第五章 焊接结构疲劳强度

§5-3 焊接接头疲劳强度计算
损伤容限破损安全设计方法
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
损伤容限破损安全设计方法
• 国际焊接学会推荐的方法
– Paris-Erdogan ：
da / dN = C (∆K ) m
da/dN是疲劳裂纹扩展速率，C和m是材料常数，△K 是应力强度因子幅。
– 铁素体／珠光体钢焊态条件下
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
3. 破损安全设计：结构应有的寿命是由一个 足够无裂纹循环数和一个有裂纹后在足够低的裂 纹扩展速率下达到裂纹危险尺寸的循环数组成的。 这些损伤和局部破坏发生后，不会扩展到完全破 坏，既原始裂纹a0 不会发展到临界裂纹aC ，这就 是所谓破损安全设计的思想。只要选择了扩展速 率足够低的材料，正确决定检查的周期和控制破 损的安全负载，结构是能够安全使用的。
国际焊接学会（IIW）的疲劳等级FAT
• 疲劳S-N曲线的表达式：
N = C (∆σ )
−m
• 式中C、m为常数，对于双 对数坐标的S-N曲线来讲， C决定其位置，m代表斜率。 • 两边取对数，则有：
500 450 400 350 300 250 200
Electrical slag welding 1 Characteristic S-N curve (m=3.076) 2 Characteristic S-N curve (m=3)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(小载荷)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(大载荷)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹形成过程
1. 疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最 弱的基体上形成。 2. 扩展阶段：初始裂纹在交变载荷作用下，当裂 纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大 的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开， 尖端向前延伸 3. 瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度 极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬 时断裂。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(华格表达式 )
da m = C Κ max (1 − r ) dN
当m=1时与帕瑞斯表达式完全一致
[
]
n
m、n、C―与材料和介质有关的常数
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
对低频疲劳裂纹扩展速率公式进行积分，就 可以求得在低频疲劳条件下的裂纹扩展寿命：
N =∫
ac
a0
B (∆δ )
da
m
a0―初始裂纹尺寸；ac―临界裂纹尺寸 NC―从初始裂纹a0扩展临界裂纹尺寸ac寿命 对于无限大板中心贯穿裂纹
∆Κ = πa∆σ
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
考虑在大范围屈服条件下
π ∆σ 8 aσ s ln sec ∆δ = 2 σ πE s
Cref = 1.7 ×10−13 (mm5.5 N −3Cycle−1 ); m=3
– 在参考疲劳载荷△σｒｅｆ作用下，疲劳裂纹从 初始长度ａｉ扩展到最终长度ａｆ相应的参考疲 劳寿命可按下式计算：
df
N ref =
1 ∆K − m da ∫ Cref ai
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(裂纹扩展速率示意图)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(da/dN-∆K 对数坐标关系)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(帕瑞斯表达式 ) n da = C (∆Κ ) dN
∆K―应力强度因子幅度(∆K=Kmax-Kmin) c、n―由试验确定的材料、环境、频率和循 环特形等的函数 帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对 da/dN影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因 子趋近于其临界值KIC时，裂纹加速扩展效应。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
载荷种类图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax―σm表示的疲劳图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax-σmin表示的疲劳图
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹亚临界扩展)
裂纹受到一个低于σc但有足够大的循环应力时，则 初始裂纹会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界尺寸ac ，这 一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。 可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹 在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在 前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺 寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该 情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、 低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(二) 焊接残余应力的影响 在σa和σm表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同 σ σ ACB 平均应力时的极限应力振幅值σa。当构件中的应 力振幅值大于极限振幅值时，将发生疲劳破坏。 随着σm的增加，极限应力幅值有所下降。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高措施(σa-σm疲劳图断裂分析图)
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
推导疲劳公式的σmax-σmin图
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
推导疲劳公式的σmax-σmin图 • 绝对值最大的应力是 拉应力
[σ 0p ] [σ p ] = 1 − kr
• 绝对值最大的应力是 压应力
[σ 0p ] [σ p ] = k −r
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
第五章 成型结构疲劳强度
§5-1 疲劳破坏及影响因素 §5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的 应用 §5-3 焊接接头疲劳强度计算 §5-4 影响疲劳强度的因素及提高疲劳强 度的措施
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳断裂分类
按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲 劳 按应力大小和应力循环次数分为 1. 低 周 高 应 变 疲 劳 ： 作 用 的 应 力 超 过 弹 性 范 围 ， 疲劳循环次数小于104~105 2. 高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极 限，疲劳破坏的应力循环次数大于04~105
代入裂纹扩展寿命式得：当m≠1时，
1 1 N = m BD (m − 1 ) a 0

m −1
1 − a cr

m −1

§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度 除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率 95％的2×106 次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最 大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方 法。 2． 安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设 计。所谓安全寿命指在某一环境下，在已知小于疲劳破 坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。由σ-N 曲线获得σr，并利用σmax-σmin疲劳图进行设计。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(福曼修正表达式) n da C (∆Κ ) = (1 − r )K IC − ∆Κ dN
C、n―常数； KIC―材料的断裂韧性 r― 循 环 特 性 ， r=σmin/σmax= Kmin /Kmax ； ∆K―应力强度因子幅度(∆K=Kmax-Kmin) 由于该公式中有材料的KIC值，对于高韧性材 料无法测得KIC的该公式不适用。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(提高措施)
(一) 降低应力集中 1. 采用合理的结构形式 2．尽量采用应力集中 系数小的焊接接头。3．改善非连续的几何形状， 缓和应力集中 (二) 调整残余应力场 在易产生裂纹的缺口部位预制残余压应力，消除接 头应力集中处的残余拉应力。 (三) 表面强化处理
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(五) 不同强度金属的影响 强度极限越高，材料对应力集中就越敏感，只有 表面抛光的试件其疲劳强度才能随强度极限的提 高而增大。 (六) 其他影响因素 1．试样尺寸的影响：尺寸增大，疲劳极限降低； 2．负载特点：交变弯曲疲劳破坏的寿命最短。 3．温度升高，裂纹扩展速率随之增高。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高措施(应力对疲劳强度的影响)
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(三) 材料表面状态 材料表面有缺陷易造成疲劳强度降低。疲劳裂纹 开始产生于材料表面，尤其在拉伸载荷作用下， 表层应力最高。 (四) 焊接缺陷的影响 焊接缺陷在焊件中会引起应力集中，在交变载荷 作用下，很容易引发疲劳裂纹。缺陷对疲劳强度 的影响比对静载强度的影响大得多。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
滑移产生挤入挤出示意图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹扩展模型
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口特征
疲劳断口可分成三个区域 1. 疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。 2. 疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹， 每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐 次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨 认明显的疲劳条纹 3. 瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱 响
当局部峰值应力达到材料屈服极限时，在断裂前局 部材料将产生塑性变形，造成应力重新分布，故实际 峰值应力低于理论峰值应力。在这种情况下，应该用 有效应力集中系数Kf 来估计，其值为光滑试样的疲劳 强度σp与有效应力集中试样的疲劳强度σp’之比 对接接头焊缝形状变化不大，因此和角接接头及十 字等相比，应力集中程度要小，接头疲劳强度最高。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口分析图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳强度表示法
在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服 极限σS和强度极限σb，静载强度计算的出发点是 名义应力(或称基本应力)，而疲劳强度计算中， 所用材料的强度指标是疲劳极限σr，计算的出发 σ 点是是局部应力(或称峰值应力)。 将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所 示的曲线，曲线上对应的某一循环次数N的破坏 应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的 水平渐近线代表疲劳极限。