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第五章 焊接结构疲劳强度

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焊接结构疲劳强度.
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！

焊接结构疲劳强度

焊接结构疲劳强度

8a s E
ln
sec
2
s
代入裂纹扩展寿命式得：当m≠1时，
N
1
BDm m
1
1 a0
m1
1 acr
m1
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度 除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率 95％的2×106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最 大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方 法。
对低频疲劳裂纹扩展速率公式进行积分，就 可以求得在低频疲劳条件下的裂纹扩展寿命：
N ac da
a0 B m
a0―初始裂纹尺寸；ac―临界裂纹尺寸 NC―从初始裂纹a0扩展临界裂纹尺寸ac寿命
对于无限大板中心贯穿裂纹 a
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
考虑在大范围屈服条件下
将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所 示的曲线，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。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
加载次数与疲劳强度关系图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
载荷种类
1. 对称交变载荷：σmin=-σmax r=-1 疲劳强度 用σ-1表示
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(五) 不同强度金属的影响
强度极限越高，材料对应力集中就越敏感，只有 表面抛光的试件其疲劳强度才能随强度极限的提 高而增大。
(六) 其他影响因素
1．试样尺寸的影响：尺寸增大，疲劳极限降低；
2．负载特点：交变弯曲疲劳破坏的寿命最短。

焊接结构疲劳性能

焊接结构疲劳性能

③应力集中达到一定程度高强钢≈低碳钢
4.2.5金属疲劳的分类
按载荷工况 工作环境
按研究对象
按失效周次
按受力状态
按载荷特征
材料疲劳
高周疲劳
单轴疲劳
恒幅疲劳
常规疲劳 高低温疲劳
பைடு நூலகம்
结构疲劳
低周疲劳
多轴疲劳
变幅疲劳
热疲劳 随机疲劳 热-机械疲劳 腐蚀疲劳 接触疲劳
材料疲劳：主要研究材料的失效机理，化学成分、微观组织、 环境和工况等对疲劳强度的影响，研究疲劳断口的宏观和微观 形貌等。 结构疲劳：以部件、接头以致整个结构为研究对象，研究它们 的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法， 形状、尺寸和工艺因素的影响以及提高疲劳强度的方。 高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经 104~105以上循环产生的失效。(弹簧、传动轴等)
飞机疲劳事故
2010年11月29日，阿根廷 举行飞机表演现场，金属 疲劳造成机翼断裂，如图 中左机翼。
疲劳断裂安全隐患
铁道部大举召回动车原因：轮 对发现裂纹 轮对是机车与钢轨相接触 的部分，由左右两个车轮压装 在同一根车轴上组成，其作用 是保证机车车辆在钢轨上的运 行和转向，承受来自机车车辆 的全部静、动载荷，把它传递 给钢轨，并将因线路不平顺产 生的载荷传递给机车车辆各零 部件，使容易发生机械疲劳， 存在安全隐患。
焊接结构疲劳性能
4.1.1 焊接结构疲劳断裂事故多发的原因

①承受动载的焊接结构越来越多，承受的载荷越来越大 ，而焊接结构并没有严格按照疲劳设计规范进行设计； ②虽然焊接接头静载承受能力一般与母材相当，但承受 疲劳载荷能力与母材相比较差，没有引起设计者、制造 者、使用者的足够认识。

动载焊接结构设计Ⅱ(疲劳强度)

动载焊接结构设计Ⅱ(疲劳强度)

⒊焊接接头和焊接结构的疲劳强度低温冲击载荷容易引起结构，特别是焊接结构的低应力脆性破坏，给人类的生产生活带来巨大的灾害。

疲劳破坏则是结构最普遍的破坏形式，约占结构破坏失效总量的80～90％。

⒊1 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点⒊⒈1 相同点⑴都属于低应力破坏破坏时的工作应力＜或＜＜bσ，sσ，甚至[]σ。

