1、(1)*176532894焊接接头和结构的疲劳强度3.1焊接结构的疲劳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中的应用3.5应变疲劳3.6影响焊接结构疲劳强度的因素3.7提高焊接接头疲劳强度的措施(2)*1765328943.1 焊接结构的疲劳大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190亿美元的代价，相当国民经济总产值4%，而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上，工业发达
2、国家的这一比例已经接近70%.然而焊接结构经常不断发生断裂事故，其中90%为疲劳失效。(3)*176532894一、疲劳断裂事例1、疲劳破坏一直被认为是船舶及海洋工程结构的一种主要的破坏形式。美国海岸警卫队船舶结构委员会（ShipStructureCommittee，U.S.CoastGuard）曾组织力量对六种不同类型的77艘民用船舶及9艘军舰中六十多万个结构细部进行了调查研究和统计分析，结果表明，有约九分之一的破坏与疲劳有关。1）1965年日本为美国建造的Sedco型半潜式平台在交货途中破损沉没，造成13人死亡；2）1980年AlexanderKeyland号半潜式平台在北海翻沉，使一百余
3、人葬身海底。(4)*1765328942、疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁和发电站的管道上。上世纪五六十年代，欧洲公路网得到高速发展，当时大多采用焊接技术建造钢桥，由于那时对公路桥梁疲劳认识不足，在规范中没有规定进行抗疲劳设计，出现了许多设计不合理的焊接接头，在今天日益繁忙和加重的交通运输载荷下，加快了疲劳损伤过程，许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹。上世纪九十年代末，我国高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。(5)*176532894图3-1 直升飞机起落架的疲劳断裂图裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始的。破坏时已着陆2118次(6
4、)*176532894图3-2 载货汽车底架纵梁的疲劳断裂梁厚为5mm，在角钢和纵梁的焊接处产生裂纹。破坏时该车已运行30000km(7)*176532894空气压缩机的疲劳断裂a)原设计 b)改进设计压缩机法兰盘和管道连接处因采用角焊缝而导致疲劳断裂，改为对接焊缝后，疲劳断裂事故大为减少。(8)*176532894图3-3 水压机焊接机架的疲劳断裂该断裂是从焊接接头和应力集中处开始的(9)*176532894(10)*176532894(11)*176532894v焊接结构疲劳失效的原因 客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接
5、接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素； 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头； 工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式； 焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大； 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。 (12)*1765
6、32894v什么是疲劳？答：疲劳是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永外久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程.v什么是疲劳极限?答：疲劳极限是指在指定循环基数下的中值疲劳强度，循环基数一般取107或更高一些 二、焊接结构常见的疲劳类型(13)*176532894(1)按零件所受应力大小和循环周数分类: 高周疲劳：为低应力、高寿命的疲劳破坏。应力较低，小于屈服极限，应力循环周数较高，一般超过106107，为最常见的一种疲劳破坏，如曲轴、弹簧等零件的断裂 低周疲劳：为高应力、低寿命的疲劳破坏。应力近于或等于屈服极限，应力循环周数少于104105。例如，压力容
7、器、高压管道、飞机起落架、核反应堆外壳等的裂纹和断裂。使用中应力很高，甚至超过材料的s但循环周数很少时就发生疲劳破坏。(14)*176532894(2)按零件工作环境和接触情况分类:分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。热疲劳由于零件受热温度变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。例如，柴油机气缸套、气缸盖受热面的裂纹。腐蚀疲劳零件在腐蚀性介质中受到腐蚀，并在交变载荷作用下产生的疲劳破坏。主要是由于腐蚀介质在材料的疲劳过程中促进了裂纹的萌生和发展。(3)按应力状态分类:有弯曲疲劳、扭转疲劳、轴向拉压疲劳和复合疲劳等。(15)*176532894疲劳破坏的特点（1）
8、 交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力破坏）。（2） 无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为脆性断裂，没有明显的塑性变形。（3） 材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应力越大，循环次数越少。（4） 断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即光滑区域和粗糙区域，如图所示。(16)*176532894(17)*1765328943.2疲劳断裂的过程和断口特征一、疲劳断裂的过程图3-7 疲劳裂纹扩展过程示意图(18)*176532894(19)*176532894疲劳断裂产生的部位：应力最高、强度最弱的部位
