焊接接头和结构的疲劳强度PPT课件

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1、1第第 3 章章 焊接接头和结构的焊接接头和结构的疲劳强度疲劳强度2本章主要内容和重点：本章主要内容和重点：3.1 焊接结构的焊接结构的疲劳疲劳 3.1.1 疲劳断裂疲劳断裂事例事例 3.1.2 焊接结构常见的疲劳类型焊接结构常见的疲劳类型3.2 疲劳断裂的疲劳断裂的过程过程和和断口特征断口特征 3.3 疲劳载荷疲劳载荷及及表示法表示法 3.4 断裂力学断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用在疲劳裂纹扩展研究中的应用3.6 影响影响焊接结构疲劳强度的焊接结构疲劳强度的因素因素 3.6.1 应力集中应力集中的影响的影响 3.6.2 近缝区近缝区金属性能变化金属性能变化的影响的影响 3.6.3 残余应

2、力残余应力的影响的影响 3.6.4 其他因素其他因素的影响的影响3.7 提高提高焊接接头疲劳强度的焊接接头疲劳强度的措施措施 3第第3章章 焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度3.1 焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳疲劳断裂疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。是金属结构失效的一种主要形式。l 工程结构工程结构失效约失效约80以上是由疲劳引起的；以上是由疲劳引起的；l 在在某些工业部门某些工业部门，疲劳断裂可占断裂事件的，疲劳断裂可占断裂事件的8090；l 对于承受对于承受循环载荷循环载荷的焊接构件有的焊接构件有90以上的失效应归咎于疲以上的失效应归咎于疲劳破坏。劳破坏。在我国，疲劳失

3、效也相当普遍，在在我国，疲劳失效也相当普遍，在能源、交通能源、交通等部门都等部门都很严重。而且随着很严重。而且随着新材料、新工艺新材料、新工艺的不断出现，将会提出许的不断出现，将会提出许多疲劳强度的多疲劳强度的新问题新问题需要研究解决。需要研究解决。43.1.1 疲劳断裂疲劳断裂事例事例 疲劳断裂事故最早发生在疲劳断裂事故最早发生在19世纪初期世纪初期，随着，随着铁路运输铁路运输的发的发展，展，机车车辆机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个第一个疲劳强疲劳强度问题。度问题。以后在以后在第二次世界大战第二次世界大战期间发生多起期间发生多起飞机疲劳失事飞机疲劳失事事故。

4、事故。1954年年英国彗星喷气客机英国彗星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引起飞由于压力舱构件疲劳失效引起飞行失事，引起了人们的广泛关注，并使行失事，引起了人们的广泛关注，并使疲劳研究疲劳研究上升到上升到新新的高度的高度。结构由结构由铆接连接铆接连接发展到发展到焊接连接焊接连接后，对疲劳的敏感性和产后，对疲劳的敏感性和产生裂纹的危险性更大。生裂纹的危险性更大。焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳往往是从往往是从焊接接头焊接接头处产生的。处产生的。5疲劳断裂的疲劳断裂的事例事例图图3-1，直升飞机起落架的裂，直升飞机起落架的裂纹是从纹是从应力集中应力集中很高的很高的角接板角接板尖端尖端开始的，该机飞行着陆

5、开始的，该机飞行着陆2118次后发生破坏。次后发生破坏。图图3-2，汽车底架纵梁的该梁板厚，汽车底架纵梁的该梁板厚5mm，承受反复，承受反复弯曲应力弯曲应力，在角，在角钢和纵梁的钢和纵梁的焊接处焊接处，因，因应力集中应力集中很高而产生裂纹。该车破坏时已很高而产生裂纹。该车破坏时已运行运行30000km。6 水压机水压机的疲劳裂纹的疲劳裂纹是从是从设计不良设计不良的的焊焊接接头接接头的的应力集中应力集中点点产生的。产生的。7角焊缝角焊缝改为改为对接焊缝对接焊缝降低疲劳破坏降低疲劳破坏如果在设计中，将易导致疲劳如果在设计中，将易导致疲劳破坏的应力集中系数高的破坏的应力集中系数高的角焊角焊缝缝改为应

6、力集中较小的改为应力集中较小的对接焊对接焊缝缝，疲劳事故就可大大减少。，疲劳事故就可大大减少。图图3-4b用用锻造法兰锻造法兰代替图代替图a原法兰，将原法兰，将角焊缝角焊缝改为改为对接焊对接焊缝缝大大改善抗疲劳能力。大大改善抗疲劳能力。8原因原因：裂纹部位裂纹部位有有较高的应力集中较高的应力集中所致。所致。措施：措施：采用采用合理的接头设计合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。，提高焊缝质量，消除焊接缺陷。图图3-5，美国几座桥美国几座桥发生在靠近焊缝端部发生在靠近焊缝端部焊趾部位焊趾部位的疲劳裂纹。的疲劳裂纹。93.1.2 焊接结构常见的焊接结构常见的疲劳类型疲劳类型 疲劳定义疲劳定义

7、：在在循环应力和应变循环应力和应变作用下，在一处或几处产生作用下，在一处或几处产生局部永久性累积局部永久性累积损伤损伤，经，经一定循环次数一定循环次数后产生的后产生的裂纹裂纹或或突然突然发生发生完全断裂完全断裂的过的过程称为疲劳。疲劳可分为程称为疲劳。疲劳可分为高周疲劳高周疲劳和和低周疲劳低周疲劳。高周疲劳高周疲劳：是指材料在是指材料在低于低于屈服点屈服点的循环应力作用下，经的循环应力作用下，经 以上以上循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受循环次数而产生的疲劳。高周疲劳受应力幅应力幅控制，故又称控制，故又称应力疲劳应力疲劳。低周疲劳低周疲劳：是材料在是材料在接近或超过接近或超过其其屈服点屈服点的循