⑵破坏之前，结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，令人促不及防。

⑶都对应力集中很敏感起裂位置多半都存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。

⒊⒈2 不同点不同点脆性断裂疲劳断裂⑴载荷性质不同静载，冲击各种疲劳载荷⑵对温度敏感性很敏感，低温易脆断不敏感，高、低温均有疲劳⑶受载次数多少()pEa+≥γσπ422一次即可断裂需几十～几百万次才能断开⑷断裂经历时间()pEa+≥γσπ422瞬间扩展开裂需要许多天，年，世纪⑸断裂经历过程弹性能释放有余，连续自动开裂张开→闭合……再开→再闭⑹断裂机理机制扩展能()pEa+≥γσπ422需要能张开扩展，闭合硬化、锐化⑺宏观断口形貌沿薄弱环节扩展，错落交织的人字纹渐次扩展，带有辐射线的贝壳纹⑻微观断口形貌有错层，能反映扩展方向的河流纹能反映扩展过程的疲劳辉纹⒊2 疲劳强度的基本概念⒊⒉1 疲劳应力循环应力的五个基本参数m axσ、minσ、r、mσ、aσ如图18所示，知道其中的任意两个，即可算出其它三个：图15 由焊趾预制裂纹开始的拉压疲劳纹图13 疲劳裂纹的扩展a) 平板表面裂纹b) 焊趾裂纹图14 疲劳裂纹的扩展过程思考题3：脆性破坏与疲劳破坏有何异同点？⑴ 最大应力 r a m min max σσσσ=+= ；⑵ 最小应力 max min σσσσ⋅=-=r a m ； ⑶应力循环特征系数()()a m a m r σσσσσσ+-==max min ； 11≤≤-r⑷ 平均应力 ()()212max min max r m +⋅=+=σσσσ ； ⑸ 应力振幅 ()()212max min max r a -⋅=-=σσσσ。

改善焊接结构疲劳强度的工艺方法

改善焊接结构疲劳强度的工艺方法

超声冲击法提高接头疲劳强度的机理与锤击和喷丸法相同，即通过在焊趾表面产生
压缩应力来提高疲劳强度。该方法适用于各种接头形式。接头经过超声冲击处理后，疲
劳强度可提高50%~170%。
表8 超声冲击处理前后的疲劳强度对比
材料与接头形式
疲劳强度△σ/MPa
提高程度/%
焊态
冲击处理态
Q235B对接（R=0.1）
大连铁道学院
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图7 ST52-3钢T型接头三点弯曲疲劳试验结果
3.2 机械加工
对焊缝表面进行机械加工，可大大降低应力集中程度，使无缺陷焊缝的焊接接头疲 劳强度达到甚至高于母材的疲劳强度。 ● 机械加工成本高，真正需要并能加工到的部位才使用 ● 存在未焊透等缺陷时，疲劳裂纹转移到焊缝根部未焊透等缺陷处，机加工反而会降
图12 预过载对非承载角焊缝疲劳强度的影响
4.2 挤压法
对接头进行局部挤压可以调节焊接残余应力场，使应力集中处产生压缩残余应力，从 而提高接头疲劳强度。
●挤压位置：位于需要产生残余压 缩应力的位置。
图13 横向角焊缝的正确挤压位置
大连铁道学院
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△— 高强钢 ▲— 低碳钢（挤压直径44mm） ●—低碳钢（挤压直径19mm）
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● TIG重熔位置：焊枪一般位于焊趾部位0.5~1.5mm处，并保持重熔部位洁净。
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图5 TIG熔修位置
● TIG重熔重新起弧位置：在重熔过程中发生熄弧时，一般推荐在焊道弧坑之 前的6mm处重新起弧。
大连铁道学院
图6 TIG熔修重新起弧技巧
表2 TIG电弧熔修后焊接接头疲劳强度提高的效果
的划痕而成为应力集中源。
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焊接结构的疲劳

