材料力学性能
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材料力学性能
如果使用机械加工方法将余高切除，则应力集 中可以大大减小，对接接头的疲劳极限可以明显 提高，见表5-1
表5-1
接头的表面状态
母材轧制状态 横向对接焊接态 横向对接两面加工 纵向对接焊接态
对接接头的疲劳极限 σ-1 （MPa) 225～235
117～127
215～225
179.34
但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或 未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重 得多，这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。
图5-11 焊趾微观缺口效应
材料力学性能
图5-12为CW-2C转向 架构架侧梁断裂照 片。该构架于2003 年8月进行A4修程时 对定位座实施了补 强处理，于2004年 10月16日发生断裂 事故，仅运行了一 年多。a图为定位座 补强板焊缝沿焊趾 开裂的实物照片；
备注 图中a） 图中b） 图中c）
焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响
大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因 素造成应力集中（应力分布不均匀）外，焊趾处还存 在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及 沿熔合线的轻微咬边（见图3-11）。熔渣楔块的平 均尺寸为0.15mm，咬边深度在0.1mm以下，它 们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。
材料力学性能
5.1 各种焊接接头的疲劳破坏形式
1．横向对接焊缝
在没有焊接缺陷时， 带有余高的横向对接焊 缝，应力集中主要发生 在焊缝的焊趾和焊根处， 所以疲劳破坏一般始发 于此，见图5-1 a）和 b）。
a) b)
图5-1 横向对接接头 疲劳裂纹部位
材料力学性能
2．纵向对接焊缝
外力方向与对接焊缝平行，
5 焊接结构的疲劳强度
焊接作为现代理想的连接手段，与其 它连接方法相比，具有经济、灵活的突 出优点，因此，各个工业领域都大量地 采用焊接结构。但是，许多运动结构或 承受动载荷的结构，在交变载荷作用下， 即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。
材料力学性能
5 焊接结构的疲劳强度
据统计，由于疲劳而失效的金属结构中， 90%为焊接结构。一般情况下，焊接接头承 受静载的能力并不比母材低，而承受动载荷的 能力却远低于母材。这是因为，焊缝处存在应 力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力，以及焊趾 处显微组织粗化等，导致疲劳强度下降，成为 焊接结构的疲劳薄弱环节。
表5-2
搭接端焊缝 两直角边比
母材 1．直角边比1：1 2．直角边比1：2 3．焊缝经机械加工 4．盖板直角边比1：
3.8，经机械加工
疲劳极限σ0 （MPa） 200 80 97 102
200
材料力学性能
2．侧焊缝形式的搭接接头，无论是受到拉压或弯曲载荷，其疲劳强度都比端焊缝低。 见图5-8和表5-3 。
表5-3
疲劳极限（MPa）
材料
应力比
a) b) c)
碳钢
0
70
80
90
a)
σb=432MPa
σs =262MPa
-1 34～43 40
50
b)
c)
材料力学性能
图5-8 侧焊缝搭接接头
（三）T形（十字）接头
图5-9中示出了T形（十字）接头的工作应力分布。 其应力集中系数远比对接接头高。
a) 未开坡口角焊缝构成的 接头
材料力学性能
图5-10中示出了三种十字接头型式 。
a）
c）
b）
板厚12
S=5
a=8
图5-10 三种十字接头型式
材料力学性能
a） c）
表5-4 十字接头的疲劳极限
b）
母材金属 St37 St52 St37 St52 St37
应力比
0 -1.0
0 -1.0
0 -1.0 -1.0
0 -1.0
焊接接头的
（1）在不承载的横向角焊 缝中，疲劳裂纹发生在焊趾处， 见图5-3（a）中①；
（2）对于承载的横向角焊 缝，裂纹起始于焊趾①或焊根 ②，见图5-3（b）；
（3）对于承载和不承载的 纵向角焊缝，裂纹都起始于焊 缝两端① ② ，见图5-3（c）、 （d）。
图5-3角接接头的破坏形式 （黑点表示裂纹的开始点）
材料力学性能
• 不承载的横向角焊缝
• 不承载的纵向角焊缝
横向角焊的筋板
（纵向角焊的筋板）
材料力学性能
• 承载的横向角焊缝
横向角焊搭接
• Biblioteka Baidu载的纵向角焊缝
侧向角焊搭接
材料力学性能
5.2 影响焊接接头疲劳强度的因素
应力集中的影响 研究表明，一个结构的疲劳特征主要决