8、环应力作用下的循环应力作用下,经经低于低于 次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受次塑性应变循环而产生的疲劳。低周疲劳受应变幅应变幅控制，故又称控制，故又称应变疲劳应变疲劳。510510103.2 疲劳断裂的过程和断口特征疲劳断裂的过程和断口特征疲劳断裂的疲劳断裂的过程过程 疲劳断裂一般由疲劳裂纹的疲劳断裂一般由疲劳裂纹的形成形成、扩展扩展、断裂断裂三个阶段组成。三个阶段组成。材料在循环载荷作用下，材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹疲劳裂纹总是在总是在应力最高、强度最弱的部位应力最高、强度最弱的部位上上形成形成。对于承受。对于承受循环载荷循环载荷作用的金属材料，由于作用的金属材料，由于晶粒取向晶粒

9、取向不同，以及存在不同，以及存在各种各种宏观或微观缺陷宏观或微观缺陷等原因，每个等原因，每个晶粒的强度晶粒的强度在相同的受力方向上是在相同的受力方向上是各不相各不相同同的；当整体金属还处于的；当整体金属还处于弹性状态弹性状态时，时，个别薄弱晶粒个别薄弱晶粒已进入已进入塑性应变塑性应变状态，状态，这些这些首先屈服的晶粒首先屈服的晶粒可以看成是可以看成是应力集中区应力集中区。一般认为，具有与。一般认为，具有与最大切应力最大切应力面相一致的滑移面面相一致的滑移面的的晶粒晶粒首先开始首先开始屈服屈服，出现，出现滑移滑移。随着随着循环加载循环加载的不断进行，的不断进行，滑移线滑移线的量的量加大成为加大成

10、为滑移带滑移带，并不断加宽、加深形成，并不断加宽、加深形成“挤出挤出”和和“挤入挤入”现象，现象，挤入部分挤入部分向滑移向滑移带的带的纵深发展纵深发展，形成，形成疲劳微裂纹疲劳微裂纹(图图3-6)。这些微裂纹沿着和这些微裂纹沿着和拉应力拉应力成成45的的最大最大切应力切应力方向传播，这是方向传播，这是疲劳裂纹扩展的第疲劳裂纹扩展的第1阶段阶段。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环。裂纹扩展速率很慢，每一次应力循环大约只有大约只有0.lm（微米）（微米）数量级，扩展深度数量级，扩展深度约为约为25个晶粒。个晶粒。裂纹扩展的裂纹扩展的第第阶段阶段 当当第第1阶段扩展的裂纹阶段扩展的裂纹遇到遇到晶界晶界

11、时便逐渐时便逐渐改变方向改变方向转到与转到与最大拉应力最大拉应力相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的相垂直的方向生长，此时即进入到裂纹扩展的第第阶段阶段，如图，如图3-7。在该阶段内，裂纹扩展的途径是在该阶段内，裂纹扩展的途径是穿晶穿晶的，其扩展速率较快，的，其扩展速率较快，每一次应每一次应力循环力循环大约扩展大约扩展m数量级数量级，在电子，在电子显微镜下观察到的显微镜下观察到的疲劳条纹疲劳条纹主要是在主要是在这一阶段内形成的。这一阶段内形成的。在在循环加载循环加载下下裂纹继续扩展裂纹继续扩展，承，承受载荷的受载荷的横截面面积继续减小横截面面积继续减小，直到，直到剩余有效面积小到不能承受施

12、加的载剩余有效面积小到不能承受施加的载荷时，构件就到达最终荷时，构件就到达最终断裂阶段（第断裂阶段（第3阶段）阶段）。1112裂纹扩展机理裂纹扩展机理-塑性钝化模型塑性钝化模型 整个疲劳过程中的整个疲劳过程中的主要时间主要时间是属于是属于疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展阶段阶段，即，即第第阶段阶段，亦称亚临界裂纹扩展阶段。，亦称亚临界裂纹扩展阶段。目前广泛流行的模型是目前广泛流行的模型是塑性钝化模型塑性钝化模型（图（图3-8）。）。当当卸载卸载时，裂纹闭合，其尖端处于时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态尖锐状态。开始加载开始加载时，在时，在切应力切应力下，下，裂纹尖端裂纹尖端上下两侧上下两侧沿沿45方向产

13、生方向产生滑移滑移，使，使裂纹尖端变钝裂纹尖端变钝，当拉应力达到，当拉应力达到最高值时，裂纹停止扩展。最高值时，裂纹停止扩展。开始卸载开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿时，裂纹尖端的金属又沿45 继续卸载时，继续卸载时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化裂纹锐化。这样每经过一个这样每经过一个加载、卸载循环加载、卸载循环，裂纹由，裂纹由钝化到钝化到锐化锐化并向前扩展一段长度并向前扩展一段长度*。在断口表面上就会遗。在断口表面上就会遗留下一条留下一条痕迹痕迹，这就是在金相断口图上通常看到的，这就是在金相断口图上通常看到的疲疲劳条纹劳条纹或称或称疲劳辉纹疲劳辉纹。综

14、上所述，亚临界裂纹扩展过程就是综上所述，亚临界裂纹扩展过程就是裂纹裂纹反复反复锐锐化和钝化化和钝化的过程的过程。133.2.2 疲劳断口的特征疲劳断口的特征 疲劳断口的疲劳断口的宏观断口宏观断口分成三个区：分成三个区：疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。这三个。这三个区与区与疲劳裂纹疲劳裂纹的的形成、扩展和瞬时断裂形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应。三个阶段相对应。图3-9疲劳断口上三个特征区的示意图 a)圆形试件b)角接接头 1疲劳裂纹源区 2疲劳裂纹扩展区3疲劳裂纹加速扩展区 4瞬时断裂区14 疲劳裂纹源区：疲劳裂纹源区：它是疲劳裂纹的它是疲劳