焊接结构的疲劳
2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集 中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。
3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。
r min 1 max
m 0
0 r 0
max
m

max 2
r min 0
m
min 2
0
r0
mm 0
0 r 1

＜0

max max
＜0

＞0

min

=0

= max
min

=1

min


图2 常幅应力循环的谱
(a)完全对称循环
(b)脉冲循环
(c)不完全对称循环
(d)不完全对称循环
图3 变幅应力循环的谱
反复荷载引起的应力循环形式有同号应 力循环和异号应力循环两种类型。
循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值 最大的峰值之比称为应力循环特征值，当 为拉应力时，或取正号；当为压应力时， 或取负号。
2、热疲劳。工作过程中，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。
1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的
此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温 度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度 却受温度的影响比较小。
一、疲劳断裂示例
1、疲劳断裂的示例：
疲劳事故最早发生在 19 世纪初期。疲劳一般 从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从 焊接接头处产生，下图 是几个典型的焊接结构疲 劳断裂事例。

改善焊接结构疲劳强度的工艺方法

改善焊接结构疲劳强度的工艺方法焊接结构是许多工程领域中常见的构造方式，但在实际使用过程中，焊接结构的疲劳强度往往是一个重要的问题。

下面将介绍一些改善焊接结构疲劳强度的工艺方法。

1. 合理的焊接接头设计：在焊接结构设计阶段，需要考虑到应力集中的问题。

合理的焊接接头设计可以减少应力集中的情况，并提高焊接结构的疲劳强度。

可以采用较大圆角和梯形焊缝等来减少应力集中。

2. 选择合适的焊接材料：为了提高焊接结构的疲劳强度，需要选择具有较高疲劳寿命的焊接材料。

一般来说，高强度低合金钢等材料具有较好的疲劳强度。

此外，还可以考虑采用具有良好韧性和抗应力腐蚀性能的不锈钢等材料来提高焊接结构的疲劳强度。

3. 控制焊接过程中的热输入：焊接过程中的热输入对于焊接接头的疲劳强度有着重要的影响。

过高的热输入会导致焊接接头的硬化和应力集中，从而降低焊接结构的疲劳强度。

因此，需要合理控制焊接过程中的焊接电流、焊接速度和预热温度等参数，以降低热输入，提高焊接结构的疲劳强度。

4. 适当的焊接后处理：焊接后处理可以进一步改善焊接结构的疲劳强度。

常用的焊接后处理方法包括时效处理、表面处理和应力消除等。

时效处理可以使焊接材料的晶体结构重新排列，提高焊接结构的组织稳定性和疲劳寿命。

表面处理可以消除焊接接头的表面缺陷，减少裂纹的产生。

应力消除可以通过热处理或冷却处理来消除焊接接头中的残余应力，减少应力集中，提高疲劳强度。

总之，通过合理的焊接接头设计、选择合适的焊接材料、控制焊接过程中的热输入和适当的焊接后处理，可以有效改善焊接结构的疲劳强度。

这些工艺方法的应用将提高焊接结构的使用寿命和安全性。

同时，需要根据具体的焊接结构和工艺要求，结合实际情况进行技术和经济的综合考虑，以实现最佳的改善效果。

当涉及到改善焊接结构的疲劳强度时，以下是一些额外的工艺方法和措施，可以进一步提高焊接接头的质量和耐久性。

5. 质量管理和监控：焊接过程中的质量管理和监控是确保焊接接头质量的重要环节。

影响焊接结构疲劳强度的因素清单

影响焊接结构疲劳强度的因素清单目录1.焊接结构的疲劳断裂: (1)2.焊接缺陷引起的应力集中： (2)3.按疲劳破坏的原因分为： (2)3.1.疲劳破坏的原因划分 (2)3.2.材料强度对接头疲劳强度的影响： (2)3.3.焊接缺陷其它因素对接头疲劳强度的影响： (3)3.4.疲劳破坏及影响因素（疲劳裂纹形成过程）： (3)3.5.疲劳断口可分成三个区域： (3)3.6.焊接接头疲劳强度计算（疲劳设计方法分类）： (3)3.7.静载强度对焊接结构疲劳强度的影响 (3)4.应力集中对疲劳强度的影响 (4)4.1.接头类型的影响 (4)4.2.焊缝形状的影响 (5)4.3.焊接缺陷的影响 (6)5.焊接残余应力对疲劳强度的影响 (7)1.焊接结构的疲劳断裂：•疲劳断裂是指机件在变动载荷下经过较长时间运行发生的失效现象•疲劳断裂呈低应力脆性断裂性质①断裂发生在较低的应力下，其最大循环应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度；②断裂部位无宏观塑性变形；③断裂呈突发性，没有预先征兆；④疲劳断裂在交变应力作用下经过数百次，甚至几百万次循环才发生。

