第6章焊接结构疲劳
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第6章焊接结构疲劳
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；
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学时第6章焊接结构疲劳
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)；
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比低第6章碳焊接钢结构敏疲劳 感-疲劳破坏问题增加
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。
第6章焊接结构疲劳
6.2 疲劳试验及疲劳图
6.2.1 疲劳载荷及其表示法
第6章焊接结构疲劳
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
第6章焊接结构疲劳
2、表面状态的影响
影响很大，因为疲劳往往从表面开始
用表面系数 k* 来表示，图6-13，k*与表
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章焊接结构疲劳
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
m
max
min 2
平均应力
a
max
－ 2
min
应力振幅
tgmax 2max 2 m max min 1r
做图可求 r 得
第6章焊接结构疲劳
（3）用σa 和 σm 表示的疲劳图
即Haigh疲劳强度图
tg a 1-r m 1r
r maxa m为r时的疲劳强度
第6章焊接结构疲劳
(4)用ma和 x m
表示的疲劳图
in
tgmin1 max r
做图可得到r时对的应疲劳强 （ r 度 ma） x
第6章焊接结构疲劳
6.2.2 基础疲劳试验及疲劳曲线
乌勒[德] 第一个完成的基础疲劳试验，得到疲劳 S-N 曲线
应力循环无数次也不发生疲劳破坏的最大的应力幅叫 疲劳极限。
N取对数，则破坏应力与N关系可用两直线表示。
第6章焊接结构疲劳
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。
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。
第6章焊接结构疲劳
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
第6章焊接结构疲劳
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
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。
r min max
范围：－
1 ～＋ 1
常用σ r 表示某种疲劳 应力。
可以看出：
max m a
min
－
m
a
第6章焊接结构疲劳
几种典型的动载荷
1. 对称交变载荷
maxmin,r 1 疲劳强度－ 用 1表示 2.脉动载荷
第6章焊接结构疲劳
第6章焊接结构疲劳
第6章焊接结构疲劳
第6章焊接结构疲劳
4、应力性质的影响
同一材料（如铸铁）的抗压疲劳强度高 于抗拉疲劳强度；图6-18
min0,r 0 疲劳强度用 0表示
3.拉伸变载荷
maxmi n 0,于0是 r1
疲劳强表 度示 用
r
第6章焊接结构疲劳
高周与低周疲劳
高周低应力（在弹性范围内）疲劳，N： 104~105次以上，又称应力疲劳；
低周高应力（超出弹性范围）疲劳，N＜ 104~105次，又称应变疲劳
任何工程结构都不允许出现全截面的标称应 力大于屈服点的情况。所以，低周次疲劳仅 是某些应力集中区域的材料单元疲劳行为。
第6章焊接结构疲劳
高强钢的低周疲劳曲线
第6章焊接结构疲劳
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 百度文库 Moore，Kommers疲劳强度图 r =1时， σ max= σ b
第6章焊接结构疲劳
（2）用σ max和 σ m 表示的疲劳图 即 Smith疲劳图
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
第6章焊接结构疲劳
图6-13，k*与表面粗糙度成反比
第6章焊接结构疲劳
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
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。
第6章焊接结构疲劳
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 N/mm2
第6章焊接结构疲劳
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
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；
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学时第6章焊接结构疲劳
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)；
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比低第6章碳焊接钢结构敏疲劳 感-疲劳破坏问题增加
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。
第6章焊接结构疲劳
6.2 疲劳试验及疲劳图
6.2.1 疲劳载荷及其表示法
第6章焊接结构疲劳
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
第6章焊接结构疲劳
2、表面状态的影响
影响很大，因为疲劳往往从表面开始
用表面系数 k* 来表示，图6-13，k*与表
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章焊接结构疲劳
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
m
max
min 2
平均应力
a
max
－ 2
min
应力振幅
tgmax 2max 2 m max min 1r
做图可求 r 得
第6章焊接结构疲劳
（3）用σa 和 σm 表示的疲劳图
即Haigh疲劳强度图
tg a 1-r m 1r
r maxa m为r时的疲劳强度
第6章焊接结构疲劳
(4)用ma和 x m
表示的疲劳图
in
tgmin1 max r
做图可得到r时对的应疲劳强 （ r 度 ma） x
第6章焊接结构疲劳
6.2.2 基础疲劳试验及疲劳曲线
乌勒[德] 第一个完成的基础疲劳试验，得到疲劳 S-N 曲线
应力循环无数次也不发生疲劳破坏的最大的应力幅叫 疲劳极限。
N取对数，则破坏应力与N关系可用两直线表示。
第6章焊接结构疲劳
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。
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。
第6章焊接结构疲劳
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
第6章焊接结构疲劳
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
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。
r min max
范围：－
1 ～＋ 1
常用σ r 表示某种疲劳 应力。
可以看出：
max m a
min
－
m
a
第6章焊接结构疲劳
几种典型的动载荷
1. 对称交变载荷
maxmin,r 1 疲劳强度－ 用 1表示 2.脉动载荷
第6章焊接结构疲劳
第6章焊接结构疲劳
第6章焊接结构疲劳
第6章焊接结构疲劳
4、应力性质的影响
同一材料（如铸铁）的抗压疲劳强度高 于抗拉疲劳强度；图6-18
min0,r 0 疲劳强度用 0表示
3.拉伸变载荷
maxmi n 0,于0是 r1
疲劳强表 度示 用
r
第6章焊接结构疲劳
高周与低周疲劳
高周低应力（在弹性范围内）疲劳，N： 104~105次以上，又称应力疲劳；
低周高应力（超出弹性范围）疲劳，N＜ 104~105次，又称应变疲劳
任何工程结构都不允许出现全截面的标称应 力大于屈服点的情况。所以，低周次疲劳仅 是某些应力集中区域的材料单元疲劳行为。
第6章焊接结构疲劳
高强钢的低周疲劳曲线
第6章焊接结构疲劳
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 百度文库 Moore，Kommers疲劳强度图 r =1时， σ max= σ b
第6章焊接结构疲劳
（2）用σ max和 σ m 表示的疲劳图 即 Smith疲劳图
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
第6章焊接结构疲劳
图6-13，k*与表面粗糙度成反比
第6章焊接结构疲劳
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
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。
第6章焊接结构疲劳
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 N/mm2
第6章焊接结构疲劳
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