第6章 焊接接头和结构的疲劳强度

第6章焊接接头和结构的疲劳强度

§6-1 概述

一、定义

结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。

疲劳断裂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结构的90%

工程实际中的疲劳有多种表现形式：

机械疲劳：完全由变动外载荷引起

接触疲劳：表面间滚动接触与交变应力共同作用

蠕变疲劳：高温和交变应力作用

热疲劳：温度变化引起

本章讨论的是具有典型意义和普遍意义的材料、焊接接头和结构的机械疲劳情况。

例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，断裂时飞机已起落2118次。

再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁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，开裂时该车运行3万公里。

可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的，也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的，那么它们之间有什么相同点和不同点呢？

二、疲劳和脆断的比较

疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同

三、疲劳的类型

根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属的疲劳分为2类：

一类为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的，也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；

另一类为低周疲劳，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102—105次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。

1、高速疲劳（应力疲劳）：载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展

速率小。

2、低周疲劳（应变疲劳）：应力高，频率低，裂纹扩展速率大。

焊接结构的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。

§6-2 疲劳限的常用表示方法

一、变动载荷（掌握σmax、σmin、σm、σa、r概念）

金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要

首先了解变动载荷的性质。

变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化（或无规则变化）的一类载荷。

变动载荷的变化是如此的不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除了无规则的变动载荷外，变动载荷的特性可用下列几个参量表示：

σmax：应力循环内的最大应力

σmin：应力循环内的最小应力

σm =（σmax + σmin）/2：平均应力

σa =（σmax－σmin）/2：应力幅值

r =σmin /σmax：应力循环特征系数，

r的变化范围是－∞～+1

下面介绍几种典型的具有特殊

循环特性的变动载荷：

1、对称交变载荷

应力波形如图，由图可见：

这种变动载荷的σmin =－σmax

应力循环特征系数r =－1 。

σmax、σmin、平均应力σm = 0，

应力幅值σa = σmax

2、脉动载荷

应力波形如图，由图可见：

σmin =0 r = 0；σmax、σmin；

平均应力σm与应力幅值相等，

都等于σmax /2 ，σm =σa = σmax /2

3、拉伸变载荷

σmax、σmin 均为拉应力，但大小不等，

0＜r＜1

由图可见：σmax、σmin 、σm、σa；

由上面几个波形图中我们可以看出这样一个关系，即：

σmax= σm＋σa；

σmin= σm－σa

因此我们可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力，也就是静载恒定部分和应力幅值即交变应力部分的组合。

二、疲劳强度和疲劳极限

1、疲劳曲线（疲劳强度和疲劳极限）

在金属构件的实际应用中，如果载荷的数值和方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载强度小得多，甚至比材料的屈服强度小的多构件仍可能破坏，破坏前载荷的循环次数与变动载荷的大小和特性是有关系的，N和σ及r有关，

这个关系通常用疲劳曲线来描述。

多年来，人们对疲劳的研究发现，金属

承受的最大交变应力σmax越大，则断裂时应

力交变的次数N越少，

即：σmax↑→N↓，反之σmax↓→N↑，

对试样用不同载荷进行反复多次加载试

验，即可测得在不同载荷下使试样破坏所需

要的加载循环次数N，将破坏应力与加载循

环次数N之间的关系绘成曲线就叫疲劳曲线。如图：

该曲线的意义是：构件在变动载荷着用下所能承受的最大应力循环次数，

或：与各循环次数相对应的不破坏的最大应力。

疲劳曲线随着应力循环次数N的增大而降低，当N很大时曲线趋于水平。曲线上对应于某一应力循环次数N的不破坏的最大应力为该循环次数下的疲劳强度；曲线的水平渐近线为疲劳极限。

注意：

疲劳强度是与循环次数N相关的破坏应力；

疲劳极限是与循环次数N无关的，也就是说构件经无限多次应力循环而不破坏的最大应力。

通常在构件的疲劳设计中，出于减轻重量及经济性考虑，并不把构件设计成永不破坏的，而是根据使用年限得出循环次数N，再根据循环次数N和疲劳强度来设计构件。

但是有些构件如：核电站，一经使用中途是不能停下来更换零部件的，这时就应该根据永不破坏的原则，按疲劳极限来设计。疲劳极限与疲劳强度的区别就在于疲劳强度是进行有限寿命设计时使用的，而疲劳极限是进行无限寿命设计时使用的。

由于疲劳断裂时的循环

周次很多，所以疲劳曲线的

横坐标通常取对数坐标，如

右图：

不同材料的疲劳曲线

形状不同，大致可分为2

类，一类是具有应变时效现

象的合金，如常温下的钢铁

材料，其疲劳曲线就是我们上面所讲的，曲线上有明显的水平部分，疲劳极限有明显的物理意义，即：无限多应力循环不破坏的最大应力。

而对于没有应变时效现象的金属合金，如部分有色金属合金，在高温下或腐蚀介质中工作的钢，它们的疲劳曲线上没有水平部分，如右图：这时就规定某一N0值所对应的应力作为“条件疲劳极限”或“有限疲劳极限”，N0称为循环基数，对于实际构件来讲，N0值是根据构件的工作条件和使用寿命来定的。

2、疲劳图

上面讲的疲劳曲线是对应于某一应力循环特征系数r测定的，当r改变时，曲线上各数值的大小也将改变。

实验发现在最大应力相同的情况下，应力循环的不对称度越大，即平均应力越高（r↑、 m↑），金属断裂前所能承受的应力循环次数越多。