焊接結(jié)構(gòu)學(xué)第六章

1、 第6章 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度6.1 材料及結(jié)構(gòu)疲勞失效的特征 材料在變動(dòng)載荷作用下，會(huì)產(chǎn)生微觀的和宏觀的塑性變形，這種塑性變形會(huì)降低材料的繼續(xù)承載能力并引起裂紋，隨著裂紋逐步擴(kuò)展，最后將導(dǎo)致斷裂，這一過(guò)程稱(chēng)為疲勞。簡(jiǎn)單說(shuō)，疲勞即是裂紋的萌生與擴(kuò)展過(guò)程。以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計(jì)，裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段是總壽命的主要部分。疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。大量統(tǒng)計(jì)資料表明，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90%。 工程實(shí)際中的疲勞有多種表現(xiàn)形式，其中包括完全由變動(dòng)外載荷引起的機(jī)械疲勞，表面間滾動(dòng)接觸與交變應(yīng)力共同作用下的接觸疲勞，在高溫和交變應(yīng)力作用下的蠕變疲勞，以及溫度變化引起的熱疲勞等。

2、本章只討論具有典型和普遍意義的材料、焊接接頭和結(jié)構(gòu)的機(jī)械疲勞情況。材料及結(jié)構(gòu)疲勞失效第一個(gè)特征表現(xiàn)為：疲勞斷裂形式與脆性斷裂形式有明顯差別。疲勞與脆性斷裂相比較，雖然二者斷裂時(shí)的形變都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需多次加載，結(jié)構(gòu)脆斷是瞬時(shí)完成的，而疲勞裂紋的擴(kuò)展則是緩慢的，有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年時(shí)間。此外對(duì)于脆性斷裂來(lái)說(shuō)，溫度的影響是極其重要的，隨著溫度的降低，脆性斷裂的危險(xiǎn)性迅速增加，但疲勞強(qiáng)度卻木是這樣。疲勞斷裂和脆性斷裂相比還有不同的斷口特征等。 材料及結(jié)構(gòu)疲勞失效第二個(gè)特征表現(xiàn)為：疲勞強(qiáng)度難以準(zhǔn)確定量確定。疲勞過(guò)程受相互聯(lián)系的諸多因素影響，往往在同一組試驗(yàn)中或同一問(wèn)題的不同試驗(yàn)

3、之間均存在試驗(yàn)結(jié)果（強(qiáng)度數(shù)值）分散問(wèn)題，因而難以準(zhǔn)確定量預(yù)測(cè)。工程實(shí)踐中的工作疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)，如果僅基于一般的技術(shù)資料和理論知識(shí)而不直接進(jìn)行實(shí)際工作條件下的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，那么這種預(yù)測(cè)的可靠性只能作為表征設(shè)計(jì)、制造和使用等工作是否恰當(dāng)?shù)囊环N指標(biāo)。 材料及結(jié)構(gòu)疲勞失效第三個(gè)特征表現(xiàn)為：疲勞破壞一般從表面和應(yīng)力集中處開(kāi)始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞又往往是從焊接接頭處產(chǎn)生。 圖6-1 圖6-3是焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一些疲勞破壞事例。圖6-1為直升飛機(jī)起落架的疲勞斷裂圖。裂紋是從應(yīng)力集中很高的角接板尖端開(kāi)始的。該機(jī)飛行著陸2118次后發(fā)生破壞，屬于低周疲勞。圖6-2為載貨汽車(chē)底架縱梁疲勞斷裂。該梁板厚5mm，承受反復(fù)的

4、彎曲應(yīng)力。在角鋼和縱梁的焊接處，因應(yīng)力集中很高而產(chǎn)生裂紋。該車(chē)破壞時(shí)已運(yùn)行30000km。圖6-3表示空氣壓縮機(jī)法蘭盤(pán)和管道連接處，因采用應(yīng)力集中系數(shù)很高的角焊縫而導(dǎo)致的疲勞斷裂。改為應(yīng)力集中較小的對(duì)接焊縫后，疲勞事故大大減少。從上述幾個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂事故中，可以清楚地看到焊縫接頭的重要影響。因此，采用合理的接頭設(shè)計(jì)、提高焊縫質(zhì)量、消除焊接缺陷是防止和減少結(jié)構(gòu)疲勞事故的重要方面。 近年來(lái)，雖然在這方面的研究已經(jīng)取得很大成績(jī)，但是焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故仍然不斷發(fā)生，而且隨著焊接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用而增加。由于結(jié)構(gòu)的工作參數(shù)不斷提高，采用高強(qiáng)度鋼的結(jié)構(gòu)日益增多。高強(qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性比低碳鋼高，如

5、果處理不當(dāng)，高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度反而會(huì)低于低碳鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。隨著新材料工藝的不斷出現(xiàn)，將會(huì)提出許多疲勞強(qiáng)度的新問(wèn)題，需要研究解決。6.2疲勞試驗(yàn)及疲勞圖6.2.1 疲勞載荷及其表示法由于金屬的疲勞是在變動(dòng)載荷下經(jīng)過(guò)一定循環(huán)周次才出現(xiàn)的，所以首先要了解變動(dòng)載荷的特性。變動(dòng)載荷是指載荷大小、方向、波形、頻率和應(yīng)力幅隨時(shí)間發(fā)生周期性或無(wú)規(guī)則變化的一類(lèi)載荷。變動(dòng)載荷或應(yīng)力循環(huán)特性主要用下列參量表示：max變動(dòng)載荷或應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力；min變動(dòng)載荷或應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最小應(yīng)力；m=平均應(yīng)力；a=應(yīng)力振幅或應(yīng)力半幅；r=應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)或應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱(chēng)系數(shù)。 描述循環(huán)載荷的上述參數(shù)如圖6-4所示。

6、很容易看出，max=m+a和min=m-a。因此，可以把任何變動(dòng)載荷看作是某個(gè)不變的平均應(yīng)力（靜載恒定應(yīng)力部分）和應(yīng)力振幅（交變應(yīng)力部分）的組合。 r也可用表示，其變化范圍為- +1。當(dāng)r= -1時(shí)，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)交變載荷，如火車(chē)軸的彎曲、曲軸曲頸的扭轉(zhuǎn)等，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)也屬于這一類(lèi)，其疲勞強(qiáng)度用-1表示；當(dāng)r=0時(shí)，稱(chēng)為脈動(dòng)載荷，例如齒輪齒根的彎曲，其疲勞強(qiáng)度用0表示；r一1的情況都稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)載荷或不對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)，其疲勞強(qiáng)度用r表示，下標(biāo)r用相應(yīng)的特性系數(shù)表示，如0.3。例如氣缸蓋螺釘受大拉小拉的拉伸變載荷作用時(shí)，0<r<1；而內(nèi)燃機(jī)連桿受小拉大壓循環(huán)應(yīng)力作用時(shí)，r<0；滾動(dòng)軸

7、承的滾珠承受循環(huán)壓應(yīng)力時(shí)，r = -。各種周期性載荷可簡(jiǎn)單區(qū)分為脈動(dòng)拉伸載荷、交變載荷和脈動(dòng)壓縮載荷三種情況，如圖6-5所示。6.2.2基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)及疲勞曲線在金屬構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用中，如果載荷數(shù)值或方向變化頻繁時(shí)，即使載荷的數(shù)值比靜載強(qiáng)度極b小得多，甚至比材料的屈服極限s低得多，構(gòu)件仍然可能破壞。工程上最早的基礎(chǔ)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)是A. Wohler(1819 - 1914)所做的循環(huán)載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)用一光滑（或帶缺口）試件或?qū)嶋H構(gòu)件，使其受周期性重復(fù)（通常為正弦型）的恒幅載荷（拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)）作用，直至出現(xiàn)裂紋或完全斷裂。根據(jù)試件在裂紋萌生或完全斷裂時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N與載荷幅或應(yīng)力幅可

