焊接結(jié)構(gòu)的教案

焊接結(jié)構(gòu)的教案第1頁/共57頁內(nèi)容提要1、

疲勞斷裂的過程和斷口特征；2、焊接結(jié)構(gòu)中疲勞限的常用表示法；3、焊接接頭的疲勞強度計算；4、影響焊接接頭疲勞強度的因素;5、提高焊接接頭疲勞強度的措施。（重點、難點）（重點）第2頁/共57頁

5.1疲勞斷裂過程的特征1、受力方面：構(gòu)件或接頭工作在交變應(yīng)力和交變應(yīng)變的作用。

2、破壞時間：疲勞裂紋擴展緩慢，有時需要長達(dá)數(shù)年時間。

3、斷裂時變形：斷裂時的變形很小，屬突發(fā)事故。

4、疲勞斷裂不受環(huán)境溫度的影響。第3頁/共57頁

大量研究表明，疲勞斷裂是循環(huán)應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變共同作用下形成的，三者缺一，疲勞裂紋將不會產(chǎn)生和擴展。循環(huán)應(yīng)力使疲勞裂紋產(chǎn)生，拉伸應(yīng)力造成疲勞裂紋的擴展，塑性變形影響著整個疲勞過程。第4頁/共57頁

5.2疲勞斷裂的過程和斷口特征

一、疲勞斷裂的過程一般由三個階段所組成：在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；疲勞裂紋的產(chǎn)生主要有以下三種形式：夾雜物和基體晶面開裂、滑移帶開裂以及孿晶和晶界開裂。裂紋穩(wěn)定擴展；分為兩個階段，即與拉應(yīng)力成45o的方向擴展和垂直拉應(yīng)力擴展。失穩(wěn)斷裂。第5頁/共57頁疲勞裂紋擴展的輝紋第6頁/共57頁疲勞裂紋擴展的機理

拉埃特(Laird)和斯密司(Smith)模型第7頁/共57頁經(jīng)過加載后進(jìn)行卸載時，裂紋閉合間斷處于尖銳狀。再次加載時，在切應(yīng)力作用下，裂紋尖端上下兩側(cè)沿45o方向滑移，使裂紋尖端鈍化。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到最大值時，裂紋停止擴展。開始卸載時，裂紋尖端又沿反方向滑移。繼續(xù)卸載或反方向加載時，裂紋尖端逐漸閉合，直到全部閉合。經(jīng)歷一次銳化-鈍化-再銳化的過程，裂紋擴展一段距離，斷口表面上就產(chǎn)生一道輝紋。第8頁/共57頁

三、焊接接頭中產(chǎn)生疲勞裂紋的特點

焊接接頭中產(chǎn)生疲勞裂紋一般要比其它連接型式的循環(huán)次數(shù)少。焊接接頭應(yīng)力集中；接頭部位易產(chǎn)生焊接接頭缺陷；焊接殘余應(yīng)力也比較高。造成疲勞裂紋產(chǎn)生階段加快。第9頁/共57頁

5.3在焊接結(jié)構(gòu)中疲勞限的常用表示法

一、基本概念（一）疲勞強度和疲勞極限試樣用不同載荷進(jìn)行多次反復(fù)加載試驗，即可測得在不同載荷下使試樣破壞所需要的加載循環(huán)次數(shù)N。將破壞應(yīng)力與N繪成曲線，即為烏勒（Wohler）疲勞曲線。曲線上對應(yīng)于某一循環(huán)次數(shù)N的破壞應(yīng)力即為該循環(huán)數(shù)下的疲勞強度。曲線的水平漸近線即為疲勞極限。第10頁/共57頁疲勞曲線a)—Nb)—lnN第11頁/共57頁

（二）應(yīng)力循環(huán)特性

疲勞強度的數(shù)值與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。應(yīng)力循環(huán)特性主要用下列參量表示：max:應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最大應(yīng)力；min:應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的最小應(yīng)力；

:平均應(yīng)力；

:應(yīng)力振幅；

:應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)。第12頁/共57頁幾種具有特殊循環(huán)特性的變動載荷：第13頁/共57頁

