3疲劳脆断Word格式文档下载.docx

1、说明在疲劳载荷的作用下，应力集中的存在，静载强度很高的钢材失去了优势。 图3-2为低碳钢搭接接头的疲劳试验结果比较。图3-2a是只有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度只达到母材的34。焊脚尺寸为1：l的正面焊缝的搭接接头（见图3-2b），其疲劳强度比只有侧面焊缝的接头略高一些，但仍然很低。正面焊缝焊脚尺寸比例为1：2的搭接接头，应力集中获得改善，疲劳强度有所提高，但效果不大（见图3-2c）。如果在焊缝向母材过渡区进行表面机械加工（见图3-2d），也不能显著地提高接头的疲劳强度。只有当盖板的厚度比按强度条件所要求的增加1倍，焊脚尺寸比例为1：3.8，并经机械加工使焊缝向母材平滑地过渡（见图3-2e）

2、，才可提高到与母材一样的疲劳强度，但这样的接头成本太高，不宜采用。 图3-2f是在对接接头上加盖板，这种接头极不合理，把原来疲劳强度较高的对接接头大大地削弱了。 表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度也是不利的。 2焊接残余应力的影响 焊接结构的残余应力影响其疲劳强度。焊接残余应力的存在，会改变平均应力av的大小，应力幅值a却没有改变。在残余拉应力区平均应力av增大，与工作应力叠加会达到或超出疲劳极限，对疲劳强度不利，甚至造成破坏。显然残余压应力对提

3、高疲劳强度是有利的。塑性较好的材料，当循环特征应力minmax 1时，因在maxavs的作用下，材料屈服有塑性变形，使残余应力消失不再影响疲劳强度。由于焊接残余应力是内应力，拉应力与压应力同时存在。如果将残余压应力调整到位到材料表面或应力集中区，将是十分有利的；如果材料表面或应力集中区是残余拉应力，则极为不利，应设法消除。3焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的大小、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的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的

4、大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中的影响大。三、提高焊接结构疲劳强度的措施由上面讨论可知，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。提高焊接结构的疲劳强度，一般应采取下列措施：1降低应力集中疲劳裂纹源在焊接接头和结构上的应力集中点，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳强度。（1）采用合理的结构形式1）优先选用对接接头，尽量不用搭接接头；重要结构最好把T形接头或角接接头改成对接接头，让焊缝避开拐角部位；必须采用T形接头或角接接

5、头时，希望采用全熔透的对接焊缝。2）尽量避免偏心受载的设计，使构件内力的传递流畅、分布均匀，不引起附加应力。3）减小断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应做成圆弧状，其曲率半径越大越好。4）避免三向焊缝空间汇交，焊缝尽量不设置在应力集中区，尽量不在主要受拉构件上设置横向焊缝；不可避免时，一定要保证该焊缝的内外质量，减小焊趾处的应力集中。5）只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。综上所述，在常温静载下工作的焊接结构和在动载或低温下工作的焊接结构，在构造设计上有着不同的要

6、求，后者更要重视细部设计。表31列出了两种承载情况下构造设计上的差别。（2）正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量：1）对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高。2） T形接头最好采用带凹曲度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝。3）焊缝与母材表面交界处应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。任何焊接缺陷都有不同程度的应力集中，尤其是片状焊接缺陷，如裂纹、未焊透、未熔合和咬边等对疲劳强度影响最大。因此，在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊，以减少焊缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。2调整残余应力残余压应力可提高焊接结构的疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此

7、，若能调整焊接构件表面或应力集中处存在的残余压应力，就能提高焊接结构的疲劳强度。例如，通过调擎施焊顺序、局部加热等都有可能获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。图3-3所示的工字梁对接，对接焊缝1受弯曲应力最大且与之垂直。若在接头两端预留一段角焊缝3不焊，先焊焊缝1，再焊腹板对接焊缝2，焊缝2的收缩，使焊缝1产生残余压应力。最后焊预留的角焊缝3，它的收缩使焊缝1与焊缝2都产生残余压应力。试验表明，这种焊接顺序比先焊焊缝2后焊焊缝1疲劳强度可提高30。图3-4为用纵向焊缝连接节点板，在纵焊缝端部缺口处是应力集中点，采取点状局部加热，只要加热位置适当，就能形成一个残余应力场，使缺口处获得有利的残余压

