第 6 章 焊接结构疲劳

2往从表面开始 用表面系数 k* 来表示，图6-13，k*与表 面粗糙度成反比 腐蚀亦可看成表面粗糙 表面强化和残余压应力有助于提高疲劳 强度
图6-13，k*与表面粗糙度成反比
3、N——循环次数的影响

图6-14~17可见，疲劳曲线是一族线束； 相同条件下， N值越大，对应的疲劳强 度越低。Haight、Smith、Goodman、 以及Moore，Kommers
N/mm2
6.2.4 各类参数对疲劳强度的 影响



1、材料 2、表面状态 3、N 4、应力性质 5、缺口效应
1、材料的影响


材料不同，σr 不同，无缺口光滑试件疲劳强 度与σb有关： 钢材： 1 0.4 ~ 0.6 b 0 0.6 ~ 0.8 b
对铝合金： 1 0.4 ~ 0.6 b
（2）用σ max和 σ m 表示的疲劳图 即 Smith疲劳图
max 2 max 2 m max min 1 r 做图可求得 r
tg
（3）用σa 和 σm 表示的疲劳图 即Haigh疲劳强度图
a 1 - r m 1 r r max a m 为r时的疲劳强度
如Haigh疲劳图 情况1： 残余应力为正，平均应力 与残余应力叠加，使应力 幅值降低，即降低了疲劳 强度；反之亦然； 情况2： 平均应力与残余应力叠加 达到屈服点，内应力将消除， 所以C点状态内应力对疲劳 强度没有影响，在C点左侧， 平均应力越小，内应的影响 越显著。
图6-37
图6-38
主焊缝与次焊缝的焊序对疲劳强度的影响： 左图为A组，次焊到对先焊的主焊道有有利影响。
变载荷的主要参量：图6-4
max应力循环内的最大应力 min应力循环内的最小应力 max min m 平均应力
2 max－ min a 应力振幅 2
r ——应力循环特征系 数或应力循环对称系 数，r 值不同，循环特 征亦不同。
常用σ r 表示某种疲劳 应力。
min r 范围：－ ～＋ 1 1 max 可以看出： max m a min m－ a
6.5 影响焊接接头疲劳强度的因素



应力集中 截面尺寸 表面状态 加载情况 介质 还有，HAZ金属性能的改变、残余应力、 缺陷等
6.5.1 应力集中的影响

有无焊缝时疲劳极限比较
• 钢材级别与疲劳极限的关系
6.5.1 应力集中的影响
图6-24
对接试验可见：
•低合金锰钢好于低碳钢； •加工的好于未加工； •焊接的不如母材。
tg
(4 )用 max 和 min 表示的疲劳图
min 1 tg max r
做图可得到对应 时的疲劳强度 （ max） r r
举例：已知σb=588N/mm2，N=2*106时，σ0=304N/mm2， σ-1=196N/mm2，作图求出σ1/2 =？ 解：过0点作射线使r=1/2，交于BC 延长线上D点，得412
–

表中的 [σ0] 即为 [σ0p]
适用条件简介
适用材料简介
各种构件或连接基本形式及疲 劳容许应力幅 [σ0]

分了12类， 分别定义其 疲劳容许应 力幅 具体12类的 结构或连接 如表6-2

举例：母材
举例：对接
焊接型钢
京沪高速铁路中的桥梁用钢

全长为1 300多公里，桥梁占1 000多公 里，为全长的77%。
图6-39
焊态与焊后热处理件在不同 r 值条件下的疲劳强度： r≥0，两者相当， r≤0，热处理好一些。
图6-40
应力集中严重时：热处理对提高脉动疲劳强度有好处。
图6-41
6.5.4
缺陷的影响
图6-42
•平面型缺陷比带圆角的影响大；
咬边：A组大于B组 •表面的缺陷比内部缺陷影响大；
•与作用力垂直的平面型缺陷比其他缺陷影响大； •在拉应力场中的比压应力场中影响大； •应力集中区的比均匀应力场中的影响大。


6.1 材料及结构疲劳失效的特征
疲劳定义：材料在变动载荷作用下，会产生微、宏观的塑性变形，降低了 材料的承载能力并引起裂纹，随着裂纹的逐步扩展，最后将导致断裂。 统计表明：疲劳破坏占失效结构的90％。
疲劳失效的特征一： 与脆断有明显差别，加载次数、断裂过程、温度、端口； 疲劳失效的特征二： 疲劳强度难以确定，其值与实际工作条件密切相关不易预测； 疲劳失效的特征三： 疲劳破坏一般从表面和应力集中出开始，焊接结构的疲劳从焊接接头 产生。
p
1 kr , (6 1)
p
0
绝对值最大的应力为拉 力时,
, (6 2) k r
p p
0
绝对值最大的应力为压 力时,
式中， 0p r 0时基本金属和连接件的 疲劳许用应力； 为系数，按相关手册选 k 用； r为结构的应力循环特征 系数。
图6-30
高强钢的中、低周疲劳强度