15、裂纹的形成过程形成过程在断口上留下的真实记录。疲劳在断口上留下的真实记录。疲劳裂纹源区裂纹源区一般很小一般很小，宏观上，宏观上难以难以分辨疲劳裂纹源区的分辨疲劳裂纹源区的断面特断面特征征。疲劳裂纹源一般总是发生在。疲劳裂纹源一般总是发生在表面表面；但如果构件；但如果构件内部存在内部存在缺陷缺陷（如脆性夹杂物等），也可在（如脆性夹杂物等），也可在构件内部构件内部产生。产生。疲劳源数目有时疲劳源数目有时不止一个不止一个，而有，而有两个甚至两个以上两个甚至两个以上。对于。对于低周疲劳低周疲劳，由于其，由于其应变幅值较大应变幅值较大，断口上常有，断口上常有几个几个不同位置不同位置的的疲劳源疲劳源。疲劳

16、裂纹扩展区：疲劳裂纹扩展区：它是疲劳断口上它是疲劳断口上最重要最重要的特征区域。的特征区域。宏观形貌宏观形貌为为贝壳状贝壳状或或海滩波纹状条纹海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进呈周推进呈弧形线条弧形线条，并且，并且垂直于垂直于疲劳裂纹的扩展方向。这些疲劳裂纹的扩展方向。这些贝壳状的贝壳状的推进线推进线是在使用过程中循环是在使用过程中循环应力振幅变化应力振幅变化或或载荷大载荷大小改变小改变等原因所遗留的痕迹。等原因所遗留的痕迹。在在实验室实验室作作恒应力或恒应变实验恒应力或恒应变实验时，断口一般无此特征，时，断口一般无此特征，疲劳断口

17、疲劳断口光滑呈细晶状光滑呈细晶状，有时光洁得尤如瓷质状，对于，有时光洁得尤如瓷质状，对于低周低周疲劳疲劳往往往往观察不到观察不到这种贝壳状的这种贝壳状的推进线推进线。15 瞬时破裂区瞬时破裂区（或称最终破断区）：（或称最终破断区）：它是它是疲劳裂纹扩展到疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后临界尺寸之后发生的发生的快速破断快速破断。其特征与其特征与静载拉伸断口静载拉伸断口中快速破坏的中快速破坏的放射区及剪切唇放射区及剪切唇相同。相同。非常脆的材料非常脆的材料，此区为，此区为结晶状的脆性断口结晶状的脆性断口。16疲劳辉纹疲劳辉纹的形貌的形貌 疲劳辉纹疲劳辉纹与与宏观断口宏观断口上看到的上看到的贝壳状条纹贝壳

18、状条纹是不是是不是一回事？一回事？疲劳辉纹疲劳辉纹是一次应力循环中裂纹尖端塑性钝化塑性钝化（*）形成的痕迹，贝壳状条纹贝壳状条纹是循环应力振幅变化或载荷变化形成的宏观特征。相邻的贝纹线之间可能有成千上万条辉纹。有时在宏观断口上看不到贝壳纹，但在电镜下仍可看到疲劳辉纹疲劳辉纹。另外一些构件，尤其是薄板件薄板件，其宏观断口宏观断口上没有明显的贝壳状花纹，却有明显的疲劳台阶疲劳台阶。疲劳台阶是在一个独立的疲劳区内，两个疲劳源向前扩展相遇形成的。疲劳台阶疲劳台阶也是疲劳裂纹也是疲劳裂纹扩展区的一个特征扩展区的一个特征。3-10 裂纹疲劳扩展的辉纹 疲劳辉纹疲劳辉纹是疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展第二阶段第二

19、阶段的的微观特征微观特征。通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在0.l0.4m之间。面心立方金属面心立方金属(如铝及铝合金、不锈钢)的疲劳条纹比较清晰、明显清晰、明显。体心立方金体心立方金属、密排六方金属属、密排六方金属的疲劳条纹不如前者明显（如钢，疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显）。一般焊接结构一般焊接结构所承受的疲劳载荷是一种所承受的疲劳载荷是一种随机载荷随机载荷。实验室实验室多用多用正弦正弦应力或应力或应变应变进行加载。以进行加载。以正弦波正弦波加载来说明加载来说明平均应力平均应力m、应力幅应力幅a和和应力范围应力范围的定义，以及的定义，以及应

20、力比应力比R的关系为：的关系为：式中，式中，拉应力取正值，压应力取负值拉应力取正值，压应力取负值。R -l 时，为时，为对称循环应力对称循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用，其疲劳极限或疲劳强度用-1表示；表示；R 0 时，为时，为脉动循环应力脉动循环应力，其疲劳极限或疲劳强度用，其疲劳极限或疲劳强度用0表示；表示；Rl 时，其各种循环应力，统称为时，其各种循环应力，统称为不对称循环应力不对称循环应力，其疲劳极限或疲劳，其疲劳极限或疲劳 强度用强度用R表示。表示。173.3 疲劳载荷及表示法疲劳载荷及表示法3.3.1 疲劳强度与疲劳图疲劳强度与疲劳图1疲劳载荷疲劳载荷及及应力循环应力循环特征的特征

21、的表示方法表示方法ammax2minmaxm2minmaxamaxminRamminminmaxR=(-1R1)mamaxmin0 以循环应力中的以循环应力中的最大应力最大应力为纵坐标，为纵坐标，断裂循环次数断裂循环次数N为横坐标，根据为横坐标，根据试验数据绘出试验数据绘出-N曲线曲线。-N曲线和曲线和-N曲线统称为曲线统称为S-N曲线曲线。疲劳极限疲劳极限：曲线的曲线的水平段水平段表示材料经表示材料经无限次应力循环无限次应力循环而不破坏，与而不破坏，与此相对应的此相对应的最大应力最大应力则表示光滑试样在则表示光滑试样在对称循环应力对称循环应力下的下的疲劳极限疲劳极限 。疲劳极限的下标为疲劳极