8、应力。此外，还可以采取表面形变强化，如滚压、锤击或喷丸等工艺使金属表面塑性变形而硬化，并在表层产生残余压应力，以达到提高疲劳强度的目的。对有缺口的构件，采取一次性预超载拉伸，可以使缺口顶端得到残余压应力。因为在弹性卸载后，缺口残余应力的符号总是与（弹塑性）加载时缺口应力的符号相反。此方法不宜用弯曲超载或多次拉伸加载。它常与结构验收试验结合，如压力容器做水压试验时，能起到预超载拉伸作用。3改善材料的组织和性能 1）提高母材金属和焊缝金属的疲劳强度还应从材料的内在质量考虑。应提高材料的冶金质量、减少钢中的夹杂物。重要构件可采用真空熔炼、真空除气、甚至电渣重熔等冶炼工艺的材料，以保证纯度；在室温下细

9、化晶粒钢可提高疲劳寿命；通过热处理可以获得最佳的组织状态，在提高（或保证）强度的同时，也能提高其塑性和韧性。回火马氏体、低碳马氏体（一般都有自回火效应）和下贝氏体等组织都具有较高的抗疲劳能力。2）强度、塑性和韧性应合理配合。强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料对缺口敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形，可吸收变形功、削减应力峰值，使高应力重新分布。同时，也使缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹的扩展得到缓和甚至停止。塑性能保证强度作用充分发挥。所以对于高强度钢和超高强度钢，设法提高一点塑性和韧性，将显著改善其抗疲劳能力。4特殊保护措施大气及介质侵蚀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

10、利的。例如在应力集中处涂上含填料的塑料层是一种实用的改进方法。第二节 焊接结构的脆性破坏焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结构脆断是一个系统工程，仅靠个别试验或计算方法是不能确保焊接结构安全使用的。一、焊接结构脆断的基本现象和特点通过大量的焊接结构脆断事故分析，发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点：1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设

11、计应力。故又称为低应力脆性破坏。3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理断裂。5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的13左右，在钢中可达12001800ms，当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。 6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做力学性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远的材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原来的规范要求。二、焊接结构脆断的原因对各种焊

12、接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足；就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成的严重应力集中外，还因为焊接热能的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。1影响金属材料脆断的主要因素研究表明，同一种金属材料由于受到外界因素的影响，其断裂的性质会发生改变，其中最主要的因素是温度、加载速度和应力状态，而且这三者往往是共同起作用。（1）温度的影响 温度对材料断裂性质影响很大，图3-5为热轧低

13、碳钢的温度拉伸性能关系曲线。从图中可以看出，随着温度降低，材料的屈服点s和抗拉强度b增加；而反映材料塑性的断面收缩率却随着温度降低而降低，约在-200时为零。这时对应的屈服应力与断裂应力接近相等，说明材料断裂的性质已从延性转化为脆性。图中屈服点s与抗拉强度b汇交处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性向脆性转变的温度，又称为临界温度。其他钢材也有类似规律，只是脆性转变温度的高低不同。因此，可以用作衡量材料抗脆性断裂的指标。脆性转变温度受试验条件影响，如带缺口试样的转变温度高于光滑试样的转变温度。温度不仅对材料的拉伸性能有影响，也对材料的冲击韧度、断裂韧度发生类似的影响。图3-6为温度对不同材

