焊接接头和结构疲劳强度
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
劳破坏。 在我国，疲劳失效也相当普遍，在能源、交通等部门都
很严重。而且随着新材料、新工艺的不断出现，将会提出许 多疲劳强度的新问题需要研究解决。
焊接接头和结构疲劳强度 3
3.1.1 疲劳断裂事例
➢ 疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期，随着铁路运输的发 展，机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个疲劳强 度问题。
随着循环加载的不断进行，滑移线的量 加大成为滑移带，并不断加宽、加深形成
“挤出”和“挤入”现象，挤入部分向滑移
带的纵深发展，形成疲劳微裂纹(图3-6)。
这些微裂纹沿着和拉应力成45°的最大 切应力方向传播，这是疲劳裂纹扩展的第1 阶段。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环 大约只有0.lm （微米）数量级，扩展深度
第3 章 焊接接头和结构的疲劳强度
焊接接头和结构疲劳强度 1
本章主要内容和重点：
3.1 焊接结构的疲劳 3.1.1 疲劳断裂事例 3.1.2 焊接结构Βιβλιοθήκη Baidu见的疲劳类型
3.2 疲劳断裂的过程和断口特征 ★ 3.3 疲劳载荷及表示法 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素 ★
➢ 以后在第二次世界大战期间发生多起飞机疲劳失事事故。 ➢ 1954年英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引起飞
行失事，引起了人们的广泛关注，并使疲劳研究上升到新 的高度。
结构由铆接连接发展到焊接连接后，对疲劳的敏感性和产 生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳往往是从焊接接头 处产生的。
焊接接头和结构疲劳强度 4
焊接接头和结构疲劳强度 6
角焊缝改为对接焊缝降低疲劳破坏
如果在设计中，将易导致疲劳 破坏的应力集中系数高的角焊 缝改为应力集中较小的对接焊 缝，疲劳事故就可大大减少。
图3-4b用锻造法兰代替图a 原法兰，将角焊缝改为对接焊 缝大大改善抗疲劳能力。
焊接接头和结构疲劳强度 7
图3-5，美国几座桥发生在靠近焊缝端部焊趾部位的疲劳裂纹。
3.2.1疲劳断裂的过程
疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成、扩展、断裂三个阶段组成。
材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上 形成。对于承受循环载荷作用的金属材料，由于晶粒取向不同，以及存在各 种宏观或微观缺陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方向上是各不相同 的；当整体金属还处于弹性状态时，个别薄弱晶粒已进入塑性应变状态，这 些首先屈服的晶粒可以看成是应力集中区。一般认为，具有与最大切应力面 相一致的滑移面的晶粒首先开始屈服，出现滑移。
原因：裂纹部位有较高的应力集中所致。 措施：采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。
焊接接头和结构疲劳强度 8
3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型
疲劳定义：
在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积 损伤，经一定循环次数后产生的裂纹或突然发生完全断裂的过 程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。
图3-9疲劳断口上三个特征区的示意图 a) 圆形试件 b) 角接接头
1－疲劳裂纹源区 2－疲劳裂纹扩展区 3－疲劳裂纹加速扩展区 4－瞬时断裂区
焊接接头和结构疲劳强度 13
3.6.1 应力集中的影响 3.6.2 近缝区金属性能变化的影响 3.6.3 残余应力的影响 3.6.4 其他因素的影响 3.7 提高焊接接头疲劳强度的措施 ★
焊接接头和结构疲劳强度 2
第3章 焊接接头和结构的疲劳强度
3.1 焊接结构的疲劳
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 工程结构失效约80％以上是由疲劳引起的； 在某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的80％～90％； 对于承受循环载荷的焊接构件有90％以上的失效应归咎于疲
在循环加载下裂纹继续扩展，承 受载荷的横截面面积继续减小，直到 剩余有效面积小到不能承受施加的载 荷时，构件就到达最终断裂阶段（第 3阶段）。
焊接接头和结构疲劳强度 11
裂纹扩展机理--塑性钝化模型
整个疲劳过程中的主要时间是属于疲劳裂纹扩展 阶段，即第Ⅱ阶段，亦称亚临界裂纹扩展阶段。