22、限的下标为应力比应力比R的数值表示。的数值表示。例如：例如：R=-l 时的疲劳极限为时的疲劳极限为 ，R=0时为时为 ，应力比为任意，应力比为任意R值时值时为为 。18 2S-N曲线曲线 1R10193疲劳图疲劳图 S-N曲线可由曲线可由对称循环应力对称循环应力的试验得到，也可由的试验得到，也可由不对称循环应力不对称循环应力得到；得到；当当应力比应力比R改变改变时，所得的时，所得的S-N曲线也改变曲线也改变。于是，在规定的破坏循环寿命。于是，在规定的破坏循环寿命下，可以根据下，可以根据不同的应力比不同的应力比R得到得到疲劳极限疲劳极限，画出的疲劳极限曲线图，简称，画出的疲劳极限曲线图，简称疲劳

23、图疲劳图。（1）a-m图图(应力幅应力幅-平均应力平均应力)图图3-14，其纵、横坐标分别代表，其纵、横坐标分别代表a和和m。曲线曲线ACB为疲劳极限图限为疲劳极限图限，即在曲线，即在曲线ACB以内以内的任意点，表示的任意点，表示不发生疲劳破坏不发生疲劳破坏；在这条曲线；在这条曲线以外以外的点，表示经一定的应力循环次数后即的点，表示经一定的应力循环次数后即发发生疲劳破坏生疲劳破坏。图中。图中A点点是是对称循环应力对称循环应力下发生下发生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值为对称循环应力下的疲劳极限环应力下的疲劳极限-1。B点点为为静载强度静载强度破坏破坏的点

24、，其横坐标值为抗拉强度的点，其横坐标值为抗拉强度b。C点点，因，因OD=DC，又因，又因max=m+a，则则：02ODDC0-脉动循环应力脉动循环应力的疲劳极限的疲劳极限(2)max(min)-m图图 (3)max min图图 -自学自学mamaxmin0204应力范围应力范围及其在及其在焊接结构焊接结构疲劳强度研究中的疲劳强度研究中的作作用用 由于焊接结构由于焊接结构焊缝及其附近焊缝及其附近有有达到或接近屈服点达到或接近屈服点的的残余应力残余应力，因此在，因此在接头施加接头施加常幅应力循环常幅应力循环，焊缝附近所承受的，焊缝附近所承受的实际循环应力实际循环应力将是由材料的屈将是由材料的屈服应

25、力服应力(或接近屈服应力或接近屈服应力)向下变化，而向下变化，而不管其原始作用的应力比不管其原始作用的应力比如何。如何。例如：若例如：若名义应力名义应力循环为循环为+1到到-2，则其应力范围为，则其应力范围为1+2。但实际。但实际焊接接头焊接接头中的中的实际应力实际应力范围将是由范围将是由s变到变到s-(1+2)。这在研究焊接结构疲劳强度时很重要，它导致焊接结构这在研究焊接结构疲劳强度时很重要，它导致焊接结构疲劳强度设计疲劳强度设计规范规范以以应力范围应力范围代替代替应力比应力比R。名义应力名义应力是一种整体的等效应力，并不是实际作用于结构的局部的力。是一种整体的等效应力，并不是实际作用于结构

26、的局部的力。例如：压力下的例如：压力下的蜂窝或泡沫结构的材料蜂窝或泡沫结构的材料，他们的，他们的名义应力名义应力等于力除以面积等于力除以面积（等效为连续体），但是（等效为连续体），但是实际结构局部的应力实际结构局部的应力应该等于力除以应该等于力除以截面上的材截面上的材料面积料面积。在有。在有应力集中应力集中的疲劳计算，的疲劳计算，实际应力实际应力则为则为名义应力名义应力应力集中系应力集中系数数。maxmin2a应力范围应力范围：21应力范围应力范围在焊接结构疲劳强度研究中的作用在焊接结构疲劳强度研究中的作用-续续 （1）脉动循环载荷）脉动循环载荷R=0(图图3-18a)假定材料的假定材料的屈服

27、应力屈服应力为为300MPa，其，其应力范围为应力范围为0100MPa，则其实际应力范，则其实际应力范围上限值为屈服应力围上限值为屈服应力300MPa，下限为，下限为300MPa-(100+0)MPa=200MPa，因此其，因此其实际应力范围实际应力范围为：为：200300MPa。（2）交变循环载荷）交变循环载荷R=-l(图图b)其其应力范围为应力范围为50MPa，同样，其实，同样，其实际应力范围上限仍为际应力范围上限仍为300MPa，下限为，下限为300-(50+50)=200MPa，因此，因此实际应力范实际应力范围围仍为：仍为：200300MPa。这说明：这说明：实际应力范围实际应力范围和

28、与其相关的和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度疲劳循环次数、疲劳强度，只与，只与施加的应施加的应力范围力范围有关，而与最大、最小循环应力值有关，而与最大、最小循环应力值以及应力以及应力R比无关。即比无关。即焊接接头焊接接头的的疲劳性疲劳性能能只能用只能用应力范围应力范围概念来表达。概念来表达。注意：注意：在在没有焊接残余应力没有焊接残余应力存在时，例如对于消除应力试样，假如在试样缺口尖端存在时，例如对于消除应力试样，假如在试样缺口尖端的应力也的应力也低于屈服点低于屈服点，即，即未产生塑性变形未产生塑性变形，则，则名义应力比名义应力比R同样也是同样也是实际应力循环特实际应力循环特征征，这时，这时应

