钢材的疲劳破坏

1
max
max


ni ( i )

n
i

1/
验算公式为
8. 疲劳计算应注意的问题：
进行疲劳强度计算时，应注意下列问题： (1)按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正 处于研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载 应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且应力 按弹性工作计算。 (2)根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力， 只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但 由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力(不 出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情 况可不予验算。
2. 疲劳破坏的概念




微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂 的脆性破坏。 特点：断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度， 甚至低于屈服强度；属于脆性破坏，塑性变形极小， 没有预兆，危险性较大。疲劳破坏属于反复荷载作 用下的脆性破坏。 疲劳断裂分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩 展与最后迅速断裂。 钢结构中总是存在裂纹，如焊缝中的微观裂纹、孔 洞、夹渣等缺陷；非焊接结构中的冲孔、剪边、气 割等也存在微观裂纹。
2）应力幅 ——在循环荷载作用下，应力从最大max 到最 小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为 应力幅。即 =maxmin
3）应力循环次数 应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到 最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接 产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次 数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环， 也不会产生疲劳破坏，既达到通称的疲劳极限规范( GBJ176 5次被视为各类构件和 10 88)参照有关标准的建议，将 连接疲劳极限对应的应力循环次数。
其对应的疲劳极限对应的应力如下
疲劳曲线
4）微观裂纹和应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著，而构造细节 是应力集中产生的根源。构造细节常见的不利因素如下： 1．钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等； 2．制作过裎中剪切、冲孔、切割； 3．焊接结构中产生的残余应力； 4．焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等； 5．非焊接结构的孔洞、刻槽等； 6．构件的截而突变； 7．结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中。
金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。就金属结构包 括飞机、车辆等各类结构都在内的总体，大约80-90%的破 坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比晕虽然不大， 但随着焊接结构的发展，焊接吊车梁的疲劳问题已十分普 遍，受到了工程界人士的重视。目前钢结构设计规范 (GBJ17-88)中已建立了疲劳验算方法，此方法对防止疲劳破 坏的发生有重要作用。
（3）对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧晕新熔化，可以起到消 除切口的作用。此方法在不同应力幅的情况下疲劳寿命都能同样 提高。 （4）在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入 残余压应力，是改善疲劳性能的一个有效方法。残余压应力和锤 击造成的冷工硬化均使疲劳强度提高，同时尖锐切口也被缓减。 总之，依靠精心的选材设计、制作安装使用、再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
b1 2 s

1

C n
其验算公式为： 焊接结构的应力幅公式：
[ ]

max

min
非焊接结构的疲劳图
非焊接结构的验算公式为 系数k＝o.7，是由试验数据统计而确定的。
各类结构和连接类别的
N 曲线
（2）变常幅疲劳验算公式：
（1） 常幅疲劳验算公式： [ ] ——焊接结构的应力幅 =maxmin； 非焊接部位的应力幅 =max0.7min， 应力拉为正，压为负。
[ ]——常幅疲劳的容许应力幅
lg N b1 lg( ) 2 s
1
10 n
5. 疲劳设计准则
根据结构和构件的重要性，目前国际上有以下四种疲劳设计准则。 1．无限寿命设计 这是一种最保险的方法。采用此准则设计的许用应力必须低于疲 劳极限。因应力很低，造价过高，往往不现实。 2．有限寿命设计 有限寿命设计也称为安全寿命设计。安全寿命设计准则要求零部 件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳裂纹。为满足此 要求，必须准确掌握整个使用寿命期问可能承受的载荷；然后通 过分析和实验找出关键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命，再 引入安全系数以达到安全寿命。安全寿命决定使用期限，结构和 构件用到安全寿命即予报废或更换。但事实上，我们很难预测使 用期间所有的载荷条件，疲劳实验结果又有很大的离散性因此， 安全系数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳 破坏可能性降到很低。
(3)直接承受动力荷载重复作用的构件及连接，当应力变 化的循环次数大于或等于5×104时，应进行疲劳计算 （4）根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的 疲劳强度无显著影响。只是轧制钢材(因其残余应力较小)和 经焰切的钢材和经过加工的对接焊缝(因其残余应力因加工而 大为改善)，疲劳强度有随钢材强度提高而稍有增加的趋势， 但这些连接和主体金属一般不在构件疲劳计算中起控制作用。 故可认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。
3．破损一安全设计 破损一安全设计准则首先是在航空工程中发展起来。它认为裂纹 可以出现，但在整个裂纹被检测和进行修理前，所出现的裂纹不 会导致整个结构的破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发 现裂纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设计的结构 能够进行载荷呈多路径传递转移，即将结构某一环节破坏后（特 别是超静定结构），载荷能够被转移并重新分布。在此说明一点， 采用此类设计方法时，确定容许应力幅可以减去一倍标准差，而 不是常规的二倍标准差。 4．损伤一容限设计 损伤一容限设计准则是破损一安全设计的改进，此法首先是假定 裂纹预先存在，再用断裂力学的分析和试验方法判断裂纹是否扩 展到临界尺寸，以致造成破坏。此准则适用于裂纹扩展较慢并有 高断裂韧性的材料。
6．修补焊缝，目的是缓解缺陷产生的应力集中，方法如下。 （1）对于对接焊缝，磨去焊缝表而部分，如对接焊缝的余高。如果 焊缝内部无显著缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。 （2）对于角焊缝，应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉（咬边） 等切口，且有焊渣侵入，因此，要得到较好的效果，必须像图6.5 所示B缝那样；不仅磨去切口，还要将板磨去0.5mm以除去侵入的 焊渣。这种做法虽然使钢板截而稍有削弱，但影响并不大。如果 像图中A缝那样磨去部分焊缝，就得不到改善的效果。图6.5所示 为横向角焊缝，对于纵向角焊缝，则可打磨它的端部，使截而变 化趋于缓和，打磨后的表面不应有明显刻痕。
变幅疲劳的应力谱
按最大应力幅计算过于保守，按常幅疲劳结果，引入累积损 伤法则。从设计应力谱可知，应力幅水平 对应的循环次数 应力幅为 常幅时，相对应的疲劳寿命是 按累积损伤法则，将总的损伤按线性叠 加计算，则得发生疲劳破坏的条件为：
n1 N1

