焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能課件

焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能1第一節(jié)焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的研究背景4.1.1焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故多發(fā)的原因①承受動(dòng)載的焊接結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，承受的載荷越來(lái)越大，而焊接結(jié)構(gòu)并沒(méi)有嚴(yán)格按照疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)；②雖然焊接接頭靜載承受能力一般與母材相當(dāng)，但承受疲勞載荷能力與母材相比較差，沒(méi)有引起設(shè)計(jì)者、制造者、使用者的足夠認(rèn)識(shí)。第一節(jié)焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的研究背景4.1.1焊接結(jié)構(gòu)疲勞2斜拉索橋事故委內(nèi)瑞拉的Maracibo橋，建于1960年，是世界著名的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉索橋，由于橋索涂漆層經(jīng)不住風(fēng)雨的侵蝕，在拉索的劇烈振動(dòng)下，192根的鋼索中有25根存在嚴(yán)重隱患，1979年2月，一根拉索突然疲勞斷裂，造成橋體局部坍塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5000萬(wàn)美元。斜拉索橋事故委內(nèi)瑞拉的Maracibo橋，建于1960年，是3橋梁疲勞事故遼寧盤(pán)錦田莊臺(tái)大橋2004年6月10日早晨7時(shí)許，遼寧省盤(pán)錦市境內(nèi)田莊臺(tái)大橋突然發(fā)生垮塌。大橋從中間斷裂27米。該橋在超限車(chē)輛長(zhǎng)期作用下，內(nèi)部預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重受損。由于重載沖擊力使大橋第9孔懸臂端預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)瞬間脆性斷裂，致使橋板坍塌。

橋梁疲勞事故遼寧盤(pán)錦田莊臺(tái)大橋4云天化公司爆炸2009年３月２３日云南云天化股份有限公司的合成氨裝置合成塔出口管道斷裂，事故導(dǎo)致７名員工受到輕微傷。由于高溫、高壓氣體外泄形成了強(qiáng)沖擊波，導(dǎo)致合成氨裝置合成塔出口管道發(fā)生斷裂。云天化公司爆炸2009年３月２３日云南云天化股份有限公司的合5深圳華僑城事故

“太空迷航”在設(shè)備設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題包括：座艙支承系統(tǒng)的中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿之間的聯(lián)接為間隙配合，使中導(dǎo)柱內(nèi)一個(gè)直徑為16毫米的螺栓承受交變載荷，設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮該螺栓承受交變載荷，未進(jìn)行相應(yīng)的疲勞驗(yàn)算，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮在現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)時(shí)保證該螺栓達(dá)到預(yù)緊力的有效措施。由于該螺栓松動(dòng)，加劇了中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿在運(yùn)行時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使該螺栓的受力狀況惡化，從而導(dǎo)致該螺栓產(chǎn)生疲勞破壞。2010年6月29日深圳東部華僑城“太空迷航”娛樂(lè)項(xiàng)目發(fā)生重大安全事故，造成6人死亡，10人受傷。深圳華僑城事故“太空迷航”在設(shè)備設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)6俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站事故2009年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生重大事故，6400MW水電站被淹沒(méi)，機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重受損，電站停止運(yùn)行，造成75人死亡，13人失蹤。發(fā)生事故的最初原因?yàn)橐凰啓C(jī)罩的螺栓發(fā)生疲勞破壞，螺栓斷裂導(dǎo)致轉(zhuǎn)子向上運(yùn)動(dòng)100-150mm而發(fā)生破壞。由于電廠斷電，緊急閘門(mén)不能馬上關(guān)閉，洪水進(jìn)入電廠，造成設(shè)備短路，從而引發(fā)一系列的破壞。俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站事故2009年87飛機(jī)疲勞事故2010年11月29日，阿根廷舉行飛機(jī)表演現(xiàn)場(chǎng)，金屬疲勞造成機(jī)翼斷裂，如圖中左機(jī)翼。飛機(jī)疲勞事故2010年11月29日，阿根廷舉行飛機(jī)表演現(xiàn)場(chǎng)，8疲勞斷裂安全隱患鐵道部大舉召回動(dòng)車(chē)原因：輪對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋

