钢材的疲劳破坏

钢材的疲劳破坏
疲劳破坏的特征和定义：
钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。

破坏过程：裂纹的形成----裂纹的扩展----最后的迅速断裂而破坏
破坏特点：
（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。

（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。

一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。

而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。

（3）疲劳对缺陷十分敏感。

钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，此现象称为疲劳（fatigue）。

按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳（high-cycle fatigue）和低周疲劳（low-cycle fatigue）两类。

高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥5×104，断裂应力水平较低，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这类。

低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n＝102～5×104，断裂应力水平较高，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。

1 常幅疲劳
钢材的疲劳－钢材在连续重复荷载作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。

设计规范规定：循环次数N≥5×104，应进行疲劳计算。

1.1 循环应力的特征应力谱, 应力比, 应力幅, 循环次数 N
1.2 常幅疲劳－重复荷载的数值不随时间变化，所有应力循环内的应力幅保持常量。

1.3 Δσ与 N 的关系
Δσ越大，破坏时循环次数越少；
Δσ越小，破坏时循环次数越多。

⏹破坏时循环次数越少，说明Δσ越大；
⏹破坏时循环次数越多，说明Δσ越小。

1.4 容许应力幅
规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。

参数Ｃ和b的取值
国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。

1.5 常幅疲劳的计算公式
疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。

计算只适用于无高温（t≤150℃）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数n≥5×104)。

当作用于计算部位的设计应力幅小于等于容许应力幅时，不会发生疲劳破坏。

∆σ标准荷载下的设计应力幅；
对于焊接部位的设计应力幅: ∆σ= σ
max
- σ
min
；
对于非焊接部位的折算应力幅：∆σ= σ
max
- 0.7σ
min
σmax每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）
σmin每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；
[∆σ] 常幅疲劳的容许应力幅
例题2.1 某钢板承受轴心拉力，截面为420mm×2Omm，钢材为Q345-B，因长度不够而用横向对接焊缝接长，如图2.14所示。

焊缝质量等级为一级，但表面未进行磨平加工。

钢板承受重复荷载，预期循环次数n=106次，荷载标准值Nmax=1200kN，Nmin=-200kN。

要求进行疲劳强度验算。

【解】由附表8的项次2，横向对接焊缝附近的主体金属当焊缝表面未经加工但质量等级为一级时，计算疲劳时属第3类。

➢由表2.1，查得C＝3.26×1012，β＝3。

[]σ
σ∆
≤
∆
➢ 当n ＝106次时的容许应力幅为：
➢ 计算部位的设计应力幅：
➢ 因此疲劳强度不满足要求，不安全。

➢ 若对焊缝表面进行加工磨平，则计算疲劳时由附表8的项次2，查得疲劳类别为第2类。

此时，C ＝861×1012，β＝4，则
➢ 因此疲劳强度满足要求，可见，焊缝表面进行加工磨平可提高疲劳强度。

2 变幅疲劳
当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。

可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。

1.能够测得使用期内应力变幅规律 （a ）检算公式
∆σe —等效常幅疲劳应力幅。

[∆σ]—常幅疲劳的容许应力幅。

[]1
1
12
3
2
6
3.2610148.3N/mm 10c n βσ⎛⎫⨯⎛⎫∆=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭()3
22
max min
120020010166.7N/mm []148.3N/mm 42020σσσσ--⨯⎡⎤⎣⎦∆=-==>∆=⨯[]1
1
124
2
6
86110171.3N/mm 10c n βσ⎛⎫⨯⎛⎫∆=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22
166.7N/mm []171.3N/mm
σσ∆=<∆
=
（b) 计算
若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅∆σ
e
按下式进行疲劳计算：
Σn i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；
n
i
预期寿命内应力幅水平达到∆σ
i
的应力循环次数
2.不能测得使用期内应力变幅规律
设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。

如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。

使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。

计算公式
总结：
1.承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数N≥5×104次时，应进行疲劳计算。

2.在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳。

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于验算。

3.计算疲劳时，应采用荷载的标准值，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。

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。

可认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。

5.提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
（ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；
（ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；
（ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。