8、做出圖6-6所示的烏勒（Wohler亦譯作韋勒）疲勞曲線，即S-N曲線。其中最重要的有兩種，即平均載荷為零時(shí)的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞強(qiáng)度曲線和最小載荷為零時(shí)的脈動(dòng)疲勞強(qiáng)度曲線。在低周疲勞時(shí)，因?yàn)檩d荷數(shù)值大，根據(jù)斷裂力學(xué)知識(shí)，此時(shí)常常以可承受的位移或應(yīng)變代替載荷或應(yīng)力來(lái)做出與破壞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，故此時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)常稱(chēng)為位移疲勞試驗(yàn)或應(yīng)變疲勞試驗(yàn)。實(shí)際情況下的疲勞載荷多為幅值變化且常是非周期性的變化過(guò)程，對(duì)此恒幅周期性循環(huán)載荷烏勒試驗(yàn)便顯得不夠?qū)嵱昧?。此時(shí)可用隨機(jī)試驗(yàn)來(lái)代替烏勒試驗(yàn)，隨機(jī)疲勞試驗(yàn)時(shí)，僅給定載荷幅變動(dòng)范圍和頻率范圍，直至裂紋萌生或發(fā)生斷裂為止。但實(shí)際中的加載過(guò)程并非是嚴(yán)格的隨機(jī)過(guò)程，為了進(jìn)一步

9、改善試驗(yàn)結(jié)果，可采用直方圖幅值加載（多級(jí)載荷試驗(yàn)、載荷單元程序加載試驗(yàn)）或載荷歷程模擬試驗(yàn)。從烏勒疲勞曲線上可以看出，當(dāng)金屬承受的應(yīng)力幅越大，則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少；反之，應(yīng)力幅越小，則N越大。當(dāng)應(yīng)力幅低于某值時(shí)，應(yīng)力循環(huán)無(wú)數(shù)次也不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，此時(shí)的應(yīng)力幅稱(chēng)為材料的疲勞極限，即曲線水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值。如果把圖6-6a中的橫坐標(biāo)改為載荷環(huán)數(shù)的對(duì)數(shù)InN，則金屬破壞應(yīng)力與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系曲線=f( N)可用兩條直線表示，如圖6-7所示，水平線代表疲勞極限的數(shù)值。需要特別說(shuō)明的是，不同材料的疲勞曲線走向有所差異，大致可分為兩種類(lèi)型，如圖 6 -7所示。對(duì)于具有應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象的金屬，如常溫

10、下的鋼鐵材料，疲勞曲線有明顯的水平部分，如圖6-7a所示，此時(shí)疲勞極限有明確的物理意義。而對(duì)于沒(méi)有應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象的金屬，如鋁合金等非鐵材料、在高溫下或腐蝕介質(zhì)中工作的鋼等，其疲勞曲線上沒(méi)有水平部分，如圖6-7b所示，這時(shí)就根據(jù)具體情況和使用壽命人為規(guī)定某一 N0值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為“條件疲勞極限”或“有限疲勞極限”，N0稱(chēng)為循環(huán)基數(shù)。6.2.3 疲勞強(qiáng)度的常用表示法疲勞圖為了表達(dá)疲勞強(qiáng)度和循環(huán)特性之間的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)繪出疲勞圖。從疲勞圖中可以得出各種循環(huán)特性下的疲勞強(qiáng)度。疲勞圖可以有幾種形式。(1)用max和r表示的疲勞圖 即Moore，Kommers疲勞強(qiáng)度圖，如圖6-8所示。它能直接將max與r的

11、關(guān)系表示出來(lái)。(2)用max和m表示的疲勞圖 即Smith疲勞強(qiáng)度圖，如圖6-9所示。圖中橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力m，縱坐標(biāo)表示應(yīng)力max和min的數(shù)值。在與水平線成45o角的方向內(nèi)繪一虛線，將振幅的數(shù)值a對(duì)稱(chēng)地繪在斜線的兩側(cè)。兩曲線相交于C點(diǎn)，此點(diǎn)表示循環(huán)振幅為零，其疲勞強(qiáng)度與靜載強(qiáng)度b相當(dāng)。線段ON表示對(duì)稱(chēng)循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度。在該疲勞圖上可以用作圖法求出任何一種循環(huán)特性系數(shù)r下的疲勞強(qiáng)度，自O(shè)點(diǎn)作一與水平線成a角的直線，使tan= =則直線與圖形上部曲線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是該循環(huán)特性下的疲勞強(qiáng)度盯，。(3)用a和m表示的疲勞圖 即Haigh疲勞強(qiáng)度圖，如圖6-10所示。圖中橫坐標(biāo)為平均應(yīng)力m，縱坐標(biāo)

12、為振幅a，曲線上各點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度r=a+m。曲線與縱軸交點(diǎn)A的縱坐標(biāo)即為對(duì)稱(chēng)循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度-1；曲線與橫軸交點(diǎn)B的橫坐標(biāo)即為靜載強(qiáng)度b。此時(shí)，a=0，r=1，從O點(diǎn)作45o射線與曲線的交點(diǎn)C表示脈動(dòng)循環(huán)，其疲勞強(qiáng)度0=a+m=2a=2m。若自O(shè)點(diǎn)作一與水平軸成角的射線與曲線相交，并使tan=則交點(diǎn)的a +m=即為循環(huán)特性系數(shù)為r時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。(4)用max和min表示的疲勞圖 即Goodman疲勞強(qiáng)度圖，如圖6-11所示。圖中縱坐標(biāo)表示循環(huán)中的最大應(yīng)力max，橫坐標(biāo)表示循環(huán)中的最小應(yīng)力min，由原點(diǎn)出發(fā)的每條射線代表一種循環(huán)特性。例如由原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)傾斜45o的直線表示交變載荷，r=mi

13、n/max=-1，它與曲線交于B點(diǎn)，BB，即為-1；向右與橫坐標(biāo)傾斜45o的直線表示靜載r=1，它與曲線交于D點(diǎn)，DD即為靜載強(qiáng)度b，而縱坐標(biāo)本身又表示脈動(dòng)載r=0，CC即為0。 圖6-12為一組實(shí)例。該鋼種的靜載強(qiáng)度為588N/mm2（A點(diǎn)）。200萬(wàn)次脈動(dòng)循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為304N/ mm2（B點(diǎn)）。而其交變載荷r=-1的疲勞強(qiáng)度為196N/mm2（C點(diǎn)）。對(duì)于r=-1的疲勞強(qiáng)度，根據(jù)ADB線的交點(diǎn)即可找出，為412N/mm2。同樣在該圖上也可找出N=100萬(wàn)次的各種循環(huán)特性的疲勞強(qiáng)度值。6.2.4 各類(lèi)參數(shù)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響1材料的影響不同材料的疲勞強(qiáng)度不同，鋼材和輕金屬的條件疲勞極限(斷裂

14、循環(huán)次數(shù)N0=2×106)由無(wú)缺口的拋光試件在烏勒疲勞試驗(yàn)中得到，其值與材料的抗拉強(qiáng)度b有關(guān)。對(duì)于鋼材，有-1=0.4 -0.6b ；0=0.6-0.8b對(duì)于鋁合金，有-1=0.4 -0.6b鋼材的對(duì)稱(chēng)交變循環(huán)疲勞強(qiáng)度-1，亦可以表示為與硬度的一定比例關(guān)系，其數(shù)值取決于鋼材的成分和生產(chǎn)工藝（熔煉、澆注、冷熱加工及熱處理）。彎曲應(yīng)力情形下所得數(shù)值比拉伸、壓縮應(yīng)力時(shí)高。2表面狀況的影響試件的表面狀況對(duì)疲勞強(qiáng)度有相當(dāng)大的影響，因?yàn)槠趽p傷通常是從表面開(kāi)始的，表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可用表面系數(shù)k*來(lái)表示，如圖6-13所示。表面粗糙度數(shù)值的大小決定著疲勞強(qiáng)度降低的程度。軋制表面的疲勞強(qiáng)度低

