电子备课笔记第6章焊接接头和结构的疲劳强度S6-1疲劳破坏及特性一、疲劳破坏疲劳破坏是焊接金属结构的一种主要失效形式。材料在交变或波动载荷作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的屈服极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，从而产生裂纹并最终断裂。在循环应力、拉伸应力和塑性应变的共同作用下形成的，一般来说，循环应力造成疲劳裂纹产生，拉伸应力造成扩展。二、疲劳断裂分类1.按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳。2.按应力大小和应力循环次数分为（1）低周高应力疲劳：作用的应力超过弹性范围，承受远高于屈服极限的循环载荷。疲劳循环次数小于10~105；（2）高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大于10~10°。应力场强度因子K处于弹性范围，塑性变形仅局限在很小的局部区域。高周低应力疲劳其应力应变曲线如图7-1(a)所示，一次拉伸的应力-应变曲线为OA，用相E1iDCBEpB(a)(6)图6-2大变形后卸载图6-1应力应变循环图1
电子备课笔记 1 第 6 章 焊接接头和结构的疲劳强度 §6-1 疲劳破坏及特性 一、疲劳破坏 疲劳破坏是焊接金属结构的一种主要失效形式。材料在交变或波动载荷作用下，虽然工 作应力的最大值小于材料的屈服极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，从而产生 裂纹并最终断裂。在循环应力、拉伸应力和塑性应变的共同作用下形成的，一般来说，循环 应力造成疲劳裂纹产生，拉伸应力造成扩展。 二、疲劳断裂分类 1．按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳。 2．按应力大小和应力循环次数分为 （1）低周高应力疲劳：作用的应力超过弹性范围，承受远高于屈服极限的循环载荷。疲 劳循环次数小于 104 ~105 ； （2）高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大 于 104 ~105。应力场强度因子 K 处于弹性范围，塑性变形仅局限在很小的局部区域。 高周低应力疲劳其应力应变曲线如图 7-1(a)所示，一次拉伸的应力-应变曲线为 OA，用相 图 6-1 应力应变循环图 图 6-2 大变形后卸载
电子备课笔记同的试样进行一次压缩，应力-应变曲线为OB。低周高应力疲劳其应力应变曲线如图7-1(b)所示，拉伸时应力应变曲线由O点到A点，之后进行压缩，应力应变曲线由A点到B点，再进行拉伸，应力应变曲线由B点回到A点，完成一次应力应变循环。一次应力应变循环卸载后，产生了塑性应变和弹性应变,如图7-2所示。总应变为：E=8p+三、疲劳断裂过程及断口特征1.疲劳断裂过程疲劳破坏的实质就是疲劳裂纹的成核和长大。其过程分为三个阶段，如图7-3所示。（1）疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。夹渣物和基体晶面6-开裂，滑移带开裂，李晶和晶界开裂。该区域不大，最多为2～5晶粒范围。当疲劳裂纹的核心一旦在试样表面滑移带或缺陷出晶界上形成后，立即沿滑移一阶段扩展带的主滑移面向金属内部扩展，此滑移面的走向大最终破断区致与主应力成45°交角。当裂纹遇到晶界时，其位相二阶段扩展稍有偏离，但就裂纹的宏观平面的总体来说，仍保持与应力轴呈45°交角。滑移带开裂：金属在承受交变载荷时，在材料的不均匀处和应力集中处会承受滑移，出现如图7-4图7-3疲劳裂纹扩展示意图所示挤入和挤出，形成小缺口和深沟状小裂纹。（2）扩展阶段：沿与正应力垂直的方向扩展，此时正应力对裂纹的扩展将承受重大的影01张开Aa挤入2闭合挤出3张开Aa闵谷门图7-5疲劳裂纹扩展模型图7-4滑移产生挤入挤出示意图
电子备课笔记 2 图 7-3 疲劳裂纹扩展示意图 同的试样进行一次压缩，应力-应变曲线为 OB。 低周高应力疲劳其应力应变曲线如图 7-1(b)所示，拉伸时应力应变曲线由 O 点到 A 点， 之后进行压缩，应力应变曲线由 A 点到 B 点，再进行拉伸，应力应变曲线由 B 点回到 A 点， 完成一次应力应变循环。一次应力应变循环卸载后，产生了塑性应变ε p 和弹性应变ε e ,如图 7-2 所示。总应变为：ε =ε p+ε e 三、疲劳断裂过程及断口特征 1．疲劳断裂过程 疲劳破坏的实质就是疲劳裂纹的成核和长大。其过程分为三个阶段，如图 7-3 所示。 （1）疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。夹渣物和基体晶面 开裂，滑移带开裂，孪晶和晶界开裂。该区域不大， 最多为 2～5 晶粒范围。当疲劳裂纹的核心一旦在试 样表面滑移带或缺陷出晶界上形成后，立即沿滑移 带的主滑移面向金属内部扩展，此滑移面的走向大 致与主应力成 450 交角。当裂纹遇到晶界时，其位相 稍有偏离，但就裂纹的宏观平面的总体来说，仍保 持与应力轴呈 450 交角。 滑移带开裂：金属在承受交变载荷时，在材料 的不均匀处和应力集中处会承受滑移，出现如图 7-4 所示挤入和挤出，形成小缺口和深沟状小裂纹。 （2）扩展阶段；沿与正应力垂直的方向扩展，此时正应力对裂纹的扩展将承受重大的影 图 7-4 滑移产生挤入挤出示意图 图 7-5 疲劳裂纹扩展模型
