第10讲 焊接结构的疲劳失效

第10讲 焊接结构的疲劳失效

绝大多数的焊接结构和焊接机械零部件，都是在变载荷下工作的，疲劳破坏是这种构件的主要破坏形式。大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。

3.1 金属材料的疲劳破坏

一、疲劳强度

金属机件在循环应力作用下的疲劳破坏，与在静应力作用下的失效有本质区别。

静强失效，是由于在构件的危险截面中，产生过大的残余变形或最终断裂。 疲劳破坏，是在构件局部高应力区内，较弱的晶粒在变动应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展导致最终疲劳破坏。

疲劳破坏与脆性断裂相比：

同：两者断裂时的变形都很小。

异：(1)疲劳破坏需要多次加载，而脆断一般不需多次加载。

(2)结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展是缓慢的有时要长达数年时间。

(3)脆断受温度影响极大。随温度的小而降低，脆断的危险性增加。 而疲劳破坏受温度影响甚小。

(4)疲劳破坏的断口特征明显不同于脆断。

二、载荷的种类

掌握载荷的变化情况，是进行疲劳强度设计的先决条件。

变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：

σmax ——变动载荷或应力循环内的最大应力；

σmin ——变动载荷或应力循环内的最小应力；

σm =σmax +σmin

2——平均应力；

——应力振幅或应力半幅； σa =σmax -σmin

2

r =σmin ——应力循环特性系数或应力循环对称系数。 σmax

描述循环载荷的上述参数如图3-1所示。

图3-1 疲劳试验中的载荷参数

单向等幅变动载荷，按照应力幅值σ0和平均应力σm 的大小，可分为对称拉压、脉动拉伸、波动拉压等形式。r 的变化范围在-1~+1。图3-2为疲劳失效中载荷类型。

图3-2 疲劳时效中的载荷类型

载荷种类对构件的强度行为具有根本的影响。随着载荷特征值变小，构件产生疲劳断裂的危险增大。对每一个焊接结构，在设计之前就应充分考虑到在不同的载荷状态下，其所承受相应载荷的能力，并使其达到设计的使用寿命。此外，构件是否出现疲劳断裂还受构件本身形状、材料厚度、表面状况或腐蚀情况等影响。

3.2疲劳裂纹形成及影响疲劳强度的因素

一、疲劳裂纹的形成及扩展

疲劳破坏——材料在多次重复的变应力作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的强度极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，从而产生裂纹并且最终断裂，这种破坏称为疲劳破坏。

疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂。疲劳断裂是由循环应力、拉应力、和塑性应变同时作用而造成的。循环应力使裂纹形成，拉应力使裂纹扩展，塑性应变影响整个疲劳过程。若三者缺一，则疲劳裂纹都不可能形成和扩展。

（一）疲劳裂纹的形成

总是首先在应力最高、强度最弱的基本上形成。

疲劳裂纹的形成主要有三种形式：夹杂物和基体晶面开裂、滑移带开裂、变晶和晶界开裂，如图3-3所示。

图3-3疲劳裂纹的形成方式

（二）疲劳裂纹的扩展

疲劳裂纹形成后，便沿着与拉应力轴线成45°角的最大切应力方向扩展，这是裂纹扩展第Ⅰ阶段。在这个阶段中，裂纹扩展速度和最大深度都非常小，裂纹达到某一深度后，即称为扩展的第Ⅱ阶段。在这个阶段中，裂纹垂直于拉应力轴的方向。当疲劳裂纹长度达到材料的临界裂纹尺寸a c 时， 最终的瞬时断裂，如图3-4所示。