•疲劳断裂呈损伤积累过程①金属材料内部组织首先在局部区域发生变化并受到损伤；②损伤逐渐积累，并到一定程度后发生疲劳断裂；③疲劳断裂三个阶段：疲劳裂纹的形成、扩展、断裂。

•疲劳断裂是焊接钢结构失效的一种主要形式，在焊接结构断裂事故中，疲劳失效约占90%。

如：船舶及海洋工程结构、铁路及公路钢桥以及高速客车转向架等。

2.焊接缺陷引起的应力集中：・焊接缺陷一一应力集中源，对接头疲劳强度的影响程度取决于缺陷的种类、方向和位置。

•缺陷种类：平面状缺陷（如裂纹、未熔合等）体积型缺陷（如气孔、夹渣等）⑴裂纹：如热裂纹、冷裂纹，是严重的应力集中源，大幅度降低结构及接头的疲劳强度。

如裂纹面积约为试件横截面积的10%时，在交变载荷作用下，接头2X106循环寿命的疲劳强度下降了55%~65%.⑵未焊透：◎未焊透并非都是缺陷，有些结构要求接头局部焊透；◎未焊透缺陷：①表面缺陷（单面焊缝）；②内部缺陷（双面焊缝）；◎未焊透缺陷对疲劳强度的影响不如裂纹严重。

第五章 焊接接头和结构的疲劳强度

一、疲劳与脆性断裂相比较：
（1）二者断裂时的形变都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需多次加载；（2）结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间；（3）对于脆断来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增
加，但疲劳强度却不是这样；
（4）疲劳断裂和脆性断裂相比较还有不同的断口特征等。
疲劳一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。
二、疲劳断裂的实例：
1、图5—l为直升飞机起落架的疲劳断裂图。裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始的。该机飞行着陆2，l18次后发生破坏，属于低周疲劳。
2、图5—2为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板厚5毫米，承受反复的弯曲应力。在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹。该车破坏时已运行30000公里。
§5—5影响焊接接头疲劳强度的因素
影响基本金属疲劳强度的因素(例如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况、介质等)同样对焊接结构的疲劳强度有影响。除此以外焊接结构本身的一些特点，例如接头部位近缝区性能的改变，焊接残余应力等也可能对焊接结构疲劳强度发生影响。弄清这些因素的具体影响，对提高焊接结构的疲劳强度是有益的。下面分别探讨这些因素的影响情况。
则交点的σa+σm＝σ即为循环特征系数为r时的疲劳强度。
4、用σmax和σmin表示的疲劳图如图5—13所示。图中纵坐标表示循环中的最大应力σmax,而横坐标表示循环中的最小应力σmin,由原点出发的每条射线代表一种循环特性。例如由原点向左与横坐标倾斜45度的直线表示，交变载荷，r＝ ，它与曲线交于B点， 即为σ-1，向右与横坐标倾斜45度的直线表示静载r＝1，它与曲线交于D点， 即为静载强度σb。而纵坐标本身又表示脉动载荷r＝0， 即为σ0等等。