對稱交變載荷，max=-min，r=-1,疲勞強度用-1表示。脈動載荷，min=0

，r=0,疲勞強度用0表示。拉伸變載荷，max和min均為拉應(yīng)力，但大小不等，0＜r＜1,，其疲勞強度用r表示，腳標(biāo)r用相應(yīng)的特性系數(shù)表示，如0.3。拉壓變載荷，max為拉應(yīng)力，min為壓應(yīng)力，其數(shù)值大小不等，-1＜r＜0,，其疲勞強度用-r表示，腳標(biāo)r用相應(yīng)的特性系數(shù)表示。第14頁/共57頁

二、疲勞強度的常用表示法

為了表達(dá)疲勞強度和循環(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)特性下的疲勞強度。常用的疲勞圖有幾種形式：1、用max和r表示的疲勞圖第15頁/共57頁2．用max和m表示的疲勞圖第16頁/共57頁

在曲線包圍區(qū)域內(nèi)的任意點，表示不產(chǎn)生疲勞破壞。在區(qū)域外的點，表示經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)循環(huán)后產(chǎn)生疲勞破壞。兩曲線相交于C點，此點表示循環(huán)振幅為零，即為靜載荷時的破壞點，其疲勞強度與靜載強度b相等。線段ON表示對稱循環(huán)時的疲勞強度，此時，m等于零。線段O’N’表示脈動循環(huán)時的疲勞強度。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）下的疲勞強度。第17頁/共57頁3．用a和m表示的疲勞圖第18頁/共57頁曲線上各點的疲勞強度r=a+m；曲線與縱軸交點A的縱坐標(biāo)即為對稱循環(huán)時的疲勞強度-1

；線與橫軸交點B的橫坐標(biāo)即為靜載強度b，此時，a

＝0，r＝1；從O點作45o射線與曲線的交點C表示脈動循環(huán)，其疲勞強度0=a+

m=2

a=2m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）下的疲勞強度。第19頁/共57頁

4．用max和min表示的疲勞圖第20頁/共57頁由原點出發(fā)的每條射線代表一種循環(huán)特性。由原點向左與橫坐標(biāo)傾斜45o的直線表示交變載荷，r=-1,它與曲線交于B點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，DD’即為靜載強度b;而縱坐標(biāo)本身又表示脈動載荷r＝0，CC’即為0。第21頁/共57頁

該鋼種的靜載強度為588MPa（A點），200萬次脈動循環(huán)的疲勞強度為304MPa（B點)。而其交變載荷r=-1的疲勞強度為196MPa（C點)。對于r=1/2的疲勞強度，根據(jù)ADBC線的交點即可找出為411MPa。同樣在該圖上也可找出n＝100萬次的各種r環(huán)特性的疲勞強度值。第22頁/共57頁

5.4焊接接頭的疲勞強度計算一、國外疲勞設(shè)計方法的改進(jìn)

美、德、日本等國家經(jīng)過大量的實驗后，對疲勞設(shè)計方法進(jìn)行了改進(jìn)，即把以應(yīng)力比r和材料抗拉強度b約定許用應(yīng)力的方法，修改為全部用應(yīng)力范圍所表示的S-N曲線。這樣使疲勞設(shè)計大為簡化，而且又結(jié)合了實際焊接接頭的疲勞特性。第23頁/共57頁二、國內(nèi)疲勞設(shè)計方法的改進(jìn)八十年代末頒布的GBJ17-88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取代TJ17-74。

GBJ17-88采用應(yīng)力范圍所表示的S-N曲線，把構(gòu)件按照不同的結(jié)構(gòu)類型、受力特點和細(xì)節(jié)進(jìn)行了分類，這樣使疲勞設(shè)計大為簡化，而且更符合實際。第24頁/共57頁

三、GBJ17-88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對焊接結(jié)構(gòu)疲勞計算的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定承受動力載荷重復(fù)作用，并且在非特殊條件下的鋼結(jié)構(gòu)及其連接。當(dāng)應(yīng)力變化循環(huán)次數(shù)N>105次時，進(jìn)行疲勞計算。計算方法采用應(yīng)力范圍（）法。計算時按常幅疲勞和變幅疲勞分別進(jìn)行計算。許用應(yīng)力范圍與構(gòu)件和連接類別、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)。設(shè)計時應(yīng)避免采用應(yīng)力集中嚴(yán)重的連接方式，應(yīng)力按彈性工作計算。應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位不必進(jìn)行疲勞計算。第25頁/共57頁