輪對(duì)是機(jī)車(chē)與鋼軌相接觸的部分，由左右兩個(gè)車(chē)輪壓裝在同一根車(chē)軸上組成，其作用是保證機(jī)車(chē)車(chē)輛在鋼軌上的運(yùn)行和轉(zhuǎn)向，承受來(lái)自機(jī)車(chē)車(chē)輛的全部靜、動(dòng)載荷，把它傳遞給鋼軌，并將因線(xiàn)路不平順產(chǎn)生的載荷傳遞給機(jī)車(chē)車(chē)輛各零部件，使容易發(fā)生機(jī)械疲勞，存在安全隱患。疲勞斷裂安全隱患鐵道部大舉召回動(dòng)車(chē)原因：輪對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋94.1.2焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例圖4-1直升飛機(jī)起落架的疲勞斷裂圖4-2載重汽車(chē)縱梁的疲勞斷裂結(jié)構(gòu)裂紋從高度集中的角接板尖端開(kāi)始，該機(jī)飛行著陸2118次后發(fā)生破壞。汽車(chē)底架縱梁斷裂，該處承受反復(fù)的彎曲應(yīng)力，且高應(yīng)力集中4.1.2焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例圖4-1直升飛機(jī)起落架的10圖4-3水壓機(jī)焊接機(jī)架的疲勞斷裂高應(yīng)力集中部位圖4-4焊趾部位的疲勞裂紋靠近焊縫端部的焊趾部位的疲勞裂紋，由于較高應(yīng)力集中所致。圖4-3水壓機(jī)焊接機(jī)架的疲勞斷裂高應(yīng)力集中部位圖4-11對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，疲勞裂紋都是從設(shè)計(jì)不良的焊接接頭的應(yīng)力集中部位開(kāi)始的。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，疲勞裂紋都是從設(shè)計(jì)不良的焊接接頭的應(yīng)力集中部位12第二節(jié)金屬材料疲勞特征和疲勞類(lèi)型4.2.1疲勞載荷及其表示方法常用正弦應(yīng)力或正弦應(yīng)變進(jìn)行加載σσmintσmax0(1)應(yīng)力循環(huán)中的參數(shù)σmax——應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力值；σmin

——應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力值，σm

——應(yīng)力循環(huán)中平均應(yīng)力值；σa

——應(yīng)力循環(huán)中應(yīng)力振幅；

R——應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)。正弦波加載第二節(jié)金屬材料疲勞特征和疲勞類(lèi)型4.2.1疲勞載荷及其表13應(yīng)力循環(huán)中的參數(shù)之間有如下關(guān)系：-1≤R≤1應(yīng)力循環(huán)中的參數(shù)之間有如下關(guān)系：-1≤R≤114(1)靜態(tài)拉、壓載荷(橫軸，黃線(xiàn))

R=1,σa=0,σmax=σmin=σm(2)拉伸變載荷:(黑線(xiàn))

0<R<1,0<σmin<σmax(3)脈動(dòng)載荷：(紅線(xiàn))

R=0,σmin=0(4)對(duì)稱(chēng)載荷:(藍(lán)線(xiàn))

R=-1，σmin＝-σmax,(5)隨機(jī)變載荷：幅值、循環(huán)特征等呈隨機(jī)變化的疲勞載荷。圖

應(yīng)力循環(huán)基本類(lèi)型圖(2)應(yīng)力循環(huán)的基本類(lèi)型（載荷的種類(lèi)）σσaσmσmintσmax0R=-1R>0R=0R=1(1)靜態(tài)拉、壓載荷(橫軸，黃線(xiàn))圖應(yīng)力循環(huán)基本類(lèi)型圖(215把載荷特征值的不同的數(shù)字用作區(qū)分靜載荷或動(dòng)載荷的分界值把載荷特征值的不同的數(shù)字用作區(qū)分靜載荷或動(dòng)載荷的分界1617火車(chē)軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）齒輪齒根（彎曲）球軸承（壓縮）連桿（小拉大壓）缸蓋螺釘（大拉小拉）圖R值與實(shí)例17火車(chē)軸（彎曲）齒輪齒根球軸承連桿缸蓋螺釘圖R值與實(shí)例17載荷種類(lèi)對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度行為具有根本的影響。隨著載荷特征值變小，構(gòu)件產(chǎn)生疲勞斷裂的危險(xiǎn)增大。對(duì)每一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)之前就應(yīng)充分考慮到在不同的載荷狀態(tài)下，其所承受相應(yīng)載荷的能力，并使其達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命。此外，構(gòu)件是否出現(xiàn)疲勞斷裂還受構(gòu)件本身形狀、材料厚度、表面狀況或腐蝕情況等影響。載荷種類(lèi)對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度行為具有根本的影響。隨著載荷特征184.2.2基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)及疲勞曲線(xiàn)在控制載荷或應(yīng)力的試驗(yàn)條件下，記錄試樣在某一循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)N。控制應(yīng)力，得到σ-N曲線(xiàn)控制應(yīng)變，得到ε-N曲線(xiàn)4.2.2.1疲勞試驗(yàn)S-N曲線(xiàn)4.2.2基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)及疲勞曲線(xiàn)在控制載荷或應(yīng)力的試驗(yàn)條件下194.2.2.2疲勞曲線(xiàn)——烏勒疲勞曲線(xiàn)為防止結(jié)構(gòu)在預(yù)定工作壽命期發(fā)生疲勞破壞，傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)采用σ―N曲線(xiàn)法確定疲勞強(qiáng)度。(1)疲勞曲線(xiàn)：通過(guò)疲勞試驗(yàn)，測(cè)得發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力σ（疲勞強(qiáng)度），與其所需的加載次數(shù)N(疲勞壽命）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)。(2)疲勞強(qiáng)度:在某疲勞應(yīng)力的作用下，經(jīng)N次循環(huán)，發(fā)生破壞，稱(chēng)該應(yīng)力N次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度是循環(huán)應(yīng)力的最大值σmax，用σR表示。(3)疲勞極限：在規(guī)定循環(huán)次數(shù)以后，疲勞強(qiáng)度不再下降，達(dá)到飽和的極限值。