定于它所包含的应力集中的严重程度。由于 所有的焊接接头不可避免地是应力集中点， 自然，疲劳破坏很可能发生在接头部位。因 此，应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主 要因素。
材料力学性能
（二）搭接接头
搭接接头中的工作应力分布见图5-6所 示。搭接接头的应力集中比对接接头严重， 因此其疲劳强度也比对接接头低得多。
a）等截面板搭接
b）不等截面板搭接
图5-6 侧面搭接焊缝应力分布图
材料力学性能
1. 各种端焊缝型式的搭接接头，其疲劳极 限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。
b) 开K形坡口角焊缝构成的
接头
图5-9 T形（十字）接头的 应力分布
材料力学性能
未开坡口的T形接头，当焊缝传递工作应力时， 其薄弱环节有两个：一是焊缝，另一个是焊趾。如 果焊缝的计算厚度a与板厚t之比a/t＜0.6～0.7, 一般断于焊缝。如果a/t＞0.7,一般断于焊趾，这 时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高， 最根本的措施是开坡口焊透和加工焊缝、使焊趾向 基本金属光滑过渡。
材料力学性能
（一）横向对接接头
图5-4中示出了横向对接接头中的工作应力
分布。 0 为名义应力，在焊趾和焊根处都有一定
的应力集中。
0
图5-4 对接接头中工作应力的分布
材料力学性能
影响横向对接焊缝应力集中的主要因素 是焊缝余高h和过渡处半径r，见图3-5 。
图5-5 对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系
疲劳极限 rk （MPa） 236±15.7 118±13.7
191
139 103±14.7 71±15.7
78
88
39
母材金属的
疲劳极限
r
正应力下的 疲劳缺口系数
（MPa）
k
260
1.1
162
1.4
326
1.7
201
1.45
260
2.3
162
2.5
201
2.6
260
2.95
16材2 料力学性能4.15
焊缝表面的波纹与应力方向垂直，
疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹
a)
处开始，或者在更换焊条的那一
点，见图5-2 a)。
在梁的翼缘边对接一个小附 件，在焊缝端部形成严重的应力 集中，因此裂纹常出现在焊缝端 部，见图5-2 b）。
b)
图5-2 纵向对接焊缝疲劳 裂纹部位
材料力学性能
3．角接焊缝
角接焊缝的破坏形式有以下 几类：
如果使用机械加工方法将余高切除，则应力集 中可以大大减小，对接接头的疲劳极限可以明显 提高，见表5-1
表5-1
接头的表面状态
母材轧制状态 横向对接焊接态 横向对接两面加工 纵向对接焊接态
对接接头的疲劳极限 σ-1 （MPa) 225～235
117～127
215～225
179.34
但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或 未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重 得多，这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。
图5-11 焊趾微观缺口效应
材料力学性能
图5-12为CW-2C转向 架构架侧梁断裂照 片。该构架于2003 年8月进行A4修程时 对定位座实施了补 强处理，于2004年 10月16日发生断裂 事故，仅运行了一 年多。a图为定位座 补强板焊缝沿焊趾 开裂的实物照片；
备注 图中a） 图中b） 图中c）
焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响
大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因 素造成应力集中（应力分布不均匀）外，焊趾处还存 在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及 沿熔合线的轻微咬边（见图3-11）。熔渣楔块的平 均尺寸为0.15mm，咬边深度在0.1mm以下，它 们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。
材料力学性能
5.1 各种焊接接头的疲劳破坏形式
1．横向对接焊缝
在没有焊接缺陷时， 带有余高的横向对接焊 缝，应力集中主要发生 在焊缝的焊趾和焊根处， 所以疲劳破坏一般始发 于此，见图5-1 a）和 b）。
a) b)
图5-1 横向对接接头 疲劳裂纹部位
材料力学性能
2．纵向对接焊缝
外力方向与对接焊缝平行，
5 焊接结构的疲劳强度
焊接作为现代理想的连接手段，与其 它连接方法相比，具有经济、灵活的突 出优点，因此，各个工业领域都大量地 采用焊接结构。但是，许多运动结构或 承受动载荷的结构，在交变载荷作用下， 即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。