电子备课笔记响。初始裂纹在交变载荷作用下，产生图7-5所示的塑性变形使裂纹反复张开和闭合。当裂纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开，尖端向前延伸。反复张合的结果在断口上形成典型的疲劳辉纹。（3）瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬时断裂。2.疲劳断口特征疲劳裂纹扩展区是疲劳失效断口最重要的特征区域。常呈海滩波纹状，有时呈贝纹状。它是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，往往是疲劳失效分析最重要的见证。图7-6所示，疲劳断口可分成三个区域（1）疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。美（2）疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，每一条辉纹代表1次应力（应变）循环及裂纹逐次向前1推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳a)b),条纹。疲劳辉纹垂直于裂纹扩展方向，每一条辉纹是图7-6米疲劳断裂断口示意图一次应力循环的结果。但每一次应力循环不一定产生辉纹。辉纹的清晰度与材料的韧度有关。韧度好的材料辉纹较清晰。辉纹形成机制有各种假说。最著名的是塑性钝化模型，图7-5所示。（3）瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱线，外观与脆性失稳断裂相似。S7-2疲劳强度及载荷种类一、疲劳强度在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服极限6s和强度极限ob，静载强度计算的出发点是名义应力或称基本应力)，而疲劳强度计算中，所用材料的强度指标是疲劳极限6r，计算的出发点是是局部应力(或称峰值应力)。对试样用不同的载荷进行多次反复加载试验，可测得不同载荷下使试样破坏所需的加载3
电子备课笔记 3 响。初始裂纹在交变载荷作用下，产生图 7-5 所示的塑性变形使裂纹反复张开和闭合。当裂 纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开， 尖端向前延伸。反复张合的结果在断口上形成典型的疲劳辉纹。 （3）瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸 而产生瞬时断裂。 2．疲劳断口特征 疲劳裂纹扩展区是疲劳失效断口最重要的特征区域。常呈海滩波纹状，有时呈贝纹状。 它是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，往往是疲劳失效分析最重要的见证。图 7-6 所示，疲 劳断口可分成三个区域 （1）疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。 （2）疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹， 每一条辉纹代表 1 次应力(应变)循环及裂纹逐次向前 推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳 条纹。疲劳辉纹垂直于裂纹扩展方向，每一条辉纹是 一次应力循环的结果。但每一次应力循环不一定产生 辉纹。辉纹的清晰度与材料的韧度有关。韧度好的材料辉纹较清晰。 辉纹形成机制有各种假说。最著名的是塑性钝化模型，图 7-5 所示。 （3）瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱线，外观与脆性失稳断裂相似。 §7-2 疲劳强度及载荷种类 一、疲劳强度 在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服极限 σS 和强度极限 σb，静载强度计算的出 发点是名义应力(或称基本应力)，而疲劳强度计算中，所用材料的强度指标是疲劳极限 σr，计 算的出发点是是局部应力(或称峰值应力)。 对试样用不同的载荷进行多次反复加载试验，可测得不同载荷下使试样破坏所需的加载 图 7-6 疲劳断裂断口示意图