29、力比应力比R仍是决定试样仍是决定试样(构件构件)的疲劳强度重要参量。的疲劳强度重要参量。疲劳设计疲劳设计 对于承受对于承受疲劳载荷疲劳载荷的结构，的结构，疲劳设计疲劳设计是在对结构是在对结构进行进行强度设计强度设计并确定了各构件并确定了各构件截面尺寸和连接细节截面尺寸和连接细节后后,为了为了避免疲劳破坏避免疲劳破坏而需进行的工作。而需进行的工作。实践证明，实践证明，正确的疲劳设计和制造正确的疲劳设计和制造是防止疲劳破坏的是防止疲劳破坏的最有效措施最有效措施。疲劳设计方法有疲劳设计方法有容许应力设计法容许应力设计法、疲劳极限状态疲劳极限状态设计法设计法等。等。下面介绍两种设计方法：下面介绍两种设

30、计方法：1容许应力容许应力设计法设计法 2.按按考虑细节类型考虑细节类型的焊接结构的疲劳的焊接结构的疲劳设计设计 2223 它是把各种构件和接头的它是把各种构件和接头的试验疲劳强度试验疲劳强度除以除以一个一个安全系数安全系数(n1)作为作为容许容许应力应力，使，使设计载荷设计载荷引起的引起的最大应力最大应力容许应力容许应力。从而确定构件。从而确定构件断面断面尺寸尺寸的设计方法。的设计方法。（1）常幅疲劳）常幅疲劳 常幅疲劳常幅疲劳是所有应力循环的是所有应力循环的应力范围应力范围保持保持常量常量的疲劳的疲劳，按下式计算：式中式中 对于对于焊接结构焊接结构，应力范围，应力范围=max-min；对于

31、对于非焊接结构非焊接结构为折算应力范围，为折算应力范围，=max-0.7min；容许应力范围容许应力范围(MPa)。的计算的计算（根据表3-1的连接形式类别）：式中 n 应力循环次数；C，根据表3-2构件和连接的类别，查表3-1确定的系数。1容许应力设计法容许应力设计法/1nC(3-1)(3-2)查表3-1和表3-2，确定C，。2425 （2）变幅疲劳）变幅疲劳：它是应力循环内的它是应力循环内的应力范围应力范围随机变化随机变化的疲劳。若能预测结构在的疲劳。若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力范围水平以及频次分使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力范围水平以及频次分布布总和总和所构成

32、的所构成的设计应力谱设计应力谱，可将其，可将其折算折算为为等效常幅疲劳等效常幅疲劳，按，按下式进行计算：下式进行计算：式中式中 e变幅疲劳的等效应力范围变幅疲劳的等效应力范围，按下式确定：，按下式确定：式中式中 ni以应力循环次数表示的以应力循环次数表示的结构预期使用寿命结构预期使用寿命；ni预期寿命内应力范围水平达到预期寿命内应力范围水平达到i的的应力循环次数应力循环次数。容许应力范围容许应力范围与常幅疲劳的与常幅疲劳的相同。相同。1ieniine(3-4)极限状态极限状态设计法设计法 容许应力设计方法容许应力设计方法是建立在大量的是建立在大量的试验资料试验资料和和多年经验多年经验基础基础上

33、的设计方法，当疲劳载荷引起的上的设计方法，当疲劳载荷引起的应力偏差很大应力偏差很大时，她往往时，她往往是是不经济不经济的。目前工程结构的设计的的。目前工程结构的设计的总趋势总趋势是由是由容许应力设容许应力设计法计法向向极限状态设计法极限状态设计法过渡。过渡。极限状态设计法极限状态设计法是以是以可靠理论可靠理论为基础，把为基础，把疲劳载荷疲劳载荷和各种和各种接头的接头的疲劳强度疲劳强度看作为按一定概率密度函数分布的看作为按一定概率密度函数分布的变量变量，根，根据这两个变量的期望值和可能的变异性计算出结构设计寿命据这两个变量的期望值和可能的变异性计算出结构设计寿命终止时的终止时的存活概率存活概率，

34、据此来决定，据此来决定构件的断面尺寸构件的断面尺寸。这种方法这种方法并不意味着并不意味着结构设计寿命终了时结构结构设计寿命终了时结构立即报废立即报废，而，而是反映是反映结构抗疲劳的安全水平结构抗疲劳的安全水平。27 2.按按考虑细节类型考虑细节类型的焊接结构件及接头的的焊接结构件及接头的疲劳强度设计曲线疲劳强度设计曲线进行循环加载焊接钢结构的进行循环加载焊接钢结构的设计设计 （1）疲劳强度设计曲线）疲劳强度设计曲线：一般的焊接结构通常采用一般的焊接结构通常采用细节分类法细节分类法进行疲进行疲劳评定。劳评定。细节类型的划分细节类型的划分考虑考虑接头的形式接头的形式以及以及构造细节构造细节（局部应

35、力集中、受（局部应力集中、受力方向、冶金效应、残余应力、疲劳裂纹形状力方向、冶金效应、残余应力、疲劳裂纹形状），在某些情况下还考虑，在某些情况下还考虑焊接焊接工艺和焊后的改进措施工艺和焊后的改进措施。此处此处“疲劳强度疲劳强度”：指给定一：指给定一定循环次数定循环次数(如如200万次万次)的的应力应力范围范围。疲劳级别疲劳级别FAT：它它指出在指出在200万万次次(2l06次次)循环次数下循环次数下特定的特定的疲劳强度疲劳强度。如如S-N曲线的曲线的125表示其在表示其在2106循环次数下的以循环次数下的以应力范应力范围围(最大最大-最小应力之差最小应力之差)表征表征的的疲劳强度为疲劳强度为1