材料力学性能
5 焊接结构的疲劳强度
据统计，由于疲劳而失效的金属结构中， 90%为焊接结构。一般情况下，焊接接头承 受静载的能力并不比母材低，而承受动载荷的 能力却远低于母材。这是因为，焊缝处存在应 力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力，以及焊趾 处显微组织粗化等，导致疲劳强度下降，成为 焊接结构的疲劳薄弱环节。
表5-2
搭接端焊缝 两直角边比
母材 1．直角边比1：1 2．直角边比1：2 3．焊缝经机械加工 4．盖板直角边比1：
3.8，经机械加工
疲劳极限σ0 （MPa） 200 80 97 102
200
材料力学性能
2．侧焊缝形式的搭接接头，无论是受到拉压或弯曲载荷，其疲劳强度都比端焊缝低。 见图5-8和表5-3 。
表5-3
疲劳极限（MPa）
材料
应力比
a) b) c)
碳钢
0
70
80
90
a)
σb=432MPa
σs =262MPa
-1 34～43 40
50
b)
c)
材料力学性能
图5-8 侧焊缝搭接接头
（三）T形（十字）接头
图5-9中示出了T形（十字）接头的工作应力分布。 其应力集中系数远比对接接头高。
a) 未开坡口角焊缝构成的 接头
材料力学性能
图5-10中示出了三种十字接头型式 。
a）
c）
b）
板厚12
S=5
a=8
图5-10 三种十字接头型式
材料力学性能
a） c）
表5-4 十字接头的疲劳极限
b）
母材金属 St37 St52 St37 St52 St37
应力比
0 -1.0
0 -1.0
0 -1.0 -1.0
0 -1.0
焊接接头的
（1）在不承载的横向角焊 缝中，疲劳裂纹发生在焊趾处， 见图5-3（a）中①；
（2）对于承载的横向角焊 缝，裂纹起始于焊趾①或焊根 ②，见图5-3（b）；
（3）对于承载和不承载的 纵向角焊缝，裂纹都起始于焊 缝两端① ② ，见图5-3（c）、 （d）。
图5-3角接接头的破坏形式 （黑点表示裂纹的开始点）
材料力学性能
• 不承载的横向角焊缝
• 不承载的纵向角焊缝
横向角焊的筋板
（纵向角焊的筋板）
材料力学性能
• 承载的横向角焊缝
横向角焊搭接
• Biblioteka Baidu载的纵向角焊缝
侧向角焊搭接
材料力学性能
5.2 影响焊接接头疲劳强度的因素
应力集中的影响 研究表明，一个结构的疲劳特征主要决
定于它所包含的应力集中的严重程度。由于 所有的焊接接头不可避免地是应力集中点， 自然，疲劳破坏很可能发生在接头部位。因 此，应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主 要因素。
材料力学性能
（二）搭接接头
搭接接头中的工作应力分布见图5-6所 示。搭接接头的应力集中比对接接头严重， 因此其疲劳强度也比对接接头低得多。
a）等截面板搭接
b）不等截面板搭接
图5-6 侧面搭接焊缝应力分布图
材料力学性能
1. 各种端焊缝型式的搭接接头，其疲劳极 限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。
b) 开K形坡口角焊缝构成的
接头
图5-9 T形（十字）接头的 应力分布
材料力学性能
未开坡口的T形接头，当焊缝传递工作应力时， 其薄弱环节有两个：一是焊缝，另一个是焊趾。如 果焊缝的计算厚度a与板厚t之比a/t＜0.6～0.7, 一般断于焊缝。如果a/t＞0.7,一般断于焊趾，这 时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高， 最根本的措施是开坡口焊透和加工焊缝、使焊趾向 基本金属光滑过渡。
材料力学性能
（一）横向对接接头
图5-4中示出了横向对接接头中的工作应力
分布。 0 为名义应力，在焊趾和焊根处都有一定
的应力集中。
0
图5-4 对接接头中工作应力的分布
材料力学性能
影响横向对接焊缝应力集中的主要因素 是焊缝余高h和过渡处半径r，见图3-5 。
图5-5 对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系
疲劳极限 rk （MPa） 236±15.7 118±13.7
191
139 103±14.7 71±15.7
78
88
39
母材金属的
疲劳极限
r
正应力下的 疲劳缺口系数
（MPa）
k
260
1.1
162
1.4
326
1.7
201
1.45
260
2.3
162
2.5
201
2.6
260
2.95
16材2 料力学性能4.15
焊缝表面的波纹与应力方向垂直，
疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹
a)
处开始，或者在更换焊条的那一
点，见图5-2 a)。
在梁的翼缘边对接一个小附 件，在焊缝端部形成严重的应力 集中，因此裂纹常出现在焊缝端 部，见图5-2 b）。
b)
图5-2 纵向对接焊缝疲劳 裂纹部位
材料力学性能
3．角接焊缝
角接焊缝的破坏形式有以下 几类：