焊接结构力学-第五章 焊接接头和结构的疲劳断裂


(3)应力循环特征系数:
r=σmin/σmax=(σm-σa)/( σm＋
σa); -1≤ r ≤1
0
(4)平均应力:
σm=(σmax+σmin)/2=σmax·(1+r)/2
(5)应力幅值:
σa=(σmax-σmin)/2=σmin·(1-r)/2
σa
σmax
σm
σmin
t
图5-1 应力循环参数图
异：
不同点 载荷性质 对温度的敏感性 受载次数 断裂经历时间 断裂经历过程
断裂机制
宏观断口形貌
微观断口形貌
脆性断裂
静载、冲击 敏感、低温易脆断 大于临界值，一次即可断裂 大于临界值，瞬间断裂 弹性能释放有余，
连续自动开裂 需要大于临界的扩展能
沿薄弱环节扩展， 错落交织人字纹
错层，河流样花纹
疲劳断裂 疲劳 不敏感
焊接结构力学 第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
5-1 金属材料的疲劳破坏 5-2 疲劳裂纹形成及影响疲劳强度的因素 5-3 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 5-4 焊接接头疲劳强度计算
5-5 影响焊接接头疲劳强度的因素 5-6 提高焊接接头疲劳强度的措施 5-7 其他类型疲劳
疲劳断裂
零件在循环应力作用下, 在一处或几处产生局部 永久性累积损伤,经一 定循环次数后突然产生 断裂的过程,称为疲劳 断裂.如图示意。
疲劳裂纹产生—扩展— 瞬时断裂三个阶段组成。
图5-0 疲劳断裂示意
本章内容：1.疲劳强度 2.疲劳裂纹的形成 3.断裂力学在疲劳裂纹研究中的应用 4.影响焊接接头疲劳强度的因素
本章难点：1.疲劳裂纹的形成机理 2.断裂力学与传统疲劳强度设计不同
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§5-3 焊接接头疲劳强度计算
损伤容限破损安全设计方法
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
损伤容限破损安全设计方法
• 国际焊接学会推荐的方法
– Paris-Erdogan ：
da / dN = C (∆K ) m
da/dN是疲劳裂纹扩展速率，C和m是材料常数，△K 是应力强度因子幅。
– 铁素体／珠光体钢焊态条件下
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
3. 破损安全设计：结构应有的寿命是由一个 足够无裂纹循环数和一个有裂纹后在足够低的裂 纹扩展速率下达到裂纹危险尺寸的循环数组成的。 这些损伤和局部破坏发生后，不会扩展到完全破 坏，既原始裂纹a0 不会发展到临界裂纹aC ，这就 是所谓破损安全设计的思想。只要选择了扩展速 率足够低的材料，正确决定检查的周期和控制破 损的安全负载，结构是能够安全使用的。
国际焊接学会（IIW）的疲劳等级FAT
• 疲劳S-N曲线的表达式：
N = C (∆σ )
−m
• 式中C、m为常数，对于双 对数坐标的S-N曲线来讲， C决定其位置，m代表斜率。 • 两边取对数，则有：
500 450 400 350 300 250 200
Electrical slag welding 1 Characteristic S-N curve (m=3.076) 2 Characteristic S-N curve (m=3)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(小载荷)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(大载荷)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹形成过程
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。 2. 扩展阶段：初始裂纹在交变载荷作用下，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 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。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(华格表达式 )
da m = C Κ max (1 − r ) dN
当m=1时与帕瑞斯表达式完全一致
[
]
n
m、n、C―与材料和介质有关的常数
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
对低频疲劳裂纹扩展速率公式进行积分，就 可以求得在低频疲劳条件下的裂纹扩展寿命：
N =∫
ac
a0
B (∆δ )
da
m
a0―初始裂纹尺寸；ac―临界裂纹尺寸 NC―从初始裂纹a0扩展临界裂纹尺寸ac寿命 对于无限大板中心贯穿裂纹
∆Κ = πa∆σ
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
考虑在大范围屈服条件下
π ∆σ 8 aσ s ln sec ∆δ = 2 σ πE s
Cref = 1.7 ×10−13 (mm5.5 N −3Cycle−1 ); m=3
– 在参考疲劳载荷△σｒｅｆ作用下，疲劳裂纹从 初始长度ａｉ扩展到最终长度ａｆ相应的参考疲 劳寿命可按下式计算：
df
N ref =
1 ∆K − m da ∫ Cref ai
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(裂纹扩展速率示意图)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(da/dN-∆K 对数坐标关系)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(帕瑞斯表达式 ) n da = C (∆Κ ) dN
∆K―应力强度因子幅度(∆K=Kmax-Kmin) c、n―由试验确定的材料、环境、频率和循 环特形等的函数 帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对 da/dN影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因 子趋近于其临界值KIC时，裂纹加速扩展效应。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
载荷种类图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax―σm表示的疲劳图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax-σmin表示的疲劳图
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹亚临界扩展)
裂纹受到一个低于σc但有足够大的循环应力时，则 初始裂纹会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界尺寸ac ，这 一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。 可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹 在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在 前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺 寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该 情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、 低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(二) 焊接残余应力的影响 在σa和σm表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同 σ σ ACB 平均应力时的极限应力振幅值σa。当构件中的应 力振幅值大于极限振幅值时，将发生疲劳破坏。 随着σm的增加，极限应力幅值有所下降。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高措施(σa-σm疲劳图断裂分析图)
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
推导疲劳公式的σmax-σmin图
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
推导疲劳公式的σmax-σmin图 • 绝对值最大的应力是 拉应力
[σ 0p ] [σ p ] = 1 − kr
• 绝对值最大的应力是 压应力
[σ 0p ] [σ p ] = k −r
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
第五章 成型结构疲劳强度
§5-1 疲劳破坏及影响因素 §5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的 应用 §5-3 焊接接头疲劳强度计算 §5-4 影响疲劳强度的因素及提高疲劳强 度的措施
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳断裂分类
按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲 劳 按应力大小和应力循环次数分为 1. 低 周 高 应 变 疲 劳 ： 作 用 的 应 力 超 过 弹 性 范 围 ， 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04~105
代入裂纹扩展寿命式得：当m≠1时，
1 1 N = m BD (m − 1 ) a 0