9、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屈服，出现滑移，随着循环加载的进行，滑移线的量加大成滑移带，并不断加宽、加深形成“挤出”和“挤入”，挤入部分向滑移带纵深发展，形成疲劳微裂纹（如图3-6）。图3-6图3-7疲劳裂纹扩展过程示意图(20)*176532894滑移产生挤入挤出示意图(21)*176532894疲劳裂纹的萌生和扩展机理裂纹发展大体可分为三个阶段:第一阶段由裂纹源向与载荷作用方向大体成45度方向发展第三阶段垂直于载荷作用方向发展第三阶段为裂纹快速扩展阶段,直至破断.(22)*176532894(23)*176532894二、疲劳断口的特征u疲劳源大多分布于零件表面。u
10、疲劳裂纹扩展呈贝纹状时，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。(24)*176532894 图3-9疲劳断口上特征区的示意图 a)圆形试件 b)角接接头1-疲劳裂纹源区 2-疲劳裂纹源区扩展区3-疲劳裂纹加速扩展区 4-瞬时断裂区(25)*176532894图6即为图3-7(26)*176532894(27)*176532894 3.3 疲劳载荷及表示法3.3.1 疲劳强度与疲劳图一、疲劳载荷及应力循环特征的表示方法(28)*176532894(29)*176532894(30)*176532894(31)*176532894二、S-N曲线(
11、32)*176532894应力循环次数N（疲劳寿命）0NX105N1N2fy123456 应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高； 应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹(33)*176532894(34)*176532894(35)*176532894(36)*176532894(37)*176532894(38)*176532894(39)*176532894(40)*176532894同一组试件在同样的条件下进行试验，它们的疲劳寿命N并不一样，但却具有一定的分布规律，即与概率有关。因此，可以根据一定的概率（通常就是存活率P，亦相当
12、于可靠度）来确定N值。并且疲劳寿命还与应力水平有关，因此可以得出N为P和S的二元函数。P,S,N的函数关系形成三维空间中的一个曲面，但是为了与传统的SN曲线一直，工程上习惯将P，S，N的函数关系画在SN的二维坐标系中，当P取值一定时，则以S为自变量形成一条SN曲线，当P得取值变化时，则每一P值对应着一条SN曲线，从而形成SN的曲线族，也将其称为PSN曲线。 p-s-n就是S-N 曲线和概率的结合，p 就是存活率，就是你采用当前S-N曲线的话安全与否（0.95的存活率通俗的说就是采用这个S-N曲线100个试件至少有95个是安全的） 存活率（可靠度）的意思是指：对于该条S-N曲线有P%的把握认为，
13、该材料（零件）是不会破坏的。P-S-N曲线(41)*176532894(42)*1765328943.3.2疲劳设计(43)*176532894(44)*176532894(45)*176532894(46)*176532894(47)*176532894(48)*176532894疲劳强度设计的一般原则1、承受拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆滑的过渡结构以减小刚度的突然变化。2、优先选用对接焊缝、单边V形焊缝和K形焊缝，尽量不用角焊缝。3、最好采用双面角焊缝，避免使用单面角焊缝。4、采用有搭接板的搭接接头和弯搭接接头，尽量不用偏心搭接。5、使焊缝位于低应力区，使缺口效应分散而避免其叠加。6
14、、在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后设置一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力。7、承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩。8、横向力应作用于剪切中心之上以减小扭矩。(49)*1765328949、承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强件长度应小，以减小加强件对于构件变形的拘束。10、承受扭转的构件，为避免横截面翘曲受阻可采用切除翼缘端部、翼缘端部斜接等形式以及采用横截面不产生翘曲的型材。11、使焊缝能包围较大面积或局部增加构件壁厚以减轻外力作用于薄壁构件上时引起的局部弯曲。12、在薄板范围内合理布置焊缝以减轻弯曲变形。13、避免能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加强肋板角部
15、应切除。14、在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件或铸造连接件代替焊接接头。15、消除能引起腐蚀的根部间隙。(50)*176532894(51)*176532894(52)*176532894(53)*1765328943.6影响焊接结构疲劳强度的因素(54)*176532894(55)*176532894(56)*176532894(57)*176532894(58)*176532894(59)*176532894(60)*176532894(61)*176532894(62)*176532894(63)*176532894(64)*176532894(65)*176532894
16、(66)*176532894五、其它因素的影响1、材料性质的影响不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。2、结构尺寸的影响结构尺寸增大时，疲劳强度将会降低(67)*176532894一）降低应力集中(68)*176532894(69)*176532894二）调整残余应力场(70)*176532894(71)*176532894三）改善材料表面性能四）保护措施(72)*176532894焊接结构疲劳强度的改善方法