目前广泛流行的模型是塑性钝化模型（图3-8）。 ➢ 当卸载时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态。 ➢ 开始加载时，在切应力下，裂纹尖端上下两侧沿 45°方向产生滑移，使裂纹尖端变钝，当拉应力达到 最高值时，裂纹停止扩展。 ➢ 开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿45 °继续卸载 时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化。
约为2～5个晶粒。
焊接接头和结构疲劳强度
10
裂纹扩展的第Ⅱ阶段
当第1阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转到与 最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的第Ⅱ 阶段，如图3-7。
在该阶段内，裂纹扩展的途径是 穿晶的，其扩展速率较快，每一次应 力循环大约扩展m数量级，在电子 显微镜下观察到的疲劳条纹主要是在 这一阶段内形成的。
疲劳断裂的事例
图3-1，直升飞机起落架的裂 纹是从应力集中很高的角接板 尖端开始的，该机飞行着陆 2118次后发生破坏。
图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚 5mm，承受反复弯曲应力，在角 钢和纵梁的焊接处，因应力集中 很高而产生裂纹。该车破坏时已 运行30000km。
焊接接头和结构疲劳强度 5
水压机的疲劳裂纹 是从设计不良的焊 接接头的应力集中 点产生的。
这样每经过一个加载、卸载循环，裂纹由钝化到 锐化并向前扩展一段长度△α*。在断口表面上就会遗 留下一条痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的疲 劳条纹或称疲劳辉纹。
综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹反复锐 化和钝化的过程。
焊接接头和结构疲劳强度 12
3.2.2 疲劳断口的特征
疲劳断口的宏观断口分成三个区： 疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。这三个区 与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。
• 高周疲劳：是指材料在低于屈服点的循环应力作用下，经10 5
以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅控制，故又称 应力疲劳。
• 低周疲劳：是材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用下,
经低于 10 5 次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受应变幅 控制，故又称应变疲劳。
焊接接头和结构疲劳强度 9
3.2 疲劳断裂的过程和断口特征
很严重。而且随着新材料、新工艺的不断出现，将会提出许 多疲劳强度的新问题需要研究解决。
焊接接头和结构疲劳强度 3
3.1.1 疲劳断裂事例
➢ 疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期，随着铁路运输的发 展，机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个疲劳强 度问题。
随着循环加载的不断进行，滑移线的量 加大成为滑移带，并不断加宽、加深形成
“挤出”和“挤入”现象，挤入部分向滑移
带的纵深发展，形成疲劳微裂纹(图3-6)。
这些微裂纹沿着和拉应力成45°的最大 切应力方向传播，这是疲劳裂纹扩展的第1 阶段。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环 大约只有0.lm （微米）数量级，扩展深度
第3 章 焊接接头和结构的疲劳强度
焊接接头和结构疲劳强度 1
本章主要内容和重点：
3.1 焊接结构的疲劳 3.1.1 疲劳断裂事例 3.1.2 焊接结构Βιβλιοθήκη Baidu见的疲劳类型
3.2 疲劳断裂的过程和断口特征 ★ 3.3 疲劳载荷及表示法 3.4 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 3.6 影响焊接结构疲劳强度的因素 ★
➢ 以后在第二次世界大战期间发生多起飞机疲劳失事事故。 ➢ 1954年英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引起飞
行失事，引起了人们的广泛关注，并使疲劳研究上升到新 的高度。
结构由铆接连接发展到焊接连接后，对疲劳的敏感性和产 生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳往往是从焊接接头 处产生的。
焊接接头和结构疲劳强度 4
焊接接头和结构疲劳强度 6
角焊缝改为对接焊缝降低疲劳破坏
如果在设计中，将易导致疲劳 破坏的应力集中系数高的角焊 缝改为应力集中较小的对接焊 缝，疲劳事故就可大大减少。
图3-4b用锻造法兰代替图a 原法兰，将角焊缝改为对接焊 缝大大改善抗疲劳能力。
焊接接头和结构疲劳强度 7
图3-5，美国几座桥发生在靠近焊缝端部焊趾部位的疲劳裂纹。
3.2.1疲劳断裂的过程
疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成、扩展、断裂三个阶段组成。