36、25MPa，112则表则表示在相同应力循环次数下的疲示在相同应力循环次数下的疲劳强度为劳强度为112MPa等。等。28铝结构件的疲劳强度铝结构件的疲劳强度添加了添加了铝合金铝合金的不同接头的的不同接头的S-N曲线分类曲线分类(图图3-20)。各条。各条S-N曲线具有曲线具有相同相同的的m值值（即相同的斜率），（即相同的斜率），m与循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表与循环次数之间的关系可用统一疲劳方程表示为：示为：式中，式中，C为常数，它决定为常数，它决定S-N曲线的位置。曲线的位置。mCN(3-5)29（2）细节类别）细节类别 具体的具体的不同钢结构件的不同钢结构件的FAT值值（见（见表表3

37、-3-P118页页）。）。表中表中FAT值是根据值是根据实验研究实验研究定出的，纳入以下事实和影响：定出的，纳入以下事实和影响：焊接结构的细节焊接结构的细节：焊缝形状所引起的：焊缝形状所引起的局部应力集中局部应力集中；一定；一定范围内的范围内的焊缝尺寸和形状偏差焊缝尺寸和形状偏差；应力方向应力方向；残余应力残余应力；冶金状冶金状态态；焊接过程和随后的焊缝改善处理焊接过程和随后的焊缝改善处理。如果构件和接头中还存在如果构件和接头中还存在其他原因其他原因所产生的所产生的应力集中应力集中，由，由于表于表3-3的的FAT并未考虑之，因此在并未考虑之，因此在疲劳载荷计算疲劳载荷计算中要中要乘以乘以该该应

38、力集中系数应力集中系数，或将对应的，或将对应的FAT值值除以除以该该应力集中系数应力集中系数。303.4 断裂力学断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用在疲劳裂纹扩展研究中的应用 传统传统的疲劳设计方法的疲劳设计方法：假定材料是：假定材料是无裂纹无裂纹的的连续体连续体，经过一定，经过一定的应力循环次数后，由于的应力循环次数后，由于疲劳累积损伤疲劳累积损伤而而形成裂纹形成裂纹，再经，再经裂裂纹扩展阶段纹扩展阶段直到直到断裂断裂。常规的疲劳计算常规的疲劳计算就是在就是在疲劳试验疲劳试验的大量统计结果上，获得的大量统计结果上，获得应力应力-寿命即寿命即S-N曲线曲线，然后在此基础上利用，然后在此基础上利

39、用疲劳图疲劳图并给以一并给以一定的定的安全系数安全系数进行进行设计和选材设计和选材。应用断裂力学应用断裂力学的疲劳设计方法的疲劳设计方法：实际构件实际构件由于各种原因由于各种原因(如焊如焊接、铸造、锻造等接、铸造、锻造等)往往不可避免地会产生各种往往不可避免地会产生各种缺陷及裂纹缺陷及裂纹。带有裂纹的构件，在循环应力和应变作用下，裂纹可能带有裂纹的构件，在循环应力和应变作用下，裂纹可能逐渐逐渐扩展扩展。应用断裂力学应用断裂力学把疲劳设计建立在构件把疲劳设计建立在构件本身存在裂纹本身存在裂纹这一这一客客观事实观事实的基础上，按照裂纹在循环载荷下的的基础上，按照裂纹在循环载荷下的扩展规律扩展规律，

40、估算估算结构的结构的寿命。寿命。这是保证构件安全工作的重要途径，同时也是这是保证构件安全工作的重要途径，同时也是对对传统疲劳试验和分析方法传统疲劳试验和分析方法的一个的一个重要补充和发展重要补充和发展。313.4.1 裂纹的裂纹的亚临界扩展亚临界扩展 假若构件承受一个假若构件承受一个低于低于c但但又足够大又足够大的的循环应力循环应力，那么，那么这个这个初始裂纹初始裂纹0便会发生便会发生缓缓慢扩展慢扩展，当达到，当达到临界裂纹尺临界裂纹尺寸寸c时，会使构件发生时，会使构件发生破坏破坏。裂纹在循环应力作用下，由裂纹在循环应力作用下，由初始值初始值0到临界值到临界值c这一段这一段扩展过程就是疲劳裂纹

41、的扩展过程就是疲劳裂纹的亚亚临界扩展阶段临界扩展阶段。图3-22 亚临界裂纹扩展与临界裂纹尺寸0一个含有一个含有初始裂纹初始裂纹a0的构件，当承受的构件，当承受静载荷静载荷时，只有在应力水平时，只有在应力水平达到达到临界应力临界应力c时时(图图3-22)，即：当其裂纹尖端的，即：当其裂纹尖端的应力强度因子应力强度因子达到达到临界值临界值KIC(KC)时，才会发生时，才会发生失稳破坏失稳破坏。32疲劳裂纹疲劳裂纹扩展速率扩展速率 式中 K应力强度因子范围(K=Kmax-Kmin)；KIC 应力强度因子的临界值；C、m由材料决定的常数；R平均应力的应力比。疲劳裂纹扩展的疲劳裂纹扩展的寿命估算寿命估

42、算00m0ddCNKCN）（mKCdNd)(KKRIC)1(K)C(dNdmd)(100cmcKCKKR）（或帕瑞斯帕瑞斯（Paris）半经验定律半经验定律：应力强度因子应力强度因子K既然能够表示裂纹尖端的既然能够表示裂纹尖端的应力场强度应力场强度，那么就可以认为，那么就可以认为K值是控制值是控制裂纹扩展速率裂纹扩展速率的重要参量。的重要参量。帕瑞斯帕瑞斯（Paris）规律公式：福尔曼福尔曼（Forman）修正公式：3.5 应变疲劳应变疲劳 前面讨论是在前面讨论是在应力循环应力循环条件下裂纹在条件下裂纹在弹性区范围弹性区范围内的扩展规律内的扩展规律。这些规律的适用范围是低应力、高循环寿命、低扩

