疲劳破坏ppt课件

疲劳破坏
一、钢材疲劳的基本概念 二、疲劳破坏的成因 三、疲劳破坏的过程 四、疲劳破坏的检验 五、疲劳破坏的计算 六、提高疲劳性能的工艺措施
一、钢材疲劳的基本概念
钢构件及其连接总是存在着微观裂纹，在循环荷载 作用下，构件及连接的微观裂纹不断扩展、有效截面不 断被削弱，直至其承载能力不足而导致断裂破坏。这种 破坏即为疲劳破坏。
可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力
幅折算为等效应力幅Δσe，按下式进行疲劳计算：
e
ni i
1/
ni
ni ——已知变幅应力谱的循环次数
ni ——已知变幅应力谱的Δσi 的应力循环次数
为保证不发生疲劳破坏，应满足 e
吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊 车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时n= 2106次)，相应 的欠载效应的等效系数f值如表2-3所示，重级工作制吊车梁 的疲劳验算公式为
染色液体渗入法：是使带燃料的液体渗入表面的细裂纹，然后通 过显色剂，把燃料吸上来以显示裂纹轮廓。在检验时，把焊缝表面 清理干净并保持干燥，然后刷上一薄层渗入液，待燃料渗入却先后， 把表面擦净再涂上显色剂。已渗入的液体这时回到金属表面和显色 剂起反应，从而可以清晰地看出裂纹轮廓。
射线照相检查：依靠电磁射线来确定焊缝是否完好。X光线和 β射线都能穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片， 即可取得焊缝结构的永久记录。射线穿过焊缝材料后达到敏感胶片， 产生不同反差的负片，在射线穿过气泡、夹渣或裂纹时，在这些密 度小的区域透过得很多，在胶片上造成黑色区。
图1.3疲劳断裂的分区
图1.4焊缝缺陷造成的的疲劳破坏
四、疲劳破坏的检验
磁性颗粒法：用以检查出金属表面裂纹或紧靠表面的内部缺陷， 最适合于壁厚不超过6.5cm的小型钢管连接，因为超声波探伤这时无 用武之地。在检验时对焊缝区施以强大磁场，并铺一层磁铁颗粒。 裂纹和夹杂等缺陷切断磁力线，使粉末集中在这些区域。
图1.1应力集中
三、疲劳破坏的过程
一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹 的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有两个 阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起 着裂纹的作用。疲劳破坏的起点多数在结构的表面。对非焊 接构件，表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以 及焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地 方。对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有 焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如 孔、欠焊、夹渣等。但是，如图1.2所示，内部裂纹的作用相 当于宽度为其一半表面断纹。因此，疲劳破坏发生在表面的 情况居多。疲劳裂纹经历长期的荷载循环，扩展十分缓慢， 而脆性断裂不经长期的荷载循环。这是二者的区别。
• 高周疲劳：在动荷载作用下结构应变小、破坏前循环次数多 • 低周疲劳：应变大、破换前循环次数少
二、疲劳破坏的成因
钢材的疲劳强度取决于应力集中程度和应力循环次数。 构件截面形状突变所产生的应力集中及钢材中的残余应力， 将会显著降低材料的疲劳强度。实际上，应力集中或残余 应力的峰值应力处为双向或三向拉力场，在循环应力作用 下首先出现微观裂纹，而后裂纹逐渐开展形成宏观裂缝， 使构件或俩接的有效截面积不断减小。当循环荷载达到一 定的循环次数时，由于截面削弱过多不能经受过高应力的 作用，构件或连接发生突然断裂，即为疲劳破坏。构件或 连接之所以发生突然破坏（脆性破坏），原因在于峰值应 力处为双向或三向拉应力场，使材料的塑性变形受到限制， 或由于峰值应力的作用使材料的塑性变形能力耗尽。
超声探伤：在检测时，高频率的波射过所检测的连接后折回 并显示于示波器的有刻度的屏幕。此法对查找线缺陷和屏幕 缺陷诸如未焊透、分层和裂纹十分灵敏。超声波碰到这些缺 陷时就被反射回来，在示波器上有所反应。
五、疲劳破坏的计算
疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳 两种情况进行计算。
1. 常幅疲劳计算
图1.2裂纹尺寸
图1.3示出疲劳断裂面的分区，裂纹大体上以同心圆的形 式从表面的裂源向内部逐渐扩展。扩展到一定程度后截面削 弱过甚，即被拉断。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大， 而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区的表面光滑，
而且是愈近裂源愈光，这是因为裂纹经过多次开合的缘故。 拉断区可以使脆性的颗粒状断口，也可以使带有一定韧性的 断口。图1.4给出焊接工形截面翼缘和腹板间角焊缝从表面 或内部发展疲劳裂纹的情况。
所有应力循环内的应力幅保持为常量，这种循环荷载 作用称为常幅破坏。
对于常幅疲劳，其计算表达式如下 19401012
[Δ ] ( C )1/
n
Δσ≤[σ]ห้องสมุดไป่ตู้
[σ]——容许应力幅 Δσ——循环荷载产生的应力幅
表1.1 参数C、β
构件及
1
2
3
4
5
6
7
8
连接类
别
C 19401012 8611012 3.261012 2.181012 1.471012 0.961012 0.6510120.411012
疲劳破坏属脆性破坏，破坏非常突然，几乎以2000 ms的速度断裂，比塑性破坏产生的危害更为严重和危险。
直接承受动力荷载循环作用的钢构件及其连接， 容易发生疲劳破坏。例如，像吊车梁，吊车桁架及 其制动结构等结构，在设计时应考虑验算其疲劳强 度。
通常，钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳， 即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。疲劳破坏 可分为常幅疲劳和变幅疲劳。
实验观察发现，钢材疲劳破坏后的断口截面一般具有 两个区域：光滑的和粗糙的。光滑部分表现出裂缝的张开 与闭合及逐渐张开的过程，说明达到疲劳破坏需要经历一 定的应力循环次数。粗糙部分与拉伸试验的断口性质颇为 相似，说明其形成是在钢材最终顿咧的一瞬间。
应力集中：钢构件在缺陷或 截面变化处附近将产生局部 高峰应力，其余部位应力较 低，称为应力集中（图1.1）
β
4
4
3
3
3
3
3
3
对于结构的焊接部位Δσ应按 Δσ=σmax-σmin 对非焊接部位 Δσ=σmax-0.7σmin。 由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同 钢材具有相同的抗疲劳性能。
2. 变幅疲劳计算
吊车梁所承受的吊车荷载幅值随时间变化，因此其应力幅 也随时间发生变化，此种情况属于变幅疲劳。