14、料冲击吸收功AK的影响，图3-7为温度对Ni-Cr-Mo-V钢断裂韧度K1c的影响；图3-8为温度对Mn-Cr-Mo-V钢c的影响。可以看出随着温度的降低，其冲击韧度和断裂韧度都下降，可以通过试验确定结构材料的脆性转变温度。（2）加载速度的影响实验证明，钢的屈服点s随着加载速度的提高而提高，见图3-9。这说明了钢材的塑性变形抗力随加载速度的提高而加强，促进了材料的脆性断裂。提高加载速度的作用相当于降低温度。（3）应力状态的影响 塑性变形主要是由于金属晶体内沿滑移面发生滑移，引起滑移的力学因素是切应力。因此，金属内有切应力存在，滑移可能发生。物体受外载荷时，在不同截面上产生不同的正应力和切应力。

15、在主平面上作用有最大正应力max，另一与之垂直的主平面上作用着最小正应力min，与主平面成45角的平面上，作用着最大切应力max。当max达到屈服点后产生滑移，表现为塑性变形。若max先达到材料的切断抗力，则发生延性断裂。若最大正应力max首先达到材料的正断抗力，则发生脆性断裂。因此，发生断裂的性质，既与材料的正断抗力和切断抗力有关，又与maxmax的比值（这比值描述了材料的应力状态）有关。显然，比值增大，塑性断裂的可能性增大。反之，脆性断裂的可能性增大。maxmax的比值与加载方式和材料的形状尺寸有关，杆件单轴拉伸时，maxmax l2；圆棒承受纯扭转时，比值 maxmax 1；前者发生脆断

16、的可能性大于后者。厚板结构易出现三向拉应力状态，若1，则maxmax0。这时塑性变形受到拘束，必然发生脆断。裂纹尖端或结构上其他应力集中点和焊接残余应力容易出现三向应力状态。（4）材料状态的影响 前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的内因。1）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不像薄板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀

17、，具有较高抗断能力。2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。3）化学成分的影响。碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性，而适量加入Ni、r、Mn等元素则有助减小钢的脆性。必须指出，金属材料的韧性不足发生脆断既有内因，又有外因，外因通过内因起作用。但是上述三个外因的作用往往不是单独的而是共同作用相互促进。同一材料光滑试样拉伸要达到纯脆性断裂，其温度一般都很低（见图3-6，低碳钢约200左右）。如果是带缺口试样，则发生脆性断裂的温

18、度将大大提高。缺口越尖锐，提高脆断的温度幅度就越大。说明不利的应力状态提高了脆性转变温度。如果厚板再加上带有尖锐的缺口（如裂纹的尖端），在常温下也会产生脆性断裂。提高加载速度（如冲击）也同样使材料的脆性转变温度大幅度提高。2影响结构脆断的设计因素焊接结构是根据焊接工艺特点和使用要求而设计的。设计上，有些不利因素是这类结构固有特点造成的，因而比其他结构更易于引起脆断。有些则是设计不合理而引起脆断。这些因素是：（1）焊接连接是刚性连接 焊接接头通过焊缝把两母材熔合成连续的、不可拆卸的整体，两母材之间已没有任何相对松动的可能。结构一旦开裂，裂纹很容易从一个构件穿越焊缝传播到另一构件，继而扩展到结构整

19、体，造成整体断裂；铆钉连接和螺栓连接不是刚性连接，接头处两母材是搭接，金属之间不连续。靠搭接面的摩擦传递载荷，遇到偶然冲击时，搭接面有相对位移的可能，起到吸收能量和缓冲作用，万一有一构件开裂，裂纹扩展到接头处因不能跨越而自动停止，不会导致整体结构的断裂。（2）结构的整体性 因其刚度大，导致对应力集中因素特别敏感。（3）构造设计上存在有不同程度的应力集中因素 焊接接头中搭接接头、T形（或十字形）接头和角接接头，本身就是结构上不连续部位。连接这些接头的角焊缝，其焊趾和焊根处便是应力集中点。对接接头是最理想的接头形式，但也随着余高的增加，使焊趾的应力集中趋于严重。（4）结构细部设计不合理焊接结构设计