1、常幅疲勞

所有應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力范圍保持常量的疲勞，規(guī)定按下式計算：：應(yīng)力幅；對于焊接結(jié)構(gòu)，=max-min

對于非焊接結(jié)構(gòu)，=max-0.7min

[]：許用應(yīng)力范圍。N：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。C：根據(jù)連接類別確定的系數(shù)。第26頁/共57頁2、變幅疲勞

所有應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力范圍隨機變化的疲勞。應(yīng)力范圍按等效疲勞應(yīng)力幅計算，規(guī)定按下式計算：

：以應(yīng)力循環(huán)次表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命。

ni：預(yù)期使用壽命內(nèi)應(yīng)力范圍水平達(dá)到

i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

i：第i應(yīng)力范圍值。第27頁/共57頁

5.5影響焊接接頭疲勞強度的因素

影響基本金屬疲勞強度的因素有應(yīng)力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況、介質(zhì)、接頭部位近縫區(qū)性能的改變、焊接殘余應(yīng)力等。第28頁/共57頁

一、應(yīng)力集中的影響

結(jié)構(gòu)的疲勞強度很大程度上取決于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中情況。在焊接結(jié)構(gòu)中，不合理的設(shè)計、不合理的接頭形式、各種焊接缺陷是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。因此他們也是降低結(jié)構(gòu)動載荷強度的主要原因。第29頁/共57頁

1、對接接頭對接接頭的疲勞強度最高，因為接頭的形狀變化小，應(yīng)力集中系數(shù)最低。接頭的疲勞強度主要取決于焊縫向母材過渡的形狀。第30頁/共57頁低碳鋼及低合金錳鋼的對接接頭在機械加工前后的疲勞強度第31頁/共57頁

2、丁字和十字接頭

在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高。因此丁字和十字接頭的疲勞強度遠(yuǎn)低于對接接頭。（1）、未開坡口的用角焊縫連接接頭當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個薄弱環(huán)節(jié)上，即母材與焊縫趾端交界處和焊縫根部。當(dāng)單個焊縫的計算厚度（a）與板厚（）之比小于0.6~0.7時，一般斷于焊縫；當(dāng)計算厚度（a）與板厚（）之比大于0.7時，一般斷于母材。第32頁/共57頁

合金鋼對應(yīng)力集中比較敏感。在這種情況下，采用低合金鋼對疲勞強度并沒有優(yōu)越性。此外增加焊縫的尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內(nèi)才有效。因為焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面，即焊縫趾端處母材的強度，故充其量亦不能超過斷裂在此處的疲勞強度。第33頁/共57頁（2）、開坡口完全焊透的接頭

開坡口焊接和加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡，顯著降低應(yīng)力集中，接頭的疲勞強度較高。破壞時一般由焊縫向母材過渡處（焊趾部位）開始。第34頁/共57頁3、搭接接頭的疲勞強度

搭接接頭的疲勞強度是很低的。只有當(dāng)蓋板的厚度比按強度條件所要求的增加一倍，焊腳比例為1:3.8并采用抓械加工使焊縫向基本金屬平滑過渡，疲勞強度才等于100%。第35頁/共57頁

二、近縫區(qū)金屬性能變化的影響1、低碳鋼焊接接頭在常用的線能量下焊接，熱影響區(qū)和基本金屬的疲勞強度相當(dāng)接近。只有在非常高的線能量下焊接，能使熱影響區(qū)對應(yīng)力集中的敏感性下降，其疲勞強度比基本金屬高得多。第36頁/共57頁

