焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度培訓(xùn)課件

1、焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 2016 2016年年7 7月月 主講：劉偉主講：劉偉第一節(jié)第一節(jié) 疲勞斷裂的基本概念疲勞斷裂的基本概念疲勞構(gòu)件在交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)足夠的應(yīng)力循環(huán)后形成裂紋或完全斷裂時(shí)，材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程。疲勞是一個(gè)隨時(shí)間變化的發(fā)展過(guò)程，也是在交變應(yīng)力的作用下?lián)p傷不斷形成和積累的過(guò)程。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸時(shí)，就會(huì)很快導(dǎo)致斷裂。構(gòu)件在發(fā)生疲勞破壞時(shí)，其斷口的特征為斷口有兩個(gè)明顯的區(qū)域：光滑的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和粗糙的斷裂破壞區(qū)。一般而言，裂紋起源于構(gòu)件表面的缺陷處和高應(yīng)力區(qū)。在循環(huán)載荷的作用下，裂紋上下表面不斷地開(kāi)閉，相互摩擦并由于交變載荷

2、或腐蝕環(huán)境的作用，裂紋將以不同的速率擴(kuò)展并發(fā)生形狀的改變，從而在斷口上形成疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的“海灘條帶”。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸以上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生斷裂，并在斷口上形成較為粗糙的斷裂破壞區(qū)。第二節(jié)第二節(jié) 疲勞破壞機(jī)理疲勞破壞機(jī)理一、疲勞裂紋萌生機(jī)理 疲勞裂紋成核或萌生有兩種可能來(lái)源：其一：當(dāng)材料表面有缺陷、夾雜、缺口或其它應(yīng)力集中源時(shí)，裂紋可能在此處形核；其二：由于構(gòu)件表面的應(yīng)力一般較高，且易出現(xiàn)加工痕跡等缺陷，也容易成為裂紋萌生的來(lái)源。絕大多數(shù)材料均為多晶體，其晶粒中的原子按一定的有序形式排列。其中，某些晶粒的方位可能正好使晶粒內(nèi)容易發(fā)生滑移的平面與外部施加的剪應(yīng)力方向一致，此時(shí)在晶粒內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)

3、或多個(gè)平面發(fā)生滑移的情況，既可能出現(xiàn)在高應(yīng)力循環(huán)載荷下的粗滑移，又可能出現(xiàn)在低應(yīng)力循環(huán)載荷下的細(xì)滑移。圖1 金屬中的粗滑移和細(xì)滑移材料中的滑移主要由切應(yīng)力控制。在循環(huán)載荷的作用下，切應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越多，滑移就越嚴(yán)重?；坪螅诓牧媳砻鎸⑿纬苫频臄D出帶和凹入帶。在凹入處將形成應(yīng)力集中，成為裂紋萌生的起源。圖2 滑移后在材料中形成的裂紋 二、疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理 疲勞裂紋在表面處形核，由最大切應(yīng)力控制，并在與外力成45角的切應(yīng)力方向上形成微裂紋。在循環(huán)載荷的作用下，這些微裂紋將擴(kuò)展并連接，當(dāng)其長(zhǎng)度達(dá)到幾十微米后，其方向?qū)⒅饾u偏離到與外力垂直的平面內(nèi)，使裂紋從第一階段擴(kuò)展向第二階段擴(kuò)展轉(zhuǎn)變。圖3

4、疲勞裂紋擴(kuò)展階段在疲勞裂紋擴(kuò)展的第一階段，一般只有一個(gè)裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展；在第一階段向第二階段轉(zhuǎn)變時(shí)，其裂紋長(zhǎng)度通常只有幾個(gè)晶粒的大小。第二階段是裂紋由幾個(gè)晶粒大小擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸（af），該階段的裂紋擴(kuò)展稱(chēng)為疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展或穩(wěn)定擴(kuò)展。Laird關(guān)于疲勞裂紋擴(kuò)展的“塑性鈍化模型”：在每一循環(huán)開(kāi)始時(shí)，應(yīng)力為零，裂紋處于閉合狀態(tài)，如圖a;當(dāng)拉應(yīng)力增大時(shí)，裂紋張開(kāi)，在裂紋尖端沿最大切應(yīng)力方向?qū)a(chǎn)生滑移，如圖b；當(dāng)拉應(yīng)力增大到最大值時(shí)，裂紋進(jìn)一步張開(kāi)，塑性變形也隨之增大，使裂紋尖端產(chǎn)生鈍化，如圖c；圖4 塑性鈍化模型裂紋尖端鈍化后，應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴(kuò)展。卸載時(shí)，拉應(yīng)力減小，裂紋逐漸閉合，裂紋

