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%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呢？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；「m ax、二mix、二m、二a、「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：-max :应力循环内的最大应力-min :应力循环内的最小应力二m =（二max + 二min）/2 :平均应力二a =（二max—二min）/2 :应力幅值r =「mix I ■ max 征系数,r的变化范围是一x~ +1下面介绍几种典型的具有特殊循环特性的变动载荷：图#4疲劳试验中的1对称交变载荷应力波形如图，由图可见：这种变动载荷的min = 一▽ max应力循环特征系数r = 一1。

二max、二min、平均应力二m = 0 ,应力幅值:.-a = rmax2、脉动载荷应力波形如图，由图可见：-min =0 r = 0 ; cr max、min ;平均应力二m与应力幅值相等，都等于二max /2 ,a m =<r a = crmax /23、拉伸变载荷二max、二min 均为拉应力，但大小不等，0 v r v 1由图可见：crmax、min、cr m、cr a ;由上面几个波形图中我们可以看出这样一个关系，即：二max = - m + - a ；c min = c m 一c a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和二及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二max越大，则断裂时应力交变的次数N 越少，即：▽ maxNJ,反之 fax 丿宀 N f ,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。

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，这时就因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、 -O.SXIC** I.OXfO 6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N。

值所对应的应力作为“条件疲劳极限”或“有限疲劳极限” ,N o称为循环基数，对于实际构件来讲，N。

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 f、b mf）,金属断裂前所能承受的应力循环次数越多。

即：二max相冋时，匚m N f ，这是因为；r m T使得匚a J这是因为材料的疲劳损伤（不均匀滑移）是由交变应力长期作用形成的，应力循环不对称度越大也就是r越大，就表示应力交变幅度占最大应力的比例越小，疲劳损伤就小，因此达到断裂时的应力循环次数就多。

疲劳寿命就长。

可见材料的疲劳强度与应力循环特征系数r、平均应力二m都有关系, 但是我们怎样表示这个关系呢？表示这个关系的最常用的方法就是疲劳图，从疲劳图中我们可以得出各种循环特性下的疲劳强度，疲劳图常用的主要有以下几种：（1）用二max与r表示的疲劳图它直接反映fax与r关系，可以明确的看出r上升，疲劳强度也上升，疲劳强度用二r 表示，角标r表示二「是对应于该应力特征循环系数下的疲劳强度。

圉“用叽岸"表示的疲劳图从图中我们可以看出：对称交变载荷下的疲劳强度二1、 脉动循环下的疲劳强度匚°。

当r=1时是静载强度。

(2) 用二max 与二m 表示的疲劳图(已知「如何求二r )此图以er max 和er mix 为纵坐标，m 为横坐标，过原点作一直线与坐标 轴成45度角，再将震幅的数值对称地绘再该斜线的的上下两侧，则该斜 线及上下线所表示的应力为平均应力及在其上叠加的对称交变应力。

当二m =0时，表示对称应力循环，故纵轴上 ON 表示二-1 ； 线段O / N /表示脉动循环时的疲劳强度 二0 ;当D m 故二 a = 0 该疲劳图告诉我们，在不同的 平均应力二m 下，材料所能承受的 最大交变应力二max 及应力幅值二a , 它直接表示的是疲劳强度二「与平 均应力二m 的关系，也就是说已知 平均应力二m,就可以从该图上求得 c r 。

但是如果我们知道 r 怎样求 S ，也就是说怎样从该图上求某种 循环系数r 下的疲劳强度呢？可 用作图法，自0点作一与水平线成a maxCT a+ <Tmmax mix该直线与图形上部曲线的交点的纵坐标就是该r 下的疲劳强度匚r时，相当于静拉伸强度，这时材料已不能再承受交变应力，max角的直线，角a 根据下式确定:(3) 用匚a 与匚m 表示的疲劳图(已知 r 如何求匚r )图中横坐标为平均应力二m ， 纵坐标为应力幅值二a ，曲线上各 点的疲劳强度6 — m +二a ，使用 时只要知道平均应力 二m 查出对应的应力幅值匚a ，或已知应力幅 值匚a ,查出对应的平均应力匚m , 把它们的纵横坐标加起来就是疲 劳强度匚r 。

曲线与纵轴交点A 的纵坐标 就是对称循环的疲劳强度--1，曲线与横轴交点B 的横坐标就是静载强度匚b ，此时匚a = 0、r = 1 若仅仅已知循环特征系数r ,怎样求疲劳强度呢？仍然用作图法，自0点作一与水平轴成a 角的直线与曲线相交，并使a 角满足下式:CJ .1 -mixtg ： = ]am匚 max — ◎ mix° max1— r-max则交点的纵横坐标之和-m +；「a — r ，即为循环系数为r 时的疲劳强度 --r 。

例如：求脉动循环r=0的疲劳强度，把r=0代入上式，得tg a = 1、 a =45 °，所以过原点作一条45 °的射线，与曲线相交，交点的纵横坐标 之和就是脉动循环的疲劳强度。

(4) 用匚max 与匚mix 表示的疲劳图(已知 r 如何求匚r )图中纵坐标表示循环中的最大应力 二max ，横坐标表示最小应力-mix 由原点发出的每一条射线代表一种循环特性，因为这些射线的斜率的倒图条10 用O ■和"林表示的疲劳斛数就是应力循环特征系数r （=二例mix / - max)如：由原点向左与横轴倾斜45°的直线，其斜率的倒数为负1，即r=-1 ，所以它表示交变载荷，它与曲线交点B的纵坐标BB即为交变载荷的疲劳强度二-1。

向右与横轴倾斜45°的直线，其斜率的倒数为1,即r=1，所以它表示静载情况，它与曲线交于D 点，贝S DD即为静载强度。

纵轴本身又表示脉动载荷r=0 , CC即为匚o。

§5-3 疲劳断裂过程和断口特征一、裂纹核心的形成二、疲劳裂纹的扩展三、断口特征§ 5-4 焊接接头的疲劳强度计算（教材162页）§ 5-5 断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用-、疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率：da/dn=f （二、a、C）Paris公式、Morman公式、华格公式门槛值△ Kth :疲劳裂纹不扩展的临界值。

二、疲劳寿命估计（了解）§ 5-6 影响焊接接头疲劳强度的因素影响基本金属疲劳强度的因素同样对焊接结构的疲劳强度有影响，此外焊接结构本身的一些特点也会对结构的疲劳强度产生影响，下面我们分别探讨一下。