15、于切削粗加工表面，就是因?yàn)橄啾戎萝堉票砻婢哂休^大的表面粗糙度值及較嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象。環(huán)境的腐蝕作用對(duì)疲勞強(qiáng)度亦有很大影響，非合金鋼的疲勞強(qiáng)度在潮濕的空氣中降低1/3，在鹽水中降低2/3。此外，表面硬化及表面層中的殘余壓應(yīng)力則可使疲勞強(qiáng)度大為提高。3循環(huán)次數(shù)的影響對(duì)應(yīng)不同的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)，疲勞強(qiáng)度有很大不同，從各類(lèi)不同形式的疲勞圖中可以清楚地表達(dá)出來(lái)，如圖6-14圖6-17所示。4應(yīng)力性質(zhì)的影響應(yīng)力特性對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響亦很大，抗拉強(qiáng)度與擾壓強(qiáng)度范圍內(nèi)的疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）有很大不同，如圖6-18所示。平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響如圖6-19a所示，對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞強(qiáng)度-1，與脈動(dòng)循環(huán)疲勞強(qiáng)度0在S-N

16、疲勞曲線上的位置有較大差別，如圖6-19b所示。復(fù)合（多軸）應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度主要由Von Mises變形能準(zhǔn)則或與之相近的Tresca最大切應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)確定。當(dāng)各外加循環(huán)應(yīng)力分量有相位差時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)一附加強(qiáng)度下降。5缺口效應(yīng)的影響試件或結(jié)構(gòu)的缺口狀況對(duì)其疲勞強(qiáng)度有顯著的影響，承受疲勞載荷時(shí)缺口頂端的應(yīng)力集中自始至終影響著疲勞強(qiáng)度，在有尖銳缺口和裂紋時(shí)，條件疲勞極限范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一種可限制缺口應(yīng)力集中效應(yīng)的彈性約束效應(yīng)（微觀結(jié)構(gòu)約束效應(yīng)），而有限壽命疲勞強(qiáng)度范圍內(nèi)會(huì)因缺口頂端的塑性變形而產(chǎn)生一種附加的約束效應(yīng)（宏觀結(jié)構(gòu)約束效應(yīng)）。因此，決定疲勞斷裂的不單是應(yīng)力，還有缺口頂端的塑性應(yīng)變。圖6-20

17、所示的不同疲勞缺口系數(shù)Kf情況下的結(jié)構(gòu)鋼裂紋萌生S-N曲線，可用于實(shí)際設(shè)計(jì)（斷裂S-N曲線則更陡且平移），可以看到Kf對(duì)疲勞強(qiáng)度的顯著影響。此外，載荷循環(huán)頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度也有不同程度的影響，鋼疲勞強(qiáng)度受載荷循環(huán)頻率影響不大，工程技術(shù)中常用的頻率范圍是0.1 200Hz，低溫試驗(yàn)表明雖然頻率的增高試件疲勞強(qiáng)度稍有增加，但是溫度升高到一定程度后，隨著頻率的增高試件疲勞強(qiáng)度又會(huì)下降，對(duì)于鋁合金，這種頻率影響較為明顯。與材料的靜載強(qiáng)度類(lèi)似，其疲勞強(qiáng)度在低溫時(shí)增加，在高溫時(shí)降低，高溫時(shí)要注意蠕變過(guò)程。6.3 疲勞斷裂的物理過(guò)程和斷口特征疲勞斷裂的過(guò)程一般由三個(gè)階段所組成：在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋裂紋萌

18、生；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；失穩(wěn)斷裂。當(dāng)然在這三個(gè)階段之間是沒(méi)有嚴(yán)格界限的。例如疲勞裂紋“產(chǎn)生”的定義就帶有一定的隨意性，這主要是因?yàn)椴捎玫牧鸭y檢測(cè)技術(shù)不一而引起的。從研究疲勞機(jī)理出發(fā)，有人采用電子顯微鏡，把裂紋長(zhǎng)大到1000（1=10-10m）之前定義為裂紋產(chǎn)生階段。但從工程實(shí)用角度出發(fā)，則一般又以低倍顯微鏡( x10)看到之前為裂紋產(chǎn)生階段。不論對(duì)焊縫的過(guò)渡區(qū)還是對(duì)母材光滑式樣，有關(guān)研究都表明：裂紋長(zhǎng)度達(dá)到1mm（工程中的初始裂紋長(zhǎng)度）的裂紋萌生時(shí)間的90%均消耗在微觀裂紋擴(kuò)展上，裂紋萌生初期包括位錯(cuò)在滑移面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)、在晶粒內(nèi)伴隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)滑移帶和滑移帶上材料形成微觀分離。滑移帶首先出現(xiàn)在缺口、缺

19、陷、夾雜物、空穴和裂紋等引起的局部應(yīng)力集中區(qū)域。在裂紋萌生最后階段，晶粒內(nèi)滑移帶上材料中出現(xiàn)微觀分離，最終形成與晶粒尺寸相當(dāng)、能夠進(jìn)一步擴(kuò)展的微觀裂紋。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段指：在循環(huán)載荷作用下，微觀裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展成為大小與構(gòu)件宏觀尺寸（如板厚）相當(dāng)?shù)呐R界宏觀裂紋的過(guò)程，這一過(guò)程在總壽命中占主要部分。裂紋尺寸達(dá)到臨界值后隨即出現(xiàn)最終失穩(wěn)斷裂。同樣，失穩(wěn)斷裂階段的定義也是不嚴(yán)格的，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)的形式而定。例如對(duì)于承力構(gòu)件，可以定義為扣除裂紋面積的凈截面已不能在承受所施應(yīng)力時(shí)為斷裂階段；而對(duì)于壓力容器則把出現(xiàn)泄漏時(shí)定為斷裂階段的開(kāi)始等。在焊接接頭中，產(chǎn)生疲勞裂紋一般要比其他連接形式的循環(huán)次數(shù)少。這是因?yàn)楹?/p>

20、接接頭中不僅有應(yīng)力集中（如角焊縫的焊趾處），而且這些部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷，殘余焊接應(yīng)力也比較高。例如焊趾處往往存在有微小非金屬夾渣物，而疲勞裂紋也正是起源于這些缺陷處。對(duì)接焊縫和角焊縫的根部，也能觀察到夾渣韌、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因?yàn)橛羞@些缺陷存在，致使焊接接頭中的疲勞裂紋產(chǎn)生階段往往只占整個(gè)疲勞過(guò)程中的一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間，主要的時(shí)間是屬于裂紋擴(kuò)展。對(duì)斷裂表面進(jìn)行細(xì)致的宏觀檢查可以看到，從斷裂開(kāi)始點(diǎn)向四周射出類(lèi)似貝殼紋的疲勞裂紋。圖6-21為從焊趾裂紋開(kāi)始的疲勞裂紋。由圖可以清楚地看出疲勞裂紋從焊趾裂紋向外輻射而貫穿空板厚，最后造成構(gòu)件斷裂。對(duì)于塑性材料，宏觀端口為纖維狀，暗灰色；對(duì)于