5、尖端滑移方向改變，如圖d；當(dāng)應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力時(shí)，裂紋閉合，裂紋尖端銳化，又回復(fù)到以前的狀態(tài)， 但長(zhǎng)度已經(jīng)增加了，如圖e，并在斷口上留下了一條疲勞條紋。圖4 塑性鈍化模型右圖為鋁合金中的疲勞條紋。研究表明，疲勞條紋數(shù)與應(yīng)力循環(huán)是一一對(duì)應(yīng)的，即每一個(gè)疲勞條紋都是在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)形成的，但不是每一次應(yīng)力循環(huán)都一定形成一條疲勞條紋，有的循環(huán)并不引起裂紋擴(kuò)展。圖5 鋁合金中的疲勞條紋疲勞條紋與海灘條帶的區(qū)別：疲勞條紋是一種尺寸較小的微觀裂紋，必須借助于高倍顯微鏡才能觀察；海灘條帶則為尺寸較大的宏觀裂紋，用低倍顯微鏡甚至肉眼就可觀察到。對(duì)于高強(qiáng)度材料或脆性材料，微裂紋常直接在夾雜或空洞處出現(xiàn)，然后在最大拉應(yīng)

6、力面內(nèi)擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某臨界長(zhǎng)度時(shí)，將發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展而迅速導(dǎo)致斷裂，該階段為失穩(wěn)擴(kuò)展或瞬斷階段。第三節(jié)第三節(jié) 疲勞斷裂力學(xué)的基本概念疲勞斷裂力學(xué)的基本概念 一、裂紋的亞臨界擴(kuò)展 對(duì)于一個(gè)含有初始裂紋a0的構(gòu)件，當(dāng)承受靜載荷時(shí)，只有當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力c，即當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值K1c時(shí)，才會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。圖6 亞臨界裂紋擴(kuò)展與臨界裂紋尺寸假設(shè)構(gòu)件承受一個(gè)低于c但又足夠大的循環(huán)應(yīng)力，則該初始裂紋a0便會(huì)發(fā)生緩慢擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到臨界裂紋尺寸時(shí)，就會(huì)使構(gòu)件發(fā)生破壞。裂紋在循環(huán)應(yīng)力的作用下，由初始裂紋a0擴(kuò)展到臨界值ac時(shí)的過(guò)程，即為疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段。圖6 亞臨界裂紋擴(kuò)展與臨界裂紋尺

7、寸一般情況下，裂紋擴(kuò)展速率可由下式表示： da / dN= f (、a、c)式中，N循環(huán)應(yīng)力； 應(yīng)力； a裂紋長(zhǎng)度； c與材料有關(guān)的常數(shù)。帕瑞斯指出，應(yīng)力強(qiáng)度因子K是控制裂紋擴(kuò)展速率的重要參量，并提出裂紋擴(kuò)展的經(jīng)驗(yàn)公式為： da / dN= C(K) n式中，K為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度Kmax-Kmin； C和n是由材料決定的常數(shù)。由于帕瑞斯公式存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：首先，它未考慮平均應(yīng)力對(duì)da / dN的影響；其次，未考慮當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子趨于臨界值K1c時(shí)，裂紋的加速擴(kuò)展效應(yīng)。為此，福曼提出了如下的修正公式：da / dN= C(K) n /（1-r）K1c -K式中，r表示平均作用應(yīng)力的循

8、環(huán)特性。右圖為鋁合金在不同的循環(huán)特性r的條件下， da / dN K 的關(guān)系。可見(jiàn)，在同一K值時(shí)，平均應(yīng)力r值越高，裂紋擴(kuò)展速率也越高。圖7 鋁合金的da / dN K 關(guān)系曲線在福曼公式中，由于高韌性材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1c很難測(cè)出，故福曼公式難以描述高韌性材料的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。為此，華格提出了如下的裂紋擴(kuò)展公式： da / dN= CKmax（1-r）mn式中，m、n、c為與材料和介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。Kmax（1-r）m為有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。當(dāng)m=1時(shí)，該公式與帕瑞斯公式完全一致。圖8 分別用福曼公式和華格公式處理的鋁合金的da / dN K 關(guān)系曲線 二、疲勞裂紋的擴(kuò)展特性 試驗(yàn)表明，絕大多