n2 N2

ni Ni


ni Ni
1

i
上述四种设计准则有各自的优缺点及适用范围。在建筑钢结构的 疲劳设计中，以安全寿命设计法与破损一安全设计相结合更为合 理。
6. 疲劳需验算的情况 （1）承受动力荷载重复作用
（2）应力变化的循环次数 n≥ 5104 （3）应力循环中出现拉应力
7. 疲劳计算方法
常幅疲劳荷载——所有应力循环中，应力幅保持常量 变幅疲劳荷载——在应力循环过程中，应力幅是变量
疲劳破坏构件的断口：上面一部分呈半椭圆形光滑区， 其余部分则为粗糙区。
3. 影响疲劳强度的因素
1）应力比 ＝min/max 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一 个循环。应力循环特征常用应力比 来表示，拉应力取 正值，压应力取负值。 =－1时，称为完全对称循环； =0时，称为脉冲循环； =1时，为静荷载； 0＜＜1时，为同号应力循环； －1＜＜0时，为异号应力循环。
钢材的疲劳破坏



1.疲劳问题 2.疲劳破坏的概念 3.影响疲劳强度的因素 4.提高和改善疲劳性能的措施 5.疲劳设计准则 6.疲劳需验算的情况 7.疲劳计算方法 8.疲劳计算应注意的问题
1．疲劳问题
疲 劳 问 题 最 初 是 在 1829 年 由 法 国 采 矿 工 程 师 尔 倍 特 (W.A.J.Albert) 根据所做的铁链的重复载荷试验所提出的。 1939年波客来特( Poncelet) 首先采用“疲劳”(Fatigue) -词来 描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。”但是 疲劳一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏特 ( Braithwaite) 于 1854 年在伦敦土木工程年会上发表的，在第 二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，人们从 一系列的灾难性事故中，逐渐认识到疲劳破坏的严重性。
针对构件细节对疲劳强度的影响，钢结构设计规范( GBJ17-88) 中把构造和连接形式按应力集中的影响程度由低到高分为八类。 第一类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，第八类则 为应力集中最严重的角焊缝。见下表 ：
4. 提高和改善疲劳性能的措施
由疲劳性能的三个影响因素来看，应力幅△ 及循环应力N是客观 存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力 集中入手。具体措施如下： 1．精心选材，对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材 的缺陷，并选择优质钢材。 2．精心设计，力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造 做法合理化。 3．精心制作，使缺陷、残余应力等减小到最低程度。 4．精心施工，避免附加应力集中的影响。 5．精心使用，避免对结构的局部损害。如划痕、开孔、撞击等。
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1
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