图3-4疲劳裂纹的扩展

（三）疲劳破坏的宏观断口特征

脆性的，无明显的塑性变形。疲劳断口分成疲劳裂纹扩展（疲劳区）和瞬时断裂（瞬断区）两个区。图3-5为疲劳断裂的断口形貌。

图3-5疲劳断裂的断口形貌

二、影响疲劳强度的因素

（一）应力集中

材料的强度越高，缺口越尖锐⇒应力集中越敏感。

（二）表面状况

在变载荷作用下，疲劳裂纹常开始产生于构件表面。因为在弯曲及扭转载荷作用下，、表层的应力最高，且表层经常存在各种缺陷。⇒表面加工质量，对疲劳强度有很大影响。

eg1: 抛光是最精密的机械加工。在试样表面上按平行于载荷方向进行抛光，所得的疲劳强度最高。

eg2: 在构件或合金坯料上打印，会使疲劳极限明显下降。在厚度为4mm ，σ0=47 kgf/mm2的硬铝试样上打印，其疲劳强度约降低30%。

（三）尺寸的影响

早在1933年福耳哈贝尔(Faulhaber)研究和金钢试样时，将直径由7.5mm 增至27mm 时，发现疲劳强度降低0～15%。

关于尺寸对材料疲劳极限的影响，综合许多研究资料，可归纳为以下几点：

(1)试样尺寸增加时，材料疲劳极限降低；（考虑表层状态）

(2)强度高的合金钢，其尺寸影响比强度低的钢大；

(3)当应力分布不均匀性增加时，尺寸影响也增加；

(4)尺寸增加时，有效应力集中系数也增加。

3.3 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用

在传统的疲劳强度设计方法中，总是假定材料的初始状态是连续体，是没有裂纹的，经过一定循环数后，由于材料的损伤积累，才形成裂纹。并且认为，凡是强度指标（如强度极限σb 和屈服极限σ0）高的材料，其疲劳寿命也长。

然而，

实践证明，为了提高疲劳强度而采用强度级别高的材料后，构件的断裂事故增加了。因为构件中总存在微裂纹。目前超声波探伤只能发现0.2mm 以上的裂纹，而这一尺寸以下的裂纹还无法用无损探伤手段完全发现。但实际上裂纹是存在的。所以传统的强度理论认为材料是均匀的、连续的这个假设并不符合实际。

断裂力学的基本假设是承认构件中原始裂纹的存在。从应力强度因子与其它变量之间的关系看，当由载荷、结构形状、裂纹形状及大小所决定的强度因子≥材料的断裂韧性K IC 时，⇒材料发生断裂。因此，如果已知应力强度因子的合理表达式及材料的断裂韧性，就可以算出最大的允许应力，或算出使构件产生破坏的临界裂纹尺寸。当实际裂纹尺寸≥临界裂纹尺寸时，构建载受载瞬时会发生断裂。

⇒传统的疲劳强度设计方法与断裂力学设计方法的出发点不同。

从强度考虑 从韧性考虑

所以对有裂纹缺陷的构件的计算必须同时满足两者判断，不能相互取代，只作互补⇒使结构强度设计更完善。

一、裂纹的亚临界扩展

疲劳裂纹的亚临界扩展阶段：

一个含有尺寸为a 0的裂纹体，当受静载荷时，只是在其应力达到临界应力σc 时，即当其裂纹尖端的应力强度因子达到临界值K IC (K C ) 时，才能发生失稳破坏。如果该裂纹体受到一个低于σc 的但有足够多的循环应力时，则初始裂纹便会由起始尺寸a 0逐渐扩展到临界裂纹尺寸a c ⇒构件破坏。这一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。

二、工作寿命的估算

很多受循环应力的构件，裂纹在早期就形成了。这种构件的寿命主要是使裂纹从初始尺寸扩展到临界尺寸所需的循环数，焊接结构就含有不同程度的微裂纹和一些与裂纹相似的缺陷。从断裂力学的角度讲，认为塑性低的材料易于脆断。这一说法对于静载断裂特性是如此，但对于疲劳裂纹扩展速度来讲并非如此。大量试验证明，对于不同强度的材料，虽然它们的断裂韧性K IC 的数值相差很大，但疲劳裂纹扩展速度的变化范围并不很大。在对构件进行疲劳裂纹扩展寿命估算中，其基本数据是构件的裂纹扩展速率。 (用公式)

三、低周疲劳

高周疲劳，即施加载荷比较低，而频率比较高。

对于压力容器，炮筒、飞机起落架之类的构件，在循环负载加载过程中往往应力水平很高(峰值应力进入塑性区) ，虽然负载频率较低，但疲劳寿命并不高，这种疲劳破坏成为低周疲劳(低于105次) 。