电子备课笔记循环次数N。将破坏应力与加载循环次数N绘成如图7-7所示的曲线，这条曲线随着循环次数N的增大而降低，当N很大时曲线趋于水平。曲线上对应的某一循环次数N的破坏应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的水平渐近线代表疲劳极限。含C量为0.1%的钢250hN62565621068BBInN2：190破坏前的循环数N23夏9百万R破坏前的循环数Nb)a)图7-7加载次数与疲劳强度关系图以前，人们采用单点试验法（每个试样对应一个应力水平）测定疲劳强度。这种方法准确度不高。目前多采用升降法。首先指定一个“循环基数”，然后试验开始时选用较高的应力水平。如前一个试样未达到指定的循环次数时发生破坏，则随后一次试验就在低一级的应力水平下进行，反之在高一级的应力水平下进行。重复以上过程直至完成全部试验。如图7-8所示。疲劳试验结果往往不是都在一条单一的S-N曲线上，而具有一定的分散带。根据大量的概率统计分析这些数据符合正态分布。图7-9考虑概率分布的S-N曲线，曲线AB是存活率50%的疲劳曲线，也是常规疲劳设计中给出的S-N曲线。曲线EF的存活率太低，不能用于疲劳强度设计。目前一些疲劳设计和评定的标准多采用以标称应力表证的疲劳强度（标称应力是在结构JP18225MPaJP21JP19213.75MPsJPZZJP24JP26202.5MPaJP20191.25MPsJP23JP250：路山S,=(213.75*2+202.5*4+191.25+2)/8=(2*208.125+2*196.875)/4=202.5MPa新界N图7-8升降图图7-9P-S-N曲线4
电子备课笔记 4 循环次数 N。将破坏应力与加载循环次数 N 绘成如图 7-7 所示的曲线，这条曲线随着循环次 数 N 的增大而降低，当 N 很大时曲线趋于水平。曲线上对应的某一循环次数 N 的破坏应力即 为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的水平渐近线代表疲劳极限。 以前，人们采用单点试验法（每个试样对应一个应力水平）测定疲劳强度。这种方法准 确度不高。目前多采用升降法。首先指定一个“循环基数”，然后试验开始时选用较高的应力 水平。如前一个试样未达到指定的循环次数时发生破坏，则随后一次试验就在低一级的应力 水平下进行，反之在高一级的应力水平下进行。重复以上过程直至完成全部试验。如图 7-8 所示。 疲劳试验结果往往不是都在一条单一的 S-N 曲线上，而具有一定的分散带。根据大量的 概率统计分析这些数据符合正态分布。图 7-9 考虑概率分布的 S-N 曲线，曲线 AB 是存活率 50％的疲劳曲线，也是常规疲劳设计中给出的 S-N 曲线。曲线 EF 的存活率太低，不能用于 疲劳强度设计。 目前一些疲劳设计和评定的标准多采用以标称应力表证的疲劳强度（标称应力是在结构 图 7-7 加载次数与疲劳强度关系图 图 7-8 升降图 图 7-9 P-S-N 曲线
电子备课笔记相关界面上计算出的平均应力，它不包括焊接接头结构细部处产生的应力集中）。它以12条S-N曲线来分类。它指出了200万次循环次数下的疲劳强度并将其定为疲劳级别FAT。如125表示在2×10°循环次数下以应力范围（最大最小应力之差）表征的疲劳强度为125MPa。如图7-10所示。二、应力循环特性有关应力参量如下：Omax +OminOmax -Omina.O22式中Omax一应力循环内的最大应力：Gmin一应力循环内的最小应力：Cm一平均应力；Ca一应力振幅；r一应力循环特性系数：oa=Omin-Omax/2（应力振幅）如图7-11所示，按应力振幅和平均应力m的大小载荷可分为1.对称交变载荷：min=-0max疲劳强度用6.表示r=-1FAT级别常幅疲劳限B斜率m=3.0010*20*50410'IgN图7-10焊接接头的疲劳强度图7-11载荷种类r=02.脉动载荷：Omin=0疲劳强度用60表示3.拉伸变载荷：0<r>1疲劳强度用6.表示4.拉压变载荷：Omi为压应力，max为拉应力，二者不等。5
电子备课笔记 5 相关界面上计算出的平均应力，它不包括焊接接头结构细部处产生的应力集中）。它以 12 条 S-N 曲线来分类。它指出了 200 万次循环次数下的疲劳强度并将其定为疲劳级别 FAT。如 125 表示在 2×106 循环次数下以应力范围（最大最小应力之差）表征的疲劳强度为 125MPa。如 图 7-10 所示。 二、应力循环特性 有关应力参量如下： 2 max min m 2 max min a 式中 σmax－应力循环内的最大应力；σmin－应力循环内的最小应力；σm－平均应力；σa －应力振幅；r－应力循环特性系数；σa=σmin-σmax/2 (应力振幅) 如图 7-11 所示，按应力振幅 σa 和平均应力 σm的大小载荷可分为 1．对称交变载荷：σmin=-σmax r=-1 疲劳强度用 σ-1 表示 2．脉动载荷： σmin=0 r=0 疲劳强度用 σ0表示 3．拉伸变载荷： 0<r>1 疲劳强度用 σr 表示 4．拉压变载荷：σmin为压应力，σmax为拉应力，二者不等。 图 7-10 焊接接头的疲劳强度 图 7-11 载荷种类