9、數(shù)材料的指數(shù)m=24，n=27。金屬材料的da / dN K關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上表現(xiàn)為并非一條直線，而是由四條不同斜率的線段組成：第一條線段：當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度小于某一界限值K th時(shí)，裂紋不發(fā)生擴(kuò)展；當(dāng)外加應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度達(dá)到K th后，裂紋擴(kuò)展速率急速上升，幾乎與縱坐標(biāo)平行。將K th定義為應(yīng)力強(qiáng)度因子的門(mén)檻值。第二條線段：稍微增加K 值， da / dN K 關(guān)系呈指數(shù)n1變化，在斷口上表現(xiàn)為此擴(kuò)展階段為平斷口，與外力成90，為穿晶斷裂，有典型的疲勞輝紋。第三條線段：繼續(xù)增加K時(shí)，出現(xiàn)斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，測(cè)得該點(diǎn)的裂紋擴(kuò)展速率為10-310-4mm/次，線段的斜率降為n2 ，該階段的斷口為與外力成

10、45的切變斜斷口，為解理斷裂與疲勞斷裂的混合。圖9 金屬材料的da / dN K在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的關(guān)系繼續(xù)增加K，當(dāng)Kmax逐漸達(dá)到材料的K1c時(shí)，將出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展速度加速的第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此后斜率將大增，在此階段宏觀斷口為全切變斷口。研究表明，各種材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速度加速轉(zhuǎn)變點(diǎn)，幾乎均在一恒定的裂紋張開(kāi)位移幅度下發(fā)生，即第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)的t=3.9610-2mm。圖9 金屬材料的da / dN K在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的關(guān)系對(duì)于發(fā)生在高應(yīng)力、低循環(huán)、高擴(kuò)展速率的高應(yīng)變循環(huán)疲勞（即低循環(huán)疲勞或塑性疲勞），此時(shí)應(yīng)控制材料的應(yīng)變幅值，而非應(yīng)力。如果用裂紋尖端的張開(kāi)位移來(lái)描述此時(shí)的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，則可表示為： da /

11、dN= C（t）m可見(jiàn)，裂紋尖端的張開(kāi)位移幅度t是影響裂紋擴(kuò)展速度的主要參量。第四節(jié)第四節(jié) 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素 一、應(yīng)力集中的影響 焊接構(gòu)件由于幾何不連續(xù)、材料成分不均勻或加工形成的缺陷等原因，使構(gòu)件內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低了構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力集中程度用應(yīng)力集中系數(shù)KT表示。1、接頭形式引起應(yīng)力集中的影響在對(duì)接接頭中，對(duì)于質(zhì)量良好的具有一定量余高的焊縫，主要應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生在焊趾處。裂紋可在焊縫或熱影響區(qū)內(nèi)形成，然后向基體金屬或焊縫金屬內(nèi)擴(kuò)展。由于應(yīng)力集中系數(shù)的不同，對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響最大。 圖10 對(duì)接焊縫的斷裂部位a、過(guò)渡角的影響右圖為材料的

12、疲勞強(qiáng)度與焊縫金屬過(guò)渡角的關(guān)系。試驗(yàn)中，焊縫寬度W和高度h變化，但h/W比值保持不變，即過(guò)渡角保持不變。此時(shí)疲勞強(qiáng)度也保持不變；若W不變，h變化，則h增加，疲勞強(qiáng)度降低，原因是因?yàn)檫^(guò)渡角增加。圖11 焊縫余高對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響b、焊縫金屬過(guò)渡半徑的影響隨著焊縫金屬過(guò)渡半徑R的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加；過(guò)渡角越大，疲勞強(qiáng)度下降越大。圖12 焊縫過(guò)渡半徑、過(guò)渡角對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響c、機(jī)加工的影響若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，焊縫的應(yīng)力集中程度將大大減小，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度將相應(yīng)提高。由于機(jī)械加工使成本提高，故只有確實(shí)需要時(shí)，才宜采用機(jī)加工。當(dāng)焊縫有嚴(yán)重缺陷時(shí)，由于有高度的應(yīng)力集中，此時(shí)采用機(jī)加工則毫無(wú)意義