3.4 影响焊接接头疲劳强度的因素

焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，即具有缺口效应，它们对接头的疲劳强度产生程度不同的不利影响。

影响基体金属疲劳强度有许多因素，如应力集中、表面状态、尺寸因素、介质。这些影响基本金属疲强的因素同样也对焊接结构的疲强有影响。此外，焊接结构自身接头形状不光滑、近缝区性能改变、焊接残余应力等特点均对焊接结构有影响。

一、焊接接头应力集中

焊接结构中，各种焊接接头处都存有不同程度的应力集中。

焊接接头中的应力集中，主要来源于两方面：

(1)由焊趾区、焊根及一些焊接缺陷面引起的应力集中。

(2)因焊接结构本身设计不合理引起的应力集中。

eg1: 对接接头由于形状变化不大，因而应力集中程度比其他接头要小。但过大的增厚高或过小的基本金属与焊缝金属的过度角θ都会增加应力集中的程度，使接头的疲劳强度下降。焊缝的增高量愈大导致接头疲劳强度量越大。机加工可明显提高接头疲劳强度。但表面机加工成本很高。只有特别重要的接头和确实能加工到的地方，才适宜采用这种表面机械加工。图3-6显示了对接接头过渡角θ以及过渡圆弧半径R 对疲劳强度的影响。

图3-6对接接头过渡角θ以及过渡圆弧半径R 对疲劳强度的影响

eg2:T形和十字形接头截面变化明显，应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，导致其疲劳强度要比对接接头的低得多。

对于未开坡口的角焊缝连接的接头，当焊缝受力时，其疲劳断裂可能发生在

处⎫⎧母材与焊缝连接的接头图3-7

为两种钢材十字接头的⎨⎬这两个较薄弱环节上。

⎩焊缝处⎭

疲劳强度图。实线代表的疲劳强度是按断裂在母材计算的，虚线是按断裂在焊缝计算的。由图中可以看出合金钢对应力集中比较敏感。在这种情况下，采用低合金钢对疲劳强度并没有优越性。此外增加焊缝的尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内才有效。因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面，即焊缝趾端处母材的强度，故充其量亦不能超过断裂在此处的疲劳强度。提高丁字和十字接头的疲劳强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。图3-8为开坡口焊透的低碳钢十字接头的疲劳强度图。通过这种改进措施，疲劳强度有较大的提高。焊缝不承受工作应力的丁字和十字接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板过渡区的应力集中。

图3-7 未开坡口的十字接头 图3-8 开坡口的十字接头

1-低合金锰钢 2-低碳钢 1-焊缝经过机加工 2-焊缝未经过机加工

二、焊接残余应力的影响

对于无应力集中现象的试件，残余应力一般不会降低疲劳强度。只在有应力集中的情况下，残余拉伸应力才会降低疲劳强度。残余拉应力提高了疲劳循环的平均应力，加速疲劳破坏；残余压应力可以阻止或减缓疲劳裂纹的萌生和扩展。

构件的整体刚度和强度是结构承载的根基；接头间的平滑、圆滑、柔韧程度，是减低应力集中敏感性的重要手段。

三、焊接缺陷对疲劳强度的影响

焊接缺陷在焊件中会引起应力集中，在交变载荷作用下，很容易引发疲劳裂纹。

实验证明，在同样材料制成的焊接结构中，缺陷对疲劳强度的影响比对静载强度的影响大得多。表面缺陷比内部缺陷影响大，与作用力方向垂直的面缺陷的影响比其它方向的大；位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大；位于应力集中区的缺陷（如焊缝趾部裂纹）比在均匀应力场中同样缺陷影响大。

焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。一般可分：

(A)平面类(二维) 缺陷

裂纹、未焊透、未熔合、对疲劳强度的影响较大。

(B)体积类(三维) 缺陷

气孔、夹渣、对疲劳强的影响较小。因为大多数三维缺陷都埋藏深处。但如缺陷露出表面或接近表面时，其疲劳强度的降低要比深埋的明显。

若三维缺陷中的夹渣形成尖锐刻槽，则对疲劳强度的影响也相当大。球形夹渣和气孔对疲劳强度影响较小，但接头中如果有大量的气孔和夹渣，则对疲劳强的的影响也很大。所以这些缺陷削弱了接头的有效工作截面。