21、脆性材料則是結(jié)晶狀。根據(jù)宏觀斷口上的疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)與最后失穩(wěn)斷裂區(qū)所占面積的相對(duì)比例，可以估計(jì)所受應(yīng)力高低和應(yīng)力集中程度的大小。一般來(lái)說(shuō)，失穩(wěn)瞬斷區(qū)的面積越大，越靠近斷口面中心，則表示工件過(guò)載程度越大；反之，其面積越小，位置越靠近斷口邊緣，則表示過(guò)載程度越小。兩個(gè)區(qū)域大小也受材料的斷裂韌度K1c值控制，同等應(yīng)力水平下，K1c值越高，最后失穩(wěn)斷裂區(qū)所占面積越小，K1c值越小，最后失穩(wěn)斷裂區(qū)所占面積越大。表6-1為各種類(lèi)型的疲勞斷口形態(tài)示意圖，它表征了載荷類(lèi)型、應(yīng)力大小和應(yīng)力集中等因素對(duì)斷口形態(tài)的影響。 在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，顯微斷口分析表明，在均勻的循環(huán)應(yīng)力作用下，只要應(yīng)力值足夠大，一般每一

22、次應(yīng)力循環(huán)將在斷裂表面產(chǎn)生一道輝紋，如圖6-22所示。疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理有不同的解釋模型，其中著名的有拉埃特( Laird)和斯密司( Smith)模型，如圖6-23所示。由圖可見(jiàn)，每經(jīng)過(guò)一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化鈍化再銳化的過(guò)程，裂紋擴(kuò)展一段距離，斷口表面上就產(chǎn)生一道輝紋。這種機(jī)械模型可以有效地解釋裂紋的擴(kuò)展情況。這樣我們便可以在某裂紋長(zhǎng)度和應(yīng)力下對(duì)裂紋尖端進(jìn)行應(yīng)力分析，把斷裂力學(xué)的有關(guān)理論應(yīng)用到疲勞裂紋的擴(kuò)展上去。6.4 焊接接頭的疲勞強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 疲勞強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)包括焊接接頭在內(nèi)的典型連接的疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式，均是在疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用max；和min表示的疲勞圖推導(dǎo)出來(lái)的。我

23、國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范TJ-17-74（試行）規(guī)定，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度時(shí)，基本金屬和連接的疲勞許用應(yīng)力按下列公式確定： 絕對(duì)值最大的應(yīng)力為拉力時(shí)p= (6-1)絕對(duì)值最大的應(yīng)力為壓力時(shí)p= (6-2)式中，為r=0時(shí)基本金屬和連接的疲勞許用應(yīng)力；k為系數(shù)，按相關(guān)手冊(cè)選用；r為構(gòu)件的應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)。 應(yīng)當(dāng)注意：按式(6-1)、式(6-2)算得的p若等于或大于材料的許用應(yīng)力，以及式(6-2)中的rk后時(shí)，則可不計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，并且角焊縫的疲勞許用應(yīng)力，不論最大應(yīng)力為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，均按式(6-1)確定。我國(guó)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)采用的疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范TJ-17-74（試行）相似，但和k值按

24、相關(guān)手冊(cè)選用。我國(guó)鐵路工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定橋梁用鋼焊接接頭疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算參見(jiàn)中華人民共和國(guó)鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范TB 10002. 2-2005之J 461-2005，見(jiàn)表6-2。6.5 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素 影響基本金屬疲勞強(qiáng)度的因素（例如應(yīng)力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況、介質(zhì)等）同樣對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有影響。除此以外焊接結(jié)構(gòu)本身的一些特點(diǎn)，例如接頭部位近縫區(qū)性能的改變、焊接殘余應(yīng)力等也可能對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度發(fā)生影響。弄清這些因素的具體影響，對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是有益的。下面分別探討這些因素的影響情況。6.5.1 應(yīng)力集中的影響 焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，

25、即具有缺口效應(yīng)，它們對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生程度不同的不利影響。為了便于說(shuō)明理解焊接接頭與母材疲勞強(qiáng)度的差別，可引入疲勞強(qiáng)度系數(shù)這個(gè)參量，疲勞強(qiáng)度系數(shù)可定義為=（對(duì)于或） (6-3) =（對(duì)于） （6-4）式中，r和r分別為母材（無(wú)焊縫軋制板材）的正應(yīng)力疲勞強(qiáng)度及切應(yīng)力疲勞強(qiáng)度；rw和rw則分別為焊接接頭中母材（一般為焊縫以外熱影響區(qū)）的正應(yīng)力疲勞強(qiáng)度及切應(yīng)力疲勞強(qiáng)度。 材料承受復(fù)合載荷時(shí)，r和r間的關(guān)系可由Von Mises變形能準(zhǔn)則給出r=r (6-5) 對(duì)接焊縫由于形狀變化不大，因此它的應(yīng)力集中比其他形式接頭要小，但是過(guò)大的余高和過(guò)大的基本金屬間的過(guò)渡角都會(huì)增加應(yīng)力集中，使接頭的疲勞強(qiáng)度下降

26、。 圖6-24為對(duì)接接頭的過(guò)渡角p以及過(guò)渡圓弧半徑R對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。 1鋼焊接接頭 圖6-25為低碳鋼及低合金錳鋼的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度，焊縫未經(jīng)機(jī)械加工。若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減小，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高。圖6-26為經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度，但是這種表面機(jī)械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，所以在這種情況下焊縫表面的機(jī)械加工是毫無(wú)意義的。丁字和十字接頭在許多焊接結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。在這種接頭中，由于焊縫向基本金屬過(guò)渡處有明顯

27、的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此丁字和十字接頭的疲勞遠(yuǎn)低于對(duì)接接頭。未開(kāi)坡口的用角焊縫連接的接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)上，即母材與焊縫趾端交界處和焊縫上。當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度與板厚之比/<0.6-0.7時(shí)，一般斷于焊縫；當(dāng)/>0.7時(shí)，一般斷于母材。圖6-27為兩種鋼材十字接頭的疲勞強(qiáng)度圖。實(shí)線代表的疲勞強(qiáng)度是按斷裂在母材計(jì)算的，虛線是按斷裂在焊縫計(jì)算的。由圖中可以看出合金鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感。在這種情況下，采用低合金鋼對(duì)疲勞強(qiáng)度并沒(méi)有優(yōu)越性。此外增加焊縫的尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)才有效。因?yàn)楹缚p尺寸的增加并

28、不能改變另一薄弱截面，即焊縫趾端處母材的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過(guò)斷裂在此處的疲勞強(qiáng)度。提高丁字和十字接頭的疲勞強(qiáng)度的根本措施是開(kāi)坡口焊接和加工焊縫過(guò)渡區(qū)使之圓滑過(guò)渡。圖6-28為開(kāi)坡口焊透的低碳鋼十字接頭的疲勞強(qiáng)度圖。通過(guò)這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度有較大的提高。焊縫不承受工作應(yīng)力的丁字和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中。圖6-29為焊縫不承受工作應(yīng)力的低碳鋼丁字和十字接頭的疲勞強(qiáng)度。丁字形接頭和過(guò)渡區(qū)經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度，其數(shù)值接近于圖中陰影線的上限，而十字接頭和過(guò)渡區(qū)未經(jīng)加工的接頭的疲勞強(qiáng)度數(shù)值接近于圖中陰影線的下限。這是因?yàn)椴粚?duì)稱(chēng)的丁字接頭上有一個(gè)偏

29、心力矩，降低了過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力，它的應(yīng)力集中比對(duì)稱(chēng)的十字接頭低。低碳鋼搭接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖6-30所示，這些試驗(yàn)證明搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的。僅有側(cè)面焊縫的搭接接頭（見(jiàn)圖6-30a），其疲勞強(qiáng)度最低，只達(dá)到基本金屬的34%。焊腳為1:1的正面焊縫的搭接接頭(6-30b)其疲勞強(qiáng)度雖然比只有側(cè)面焊縫的接頭高一些，但數(shù)值仍然是很低的。正面焊縫焊腳為1:2的搭接接頭（見(jiàn)圖6-30c）應(yīng)力集中稍有降低，因而其疲勞強(qiáng)度有所提高，但是這種措施的效果不大。即使在焊縫向基本金屬過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行表面機(jī)械加工（見(jiàn)圖6-30d）也不能顯著提高接頭的疲勞強(qiáng)度。只有當(dāng)蓋板的厚度比按強(qiáng)度所要求的增加倍，焊腳比例為1:3.

