第三节疲劳断裂Word文档下载推荐.docx

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（2）热疲劳受反复加热和冷却的元件，在反复加热和冷却的交变温度下，元件内部产生较大的热应力，由于热应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。

例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）．在长期运行中受热不均匀经受较大的交变热应力，致使集箱产生热疲劳破坏。

（3）腐蚀疲劳载荷和腐蚀介质的共同作用下，焊接结构所产生的破坏称为腐蚀疲劳，这是由于腐蚀介质在金属材料的疲劳过程中促进了裂纹的萌生和发展。

3．疲劳断裂的过程疲劳断裂的过程一般由三个阶段所组成：

①在应力集中处产生初始疲劳裂纹；

②裂纹稳定扩展；

③断裂。

焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他联接形式的循环次数少。

这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝的焊趾处），而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。

例如嫜趾处往往存在有微小非金属夹渣物，疲劳裂纹往往就起源于这些缺陷皇处。

因为有这些缺陷存在，使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中一个相当短的时间，主要的时间是属于裂纹的扩展。

二、影响焊接接头疲劳强度的因素

1．应力集中的影响焊接结构中，由于在接头部位具有不同的应力集中，将对接头的疲劳强度产生不同程度的影响。

（1）焊缝表面机械加工的影响未经机械加工低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度，见图5-29。

若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度也相应提高，见图5-30。

图5-29未经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度

1—低合金锰钢2—碳钢

但是焊缝表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适宜采量用机加工。

带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，有缺陷处或焊缝根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。

（2）接头形式的影响不同的接头形式对于疲劳强度的影响是各不相同的。

1）对接接头的焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他接头形式要小，但是过大的余高和过大的基本金属与焊缝金属间的过渡角θ和过渡圆弧半径R对疲劳强度的影响，见图5-31。

图5-30经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度

1—合金锰钢2—低碳钢3—未焊低合金锰钢4—未焊低碳钢

2）T形和十字形接头。

这两种接头在焊接结构中得到了广泛的应用，在这种接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高。

因此，T形和十字形接头。

的疲劳强度远低于对接接头。

开I形坡口用角焊缝连接的十字形接头，其疲劳强度和应力循环特性系数的关系，见图5-32。

当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节上，即母材与焊缝焊趾端交界处和焊缝上。

当单个焊缝的计算厚度d与板厚δ之比d/δ<

0.6～0.7时，

疲劳强度下降率（%）

图5-31过渡角口和过渡圆弧半径

R对对接接头疲劳强度的影响

一般断于焊缝；

当d/δ>

0.7时，，一般断于母材。

图5-32中的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，即焊缝焊趾端处母材的强度，故最多亦不能超过断裂在此处的疲劳强度。

提高T形和十字形接头疲劳强度的根本措施是开坡日焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。

低碳钢开坡日傅透的十字形接头的疲劳强度周，见图5-33。

图5-33与图5—32比较：

疲劳强度有较大提高。

3）搭接接头。

低碳钢搭接接头的疲劳试验结果，见图5-34。

试验证明搭接接头的疲劳强度是很低的。

仅有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度最低，只达到基本金属的34%（图5-34a）。

焊脚尺寸为1：

1的侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度虽然比只有侧面焊缝的接头高一些，其数值仍然是很低的，只达到基本金属的40%（图5-34b）。

图5-32开I形坡口的十字形接头的疲劳强度5-33开坡口焊透的十字形接头的疲劳强度

1--低合金锰钢2--低碳钢图1--焊缝经机械加工2--焊缝未经机械加工

正面焊缝焊脚尺寸为1:

2的搭接接头应力集中稍有降低，因而其疲劳强度有所提高，但是效果不大（图5-34c）。

a）b）c）d）e）f）

图5-34低碳钢搭接接头的疲劳强度对比

焊缝向基本金属过渡区域进行表面机械加工的搭接接头，其疲劳强度也没有显著提高（图5-34d）。

具有盖板的对接接头，当盖板的厚度比按强度所要求的增加1倍，焊脚尺寸比例为1：

3.8，并采用机械加工使焊缝向基本金属平滑过渡，此时疲劳强度最高，等于基本金属的劳强度（图5-34e）。

但是在这种情况下，已经丧失了搭接接头简单易行的优点，因此不宜采用这种措施。

采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。

试验结果表明，在这种情况下，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了（图5-34f）。

2．热影响区金属性能变化的影响低碳钢焊接接头热影响区的研究结果表明，在常用的热输入下焊接，热影响区和基本金属的疲劳强度相当接近。

只有在非常高的热输入下焊接（在生产实际中很少采用），能使热影响区对应力集中的敏感性下降，其疲劳强度可比基本金属高得多。

因此低碳钢热影响区金属力学性能的变化对接头的疲劳强度影响较小。

低合金钢焊接接头在热循环作用下，热影响区的力学性能变化比低碳钢大，但试验结果表明，化学成分、金相组织和力学性能的不一致性，在有应力集中或无应力集中时，都对疲劳强度的影响不大。

3．焊接残余应力的影响为了研究焊接残余应力对疲劳强度的影响，试验往往采用有残余应力的试样与经过热处理去除残余应力后的试样，进行疲劳试验对比。

由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能变化，而焊后热处理在消除残余应力的同时，也恢复或部分恢复了材料的性能，而这些性能对接头的疲劳强度又产生影响，因此对于试验的结果就产生了不同的解释。

例如，曾用Q345（14MnNb）低合金结构钢进行试验，试样有一条横向对接焊缝，在正、反两面堆焊纵向焊道各一条。

一组试样焊后作消除应力热处理；

另一组未经热处理，然后进行疲劳强度对比试验，疲劳试验采用三种应力循环特征系数，r=-1、0、+0.3试验结果见图5-35。

从图中可以看出，在交变载荷下（r=-1）消除内应力试样的疲劳强度接近130MPa，而未消除内应力的仅为75MPa。

在脉动载荷下

（r=0），两组试样的疲劳强度相同，为185MPa。

而当r=0.3经热处理消除内应力的试样疲劳强度为260MPa,

图5-35带有交叉焊缝试样的疲劳强度对消除应力热处理的影响

1—焊态2—经热处理消除内应力

a）b）

c）

图5-36焊接残余应力将对疲劳强度的影响

反而略低于未经热处理的试样（270MPa）。

因此，当应力循环特征系数r较高时，利用焊后消除应力的热处理，并不能提高接头的疲劳强度。

为了单独弄清焊接残余应力对疲劳强度的影响，曾采用不同的焊接次序，来获得不同的焊接残余应力分布的试样，作对比试验，见图5-36。

这是两组带有纵向和横向焊道的试样：

第一组试样图5-36a是先焊纵向焊缝1，后焊横向焊缝2；

第二组试样图5-36b是先焊横向焊缝1，后焊纵向焊缝2。

从图5-36c上可以看出第一组疲劳强度高于第二组，说明焊接残余应力将对疲劳强度产生不利的影响。

这个试验没有采用热处理来消除残余应力，排除了热处理对材料性能的影响。

4．焊接缺陷的影响焊接缺陷对焊接接头的疲劳强度产生重大的不利影响，影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。

片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；

表面缺陷比内部缺陷影响大；

与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；

位于残余拉应力区内缺陷的比在残余压应力区内的影响大；

位于应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比在均匀应力区中同样缺陷的影响大。

咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下的影响，

见图5-37和图5-38，A组的影响大，B组的影响小。

图5-37咬边在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响

不同材料具有不同的缺口敏感性，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度影响并不相同，未焊透对五种材料疲劳强度的影响，见图5-39。

由图中可以看出，随着未焊透的增加，疲劳强度迅速下降，并且以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的下降幅度为最大，尽管这种材料在静载和一次冲击载荷下有较好的韧性。