如圖中水平虛線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力值稱(chēng)疲勞極限。4.2.2.2疲勞曲線(xiàn)——烏勒疲勞曲線(xiàn)為防止結(jié)構(gòu)在預(yù)定工作壽20兩種形式的烏勒疲勞曲線(xiàn)圖例1Nσmaxσ1σ2N1N2σ—N疲勞曲線(xiàn)揭示內(nèi)涵：不同載荷，不同壽命！降低載荷，壽命提高！曲線(xiàn)的水平漸近線(xiàn)為疲勞極限兩種形式的烏勒疲勞曲線(xiàn)圖例1Nσmaxσ1σ2N1N221兩種形式的烏勒疲勞曲線(xiàn)圖例2lnNσmaxσ1σ2N1N2σ—lnN疲勞曲線(xiàn)揭示內(nèi)涵：不同載荷、不同壽命！意義：曲線(xiàn)變折線(xiàn)，圖形更好看！水平線(xiàn)代表疲勞極限的數(shù)值兩種形式的烏勒疲勞曲線(xiàn)圖例2lnNσmaxσ1σ2N1224.2.3疲勞強(qiáng)度的常用表示方法為了直觀表達(dá)疲勞強(qiáng)度和循環(huán)特性之間關(guān)系，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可繪出下列幾種形式的疲勞圖。利用疲勞圖，可查得各種循環(huán)特性下、對(duì)應(yīng)一定循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度，了解某種材料的抗疲勞性能。換言之，表示在一定循環(huán)次數(shù)下疲勞強(qiáng)度σR與應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)R之間關(guān)系的曲線(xiàn)即為疲勞圖。有4種常見(jiàn)表示法。4.2.3疲勞強(qiáng)度的常用表示方法為了直觀表達(dá)疲勞強(qiáng)度和循環(huán)特23四種表示法：

①σmax―R表示法；

②σmax―σm

表示法；

③σa―σm

表示法；④σmax―σmin表示法。

疲勞圖的應(yīng)用意義：

①工程上用疲勞圖查找疲勞強(qiáng)度用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

②用于疲勞斷裂機(jī)理探討。四種表示法：24(1)σmax―R表示的疲勞圖

圖例：σmax特點(diǎn)：直觀、方便－10R1Rσ1σ0σ－1σR直接地將σmax與R的關(guān)系表示出來(lái)(1)σmax―R表示的疲勞圖圖例：σmax特點(diǎn)：直觀、方25（2）σa-σm表示法圖4-9σa-σm表示法圖解:已知R,則tanα=σa/σm=(1-R)/(1+R);特征值:OA=σ-1OB=σ1,即σbOC線(xiàn)與橫軸的夾角α=45°,tgα=1.相應(yīng)于應(yīng)力循環(huán)特性為R的情況,只需作一條與橫坐標(biāo)軸夾角為α的射線(xiàn),其交于曲線(xiàn)ACB上的交點(diǎn)C的坐標(biāo)之和:σa(C)＋σm(C)

=σR(C)