30、8，并采用機(jī)械加工使焊縫向基本金屬平滑過(guò)渡，這樣的搭接接頭的疲勞強(qiáng)度才等于基本金屬的疲勞強(qiáng)度（見(jiàn)圖6-30e）。但是在這種情況下已經(jīng)喪失了搭接接頭簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，因此不宜采用這種措施。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的。試驗(yàn)結(jié)果表明，在這種情況下，原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了(見(jiàn)圖6-30f)。低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭脈動(dòng)載荷(r=0)疲勞強(qiáng)度與缺口效應(yīng)（應(yīng)力集中）的關(guān)系如圖6-31所示。結(jié)合前面的幾個(gè)圖可以看出，與低強(qiáng)度鋼相比，中高強(qiáng)度鋼在作為光滑試件時(shí)的疲勞強(qiáng)度確有一定增加，而存在應(yīng)力集中并作為缺口試件時(shí)，疲勞強(qiáng)度的增加將隨缺口效應(yīng)的嚴(yán)重程度而變化。因此，只有

31、在缺口效應(yīng)較弱時(shí)才適合使用中高強(qiáng)度鋼。這種情況對(duì)于焊接接頭十分明顯，即具有較嚴(yán)重應(yīng)力集中的焊接接頭如十字接頭，無(wú)論它是由低強(qiáng)度鋼或高強(qiáng)度鋼制成，其對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞強(qiáng)度成脈動(dòng)循環(huán)疲勞強(qiáng)度均不高，高強(qiáng)度鋼會(huì)失去其靜載強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。不同的接頭形式應(yīng)力集中情況即缺口效應(yīng)不同，疲勞強(qiáng)度系數(shù)也不同，表6-3歸納了不同焊縫種類(lèi)對(duì)應(yīng)的接頭疲勞強(qiáng)度系數(shù)。受拉伸載荷十字接頭和帶橫向角焊縫的搭接接頭。 搭接接頭中的縱向角焊縫。 工字梁雙面斷續(xù)角焊縫。 所列數(shù)值還可能更小（取決于接頭的支承條件）。 基于缺口應(yīng)力分析的估值。 上述的討論適合高周疲勞情況（破壞循環(huán)次數(shù)N2×106），然而，在中周和低周疲勞強(qiáng)度范圍

32、內(nèi)高強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)就會(huì)顯示出來(lái)，它的S-N曲線會(huì)隨其抗拉強(qiáng)度的增大而相應(yīng)升高，如圖6-32所示。所以說(shuō)，只有當(dāng)靜平均應(yīng)力較高（如大跨度橋梁）和循環(huán)次數(shù)適當(dāng)時(shí)（如高壓容器、飛機(jī)旋翼、深海潛艇），焊接構(gòu)件才宜使用高強(qiáng)度鋼。對(duì)于載荷峰值很高的載荷譜作用下的構(gòu)件，高強(qiáng)度鋼也特別適用，但必須設(shè)法減輕這類(lèi)構(gòu)件上的缺口效應(yīng)（應(yīng)力集中），此外還應(yīng)考慮到焊接殘余應(yīng)力會(huì)因高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度高而相應(yīng)增大，這會(huì)使疲勞強(qiáng)度降低，或相變導(dǎo)致應(yīng)力分布、符號(hào)和數(shù)值的改變。 2鋁合金焊接接頭鋁合金焊接接頭疲勞強(qiáng)度的研究開(kāi)始得相對(duì)較晚，這是因?yàn)樵谝酝娘w機(jī)制造業(yè)中用以承受疲勞載荷的高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)全部采用鉚接形式連接，隨著鋁合金焊接

33、結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)其接頭疲勞性能的研究也在增多。鋁合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度約為結(jié)構(gòu)鋼接頭的13 - 2/3，而密度卻低23，這對(duì)輕型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是十分重要的優(yōu)點(diǎn)。與結(jié)構(gòu)鋼的情形類(lèi)似，鋁合金靜載強(qiáng)度的增加一般并不明顯改善其焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，與高強(qiáng)度鋁合金相比，低強(qiáng)度鋁合金的疲勞強(qiáng)度僅稍低一些。 鋁合金焊接接頭與結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭相比，其疲勞強(qiáng)度系數(shù)稍小，而設(shè)計(jì)應(yīng)力卻小得多，故同樣大小的焊接接頭，鋁合金接頭的疲勞強(qiáng)度僅約為鋼接頭之半，但此時(shí)質(zhì)量卻比鋼接頭輕2/3，故鋁合金接頭單位質(zhì)量的疲勞強(qiáng)度又比鋼接頭高。表6-4總結(jié)了Hertel等多位國(guó)外學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，列出了各類(lèi)鋁合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度系數(shù)，這些

34、結(jié)果是針對(duì)AIMg5、AIMgSi1和AlZnMg1等得出的，這幾種鋁合金母材的疲勞強(qiáng)度接近。但表6-3所示的疲勞強(qiáng)度系數(shù)并未反映出缺口狀況的影響，故還不能得出鋁合金及其焊接接頭對(duì)于缺口和平均應(yīng)力較為敏感這一結(jié)論。某些情況下鋁合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度下降較大，這可能是焊接過(guò)程引起的熱變形和熱軟化所致。表6-4鋁合金焊接接頭疲勞強(qiáng)度系數(shù)（拉伸脈動(dòng)應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度為155 - 170N/mm2對(duì)稱(chēng)交變循環(huán)應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度為95 I00N/mm2，破壞概率Pf=0.1）焊縫種類(lèi)母材受載情況 疲勞強(qiáng)度系數(shù)對(duì)接焊縫0. 45 0. 75K形對(duì)接縫（十字接頭）0.2角焊縫（十字接頭中）0.30.5正面角焊縫側(cè)面

35、角焊縫（搭接）或0.150.2橫向肋板接頭0.40.7對(duì)接焊縫與角焊縫（工字梁上）0.450.7縱向肋板接頭0.150.2注：這里的或分別表示外載荷與焊縫成垂直和平行角度時(shí)的疲勞強(qiáng)度。6.5.2 近縫區(qū)金屬性能變化的影響 焊接過(guò)程中近縫區(qū)金屬性能的變化對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響也是人們關(guān)心的問(wèn)題。首先分析低碳鋼焊接接頭的情況。大量研究表明，在常用的熱輸入下焊接，熱影響區(qū)和基本金屬的疲勞相當(dāng)接近。只有在非常高的熱輸入下焊接（生產(chǎn)實(shí)際中很少采用），使熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)力集中的敏感性下降，如圖6-33所示，其疲勞強(qiáng)度可比基本金屬高得多。綜合考慮上面的試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論，低碳鋼的近縫區(qū)金屬力學(xué)性能的變化對(duì)接頭的