图5-38未焊透在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响

三、提高焊接接头疲劳强度的措施

1．降低应力集中应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因。

因此，降低应力集中是提高焊接接头疲劳强度的重要措施。

通常采用的方法是：

1）采用合理的结构形式，图5-40是几种设计方案的正误比较。

2）尽量采用应力集中系数小的接头，如对接接头。

采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝的实例，

见图5-41、图5-42。

01020304050

未焊透百分比C%）

图5-39未焊透百分比对疲劳强度的影响

1—5A06机械化氩弧焊2—30CrMnSiA埋弧焊3—1Crl8NigTi机械化氩弧焊

4—2A12机械化氩弧焊5—低碳钢埋弧焊

在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡，机械打磨过渡区是可采用的方法，但应注意打磨方向应是顺着力线传递方向，因为垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。

此外，在对接焊缝中应保证在连接件的截面没有改变时进行力的传递。

对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝，这是应当引起注意的。

3）当采用角焊缝时，需采取综合措施，如机械加工焊缝端部、合理选择角接板形状、焊缝根部保证熔透等来提高接头的疲劳强度，因为采取这些措施可以降低应力集中，并消除残余应力的不利影响。

试验证明，采用综合处理后，低碳钢接头处的疲劳强度能提高3～13倍，对低碳合金钢的效果更加显著。

4）开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处，可以提高接头的疲劳强度，见图5—43

5）用表面机械加工的方法，消除焊缝及其附近的各种刻槽，可以降低构件中的应力集中程度。

但是这种表面机械加工的方法成本高，因此只有在真正有益和确实能加工到的地方，才适合采用这种方法。

6）采用电弧整形的方法来代替机械加工，使焊缝与母材之间平滑过渡。

这种方法是

b）

图5-40不同设计方案比较

a）推荐设计方案b）力求避免方案

用钨极氩弧焊在焊接接头的过渡区重熔一次，使焊缝与母材之间平滑过渡，同时减少该部位的微小非金属夹杂物，因而可使接头部位的疲劳强度提高，见图5-44。

采用氩弧整形方法，提高焊接接头疲劳强度的效果，见表5-3。

a）b）c）

图5-41轮毂结构

图5-42铲土机零件

图5-43带有缓和槽的焊接电动机转子

表5-3氲弧整形方法提高焊接接头疲劳强度的效果

接头形式

钢种

试件截面blman×

8／m

循环特性

2×

106次循环下的疲劳强度／MPa

疲劳强度提高（%）

与基本材料相比

原始状态

整形后

对接

σs=340MPa

σs=45OMPa

σs=674MPa

70×

12

-1

80

115

120

158

150

50

35

90

试件截面b／mm×

δ／mm

106次循环下的疲劳强度强度／MPa

低碳钢

低合金钢

7×

2.5

O

52

64

116

181

280

O.96

O.86

HT60

σs=534MPa

25×

25

185

250

O.67

搭接并具有加长的端面焊缝

86

101

30

加强板的周边焊横加强肋的连接

σs=312MPa

σs=341MPa

1270×

95

60

横加强肋的连接纵加强肋的连接

80×

0.3

188

137

219

16

15

由表5-3可知，对于低碳钢和低合金钢，其疲劳强度提高的程度和机械加工的效果相似。

对于高强度钢，用电弧整形法就具有更重要的意义，因为高强度钢对应力集中比较敏感，采用电弧整形法对提高疲劳强度的效果更好。

2．进行焊后消除应力热处理消除接头应力集中处的应力可以提接头的疲劳强度，但是用焊后消除应力的退火方法不一定都能提高构件的疲劳强度。

一般情况下，在循环应力较小或应力循环系数较低，应力集中较高时，利用焊后整体或局部消除应力

的热处理将取得较好的效果。

N/次

图5-44采用钨极氩弧整形提高接头疲劳强度

3．改善材料的力学性能表面强化处理，用小轮挤压或用锤头锤击焊缝表面及过渡区，或用小钢丸喷射（即喷丸处理）焊缝区，都可以提高接头的疲劳强度。

因为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。

4．特殊保护措施介质往往对材料的疲劳强度有影响，因此，采用一定的保护涂层是有利的。

例如在应力集中处涂上加填料的塑料层，这是一种比较实用的改进方法。