疲劳断裂总结.docx

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疲劳断裂总结

第三部分疲劳断裂

疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。

疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。

疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。

因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。

§3-1疲劳的基本概念

在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。

为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。

一、应力疲劳和应变疲劳

1、应力疲劳

在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。

七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。

2、应变疲劳

在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。

其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。

二、疲劳强度和疲劳极限

1、乌勒（Wöhler）疲劳曲线

（1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（Wöhler）疲劳曲线。

（2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系

（3）图示（略）

2、疲劳强度（条件疲劳极限）

（1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳强度（σr）

（2）σr=f（N）σr对应σmax，一般N<107

3、疲劳极限

（1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限

（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线

三、应力循环特性

1、应力循环中各参数及应力循环特性系数

1σmax―应力循环中最大应力值，σmax=σm+σa

2σmin―应力循环中最小应力值，σmin=σm-σa

3σm=（σmax+σmin）/2--应力循环中平均应力值

4σa=（σmax-σmin）/2―应力循环中应力振幅

5r=σmin/σmax―应力循环中应力循环特性系数

2、特殊循环特性

（1）对称交变载荷，r=-1，疲劳强度σ-1

（2）脉动载荷，r=0，疲劳强度σ0

（3）拉伸变载荷，0

图4疲劳强度和疲劳极限图5具有不同循环特征的变动载荷

拉伸变载荷σmin和σmax均为拉应力，但大小不等，0<γ<1，其疲劳强度用σr，脚标γ用相应的特性系数表示。

四、疲劳强度表示法

为了表达疲劳强度和循环特性之间关系，可绘出下列几种形式的疲劳图，从其图中可得出各种循环特性下的疲劳强度，表示某种材料疲劳性能。

1、疲劳图概念

表示在一定循环次数下疲劳强度σr与应力循环特性系数r之间关系的曲线即疲劳图，有四种表示法：

σmax―r、σmax―σm、σa―σm、σmax―σmin。

2、疲劳图意义

（1）工程上可用疲劳图查找疲劳强度用于结构设计

（2）用于疲劳断裂机理探讨

3、疲劳强度表示法

已知应力循环特性r要求会用疲劳图求疲劳强度σr，并熟练掌握特殊循环特性的疲劳强度σ1、σ0、σ-1。

（1）σmax―r

σmax和r表示的疲劳图（如图6所示），它能直榜的将σmax和r的关系表示出来。

（2）σmax―σm

用σmax和σm表示的疲劳图如图7所示，横坐标表示平均应力σm，纵坐标表示应力σmax和σmin，在与水平线成45角的方向绘一虚线，将振幅的数值σa对称地绘在斜线两侧，两曲线相交于C点表示振幅σa=0，其疲劳强度为静载强度σb，线段ON表示对称循环时的疲劳强度σ-1，此时σm等于零，线段O¹N¹表示脉动循环时疲劳强度σ0。

从该疲劳图上可以用作图法求出任何循环特性系数（r）下的疲劳强度，自0点作一与水平线成α角的直线，使tgα=σmax/σm=2σmax/（σmax+σmin）=2/（1+r）则直线与图形上部曲线交点的纵坐标就是r循环特性下的疲劳强度σr。

（3）σa―σm

用σa和σm表示的疲劳图如图8所示。

横坐标为σm，纵坐标为σa，曲线上各点疲劳强度σr=σa+σm。

纵坐标A交点为对称循环时疲劳强度σ-1，横坐标B交点为静载强度σb，从0作45射线与曲线交点C表示脉动循环，其疲劳强度σ0=σa+σm=2σa=2σm。

若自0点作α角射线与曲线相交，并使tgα=σa/σm=（1-r）/（1+r），则交点的σa+σm=σr，即为r时的疲劳强度。

（4）σmax―σmin

用σmax和σmin表示的疲劳图如图9所示，由原点0出发的每条射线代表一种循环特性，如原点向左与横坐标成45°的直线表示交变载荷，r=σmim/σmax=-1，它与曲线交于B点，BB¹即为σ-1；向右与横坐标成45的直线表示静载r=l，它与曲线交于D点DD¹即为静载强度σb，而纵坐标本身又表示脉动载荷r=0，CC¹即为σ0。

（5）

图6用σmax和r表示的疲劳图图7用σmax和σm表示的疲劳图

图8用σa和σm表示的疲劳图图9用σmax和σmin表示的疲劳图

实例

图10为σmax―σmin疲劳图应用实例。

该钢种的静载强度为60kgf/mm2（588Mpa），200万次脉冲循环的疲劳强度为3lkgf/mm2（304Mpa），而其交变载荷r=-1的疲劳强度为20kgf／mm2（196Mpa）。