36、疲勞強(qiáng)度影響較??；低合金鋼的情況是比較復(fù)雜的，在熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的力學(xué)性能變化比低碳鋼大。有人用低合金鋼(wc=0.12%；wMn=0.65%；wSi=0.75%；wCr=0.70%；wNi=0.57%；wCu=0.40%；s = 400N/mm2；b=570N/mm2）做焊接接頭疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，試件采用圓棒及平板兩種。圓棒試樣表面光滑不開(kāi)缺口，其熔合線之一位于試樣中心。平板試樣的兩側(cè)開(kāi)有缺口，缺口的頂端位于熔合線。圓棒試樣做彎曲疲勞，平板試樣做拉伸脈動(dòng)疲勞試駿。同時(shí)用兩組基本金屬試樣作對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖6-34所示。對(duì)圓形試件它們基本上都在試件肩部圓角處斷裂，個(gè)別的在中間部位破壞，但不論

37、是焊接試件還是母材試件它們的疲勞強(qiáng)度都在一定的分散帶內(nèi)（圖6-34b）。對(duì)于具有缺口的板狀試件來(lái)說(shuō)，有焊縫和無(wú)焊縫的試件之間的試驗(yàn)結(jié)果分散性更小，甚至可以說(shuō)二者間沒(méi)有差別。由此可以看出，化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能的不一致性，在有應(yīng)力集中或無(wú)應(yīng)力集中時(shí)都對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響不大。圖6-34c為20鋼的試驗(yàn)結(jié)果，圖6-34d為10Mn2Si鋼的試驗(yàn)結(jié)果，它和前述結(jié)論也是一致的。近年來(lái)，有人對(duì)各種焊縫金屬以及低碳鋼和高強(qiáng)度鋼的模擬焊接熱處理材料進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在平面應(yīng)變范圍內(nèi)描述裂紋擴(kuò)展速率的帕瑞斯公式中的參量變化不大。在平面應(yīng)力范圍內(nèi)，n隨材料的屈服點(diǎn)的增加而降低，而另一參量C隨屈服點(diǎn)的增

38、加而上升。圖6-35為幾種焊縫金屬及鋼材的裂紋擴(kuò)展速率規(guī)律。從圖上可以看出，材料的性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定的影響，但不太大。近年來(lái)，在焊接結(jié)構(gòu)中已逐漸采用高強(qiáng)度鋼，其屈服強(qiáng)度達(dá)390 490N/mm2或590 744 N/mm2。這種鋼一般來(lái)說(shuō)是經(jīng)過(guò)一定熱處理的低合金鋼，焊接后局部區(qū)域強(qiáng)度降低，另一些區(qū)域強(qiáng)度提高，在熱影響區(qū)形成力學(xué)性能的急劇變化。此外，焊縫金屬與兩側(cè)的金屬在性能上也可能有較大的差別。為了研究這種性能不均勻性對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了模擬焊接接頭性能不均勻情況的試驗(yàn)。試件分兩種：第一種試件是以直徑為20mm的40Cr鋼的圓棒料為基體，并在兩塊圓棒中間用接觸對(duì)焊方法焊上一段20

39、鋼料（直徑相同），以這種試件來(lái)模擬局部區(qū)域強(qiáng)度降低的接頭；第二種試件是以低碳鋼為基體在其中間焊上40Cr鋼，用此來(lái)模擬局部區(qū)域強(qiáng)度提高的接頭情況。為了研究這種強(qiáng)度變化區(qū)域尺寸大小的影響，中間夾層的鋼料厚度在230mm之間變化，試件采用光滑圓棒不開(kāi)缺口。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于高組配即軟夾硬的焊接接頭，力學(xué)性能不均勻性對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，如圖6- 36所示。此時(shí)接頭的疲勞強(qiáng)度取決于較軟的基本金屬。而在具有較較夾層即硬夾軟的焊接接頭中，疲勞強(qiáng)度還取決于層的尺寸h/d（h為夾層的厚度；d為試件直徑）。當(dāng)h/d >0. 75時(shí)，接頭的疲勞強(qiáng)度在很大程度上取決于夾層的疲勞強(qiáng)度（這時(shí)疲勞強(qiáng)度對(duì)接

40、頭來(lái)說(shuō)是降低了）；而當(dāng)夾層厚度比減少到一定程度h/d <0. 75時(shí)，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度隨比值h/d的減小而提高，如圖6-36所示。在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中，如果熱影響區(qū)的尺寸不大，就不會(huì)降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度?？墒牵绻谟矈A軟接頭中的軟夾層中有嚴(yán)重的應(yīng)力集中因素時(shí)，情況則不同。試驗(yàn)結(jié)果表明，此時(shí)接頭的疲勞強(qiáng)度大大降低，其數(shù)值取決于這個(gè)軟區(qū)本身的力學(xué)性能。6.5.3 殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)于結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響是人們廣泛關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題人們進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)往往采用有焊接應(yīng)力的試樣與經(jīng)過(guò)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力后的試樣，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)作對(duì)比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循

41、環(huán)引起的材料性能的變化，而熱處理在消除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或部分恢復(fù)了材料的性能。因此，對(duì)于試驗(yàn)的結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋?zhuān)瑢?duì)內(nèi)應(yīng)力的影響也有了不同的評(píng)價(jià)。首先分析內(nèi)應(yīng)力對(duì)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響。如圖6-37所示，在用a和m表示的疲勞圖中，曲線ACB代表不同平均應(yīng)力時(shí)的極限應(yīng)力振幅值a。當(dāng)構(gòu)件中的應(yīng)力振幅值大于極限幅值時(shí)，在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)之前將發(fā)生疲勞破壞；反之，小于極限幅值則是安全的。由圖中可以看出，隨著m的增加，極限應(yīng)力幅值有所下降。如果構(gòu)件中存在著內(nèi)應(yīng)力0，則它將始終作用于應(yīng)力循環(huán)中，使整個(gè)應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力值偏移一個(gè)0值。假設(shè)載荷的平均應(yīng)力為m，如圖6-38a所示，與此平均應(yīng)力相應(yīng)的極限應(yīng)力振幅為

42、a。若構(gòu)件中內(nèi)應(yīng)力0為正值時(shí)，它將與載荷應(yīng)力相疊加使應(yīng)力循環(huán)提高0，如圖6-38b所示，平均應(yīng)力將增加到m1（m1=m+0），其極限應(yīng)力幅值降低到a1，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度將降低。若內(nèi)應(yīng)力為負(fù)值，它將使應(yīng)力循環(huán)降低0，如圖6-38c所示，平均應(yīng)力將降低到m2（m2=m-0），其極限應(yīng)力幅值將增加到a2，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度將有所提高。在上述分析中，未考慮內(nèi)應(yīng)力在載荷作用下的變化。實(shí)際上，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力max到達(dá)s時(shí)，亦即m與a之和達(dá)到s時(shí)，內(nèi)應(yīng)力將因材料全面達(dá)到屈服而消除。在圖6-37中直線SCR與水平軸成45o角，是m+a=s的軌跡。在此線上所有點(diǎn)的m與a之和均達(dá)到s。當(dāng)m達(dá)到相當(dāng)于圖中C點(diǎn)的數(shù)

43、值時(shí)(m+a=s)，內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度將沒(méi)有影響。當(dāng)m小于相當(dāng)于C點(diǎn)的數(shù)值，則m越小，內(nèi)應(yīng)力的影響越顯著。下面再通過(guò)幾個(gè)具體試驗(yàn)研究的結(jié)果來(lái)說(shuō)明焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。首先介紹一個(gè)采用不同焊接次序來(lái)獲得不同的焊接應(yīng)力分布的試樣對(duì)比試驗(yàn)。圖6-39為兩組帶有縱向、橫向焊道的試樣。第一組試樣A是先焊縱向焊縫；后焊橫向焊縫；另一組試樣B是先焊橫向焊縫，后焊縱向焊縫。在焊縫交叉處，第一組試樣的拉伸焊接應(yīng)力低于第二組。兩組試樣的對(duì)比疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖6-39所示。從圖上可以看出第一組疲勞強(qiáng)度高于第二組。這個(gè)試驗(yàn)并沒(méi)有采用熱處理來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力，排除了熱處理對(duì)材料性能的影響，比較明確地說(shuō)明了內(nèi)應(yīng)力的作用。如