ACB為疲勞極限曲線(xiàn)，即該曲線(xiàn)內(nèi)的任意點(diǎn)不發(fā)生疲勞破壞，曲線(xiàn)外的點(diǎn)，經(jīng)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后發(fā)生疲勞破壞。對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力下疲勞破壞的臨界點(diǎn)靜載強(qiáng)度破壞點(diǎn)脈動(dòng)循環(huán)疲勞破壞臨界點(diǎn)（2）σa-σm表示法圖4-9σa-σm表示法圖解:已知R26(3)σmax(σmin)-σm表示的疲勞圖ADC最大應(yīng)力線(xiàn)BEC最小應(yīng)力線(xiàn)OA=σ-1C點(diǎn)：靜載荷破壞點(diǎn)E點(diǎn)：σmin=0D點(diǎn)：脈動(dòng)循環(huán)的疲勞極限(σmin=0)用作圖法可求出任一R下的疲勞強(qiáng)度，則直線(xiàn)與圖線(xiàn)上部曲線(xiàn)的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是該R下的疲勞強(qiáng)度σR(3)σmax(σmin)-σm表示的疲勞圖ADC最大應(yīng)27ABCD曲線(xiàn)為疲勞極限曲線(xiàn)，即該曲線(xiàn)內(nèi)的個(gè)點(diǎn)是不產(chǎn)生疲勞破壞的；由原點(diǎn)0發(fā)出的每條射線(xiàn)代表一種循環(huán)特性：如原點(diǎn)向左與橫坐標(biāo)成45°的直線(xiàn)表示交變載荷，R=σmim/σmax=-1，它與曲線(xiàn)交于B點(diǎn)，BB’即為σ-1；向右與橫坐標(biāo)成45°的直線(xiàn)表示靜載，R=σmim/σmax=l，它與曲線(xiàn)交于D點(diǎn)DD’即為靜載強(qiáng)度σb，而縱坐標(biāo)本身又表示脈動(dòng)載荷R=0，CC’即為σ0。（4）σmax-σmin表示法用作圖法可求出任一R下的疲勞強(qiáng)度，則直線(xiàn)與圖線(xiàn)上部曲線(xiàn)的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是該R下的疲勞強(qiáng)度σRABCD曲線(xiàn)為疲勞極限曲線(xiàn)，即該曲線(xiàn)內(nèi)的個(gè)點(diǎn)是不產(chǎn)生疲勞破壞28+σmin（拉伸）R=-1σmaxCrB-σmin（壓縮）σmσ-1σminR=+1B’△σC’D’DR=σmin/σmax靜載強(qiáng)度σbR=0450450σminσmaxE’E+σminR=-1σmaxCrB-σminσmσ-1σmin29（1）缺口效應(yīng)材料的強(qiáng)度越高，缺口越尖銳（2）尺寸效應(yīng)試樣尺寸增加時(shí)，材料疲勞強(qiáng)度降低（3）表面加工方法表面粗糙度；表面強(qiáng)化（機(jī)械、熱處理、噴涂、化學(xué)處理）應(yīng)力集中越敏感。4.2.4疲勞強(qiáng)度的影響因素（1）缺口效應(yīng)應(yīng)力集中越敏感。4.2.4疲勞強(qiáng)度的影響因素30(4)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的影響①外載荷平均應(yīng)力拉伸載荷→疲勞強(qiáng)度↓、疲勞壽命↓壓縮載荷→疲勞強(qiáng)度↑、疲勞壽命↑②加載頻率低頻率→疲勞極限↓高頻率→疲勞極限↑③應(yīng)力波形：影響較大④中間停歇停歇頻繁、停歇時(shí)間長(zhǎng)→疲勞壽命↓(4)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的影響31（5）材料性質(zhì)

①無(wú)應(yīng)力集中時(shí)，疲勞強(qiáng)度∝屈服點(diǎn)低合金高強(qiáng)鋼>低碳鋼

②有應(yīng)力集中時(shí)，高強(qiáng)鋼的疲勞極限下降得比低碳鋼快

③應(yīng)力集中達(dá)到一定程度高強(qiáng)鋼≈低碳鋼

（5）材料性質(zhì)

①無(wú)應(yīng)力集中時(shí)，疲勞強(qiáng)度∝屈服點(diǎn)324.2.5金屬疲勞的分類(lèi)按研究對(duì)象材料疲勞結(jié)構(gòu)疲勞按失效周次高周疲勞低周疲勞按受力狀態(tài)單軸疲勞多軸疲勞按載荷特征恒幅疲勞變幅疲勞隨機(jī)疲勞按載荷工況工作環(huán)境常規(guī)疲勞高低溫疲勞熱疲勞熱-機(jī)械疲勞腐蝕疲勞接觸疲勞4.2.5金屬疲勞的分類(lèi)按研究對(duì)象材料疲勞結(jié)構(gòu)疲勞按失效周次33材料疲勞：主要研究材料的失效機(jī)理，化學(xué)成分、微觀組織、環(huán)境和工況等對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，研究疲勞斷口的宏觀和微觀形貌等。結(jié)構(gòu)疲勞：以部件、接頭以致整個(gè)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、壽命估算方法和疲勞試驗(yàn)方法，形狀、尺寸和工藝因素的影響以及提高疲勞強(qiáng)度的方。高周疲勞：材料在低于其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)104~105以上循環(huán)產(chǎn)生的失效。(彈簧、傳動(dòng)軸等)低周疲勞：材料在接近或超過(guò)其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，低于104~105次循環(huán)產(chǎn)生的失效。(壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)零件等)材料疲勞：主要研究材料的失效機(jī)理，化學(xué)成分、微觀組織、環(huán)境和34單軸疲勞：?jiǎn)蜗蜓h(huán)應(yīng)力作用下的疲勞。多軸疲勞：多向循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞。恒幅疲勞：疲勞載荷中，所有峰值載荷均相等和所有谷值載荷均相等的載荷，承受恒幅載荷的疲勞為恒幅疲勞。變幅疲勞：疲勞載荷中，所有峰值載荷不等或所有谷值載荷不等或兩者均不等的載荷為譜載荷，承受譜載荷的疲勞為變幅疲勞。隨機(jī)疲勞：疲勞載荷中峰值載荷和谷值載荷及其序列是隨機(jī)出現(xiàn)的譜載荷為隨機(jī)載荷，承受隨機(jī)載荷的疲勞為隨機(jī)疲勞。單軸疲勞：?jiǎn)蜗蜓h(huán)應(yīng)力作用下的疲勞。35常規(guī)疲勞：在室溫、空氣介質(zhì)中的疲勞低溫疲勞：低于室溫的疲勞高溫疲勞：高于室溫的疲勞熱疲勞：溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞熱-機(jī)械疲勞：溫度循環(huán)與應(yīng)變循環(huán)疊加的疲勞腐蝕疲勞：腐蝕環(huán)境與循環(huán)應(yīng)力(應(yīng)變)的復(fù)合作用所導(dǎo)致的疲勞接觸疲勞：滾動(dòng)接觸零件在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定的循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點(diǎn)、淺層或深層剝落的過(guò)程沖擊疲勞：重復(fù)沖擊載荷所導(dǎo)致的疲勞常規(guī)疲勞：在室溫、空氣介質(zhì)中的疲勞36第三節(jié)金屬材料疲勞斷裂過(guò)程和斷口特征4.3.1金屬材料疲勞斷裂的過(guò)程疲勞破壞過(guò)程一般可分為三個(gè)階段：疲勞裂紋形成疲勞裂紋擴(kuò)展斷裂第三節(jié)金屬材料疲勞斷裂過(guò)程和斷口特征4.3.1金屬材料37