20、，重视选材和总体结构的强度和刚度计算是必须的，但构造设计不合理，尤其是细部设计考虑不周，也会导致脆断的发生。因为焊接结构的脆断总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。下面列举几种不妥的构造设计，它可能成为脆断的诱因。断面突变处不作过渡处理；造成三向拉应力状态的构造设计，如用过厚的板，焊缝密集，三向焊缝汇交，造成在拘束状态下施焊，复杂的残余应力分布等；在高工作应力区布置焊缝；在重要受力构件上随便焊接小附件而又不注意焊接质量；不便于施焊的构造设计，这样的设计最容易引起焊缝内外缺陷。3影响结构脆断的工艺因素焊接结构在生产过程中一般要经历下料、冷（或热）成形、装配、焊接、矫形和焊后热处

21、理工序，金属材料经过这些工序其材质可能发生变化，焊接可能产生缺陷，焊后可能产生残余应力和变形等，这些都对结构脆断有影响。（1）应变时效对结构脆断的影响 钢材随时间发生脆化的现象称为时效。钢材经一定塑性变形后发生的时效称为应变时效。焊接结构生产过程中有两种情况可以产生应变时效，一种是当钢材经剪切、冷成形或冷矫形等工序产生了一定塑性变形（冷作硬化）后经150450温度加热而产生应变时效。另一种是焊接时，由于加热不均匀，近缝区的金属受到不同热循环作用，尤其是当近缝区上有某些尖锐刻槽或在多层焊的先焊焊道中存在有缺陷，便会在刻槽和缺陷处形成焊接应力一应变集中，产生较大的塑性变形，结果在热循环和塑性变形同

22、时作用下产生应变时效，这种时效称为热应变时效或动应变时效。研究表明，许多低强度钢应变时效引起的局部脆化非常严重，它大大降低了材料延性，提高了材料的脆性转变温度，使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降；热（动）应变时效对脆性的影响比冷作硬化后的应变时效来得大，即前者的脆性转变温度高于后者。焊后热处理（550560。C）可消除这两类应变时效对碳素钢和某些合金钢结构脆断的影响，可恢复其韧性。因此，对应变时效敏感的钢材，焊后热l处理是必要的，既可消除焊接残余应力，也可改善这种局部脆化，对防止结构脆断有利。（2）焊接接头非均质性的影响 焊接接头中焊缝金属与母材之间有强度匹配问题以及焊接的快速加热与冷却使焊缝和

23、热影响区发生金相组织变化问题。这些非均质性对结构脆断有很大影响。1）焊缝金属与母材不匹配。目前结构钢焊接在选择焊接填充金属时，总是以母材强度为依据。由于焊材供应或焊接工艺需要等原因，可能有三种不同的强度匹配（又称组配）的情况，即焊缝金属强度略高于母材金属的高匹配、焊缝金属强度等于母材金属的等强度匹配和焊缝金属强度略低于母材金属的低匹配。这三者只考虑了强度问题，忽略了对脆断影响最大的延性和韧性匹配问题，因而不够全面。通常强度级别高的钢材其延性和韧性都相对较差；相反强度级别较低的钢材其延性及韧性较好。很难做到既等强度又等韧性的理想匹配。通过对不同强度级别钢材以不同强度匹配的焊接接头抗断裂试验研究发

24、现，焊缝强度高于母材的焊接接头（高匹配）对抗脆断较为有利。这种高匹配接头的极限裂纹尺寸比等匹配和低匹配的接头来得大，而且焊缝金属的止裂性能也较高。这种现象被认为是高匹配的焊缝金属受到周围软质母材的保护，变形大部分发生在母材金属上。采用高匹配并不意味着可放低焊缝金属塑性和韧性的要求。因为焊接工艺方面和焊缝金属抗开裂方面对塑、韧性的基本要求也应满足。因此认为，要求焊缝和母材具有相同的塑性，而强度稍高于母材是最佳的匹配方案。2）接头金相组织发生变化。焊接局部快速加热和冷却的特点，使焊缝和热影响区发生一系列金相组织的变化，因而相应地改变了接头部位的缺口韧性，图3-10所示为碳锰钢焊条电弧焊后焊缝金属、