43、展速率。这些规律的适用范围是低应力、高循环寿命、低扩展速率。在上述条件下获得在上述条件下获得dadN与与K之间的之间的指数关系指数关系，反映金属，反映金属材料疲劳裂纹扩展的材料疲劳裂纹扩展的一般规律一般规律。-高周疲劳高周疲劳 但是，但是，指数规律指数规律不能用来表征不能用来表征高应变循环高应变循环条件下的裂纹扩条件下的裂纹扩展规律。展规律。-低周疲劳低周疲劳 3.5.1 应力和应变循环应力和应变循环 应力循环疲劳应力循环疲劳即即高周疲劳高周疲劳，它是控制，它是控制应力范围应力范围 ；应变循环疲劳应变循环疲劳也称为也称为低周疲劳低周疲劳，它是控制，它是控制应变范围应变范围 。其中，其中，低周疲

44、劳低周疲劳是材料在是材料在接近或超过其屈服点接近或超过其屈服点的循环应力，经的循环应力，经低于低于 次次塑性应变循环塑性应变循环而产生的疲劳。而产生的疲劳。5103.5.1 应力和应变循环应力和应变循环-续续 图图3-27为循环载荷条件下为循环载荷条件下可能发生可能发生的的应力应力-应变应变关系。当在关系。当在完全完全弹性范围弹性范围内变化时，如图内变化时，如图 a；当交变载荷；当交变载荷包含塑性区包含塑性区时，图时，图b，在每个循环中应力在每个循环中应力-应变关系不再是线性的，而是按应变关系不再是线性的，而是按滞后曲线滞后曲线BCDEB变化。变化。是总应力范围，是总应力范围，是是总应变范围总

45、应变范围，它包括两部，它包括两部分：分：控制应变控制应变疲劳试验可分为：疲劳试验可分为：控制总应变幅控制总应变幅和和控制塑性应控制塑性应变幅变幅两种。两种。一般认为，一般认为，塑性应变幅塑性应变幅产生疲劳损伤。用产生疲劳损伤。用控制塑性控制塑性应变幅应变幅试验所得的试验数据试验所得的试验数据，更能揭示，更能揭示低周疲劳低周疲劳破坏的破坏的实质。所以一般都采用实质。所以一般都采用控制控制塑性应变幅塑性应变幅。ep 弹性应变弹性应变塑性应变塑性应变3.5.2 S-N曲线曲线 对对塑性材料塑性材料作一系列的作一系列的对称循环试验对称循环试验，用，用双对数坐标双对数坐标作作塑性应变幅塑性应变幅 与与寿

46、命寿命Nc关系曲线，得图关系曲线，得图3-28直线直线1。在疲劳强度试验中，因为在在疲劳强度试验中，因为在弹性范围弹性范围内，可以用内，可以用-N直接表示。为了与直线直接表示。为了与直线相比较，将相比较，将应力幅应力幅 用用 的关系换成应变幅，如图中的的关系换成应变幅，如图中的直线直线2。进一步分析，图进一步分析，图3-28曲线曲线1是是塑性应变幅塑性应变幅与与NC的关系曲线，即的关系曲线，即低周疲劳低周疲劳的的S-N曲线；曲线；曲线曲线2是在是在弹性范围弹性范围内由应力幅与内由应力幅与NC的关系曲线转化而来的，的关系曲线转化而来的，是是高周疲劳高周疲劳的的S-N曲线。这两线的曲线。这两线的交

47、点交点P，表示，表示低周疲劳低周疲劳与与高周疲劳的分界高周疲劳的分界点点（过渡寿命点）。在（过渡寿命点）。在P点的点的右侧右侧，弹性应变弹性应变起主导作用，在起主导作用，在P点的点的左侧左侧塑性塑性应变应变起主导。或者说，起主导。或者说，P点的右侧为点的右侧为高周疲劳区高周疲劳区，P点的左侧是点的左侧是低周疲劳区低周疲劳区。在图在图3-28中还根据试验数据，画出了中还根据试验数据，画出了总应变幅总应变幅2(弹性应变幅弹性应变幅与与塑性应变塑性应变幅之和幅之和)与与NC的关系的关系曲线曲线3。由图可看出：。由图可看出：在在P点左侧点左侧，曲线，曲线3与与低周疲劳的直线低周疲劳的直线1逼逼近近；在

48、；在P点的右侧点的右侧，曲线，曲线3与与高周疲劳的高周疲劳的直线直线2逼近逼近。当材料当材料强度强度提高时，提高时，P点左移；材料点左移；材料的的韧度韧度提高时，提高时，P点右移。点右移。a2p2eaE塑性弹性高周疲劳区低周疲劳区应变疲劳寿命应变疲劳寿命 低周疲劳低周疲劳的的科芬科芬-曼森曼森(coffin-Manson)公式：公式：式中式中 塑性应变范围；塑性应变范围；Nc 材料达到疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命；材料达到疲劳断裂时的循环数，即疲劳寿命；材料的塑性指数，材料的塑性指数，=0.30.8；C与静拉伸断裂应变有关的常数。与静拉伸断裂应变有关的常数。上式上式 若参量若参量a及及C已知

49、，能画出材料的已知，能画出材料的滞回线滞回线，由图，由图3-27b可求得可求得 ，即可得到，即可得到疲劳寿命疲劳寿命N。CNacp（3-13）pp373.6 影响影响焊接结构疲劳强度的焊接结构疲劳强度的因素因素影响因素影响因素1.2.3.接接头头形形式式应应力力集集中中焊焊接接工工艺艺缺缺陷陷母母材材的的因因素素截截面面尺尺寸寸表表面面状状态态加加载载情情况况焊焊接接接接头头因因素素（近近缝缝区区金金属属性性能能变变化化）材材料料性性质质（低低碳碳钢钢、高高强强度度钢钢等等）其其他他因因素素结结构构尺尺寸寸（截截面面尺尺寸寸）3.残余应力的影响残余应力的影响4.383.6.1 应力集中应力集中