对于r=1/2疲劳强度，根据ADEC线的交点即可找出为42kgf／mm2等。

同样在图上也可找出n=100万次的

图10σmax―σmin疲劳图

各种循环特性的疲劳强度值。

§3-2疲劳裂纹扩展过程及疲劳破坏的基本特征

一、疲劳裂纹扩展过程

整个疲劳断裂过程分为三个阶段：

微裂纹产生→疲劳裂纹扩展→断裂

1、初始微裂纹产生

（1）位置：

疲劳裂纹在应力最高强度最低的基体上产生，焊接结构产生裂纹的时间很短。

（2）标准：

疲劳机理标准：

电镜1000Å

工程实用标准：

金相显微镜：

10×

2、稳定扩展阶段

（1）稳定扩展阶段疲劳裂纹扩展时间即认为是结构的使用寿命。

图3-1Laird-Smith模型

（2）塑性钝化模型：

每经过一次加载循环，疲劳裂纹尖端即经历一次锐化→钝化→再锐化过程，裂纹扩展一段距离，疲劳断口表面产生一条辉纹（Laird-Smith模型）。

a）未加载荷裂纹闭合形态；

b）在加载段拉应力作用下，裂纹张开，裂纹尖端两个小切口使之向45º角滑移；

c）拉应力达最大值时，裂纹因变形使应力集中效应消失，裂纹尖端滑移带变宽，裂纹前端钝化，呈半圆状（即是所谓的泊松效应），此时产生新的表面，裂纹向前扩展；

以上三个阶段为塑性钝化阶段。

d）去载拉应力下降，沿滑移带向相反方向滑移；

e）加载后半周处于压应力，形成新表面被压向裂纹平面，形成新的切口，结果造成新的疲劳纹，其间距为c，即为辉纹宽度，该理论认为每一次循环加载，就产生一道辉纹。

以上二个阶段为塑性锐化阶段。

（3）该阶段裂纹扩展稳定，扩展速度较低，受温度影响较小。

3、失稳扩展阶段

（1）当裂纹尺寸足够大结构有效受力截面小到不足以承受所加载荷时，即为断裂阶段。

该阶段可为延性断裂也可为脆性断裂。

（2）断裂阶段标准：

承载构件：

不能再承受工作载荷

压力容器：

产生泄漏

二、疲劳破坏的基本特征

1、疲劳破坏是经多次交变载荷作用形成的，裂纹扩展缓慢；

2、结构疲劳强度与应力集中关系密切，对应力集中十分敏感，与温度的关系不大；

3、疲劳破坏时变形小；

4、疲劳破坏的断口特征。

（1）宏观上有辐射状的疲劳纹，呈“年轮状”花样，其辐射条纹的起点就是裂纹的起源点

（2）微观上有疲劳扩展的辉纹，呈“海滩状”花样。

（3）疲劳裂纹扩展断面为细晶区，较为平滑，由于空气及介质的氧化或腐蚀作用，使其颜色较深，而凸起部分则因扩展过程的摩擦和挤压作用逐渐被磨光，出现条纹（贝壳）状的光滑表面，即所谓的“海滩状”、“年轮状”花样。

（3）瞬时断裂区为粗晶区，颜色较灰暗

§3-3疲劳破坏的影响因素

一、结构构造刚柔相济

重点注意提高结构相互连接接头的平滑、圆润、柔韧程度。

二、应力集中的影响

1、结构表面形状突然变化

对接接头

对接接头形状变化不大，应力集中比其他形式接头小，一般焊缝余高过大、过渡角过大会使接头疲劳强度下降。

若保证焊透并使焊缝向母材平滑过渡或经机械加工使其过渡平滑，则其疲劳强度可接近或达到母材强度。

丁字和十字接头

丁字和十字接头焊缝向母材基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数比对接接头的高，因此其疲劳强度远低于对接接头。

未开坡口的角焊缝的十字接头，危险截面有两个：

母材与焊缝趾端交界处、焊缝根部。

当焊缝承受工作应力（垂直于焊缝方向）时，疲劳断裂发生在焊缝（a/δ≤0.6~0.7）的薄弱环节或母材与焊缝趾端交界处（a/δ>0.7）。

适当提高焊角尺寸可使疲劳断裂发生在母材与焊缝趾端交界处，在一定程度上提高疲劳强度；若开坡口并焊透使焊缝在焊趾处向母材平滑过渡，则其疲劳强度可明显提高。

搭接接头

仅有侧面焊缝的搭接接头疲劳强度最低，只达到基本金属的34％。

正面焊缝的焊脚为1：

1、1：

2、1：

2（表面机加工）、1：

3.8（表面机加工）的搭接接头疲劳强度分别为基本金属的40％、49％、51％和100％。

采用所谓“加强”盖板的对接接头是不合理的接头形式，试验结果表明，对接接头加盖板后疲劳强度只达到原对接接头疲劳强度的一半。

一般应避免用搭接接头，若必须采用搭接接头时要保证焊缝比例（1：

2）并经机械加工使其过渡平滑。

2、缺陷的影响

焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。

缺陷形状：

片状缺陷（如裂缝、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大。

缺陷种类：

表面缺陷比内部缺陷影响大。

缺陷方向：

与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大。

缺陷位置：

位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区内的大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾部裂纹）的影响比在均匀应力场中同样缺陷影响大。