m −1
1 − a cr

m −1

§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度 除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率 95％的2×106 次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最 大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方 法。 2． 安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设 计。所谓安全寿命指在某一环境下，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。由σ-N 曲线获得σr，并利用σmax-σmin疲劳图进行设计。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(福曼修正表达式) n da C (∆Κ ) = (1 − r )K IC − ∆Κ dN
C、n―常数； KIC―材料的断裂韧性 r― 循 环 特 性 ， r=σmin/σmax= Kmin /Kmax ； ∆K―应力强度因子幅度(∆K=Kmax-Kmin) 由于该公式中有材料的KIC值，对于高韧性材 料无法测得KIC的该公式不适用。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(提高措施)
(一) 降低应力集中 1. 采用合理的结构形式 2．尽量采用应力集中 系数小的焊接接头。3．改善非连续的几何形状， 缓和应力集中 (二) 调整残余应力场 在易产生裂纹的缺口部位预制残余压应力，消除接 头应力集中处的残余拉应力。 (三) 表面强化处理
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(五) 不同强度金属的影响 强度极限越高，材料对应力集中就越敏感，只有 表面抛光的试件其疲劳强度才能随强度极限的提 高而增大。 (六) 其他影响因素 1．试样尺寸的影响：尺寸增大，疲劳极限降低； 2．负载特点：交变弯曲疲劳破坏的寿命最短。 3．温度升高，裂纹扩展速率随之增高。
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高措施(应力对疲劳强度的影响)
§5-4 影响疲劳强度因素及提 高疲劳强度措施(影响因素)
(三) 材料表面状态 材料表面有缺陷易造成疲劳强度降低。疲劳裂纹 开始产生于材料表面，尤其在拉伸载荷作用下， 表层应力最高。 (四) 焊接缺陷的影响 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。缺陷对疲劳强度 的影响比对静载强度的影响大得多。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
滑移产生挤入挤出示意图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹扩展模型
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口特征
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， 每一条辉纹代表一次应力(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 3. 瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱 响
当局部峰值应力达到材料屈服极限时，在断裂前局 部材料将产生塑性变形，造成应力重新分布，故实际 峰值应力低于理论峰值应力。在这种情况下，应该用 有效应力集中系数Kf 来估计，其值为光滑试样的疲劳 强度σp与有效应力集中试样的疲劳强度σp’之比 对接接头焊缝形状变化不大，因此和角接接头及十 字等相比，应力集中程度要小，接头疲劳强度最高。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口分析图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳强度表示法
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 σ 点是是局部应力(或称峰值应力)。 将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所 示的曲线，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。