焊接结构的疲劳

四、疲劳断裂的类型
4.疲劳断裂的类型 1、低周疲劳。由反复塑性变形所造成的破坏称为 低周疲劳。低周疲劳的循环应力很高，接近或超 过材料的屈服点，在每次循环中，材料都产生一 定的塑性变形，在这种情况下，加载时的频率不 可能很高，一般为0.2-0.5HZ，断裂周次很低，在 104-105次以下。 例如，锅炉及压力容器的每一次升压“降压便产 生了一次塑性变形循环，在使用期间这种反复塑 性变形循环的积累，就可能造就其低周疲劳破坏。
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。
经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲
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。
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）
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。
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。
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。
3、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次
PP
PP
折铁丝
三、疲劳极限
3．疲劳极限

金属材料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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
Chapter 5 焊接结构的疲劳断裂
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%。
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。
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。
3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。
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