25、热影响区和母材COD试验的结果。在这种情况下焊缝金属具有最高转变温度，这可能与焊缝的铸造组织有关。热影响区中的粗晶区和细晶区的缺口韧性相差很多，粗晶区是焊接接头的薄弱环节之一，有些钢的试验表明，它的临界转变温度可比母材提高50100。热影响区的显微组织主要取决于母材的原始显微组织、材料的化学成分，焊接方法和焊接热输入。对于确定的钢种和焊接方法来说，主要取决于焊接热输入。实践表明，对高强度钢的焊接，用过小的热输人，接头散热快，造成淬火组织并易产生裂纹；过大的热输入会造成过热，因晶粒粗大而脆化，降低材料的韧性。通常需要通过工艺试验，确定出最佳的焊接热输人。采用多层焊可获得较满意的接头韧性，因为每道

26、焊缝可以用较小的焊接参数，且每道焊缝的焊接热循环对前一道焊缝和热影响区起到热处理作用，有利于改善接头韧性。（3）焊接残余应力的影响 焊接残余应力对结构脆断的影响是有条件的，在材料的开裂 转变温度以下（材料已变脆）时，焊接残余拉应力有不利影响，它与工作应力叠加，可以形 成结构的低应力脆性破坏；而在转变温度以上时，焊接残余应力对脆性破坏无不利影响。焊接残余拉应力具有局部性质，一般只限于焊缝及其附近部位，离开焊缝区其值迅速减小。峰值残余拉应力有助于断裂产生，若在峰值残余拉应力处存在有应力集中因素则是非常不利的。焊接残余应力会改变脆性裂纹的走向。用图3-11所示的具有斜焊缝的均温止裂（ESsO）试验表

27、明，如试样未经退火，试验时也不施加外力，冲击引发裂纹后，则裂纹在残 余应力作用下，将沿平行焊缝方向扩展，随外加应力增大，开裂路径越来越接近与外加 应力方向垂直的试样中心线。如果试样经退火完全消除残余应力，则开裂路径与试样中心线重合。（4）焊接工艺缺陷的影响 焊接接头中，焊缝和热影响区是最容易产生焊接缺陷的地方。美国对第二次世界大战中焊接船舶脆断事故的调查表明，40% 的脆断事故是从焊缝缺陷处引发的。可以把缺陷和结构几何不连续性划分为三种类型：平面缺陷：包括未熔合、未焊透、裂纹以及其他类裂纹缺陷。体积缺陷：气孔、夹渣和类似缺陷，但有些夹渣和气孔（如线形气孔）常与未熔合有关，这些缺陷可按类裂纹缺陷

28、处理。成形不佳：焊缝太厚、角变形、错边等。这三类缺陷中以平面缺陷对结构的断裂影响最为严重，而平面缺陷中又以裂纹缺陷影响为甚。裂纹尖端应力应变集中严重，最易导致脆性断裂。裂纹的影响程度不但与其尺寸、形状有关，而且与其所在位置有关。若裂纹位于高值拉应力区，就更容易引起低应力破坏。若在结构的应力集中区（如压力容器的接管处、钢结构的节点上）产生焊接缺陷，则很危险。因此，最好将焊缝布置在结构的应力集中区以外。体积缺陷也同样削减工作截面而造成结构不连续，也是产生应力集中的部位，它对脆断的影响程度决定于缺陷的形态和所处位置。试验表明，焊接角变形越大，破坏应力也越低；对接接头发生错边，就与搭接接头相似，会造成载荷与重心不同轴，产生附加弯曲应力。图3-12为接头角变形和错边造成的附加弯矩。焊缝有余高，在焊趾处易产生高值的应力集中，导致在该处开裂。通常采取打磨焊趾处，使焊缝与母材圆滑过渡，也可在焊趾处作氩弧重熔或堆焊一层防裂焊缝来降低应力集中。三、防止焊接结构脆性破坏的措施材料在工作条件下韧性不足，结构上存在严重应力集中（包括设计上和工艺上）和过大