点

OA=σ-1
OB=σ1, 即σb

OC线与横轴的夹角α=45°, tgα= 1.
相应于应力循环特性为R的情况,只需 作一条与横坐标轴夹角为α的射线,其 交于曲线ACB上的交点C的坐标之和:
σa(C)＋σm (C) = σR(C)
图4-9 σa-σm表示法 静载强度破坏点
2010年6月29日深圳东部华侨城“太空迷航 ”娱乐项目发生重大安全事故，造成6人死 亡，10人受伤。
俄罗斯萨扬-舒申 斯克水电站事故
2009年8月17日，俄罗斯萨 扬-舒申斯克水电站发生重大事 故，6400 MW水电站被淹没， 机电设备严重受损，电站停止 运行，造成75人死亡，13人失 踪。 发生事故的最初原因为一水 轮机罩的螺栓发生疲劳破坏， 螺栓断裂导致转子向上运动100150mm而发生破坏。由于电厂 断电，紧急闸门不能马上关闭， 洪水进入电厂，造成设备短路， 从而引发一系列的破坏。
③应力集中达到一定程度高强钢≈低碳钢
4.2.5金属疲劳的分类
按载荷工况 工作环境
按研究对象
按失效周次
按受力状态
按载荷特征
材料疲劳
高周疲劳
单轴疲劳
恒幅疲劳
常规疲劳 高低温疲劳
结构疲劳
低周疲劳
多轴疲劳
变幅疲劳
ห้องสมุดไป่ตู้热疲劳 随机疲劳 热-机械疲劳 腐蚀疲劳 接触疲劳
材料疲劳：主要研究材料的失效机理，化学成分、微观组织、 环境和工况等对疲劳强度的影响，研究疲劳断口的宏观和微观 形貌等。 结构疲劳：以部件、接头以致整个结构为研究对象，研究它们 的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法， 形状、尺寸和工艺因素的影响以及提高疲劳强度的方。 高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经 104~105以上循环产生的失效。(弹簧、传动轴等)