44、果在14Mn2低合金結(jié)構(gòu)鋼試樣上有一條橫向?qū)雍缚p，在正反兩面各堆焊一條縱向焊道。一組試樣焊后作消除內(nèi)應(yīng)力熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲勞試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)r=-1，0，+0.3。試驗(yàn)結(jié)果如圖6-40所示。由圖可見(jiàn)，在交變載荷下（r= -1）消除內(nèi)應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度接近130N/mm2，而未消除內(nèi)應(yīng)力的僅為75 N/mm2。在脈動(dòng)載荷下(r=0)兩組試樣的疲勞強(qiáng)度相同，為185N/mm2。而當(dāng)r=+0.3經(jīng)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力的試樣的疲勞強(qiáng)度為260N/mm2，反而略低于未熱處理的試樣( 270N/mm2)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是：在r比值較高時(shí)，例如在脈動(dòng)載荷下，疲勞強(qiáng)度較高，在較高的拉應(yīng)

45、力作用下，內(nèi)應(yīng)力較快地得到釋放，因此內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響就減弱；當(dāng)r增大到+0.3時(shí)，內(nèi)應(yīng)力在載荷作用下進(jìn)一步降低，實(shí)際上對(duì)疲勞強(qiáng)度已不起作用。而熱處理擴(kuò)在消除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)又消除了焊接過(guò)程對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的有利影響，因而疲勞強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這個(gè)有利影響在交變載荷試樣里并不足以抵消內(nèi)應(yīng)力的不利影響，在脈動(dòng)載荷試樣里正好抵消了殘存的內(nèi)應(yīng)力的不利影響。這一試驗(yàn)比較好地說(shuō)明了內(nèi)應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起的材質(zhì)變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。由此也可以看出焊接內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)有關(guān)。在r比值較低時(shí)，影響比較大，如上述試驗(yàn)所采用的試樣，屬于應(yīng)力集中比較低的情況。下面再介紹一個(gè)應(yīng)力

46、集中比較嚴(yán)重的試樣結(jié)果。試樣帶縱向短肋板，具有較高的應(yīng)力集中系數(shù)。一組試樣焊后經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力熱處理，另一組不作熱處理，兩組試樣做脈動(dòng)載荷疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如圖6-41所示。消除內(nèi)應(yīng)力后的試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度均高于未熱處理的。在這個(gè)試驗(yàn)中，內(nèi)應(yīng)力的作用在脈動(dòng)載荷下仍有反映，說(shuō)明內(nèi)應(yīng)力的影響在應(yīng)力集中較高時(shí)更大。6.5.4 缺陷的影響焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類(lèi)、尺寸、方向和位置有關(guān)。平面類(lèi)型缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；與作用力方向垂直的平面缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的

47、缺陷（如焊縫趾部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣缺陷影響大。圖6-42及圖6-43為幾種典型缺陷在不同位置載荷下的影響，A組的影響大，B組的影響小。由于不同的材料具有不同的缺口敏感性，同樣尺寸的缺陷對(duì)不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的影響并不相同。圖6-44為未焊透對(duì)五種材料的疲勞強(qiáng)度的影響。由圖中可以看出，隨著未焊透的增加，疲勞強(qiáng)度迅速下降。12Cr18Ni9Ti奧氏體鋼盡管在靜載和一次沖擊載荷下有較好的韌性，但其下降幅度最大。圖6-45為在均勻應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力集中區(qū)中的裂紋（平板表面裂紋及焊趾裂紋）在相同的應(yīng)力循環(huán)下的擴(kuò)展。由圖中可以看出，焊趾裂紋的擴(kuò)展速率明顯高于平板表面裂紋。在裂紋穿透板的厚度時(shí)

48、的裂紋尺寸比平板表面裂紋達(dá)到穿透時(shí)大得多，討此在應(yīng)力集中區(qū)的焊趾裂紋具有更大的危險(xiǎn)性。6.6 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施 6.6.1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)概述 焊接結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)做到既能滿足所需的疲勞強(qiáng)度、使用壽命和安全性，又能使所需費(fèi)用盡可能降低。所謂“疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)”，是指按照規(guī)定的目標(biāo)（例如費(fèi)用指標(biāo)），對(duì)強(qiáng)度、壽命和安全性進(jìn)行優(yōu)化，并使組成結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件都具有相同的疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命和安全性的一種設(shè)計(jì)方法，其他問(wèn)題，諸如是否易于制造、試驗(yàn)和維修等，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分考慮。 形狀設(shè)計(jì)，包括整體結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的形狀設(shè)計(jì)（整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），以及焊接接頭的位置與形狀設(shè)計(jì)（局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），是疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

49、所關(guān)心的首要問(wèn)題。 對(duì)于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，除穩(wěn)定性之外，其強(qiáng)度方面最危險(xiǎn)的極限狀態(tài)便是疲勞斷裂和脆性斷裂。雖然脆性斷裂一般認(rèn)為是靜載強(qiáng)度的一種極限狀態(tài)，但作為斷裂的最后階段，只要能顯示出一定的脆性，那么它也是試件和結(jié)構(gòu)疲勞破壞的重要組成部分。綜觀實(shí)際中的脆性斷裂情況可以看出：很大一部分脆性斷裂是由結(jié)構(gòu)中的疲勞裂紋引起的。 疲勞斷裂和脆性斷裂始于形狀不連續(xù)、缺口和裂紋等部位，即始于局部彈性應(yīng)力極大值“應(yīng)力峰值”（結(jié)構(gòu)應(yīng)力、缺口應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子）所在之處。對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題，應(yīng)力峰值所在處的一小部分材料可能起著決定性作用。若能采用一定的設(shè)計(jì)措施使結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值降低或消除，則疲勞斷裂和脆性斷裂便面推

50、遲或避免。即便在使用韌性材料且應(yīng)力峰值只有因材料產(chǎn)生屈服而下降時(shí)，有關(guān)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施仍然有效。因?yàn)榻饘俨牧系捻g性是有限的，當(dāng)應(yīng)力峰值所在處的韌性逐步耗竭時(shí)，脆性斷裂的危險(xiǎn)便隨之增大。采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)措施以避免局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值和缺口應(yīng)力峰值，是提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命的最有效方法。實(shí)際中，通常在不確切知道具體的受載情況時(shí)設(shè)法去掉結(jié)構(gòu)中各基礎(chǔ)載荷引起的應(yīng)力峰值，這樣便足以保證該結(jié)構(gòu)不致破壞。因此不應(yīng)忽視設(shè)計(jì)改善措施的重要作用。 結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值出現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處（如焊縫、轉(zhuǎn)角、加勁肋板及開(kāi)口等），缺口應(yīng)力峰值出現(xiàn)在局部結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處，即橫截面發(fā)生變化的部分、焊趾、焊縫根部、焊縫端部、焊波、間隙、裂紋、