疲勞裂紋的形核主要有三種方式：滑移帶開(kāi)裂；夾雜物和基體晶面開(kāi)裂；孿晶和晶界開(kāi)裂。（1）疲勞裂紋的形成——第Ⅰ階段圖

疲勞裂紋的形成方式位置：在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過(guò)不均勻滑移，微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成疲勞裂紋的形核主要有三種方式：（1）疲勞裂紋的形成38晶粒取向不同→部分晶粒先屈服→高應(yīng)力集中

↓與最大切應(yīng)力面相一致的滑移面的晶粒

↓滑移線(xiàn)

↓滑移帶→擠出峰、擠入槽

↓微裂紋①滑移帶開(kāi)裂圖4-15滑移帶示意圖晶粒取向不同→部分晶粒先屈服→高應(yīng)力集中①滑移帶開(kāi)裂39②晶界處開(kāi)裂

晶界就是面缺陷；

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界開(kāi)裂。③相界面開(kāi)裂

兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開(kāi)裂。

只有首先達(dá)到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長(zhǎng)大。②晶界處開(kāi)裂

晶界就是面缺陷；

40裂紋擴(kuò)展第一階段：與拉應(yīng)力軸線(xiàn)成45度角。沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展；擴(kuò)展速率僅0.1μm數(shù)量級(jí)。圖

疲勞裂紋的擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展第一階段：與拉應(yīng)力軸線(xiàn)成45度角。沿主滑移系，以純剪41與拉應(yīng)力軸向垂直：晶界的阻礙作用，使擴(kuò)展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向擴(kuò)展速率μm級(jí)可以穿晶擴(kuò)展形成疲勞條紋（疲勞輝紋），一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果。（2）疲勞裂紋的擴(kuò)展——第Ⅱ階段圖

疲勞裂紋的擴(kuò)展（2）疲勞裂紋的擴(kuò)展——第Ⅱ階段圖疲勞裂紋的擴(kuò)展42圖

疲勞裂紋擴(kuò)展留下形貌圖疲勞裂紋擴(kuò)展留下形貌43未加載，裂紋閉合，其尖端處于尖銳狀態(tài)。開(kāi)始加載，在切應(yīng)力下，裂紋尖端上下兩側(cè)沿45°產(chǎn)生滑移，使裂紋尖端變鈍，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到最高值時(shí)，裂紋停止擴(kuò)展。開(kāi)始卸載，裂紋尖端的金屬又沿45°繼續(xù)卸載，裂紋尖端處由逐漸閉合到全部閉合，裂紋銳化。每經(jīng)過(guò)一次加載循環(huán)，疲勞裂紋尖端就經(jīng)歷一次：銳化→鈍化→再銳化的過(guò)程，并向前擴(kuò)展一段長(zhǎng)度△a，在斷口表面遺留下一條痕跡，即看到的疲勞輝紋。綜上，亞臨界裂紋擴(kuò)展過(guò)程就是裂紋反復(fù)銳化和鈍化的過(guò)程。疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展機(jī)理——塑性鈍化模型未加載，裂紋閉合，其尖端處于尖銳狀態(tài)。疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展機(jī)理—44（3）疲勞斷裂——第Ⅲ階段在循環(huán)加載下裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，承受載荷的橫截面面積繼續(xù)減小，直到有效面積小到不能承受施加的載荷時(shí)，構(gòu)件達(dá)到最終斷裂階段。該階段可為延性斷裂，多為脆性斷裂。斷裂階段標(biāo)準(zhǔn)：承載構(gòu)件：不能再承受工作載荷；壓力容器：產(chǎn)生泄漏。（3）疲勞斷裂——第Ⅲ階段在循環(huán)加載45①初始疲勞裂紋在應(yīng)力集中區(qū)孕育、萌生；②裂紋亞臨界擴(kuò)展或穩(wěn)定擴(kuò)展；③失穩(wěn)擴(kuò)展，以至與斷裂。4.3.2疲勞斷口的特征斷口擁有三個(gè)形貌不同的區(qū)域：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。