13、。 對(duì)于十字接頭或T形接頭，由于在焊縫向基體金屬過(guò)渡處具有明顯的截面變化，故其應(yīng)力集中系數(shù)較高。對(duì)于未開(kāi)坡口或未焊透的接頭，其疲勞斷裂易出現(xiàn)在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)：基體金屬與焊縫趾端的交界處或焊縫上。當(dāng)焊縫的厚度a與板厚B之比a/B0.60.7時(shí)，一般斷于焊縫處；當(dāng)a/B0.7時(shí)，一般斷于焊趾處。圖13 角焊縫和極限尺寸對(duì)于開(kāi)坡口并焊透的十字接頭或T形接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而非焊縫處。提高十字接頭或T形接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開(kāi)坡口焊接，并加工焊縫過(guò)渡處使之圓滑過(guò)渡，就可大幅度提高接頭的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)不承受工作應(yīng)力時(shí)， T形接頭的疲勞強(qiáng)度一般高于十字接頭。圖14 不承受載荷的十字接頭和T形接頭的

14、疲勞強(qiáng)度2、缺陷引起應(yīng)力集中的影響a、裂紋焊縫中的冷、熱裂紋是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源，會(huì)大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強(qiáng)度。b、未焊透構(gòu)件未焊透時(shí)將削弱截面積和引起應(yīng)力集中，是疲勞裂紋主要的萌生來(lái)源。圖15 未焊透對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響c、氣孔由于氣孔減少了截面尺寸，故焊接接頭中隨氣孔的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度下降。同時(shí)，氣孔是應(yīng)力集中源，易成為疲勞裂紋的起裂點(diǎn)。研究表明，氣孔的位置對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響比其尺寸影響更大。當(dāng)氣孔處于構(gòu)件表面或表層下時(shí)，其不利影響最大。一般而言，構(gòu)件中的表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力方向垂直的面狀缺陷比其它方向缺陷的影響大；位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷比殘余壓應(yīng)力區(qū)缺陷的影響大；

15、位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的缺陷比均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣的缺陷影響大。 二、殘余應(yīng)力的影響 右圖為構(gòu)件在不同的平均應(yīng)力m時(shí)的極限應(yīng)力振幅值a的疲勞圖。當(dāng)構(gòu)件中的應(yīng)力振幅值大于極限幅值時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生疲勞破壞。隨著m的增加，極限應(yīng)力幅值降低。圖16 疲勞強(qiáng)度與m、a的關(guān)系試驗(yàn)表明，焊接次序不同，構(gòu)件的焊接應(yīng)力也不同。如右圖，第一組試樣先縱向焊接，后橫向焊接；第二組試樣先橫向焊接，后縱向焊接。在焊縫交叉處，第一組試樣的拉伸焊接應(yīng)力低于第二組，即第一組的疲勞強(qiáng)度高于第二組。圖17 不同焊接次序?qū)ζ趶?qiáng)度的影響試驗(yàn)表明，構(gòu)件焊接后進(jìn)行熱處理可消除應(yīng)力，有利于疲勞強(qiáng)度的提高。圖18 熱處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響1-焊態(tài)；2-焊

16、后熱處理第五節(jié)第五節(jié) 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施 一、降低應(yīng)力集中 a、結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。b、盡量選用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭，如采用對(duì)接接頭等。在對(duì)接焊縫中，應(yīng)保證基體金屬與焊縫之間平滑過(guò)渡，并對(duì)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行機(jī)械打磨。在對(duì)接焊縫中，當(dāng)聯(lián)接件的接頭形狀突然改變時(shí)，在端部易存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。圖19 不合理的對(duì)接焊縫c、當(dāng)采用角焊縫時(shí)，需采取綜合措施來(lái)降低應(yīng)力集中并消除殘余應(yīng)力的不利影響，以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。如：對(duì)焊縫端部進(jìn)行機(jī)械加工；合理選擇角接板形狀；保證焊縫根部熔透等。d、采用機(jī)械加工，消除焊縫及周?chē)母鞣N刻槽，以降低構(gòu)件的應(yīng)力集中程度，提高接頭的疲勞強(qiáng)度。e、采用電弧整形的方法代替機(jī)械加工，使焊縫與基體金屬間平滑過(guò)渡。如右圖，用鎢極氬弧焊在焊接接頭的過(guò)渡區(qū)重熔一次，使焊縫與基體金屬間平滑過(guò)渡，并可減少微小非金屬夾雜，以提高疲勞強(qiáng)度。圖20 對(duì)接頭進(jìn)行整形 二、調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng) 1、整體處理一般情況下，在循環(huán)應(yīng)力較小、應(yīng)力循環(huán)系數(shù)較低、應(yīng)力集中程度較高時(shí)，此時(shí)殘余拉應(yīng)力的不良影響較大，可采用整體退火的辦法以降低應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。 2、局部處理采用