51、焊點(diǎn)熔核邊緣和焊接缺陷等處。整體結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)圖樣中的尺寸確定，局部結(jié)構(gòu)則僅需確定焊縫的形式、位置及厚度。局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析所需的數(shù)據(jù)資料須由焊縫測(cè)量或其他行之有效的方式得出。6.6.2 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一般原則總結(jié)工程實(shí)例，焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一般原則是： 1)承受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件應(yīng)采用長(zhǎng)而圓滑的過(guò)渡結(jié)構(gòu)以減少剛度的突然變化。 2)優(yōu)先選用對(duì)接焊縫、單邊V形焊縫和K形焊縫，盡可能不用角焊縫。 3)采用角焊縫時(shí)最好用雙面焊縫，避免使用單面焊縫。 4)采用帶有搭接板（蓋板）的搭接接頭和彎搭接接頭，盡可能不用偏心搭按。 5)使焊縫（特別是焊趾、焊縫根部和焊縫端部）位于低應(yīng)力區(qū)（例如彎曲時(shí)的中性帶、

52、承受小彎矩的區(qū)域、孔邊緣上使缺口應(yīng)力為零的地方、過(guò)渡段和轉(zhuǎn)角以外的部位），使缺口效應(yīng)分散而避免其疊加。 6)在焊趾缺口、焊縫根部缺口和焊縫端部缺口之前或之后（處于力流之中）設(shè)置一些緩沖缺口以消除或降低上述缺口部位的應(yīng)力。 7)承受橫向彎曲的構(gòu)件應(yīng)縮短支撐間距以減小彎矩。 8)橫向力應(yīng)作用于剪切中心之上以減小扭矩。 9)承受拉伸與彎曲的構(gòu)件如需加強(qiáng)，則加強(qiáng)件長(zhǎng)度應(yīng)小，以減小加強(qiáng)件對(duì)于構(gòu)件變形的拘束。 10)承受扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件，為避免橫截面翹曲受阻可采用切除翼緣端部、翼緣端部斜接等形式以及采用橫截面不產(chǎn)生翹曲的型材。 11)使焊縫能包圍較大面積或局部增加構(gòu)件壁厚以減輕外力作用于薄壁構(gòu)件上時(shí)引起的局部彎

53、曲。 12)在薄板范圍內(nèi)合理布置焊縫以減輕彎曲變形。 13)避免能擾亂力流的開(kāi)口（或切口），但與力流垂直的加勁肋板角部應(yīng)切除（加勁肋板切角）。 14)在特別危險(xiǎn)的部位以螺栓接頭或鉚接接頭、鍛造連接件或鑄造連接件代替焊接接頭（尤其當(dāng)這樣做更便于裝配時(shí)）。 15)消除能引起腐蝕的根部間隙。 為檢查設(shè)計(jì)質(zhì)量，可通過(guò)測(cè)試或計(jì)算確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值。測(cè)試原型（去掉漆層，用應(yīng)變計(jì)）上或光彈模型上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值，是設(shè)計(jì)承受疲勞載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)采用的一種基本方法。如破壞發(fā)生在焊趾而不在焊縫根部，則焊趾區(qū)測(cè)得的應(yīng)變即可作為評(píng)價(jià)焊縫的一個(gè)可靠指標(biāo)。近年來(lái)，計(jì)算方法特別是基于有限元法的計(jì)算方法用得越來(lái)越多，大有代替測(cè)試

54、方法之勢(shì)。6.6.3 提高疲勞強(qiáng)度的工藝措施 綜上所述可以看出，應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要原因，只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，焊接工藝完善，焊接金屬質(zhì)量良好時(shí)，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有較高的疲勞強(qiáng)度。提高靜載條件下強(qiáng)度的最重要措施，即相應(yīng)增大承載橫截面的方法，在疲勞受載條件下卻不起作用，甚至起負(fù)作用，這是因?yàn)樵谝呀?jīng)“補(bǔ)強(qiáng)”的邊緣周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生附加的缺口效應(yīng)。此外，對(duì)于已經(jīng)制造完成但不滿足使用要求的結(jié)構(gòu)，可考慮降低使其產(chǎn)生疲勞破壞的工作載荷，但這也僅僅是臨時(shí)性的應(yīng)急措施。為提高已成結(jié)構(gòu)的工作疲勞強(qiáng)度，采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦种匾?，?shí)踐證明下列工藝措施是行之有效的。 (1)降低應(yīng)力集

55、中 1)采用合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中，以提高疲勞強(qiáng)度。圖6-46為各組元件沒(méi)計(jì)的正誤對(duì)比。2)盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭形式。如對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)小，因而疲勞強(qiáng)度高，應(yīng)當(dāng)盡量選用。圖6-47、圖6-48是采用復(fù)合結(jié)構(gòu)把角焊縫改為對(duì)接焊縫的實(shí)例。 應(yīng)當(dāng)保證基本金屬與焊縫之間平緩過(guò)渡，用磨盤(pán)或砂輪對(duì)焊趾（或焊縫端部）進(jìn)行局部磨削將降低其缺口效應(yīng)，焊縫金屬與母材間熱影響區(qū)中的微觀缺口亦得以消除，這將延遲裂紋萌生階段。通過(guò)磨削來(lái)消除缺口殘余應(yīng)力并使表面硬化亦會(huì)帶來(lái)一定好處。需要注意打磨方法應(yīng)是順著力線傳遞方向，垂直力線方向打磨往往取得相反的效果。 還應(yīng)當(dāng)指出的是，在對(duì)接焊縫中只有保證連接

56、的截面沒(méi)有突然改變的情況下傳力才是合理的。圖6-49是一些不合理對(duì)接焊縫的實(shí)例，由于接頭形狀的突然改變，端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，故易在焊縫端部產(chǎn)生疲勞裂紋。 另外，對(duì)接焊縫雖然一般具有較高的疲勞強(qiáng)度，但如果焊縫質(zhì)量不高，其中存在嚴(yán)重的缺陷，則疲勞強(qiáng)度值將下降很多，甚至低于搭接焊縫。這也是應(yīng)當(dāng)引起注意的。3)當(dāng)采用角焊縫時(shí)（有時(shí)不可避免）須采取綜合措施（機(jī)械加工焊縫端部，合理選擇接板形狀，焊縫根部保證熔透等）來(lái)提高接頭的疲勞強(qiáng)度，采取這些措施可以降低應(yīng)力集中并消除殘余應(yīng)力的不利影響。表6-5是部分接頭進(jìn)行綜合處理的實(shí)例。實(shí)驗(yàn)證明，采用綜合處理后，低碳鋼接頭處的疲勞強(qiáng)度提高3 13倍。對(duì)低碳合金鋼

57、的效果更顯著。4)有些試驗(yàn)證明，在某些情況下，可以通過(guò)開(kāi)緩和槽使力線繞開(kāi)焊縫的應(yīng)力集中處來(lái)提高接頭的疲勞強(qiáng)度。圖6-50就是用開(kāi)緩和槽的方法提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)例。5)用表面機(jī)械加工的方法，消除焊縫及其附近的各種刻槽，可以降低構(gòu)件中的應(yīng)力集中程度，提高接頭疲勞強(qiáng)度。但是這種表面機(jī)械加工的成本高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適合采用這種加工方法。 6)采用電弧TIG或等離子束整形的方法可以代替機(jī)械加工的方法來(lái)使焊縫與基本金屬之間平滑過(guò)渡，如圖6-51所示。這種方法是用鎢極氬弧焊或等離子束焊的方法在焊接接頭的過(guò)渡區(qū)重熔一次，使焊縫與基本金屬之間平滑過(guò)渡，減少該部位的應(yīng)力集中以提高疲勞強(qiáng)度。要注意的是，采用這一方法可能會(huì)引起局部過(guò)度硬化，修整焊道（即重熔焊趾而形成的焊道）的端部也可能會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。因此，建議修整的起止處應(yīng)在焊趾缺口部位之外的焊縫