隨材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)的不同，三個(gè)區(qū)的大小和位置不同(1)宏觀斷口特征1-裂紋源2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū)①初始疲勞裂紋在應(yīng)力集中區(qū)孕育、萌生；4.3.2疲勞斷口的46疲勞源區(qū)：區(qū)域很小，發(fā)生在表面或內(nèi)部缺陷處。隨應(yīng)力狀態(tài)及其大小的不同，可有一個(gè)或幾個(gè)疲勞源。1-裂紋源2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū)疲勞源區(qū)：區(qū)域很小，發(fā)生在表面或內(nèi)部缺陷處。隨應(yīng)力狀態(tài)及其大47裂紋擴(kuò)展區(qū)：貝殼狀或海灘波紋狀由于空氣及介質(zhì)的氧化或腐蝕作用；凸起部分則因擴(kuò)展過(guò)程的摩擦和擠壓作用逐漸被磨光；因而出現(xiàn)貝殼狀條紋的光滑表面，即所謂的“海灘狀”、“年輪狀”花樣。條紋推進(jìn)線(xiàn)一般從裂紋源開(kāi)始向四周推進(jìn)，并且垂直于疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。疲勞裂紋擴(kuò)展部分的斷面較為平滑、顏色較深.

1-裂紋源2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)：貝殼狀或海灘波紋狀1-裂紋源48瞬斷區(qū)一般在疲勞源的對(duì)側(cè)。脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料有放射狀紋理；邊緣為剪切唇。瞬時(shí)斷裂區(qū)較為粗糙，屬于脆性斷口。1-裂紋源2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)3-疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)4-瞬時(shí)斷裂區(qū)瞬斷區(qū)1-裂紋源49微觀斷口：在疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段內(nèi)形成特征是：疲勞輝紋，每一條紋代表一次載荷循環(huán)疲勞輝紋與貝殼條紋是一回事嗎？疲勞輝紋：是一次應(yīng)力循環(huán)中裂紋尖端塑性鈍化(△a)形成的痕跡貝殼狀條紋：是循環(huán)應(yīng)力振幅變化或載荷變化而形成的宏觀特征，相鄰的貝殼紋線(xiàn)之間可能有成千上萬(wàn)條輝紋。有時(shí)在宏觀斷口上看不到貝殼紋，但在電鏡下仍可看到疲勞輝紋。微觀斷口：在疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段內(nèi)形成50脆性破壞與疲勞破壞的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)：同：

（1）都屬低應(yīng)力破壞；（2）破壞前結(jié)構(gòu)都沒(méi)有明顯的征兆或外觀變形，突發(fā)性強(qiáng)，令人猝不及防；（3）都對(duì)應(yīng)力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或起裂于應(yīng)力集中點(diǎn)。