材料影响：

缺陷对缺口敏感性强的材料的疲劳强度影响比对一般缺口敏感性材料影响大，所以高强钢强度高而实际疲劳强度并没有提高很多。

3、角变形和错边的影响

1）余高或角变形过大使熔合线的应力集中增加,即局部应力增大

2）产生附加弯矩,出现弯曲应力

3）角变形或错边处的材料韧性差

4、表面粗糙度

三、材质纯度与塑性和韧性

材质塑性和韧性影响裂纹的萌生和扩展。

在实际焊接结构中，如果热影响区的尺寸不大，一般不会降低焊接接头的疲劳强度。

四、残余应力的影响

1、

σa～σm疲劳图

理论分析

从σa～σm的疲劳图可以看出

有残余拉应力（σR>0）时，有：

σmax=σm+σR+σa

当应力循环中最大应力σmax

到达σs时，残余应力因应力全面

达到屈服而消除，所以当σm达到

一定数值（σm+σa=σs），即应力

循环特性r>0时，残余应力对疲劳

强度将没有影响；当σm小于此值，

应力循环特性r<0时，则残余拉应

力会使疲劳强度降低，σm越小，

内应力的影响愈显著。

2、试验证明

（1）光滑堆焊试件试验结果

该种试件应力集中较小（KT小）

试件上纵向、横向堆焊焊缝各一条，残余拉应力不同（依堆焊顺序），先纵后横σx小,先横后纵则σx大,在对称交变载荷下实验（r=-1），残余拉应力（σR）越大则疲劳强度越低。

（2）十字（对接加纵向堆焊）焊缝热处理消应力

该种试件应力集中较小（KT小）

在三种循环特性（r=-1、0、0.3）下分别对焊态试件和热处理去应力试件进行疲劳试验,结果平均应力低的试件（r<0）热处理可提高疲劳强度,而平均应力高的试件（r>0）热处理反而使疲劳强度降低。

（3）带有纵向短筋板试件疲劳试验

该种试件应力集中大（KT大）

在循环特性（r=0）下对焊态试件和热处理去应力试件进行疲劳试验,结果表明热处理可明显提高疲劳强度。

应力集中越严重，疲劳强度提高越明显。

2、结论

焊接接头的疲劳强度试验结果表明焊接残余应力对疲劳强度的影响与应力集中情况（应力集中系数KT）、残余应力（σR）性质及大小、应力循环特征系数r有关。

KT越大、σR越大、r越小（负数），残余应力（σR）使疲劳强度降低越严重，这时可通过热处理提高疲劳强度。

若残余应力（σR）为压应力或应力循环特征系数r大且应力集中系数KT小则不需要热处理消应力。

§3-4疲劳破坏的预防措施

结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素，在结构设计中减少应力集中甚至比确定疲劳设计应力还重要。

只有当焊接接头和结构设计合理，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，一般可以采取下列措施：

一、设计措施

1、整体设计时注意采用合理的结构形式，分散集中载荷，减小应力集中。

关注要点：

使焊缝易于施焊、焊缝间距离不能过近、避免焊缝交叉、不同厚度板对接时合理设计接头形式、有角焊缝时合理选择角（搭）接板（包括坡口）形状、尽量使焊缝远离高工作应力区、尽量使焊缝远离高应力集中区、考虑次要焊缝。

2、选择合理接头形式

焊接接头疲劳断裂的危险性依次为对接接头、十字街头（开坡口焊透）、十字接头（未开坡口）、侧面搭接接头和正面搭接接头。

优先采用应力集中系数小的对接接头，尽量少采用角焊缝；焊缝形状应过渡平缓，连续焊缝比断续焊缝有利。

3、减小接头局部刚度

如在焊缝附近开缓和槽可减小接头局部刚度，减小开裂危险性。

接头设计方案示例1：

接头方案；局部刚度

接头设计方案示例2：

改进接头形式；

接头设计方案示例3：

焊缝布置

接头设计方案示例4：

接头及焊缝平滑过渡

接头设计方案示例3：

注意减小接头刚性

二、工艺措施

1、在工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内、外部没有缺陷；当采用角焊缝时须采取综合措施：

机械加工焊缝端部，保证焊缝根部焊透。

2、用表面机械加工的方法消除焊缝及其附近的各种刻槽降低接头应力集中程度。

3、TIG电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度；

4、调整残余应力场，消除接头的应力集中处的焊接残余应力或使该处产生残余压应力均可以提高接头的疲劳强度，其方法可以分为两类：

整体处理，包括整体退火或超载予拉伸法；局部处理，即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。

5、改善材料的机械性能

表面强化处理、用小轮挤压或锤轻打焊缝表面及过渡区、或用小钢丸喷射焊缝区都可提高接头的疲劳强度。

三、特殊保护措施----塑料涂层

采用特殊塑料涂层可提高焊接接头疲劳强度。

示例：

调整残余应力场提高疲劳强度