2、低合金鋼焊接接頭

在熱循環(huán)作用下，低合金鋼焊接接頭HAZ的機械性能變化比低碳鋼大。

化學(xué)成分、金相組織和機械性能的不一致性，在有應(yīng)力集中或無應(yīng)力集中時都對疲勞強度的影響不大。第37頁/共57頁

3、高強鋼焊接接頭

高強鋼是指屈服極限達(dá)390-490MPa或抗拉強度590-744MPa。這種鋼一般來說是經(jīng)過一定熱處理的低合金鋼，焊接后局部區(qū)域強度降低，而另一些區(qū)域強度提高，而在熱影響區(qū)形成機械性能的急劇變化。第38頁/共57頁對于高組配即軟夾硬的焊接接頭，力學(xué)性能不均勻性對于接頭的疲勞強度基本上沒有影響。此時接頭的疲勞強度取決于較軟的基本金屬。具有較軟夾層即硬夾軟的焊接接頭中，疲勞強度還取決于夾層的尺寸h／d（h：夾層的厚度；d：試件直徑）。

1）、當(dāng)h/d>0.75時，接頭的疲勞強度在很大程度上取決于夾層的疲勞強度（這時疲勞強度對接頭來說是降低了），

2）、當(dāng)夾層厚度比減少到一定程度h/d<0.75時，焊接接頭的疲勞強度隨比值h／d的減小而提高。第39頁/共57頁

三、殘余應(yīng)力的影響

焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能的變化，而熱處理在消除內(nèi)應(yīng)力的同時也恢復(fù)或部分恢復(fù)了材料的性能。因此，對于試驗的結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋，對內(nèi)應(yīng)力的影響也有了不同的評價。第40頁/共57頁

內(nèi)應(yīng)力對于構(gòu)件疲勞強度的影響第41頁/共57頁

在上述分析中，沒考慮內(nèi)應(yīng)力在載荷作用下的變化。實際上，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力max到達(dá)s時，亦即m與a之和達(dá)到s時，內(nèi)應(yīng)力將因應(yīng)力全面達(dá)到屈服而消除。在SCR線上所有點的m與a之和均達(dá)到s

。當(dāng)m達(dá)到相當(dāng)于圖中C點的數(shù)值時，內(nèi)應(yīng)力對疲勞強度將沒有影響。當(dāng)m小于相當(dāng)于C點的數(shù)值，則m越小，內(nèi)應(yīng)力的影響愈顯著。第42頁/共57頁不同焊接次序來獲得不同的焊接應(yīng)力分布的試樣對比試驗。

A是先焊縱向焊縫，后焊橫向焊縫。B是先焊橫向焊縫，后焊縱向焊縫。A組試樣的拉伸焊接應(yīng)力低于B組。A組疲勞強度高于B組。第43頁/共57頁

熱處理消除內(nèi)應(yīng)力后的疲勞強度第44頁/共57頁在交變載荷下（r＝-1)消除內(nèi)應(yīng)力試樣的疲勞強度接近130MPa，而未捎除內(nèi)應(yīng)力的僅為75MPa。在脈動載荷下（r=0)兩組試樣的疲勞強度相同，為185MPa。當(dāng)r＝0.3經(jīng)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力的試樣疲勞強度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。第45頁/共57頁原因：在r值較高時，疲勞強度較高，在較高的拉應(yīng)力作用下，內(nèi)應(yīng)力較快地得到釋放，因此內(nèi)應(yīng)力對疲勞強度的影響就減弱；當(dāng)r增大到0.3時，內(nèi)應(yīng)力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實際上對疲勞強度已不起作用。而熱處理在消除內(nèi)應(yīng)力的同時又消除了焊接過程對材料疲勞強度的有利影響，因而疲勞強度在熱處理后反而下降。第46頁/共57頁

四、缺陷的影晌

焊接缺陷在焊件中會引起應(yīng)力集中，在交變載荷作用下很容易產(chǎn)生疲勞裂紋。實驗證明：在同樣材料制成的焊接結(jié)構(gòu)中，缺陷對疲勞強度的影響要比靜載強度的影響大。焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。第47頁/共57頁片狀缺陷比帶圓角的缺陷（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片狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊縫趾部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷影晌大。第48頁/共57頁第49頁/共57頁

5.6提高焊接接頭疲勞強度的措施第50頁/共57頁

一、降低應(yīng)力集中1、采用合理的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中，以提高疲勞強度。第51頁/共57頁2、盡量采用應(yīng)力集中系