脆性破壞與疲勞破壞的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)：51異：不同點(diǎn)脆性斷裂疲勞斷裂載荷性質(zhì)靜載、沖擊疲勞對(duì)溫度的敏感性敏感、低溫易脆斷不敏感受載次數(shù)大于臨界值，一次即可斷裂需幾十～幾百萬(wàn)次斷裂經(jīng)歷時(shí)間大于臨界值，瞬間斷裂需較長(zhǎng)或很長(zhǎng)時(shí)間斷裂經(jīng)歷過(guò)程彈性能釋放有余，連續(xù)自動(dòng)開(kāi)裂“張開(kāi)－閉合”循環(huán)斷裂機(jī)制需要大于臨界的擴(kuò)展能張開(kāi)－擴(kuò)展，閉合－硬化、銳化宏觀斷口形貌沿薄弱環(huán)節(jié)擴(kuò)展，錯(cuò)落交織人字紋帶有幅射線(xiàn)的貝殼紋微觀斷口形貌錯(cuò)層，河流樣花紋疲勞輝紋異：不同點(diǎn)脆性斷裂疲勞斷裂載荷性質(zhì)靜載、沖擊疲勞對(duì)溫度的敏感52第四節(jié)影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素4.4.1應(yīng)力集中的影響不合理的設(shè)計(jì)、接頭形式和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的各種缺陷(未焊透、咬邊等)是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。4.4.1.1接頭形式應(yīng)力集中：對(duì)接接頭最小疲勞強(qiáng)度：對(duì)接接頭最高第四節(jié)影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素4.4.1應(yīng)力集中的影響53一般對(duì)接接頭：疲勞裂紋位于焊趾部位、焊縫或熱影響區(qū)墊板對(duì)接接頭：疲勞裂紋位于焊縫和墊板接合處不開(kāi)坡口十字接頭：裂紋位于焊趾或焊根開(kāi)坡口熔透十字接頭：裂紋位于焊趾不承受工作應(yīng)力的十字和T形接頭：疲勞強(qiáng)度依賴(lài)于焊縫和受力板之間過(guò)渡應(yīng)力集中狀況，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾部位。一般對(duì)接接頭：疲勞裂紋位于焊趾部位、焊縫或熱影響區(qū)544.4.1.2焊趾區(qū)幾何形狀(1)焊趾過(guò)渡半徑過(guò)渡半徑增加→疲勞強(qiáng)度增加(2)過(guò)渡角過(guò)渡角增加→疲勞強(qiáng)度降低圖4-25過(guò)渡角

以及過(guò)渡圓弧半徑R對(duì)對(duì)接接頭疲勞強(qiáng)度的影響4.4.1.2焊趾區(qū)幾何形狀圖4-25過(guò)渡角以及過(guò)渡圓55試驗(yàn)研究表明，在常用的線(xiàn)能量下低碳鋼焊縫、熱影響區(qū)和基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)接近，其近縫區(qū)金屬機(jī)械性能變化對(duì)對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度影響較小。只有在非常高的線(xiàn)能量下焊接，熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)力集中的敏感性下降，其疲勞強(qiáng)度比基本金屬高得多。

低合金鋼的情況較為復(fù)雜，在熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的機(jī)械性能變化幅度比低碳鋼大，但在有應(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。

4.4.2近縫區(qū)金屬性能變化的影響試驗(yàn)研究表明，在常用的56σａ

σｓ安全區(qū)不安全區(qū)ABσｍrcC4.4.3焊接殘余應(yīng)力的影響(參考疲勞圖)構(gòu)件中內(nèi)應(yīng)力σ0為正時(shí)，與載荷應(yīng)力相疊加使循環(huán)應(yīng)力提高σ0σm→σ’m(σm+σ0)極限應(yīng)力幅值下降構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度降低相反，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度提高以上沒(méi)有考慮內(nèi)應(yīng)力在載荷作用下的變化當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力σmax到達(dá)σs時(shí)，即σm+σa=σs時(shí)，內(nèi)應(yīng)力將因全面達(dá)到屈服而消除，即圖中藍(lán)色直線(xiàn)。即σm達(dá)到C點(diǎn)的數(shù)值時(shí)，內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度沒(méi)有影響。當(dāng)σm小于C點(diǎn)數(shù)值，則σm越小，內(nèi)應(yīng)力的影響越顯著。σａσｓ安全區(qū)不安全區(qū)ABσｍrcC4.4.3焊接殘余57熱處理消除殘余應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。R小，Kt大時(shí)，熱處理提高疲勞強(qiáng)度R大，Kt小時(shí)，熱處理降低疲勞強(qiáng)度(熱處理一方面消除殘余應(yīng)力，另一方面，導(dǎo)致接頭表面氧化、脫碳及組織軟化)熱處理消除殘余應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。584.4.4外載應(yīng)力循環(huán)比R的影響當(dāng)焊接構(gòu)件中有高值殘余應(yīng)力時(shí)，構(gòu)件疲勞強(qiáng)度與構(gòu)件承受應(yīng)力范圍有關(guān)，與R無(wú)關(guān)。對(duì)于薄板、小尺寸構(gòu)件或應(yīng)力消除構(gòu)件，疲勞強(qiáng)度增高，且與R有關(guān)。4.4.4外載應(yīng)力循環(huán)比R的影響當(dāng)焊接構(gòu)件中有高值殘余應(yīng)力59R=0.3，消除殘余應(yīng)力有害R=0，殘余應(yīng)力無(wú)影響R=-1，消除殘余應(yīng)力有利R比較低時(shí)，內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響比較大R=0.3，消除殘余應(yīng)力有害R=0，殘余應(yīng)力無(wú)影響R=-1，60

焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種類(lèi)、尺寸、方向和位置有關(guān)。

①缺陷形狀：片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大。

②缺陷方向：與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大。

③缺陷位置：

表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大.

殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷比殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷影響大

應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣缺陷影響大。4.4.5焊接缺陷的影響焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種614.4.6結(jié)構(gòu)尺寸的影響疲勞強(qiáng)度在很大程度上決定于結(jié)構(gòu)截面尺寸。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸增加時(shí)，疲勞強(qiáng)度將會(huì)降低。由于結(jié)構(gòu)尺寸增加，其缺陷也必將增加；或者是焊縫缺陷在小構(gòu)件上所引起的應(yīng)力集中要比在大構(gòu)件中小些等原因所致。

因而在考慮材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，必須注意絕對(duì)尺寸這一不良影響。4.4.6結(jié)構(gòu)尺寸的影響疲勞強(qiáng)度在很大程度上決定于結(jié)624.4.7服役溫度的影響使用溫度上升，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度不斷下降，影響程度更為顯著不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度隨溫度的變化程度不同例如：耐熱鋼、奧氏體不銹鋼制成的焊接接頭隨溫度上升，其疲勞強(qiáng)度的下降趨勢(shì)較普通低碳鋼、低合金鋼緩慢得多。4.4.7服役溫度的影響使用溫度上升，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度不斷63總體把握

應(yīng)力集中是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的最主要因素——罪魁禍?zhǔn)祝?/p>

提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)從：

焊接接頭與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、完善焊接工藝、減少焊接缺陷等方面綜合考慮。

一般可以具體采取以下措施：第五節(jié)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施總體把握第五節(jié)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施64(1)降低應(yīng)力集中

①采用合理的結(jié)構(gòu)形式

這可以減小應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。

推薦方案避免方案4.5.1提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的途徑(1)降低應(yīng)力集中①采用合理的結(jié)構(gòu)形式推薦方案避65

凡是結(jié)構(gòu)中承受交變載荷的構(gòu)件，都應(yīng)當(dāng)盡量采用對(duì)接接頭或開(kāi)坡口的T形接頭；搭接接頭或不開(kāi)坡口的T形接頭，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，應(yīng)力求避免采用。②采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭（a）角焊縫連接（b）對(duì)接焊縫連接（c）對(duì)接焊縫連接圖4-30復(fù)合結(jié)構(gòu)把角焊縫改為對(duì)接焊縫的實(shí)例凡是結(jié)構(gòu)中承受交變載荷的構(gòu)件，都應(yīng)66圖4-29焊接框架角部設(shè)計(jì)的改善A角有嚴(yán)重應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)b)小改進(jìn)，B角仍有嚴(yán)重的應(yīng)力集中c)減小應(yīng)力集中，使焊縫遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)的改進(jìn)方案對(duì)接焊縫，只有保證連接件的截面沒(méi)有突然改變的情況下傳力才是合理的。右圖，一個(gè)設(shè)計(jì)不好的底盤(pán)框架的“垂直角”部A點(diǎn)，有不可避免要破壞的危險(xiǎn)；圖b，把一塊三角形加強(qiáng)板對(duì)焊到這個(gè)角上。

這種措施只是把破壞點(diǎn)由A點(diǎn)移至焊縫端部B點(diǎn)，因?yàn)樵谠撎幗宇^形狀突然改變，仍存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。最好改善方法：把兩翼緣之間的垂直連接改用一塊曲線(xiàn)過(guò)渡板，用對(duì)接焊縫與構(gòu)件拼焊在一起，圖c。圖4-29焊接框架角部設(shè)計(jì)的改善對(duì)接焊縫，只有保證連接67(2)采用高疲勞性能的焊接方法真空電子束焊、線(xiàn)性摩擦焊、攪拌摩擦焊、TIG焊、A-TIG焊、等離子焊、激光焊等(2)采用高疲勞性能的焊接方法真空電子束焊、線(xiàn)性摩擦焊、攪拌684.5.2工藝措施(1)改變焊縫的幾何外形，降低焊趾部位的應(yīng)力集中程度(2)消除接頭部位尤其是焊趾區(qū)表層焊接缺陷及顯微缺陷(3)調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力場(chǎng)

①消除接頭的應(yīng)力集中處的焊接殘余拉應(yīng)力；

②使接頭的應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；(4)使接頭部位尤其是焊趾區(qū)表層得以硬化4.5.2工藝措施(1)改變焊縫的幾何外形，降低焊趾部69具體方法：整體處理：包括整體退火或拉伸法；局部處理：即采用在焊接接頭局部加熱、輾壓焊道等方法，使接頭應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力！改善材料的機(jī)械性能：表面強(qiáng)化處理(噴丸處理)特殊保護(hù)措施：塑料涂層

提高疲勞強(qiáng)度的具體方法具體方法：提高疲勞強(qiáng)度的具體方法70整體處理整體高溫回火消除殘余應(yīng)力工藝：將整個(gè)焊接構(gòu)件加熱到一定溫度，然后保溫一段時(shí)間，再冷卻，從而消除殘余應(yīng)力。效果：R小，Kt大時(shí)，整體退火消除殘余應(yīng)力可