S-N曲线随抗拉强度提高而升高；图6-32 适合用于静平均应力较高（大跨度桥梁）和 循环次数较低（高压容器、飞机旋翼、深海 潜艇）条件； 但是，应力集中、残余应力会大幅降低其疲 劳强度。

6.5.2 近缝区金属性能变化的影响
大量试验表明： 常用的焊接热输入， 焊接HAZ与母材的 疲劳强度相当接近。 常用的热输入 （用冷却速度表示）： 几十~几百 ℃/s 图6-33
图6-1、-2、-3 、-4疲劳破坏实例


2 118次着陆后发生破坏-低周疲劳 运行30 000km后，车架纵梁破坏-疲劳

法兰与管道连接处发生破坏-KT高的角焊缝 水压机机架在多次工作后破坏-低周疲劳

焊接结构的大量使用和研究，疲劳破坏不断 高强钢的使用，对KT比低碳钢敏感-疲劳破坏问题增加
注意两点：

按公式(6-1)、 (6-2)算得的[σp]若等于或大于材料的许用应力 [σ]，以及式（6-2）中出现 r≥ k时，可以不计算疲劳强度；

角焊缝的疲劳许用应力，不论最大应力的性质，均按 （6-1）确定。
– 我国起重机行业执行TJ-17-74 《钢结构设计规范》，GBJ17—88,较TJ 17—74有较大 的改进,采用了概率理论为基础的极限状态设计法,调整、充实和修改了许多章节,增添 了塑性设计、钢管结构和组合结构等三章新内容,扩大了应用范围。 我国铁路工程桥梁用钢焊接接头执行《中华人民共和国铁路桥梁钢结构设计规范》 TB10002.2-2005之J461-2005，见表6-2
不同级别的焊缝金属 386~780N/mm2，对裂纹 的扩展速率影响不大。
（关于裂纹扩展速率 的讨论——见下节）
图6-34
低组配接头 （软夹层） ： 宽径比 X=0.75为界 限，X越小，疲劳强 度越高； 高组配接头 （硬夹层）： 疲劳强度取决于软 金属
X=h/d 图6-36
6.6.3 残余应力的影响
不锈钢管焊缝的微观疲劳断口


汽车排气系 统不锈钢管 材的焊缝疲 劳实验的断 口照片。 断裂在母材 与焊缝之间 的HAZ上。
6.2 疲劳试验及疲劳图
6.2.1 疲劳载荷及其表示法
金属的疲劳是在变载条件下经过 N 次循环才出现的。 变载荷：是指大小、方向、波形、频率和应力幅随时 间发生周期性或无规则变化的一类载荷。
第6章 焊接接头和结构的 疲劳强度
主要内容： 材料及结构疲劳失效的特征 疲劳试验及疲劳图 疲劳断裂的物理过程和断口特征 焊接接头的疲劳强度计算标准 影响焊接接头的疲劳强度的因素 提高焊接接头的疲劳强度的措施
大约用6~8学时
概述

在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国 民生产总值的 4％ 左右 (约 1200 亿美元)； 疲劳所涉及的领域有汽车，航空航天，机械，船舶，铁路，国 防，军工，海洋工程等等。 随着科技日新月异和用户对产品的要求越来越苛刻，企业面临 的挑战越来越大，要缩短产品上市时间，疲劳问题要走在设计 的前面等。在产品的早期设计阶段，评估疲劳相关的问题和进 行耐久性分析从而预测产品的寿命能给公司在缩减开发和测试 成本、缩短投放市场的时间、提高产品使用寿命等方面带来很 大的收益。


N取对数，则破坏应力与N关系可用两直线表示。
S-N曲线的类型
其一，有应变时效的金属如常温的钢铁， S-N曲线有明 显的水平部分； 其二，无应变时效的金属如铝等，无水平部分，用人为 的循环基数N0对应的应力值作为条件疲劳极限。
高强钢的低周疲劳曲线
6.2.3 疲劳强度的常用表示法_疲劳图
（1）用σ max和 r 表示的疲劳图 即 Moore，Kommers疲劳强度图 r =1时， σ max= σ b
形状——缺口应力集中——局部的峰值——是防止疲劳和脆断 的首要问题 局部结构的设计，是提高疲劳强度和寿命的最有效方法。


6.6.2 疲劳强度设计的一般原则

工程实践总结：
– 见P244，1~15条

确定结构应力峰值：
– 测试原型 – 有限元分析（FEA）
6.6.3 提高疲劳强度的工艺措施
（1）降低应力集中（主要原因）
未焊透：A组大于B组
图6-43
未焊透%越大，疲劳强度越小。
图6-44
• 比较有裂纹的平板与焊件： •焊趾裂纹更容易裂穿——应力集中区的裂纹
图6-45
6.6 提高焊接接头疲劳强度的措施


6.6.1 焊接结构疲劳强度设计概述 疲劳强度设计：
是制定规定的目标（如费用）对强度、寿命和安全性进行优化， 并使组合结构的各构件都具有相同的疲劳强度、寿命和安全性 的设计方法。
图6-25