疲劳断裂通常是从表面引发的，因此，就疲劳强度而论，在表面上或靠近表面处的焊接缺陷比深埋内部的缺陷危险性更大。

此外，疲劳载荷的性质和大小、环境因素以及材质的纯度与材料的塑性和韧性均对焊接结构和接头疲劳强度产生影响。如σmax 和r 直接影响疲劳裂纹每次的张开、闭合的幅度和向前推进的进程。σmax 越大，r 值越低，△σ就越大，da/dN就越大，疲劳寿命就越短。腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展速率，减低疲劳寿命。塑性和韧性对延缓裂纹的萌生和扩展有明显作用。

3.5 焊接接头疲劳强度设计

一、安全寿命设计

安全寿命，指的是在某一环境条件下，在已知小于疲劳破坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。它是在疲劳实验的基础上，利用σ—N 曲线和疲劳图进行设计的。

现行设计规范也采用许用应力的方法，当结构承受交变载荷时，用疲劳公式计算母材和接头的疲劳许用应力σp ，然后计算最大工作应力，检查它是否小于或等于疲劳许用应力。

二、破损安全设计概念

疲劳断裂首先是产生疲劳裂纹，然后裂纹扩展，在预定使用期间，结构和部件不可避免地会出现一些损伤和局部破坏，但决不容许发生灾难性破坏。也就是说，在使用期间或预定寿命期间，这些损伤和局部破坏发生后，不会扩展到完全破坏，即原始裂纹a 0不会发展到临界裂纹a c ，这就是所谓破损安全设计的思想。换句话说破损安全设计与裂纹扩展速率密切相关。

三、焊接结构疲劳强度设计的一般原则

设计过程可分为以下三个步骤：

(1)考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。

(2)进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传[]

动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约；

(3)进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。

设计动载焊接结构必须特别强调两点：① “动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。

因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：

(1)承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。

(2)对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝；

(3)单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；

(4)承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；

(5)处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。

总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。

3.6提高焊接接头疲劳强度的措施

只有减少各种不连续性的情况，接头和结构才有较高的疲劳强度。

一、降低应力集中

（一）设计合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。

（二）尽量采用应力集中系数小的焊接接头

对接接头应力集中系数最小，疲劳强度最高，所以应尽量选用。

但要注意保证焊缝质量，避免缺陷，避免接头形状突变。

（三）在必须采用角焊缝的情况下，应采取综合措施来提高疲劳强度焊趾处采用机械加工，合理选择角接板形状，保证焊缝根部焊透。这些措施都能使应力集中降低， 减少残余应力的不利影响。

（四）试验证明，当焊缝周围刚性较大时，可以通过开缓和槽的方法来提高接头的疲劳强度

（五）采用表面机械加工的方法，消除焊趾处的刻槽，降低应力集中程度，以提高接头的疲劳强度。

焊趾处用砂轮磨削或平缓的弧线

过渡区整形方法

二、调整残余应力场

消除接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力可以提高接头的疲劳强度。这种方法可以分为两类：一类是结构或元件整体处理，另一类是对接头部位局部处理。第一类包括整体退火或超载预拉伸法，第二类一般是在接头某部位采用加热、辗压、局部爆炸等方法使接头应力集中处产生残余压应力。预超载、锤击、局部压延和点加热等制造压应力的方法对疲劳强度均有影响。

（一）预超载

若在含有应力集中试件上施加拉伸载荷，直到在应力集中处产生屈服，随后卸除载荷，则在试件中便会存留残余应力。在应力集中部位的残应为压应力 对提高疲劳强度有利。

（二）局部挤压或点状加热

可调节应力集中出的残余应力场。

基本原理是，在容易引发疲劳裂纹的应力集中处制造残余压应力，以达到提高疲劳强度的目的。

特别注意处理的位置。若位置选择不当，则会造成相反的结果。

三、表面强化处理

改善材料的表面性能，包括锤击、喷丸处理焊缝表面及其过渡区，目的是使焊接接头的疲劳强度明显提高。原因在于，材料经过这种处理后，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工硬化，因而可以提高疲劳强度。