材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上 形成。对于承受循环载荷作用的金属材料，由于晶粒取向不同，以及存在各 种宏观或微观缺陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方向上是各不相同 的；当整体金属还处于弹性状态时，个别薄弱晶粒已进入塑性应变状态，这 些首先屈服的晶粒可以看成是应力集中区。一般认为，具有与最大切应力面 相一致的滑移面的晶粒首先开始屈服，出现滑移。
原因：裂纹部位有较高的应力集中所致。 措施：采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。
焊接接头和结构疲劳强度 8
3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型
疲劳定义：
在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积 损伤，经一定循环次数后产生的裂纹或突然发生完全断裂的过 程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。
图3-9疲劳断口上三个特征区的示意图 a) 圆形试件 b) 角接接头
1－疲劳裂纹源区 2－疲劳裂纹扩展区 3－疲劳裂纹加速扩展区 4－瞬时断裂区
焊接接头和结构疲劳强度 13
3.6.1 应力集中的影响 3.6.2 近缝区金属性能变化的影响 3.6.3 残余应力的影响 3.6.4 其他因素的影响 3.7 提高焊接接头疲劳强度的措施 ★
焊接接头和结构疲劳强度 2
第3章 焊接接头和结构的疲劳强度
3.1 焊接结构的疲劳
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 工程结构失效约80％以上是由疲劳引起的； 在某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的80％～90％； 对于承受循环载荷的焊接构件有90％以上的失效应归咎于疲
在循环加载下裂纹继续扩展，承 受载荷的横截面面积继续减小，直到 剩余有效面积小到不能承受施加的载 荷时，构件就到达最终断裂阶段（第 3阶段）。
焊接接头和结构疲劳强度 11
裂纹扩展机理--塑性钝化模型
整个疲劳过程中的主要时间是属于疲劳裂纹扩展 阶段，即第Ⅱ阶段，亦称亚临界裂纹扩展阶段。
目前广泛流行的模型是塑性钝化模型（图3-8）。 ➢ 当卸载时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态。 ➢ 开始加载时，在切应力下，裂纹尖端上下两侧沿 45°方向产生滑移，使裂纹尖端变钝，当拉应力达到 最高值时，裂纹停止扩展。 ➢ 开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿45 °继续卸载 时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化。
约为2～5个晶粒。
焊接接头和结构疲劳强度
10
裂纹扩展的第Ⅱ阶段
当第1阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转到与 最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的第Ⅱ 阶段，如图3-7。
在该阶段内，裂纹扩展的途径是 穿晶的，其扩展速率较快，每一次应 力循环大约扩展m数量级，在电子 显微镜下观察到的疲劳条纹主要是在 这一阶段内形成的。
疲劳断裂的事例
图3-1，直升飞机起落架的裂 纹是从应力集中很高的角接板 尖端开始的，该机飞行着陆 2118次后发生破坏。
图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚 5mm，承受反复弯曲应力，在角 钢和纵梁的焊接处，因应力集中 很高而产生裂纹。该车破坏时已 运行30000km。
焊接接头和结构疲劳强度 5
水压机的疲劳裂纹 是从设计不良的焊 接接头的应力集中 点产生的。
这样每经过一个加载、卸载循环，裂纹由钝化到 锐化并向前扩展一段长度△α*。在断口表面上就会遗 留下一条痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的疲 劳条纹或称疲劳辉纹。
综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹反复锐 化和钝化的过程。
焊接接头和结构疲劳强度 12
3.2.2 疲劳断口的特征
疲劳断口的宏观断口分成三个区： 疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。这三个区 与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。
• 高周疲劳：是指材料在低于屈服点的循环应力作用下，经10 5
以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅控制，故又称 应力疲劳。
• 低周疲劳：是材料在接近或超过其屈服点的循环应力作用下,
经低于 10 5 次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受应变幅 控制，故又称应变疲劳。
焊接接头和结构疲劳强度 9
3.2 疲劳断裂的过程和断口特征