50、的影响的影响 不合理的设计不合理的设计、接头形式接头形式和焊接过程中产生的和焊接过程中产生的各种缺陷各种缺陷（未焊透、咬边等）是产生（未焊透、咬边等）是产生应力集中应力集中的主要原因。的主要原因。1.各种接头各种接头对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响（1）对接接头）对接接头 疲劳强度最高疲劳强度最高。因这种接因这种接头头形状的变化形状的变化程度较小，程度较小，应力集应力集中中系数系数最低最低。其其疲劳强度疲劳强度主要取决于主要取决于焊缝焊缝向基本金属过渡的形状向基本金属过渡的形状。过大的。过大的余高余高和过大的基本金属与焊缝金和过大的基本金属与焊缝金属间的属间的过渡角过渡角都会增加都会增加应力集

51、中应力集中，使接头的疲劳极限下降。，使接头的疲劳极限下降。图3-29 过渡角口以及过渡圆弧半径R对 对接接头疲劳极限的影响40机械加工机械加工对焊接接头疲劳性能的影响对焊接接头疲劳性能的影响 对焊缝表面进行对焊缝表面进行机械机械加工加工，应力集中应力集中程度程度大大大大降低降低，从而使对，从而使对接接头的接接头的疲劳极限相疲劳极限相应提高应提高。但是这种表面机但是这种表面机械加工的械加工的成本很高成本很高，在在一般情况一般情况下，是下，是没没有必要有必要的。的。尤其是带有尤其是带有严重缺陷严重缺陷和和不用封底焊不用封底焊的的焊缝焊缝，其，其缺陷处缺陷处或或焊缝根部焊缝根部的的应力集中应力集中要

52、比要比焊缝表面焊缝表面严重得多严重得多。所以在这种情况下焊缝表面。所以在这种情况下焊缝表面的的机械加工没有意义机械加工没有意义。41（2）T形和十字接头形和十字接头 在焊缝向基本金属过渡处有在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化明显的截面变化，其，其应力集中系数应力集中系数比比对接接头对接接头的的高高。因此。因此疲劳极限疲劳极限低于低于对接接头。对接接头。表表3-7结果表明：结果表明：不开坡口的十字接头不开坡口的十字接头由于在由于在焊缝根部焊缝根部形形成严重的成严重的应力集中应力集中，破坏从，破坏从焊缝根部开始焊缝根部开始，破坏面破坏面通过通过焊缝焊缝，其其疲劳极限值最低疲劳极限值最低。构件构

53、件开坡口开坡口可以改善接头中的应力分布条件，可以改善接头中的应力分布条件，降低降低接头中接头中的的应力集中应力集中。这种接头的疲劳极限值比不开坡口时高，破坏时。这种接头的疲劳极限值比不开坡口时高，破坏时一般是由一般是由焊缝焊缝向基本金属过渡处向基本金属过渡处-焊趾部位焊趾部位开始。开始。如果在焊趾部位处如果在焊趾部位处进行加工进行加工，使其为圆滑过渡，接头的疲，使其为圆滑过渡，接头的疲劳极限劳极限进一步提高进一步提高，并与基本金属相当。，并与基本金属相当。（3）搭接接头）搭接接头 疲劳极限是疲劳极限是最低的最低的。仅有。仅有侧面焊缝搭接接头侧面焊缝搭接接头的疲劳极限的疲劳极限最最低低，只达到基

54、本金属的，只达到基本金属的34。注意：采用所谓注意：采用所谓“加强加强”盖板盖板的的对接接头对接接头是是极不合理极不合理的。的。原来疲劳极限较高的对接接头被原来疲劳极限较高的对接接头被大大削弱大大削弱。422焊接工艺缺陷焊接工艺缺陷对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 焊接时产生的焊接时产生的各种缺陷各种缺陷，将在构件中引起很大的，将在构件中引起很大的应力集中应力集中。在循环载荷下，有在循环载荷下，有缺陷的焊缝区缺陷的焊缝区常常是结构破坏的常常是结构破坏的发源地发源地。各种缺陷各种缺陷对接头疲劳强度影响：对接头疲劳强度影响：（1）平面形状缺陷平面形状缺陷(如裂纹、未焊透如裂纹、未焊透)比比立体形状

55、缺陷立体形状缺陷(如气孔、夹如气孔、夹 渣渣)影响大；影响大；（2）表面缺陷表面缺陷比比内部缺陷内部缺陷影响大；影响大；（3）与作用力方向垂直的平面状缺陷与作用力方向垂直的平面状缺陷的的影响比影响比不垂直不垂直方向的大；方向的大；（4）位于）位于残余残余拉应力场拉应力场内的缺陷内的缺陷比在比在残残余余压应力场压应力场内的缺陷影响大；内的缺陷影响大；（5）位于）位于应力集中区的缺陷应力集中区的缺陷(如焊趾裂纹如焊趾裂纹)比在比在均匀应力场均匀应力场中同样缺陷的影响大。中同样缺陷的影响大。（6）随着）随着未焊透的增加未焊透的增加，疲劳极限迅速，疲劳极限迅速下降（图下降（图3-34）。）。43 典型

56、的焊接缺陷，典型的焊接缺陷，A组的影响组的影响比比B组组的影响大。的影响大。典型缺陷典型缺陷在在不同位置不同位置和和不同载荷不同载荷下对疲劳强度的影响下对疲劳强度的影响443.6.2 近缝区近缝区金属性能变化金属性能变化的影响的影响低碳钢低碳钢焊接接头焊接接头：（1）在在常用的热输入常用的热输入下焊接，下焊接，低碳钢低碳钢近缝区金属近缝区金属力学性能的力学性能的变化变化对接头的疲劳强度对接头的疲劳强度影响较小影响较小。（2）只要在）只要在非常高的热输入非常高的热输入下下焊接焊接(在生产实际中很少采用在生产实际中很少采用)，才能使焊接热影响区对应力集中才能使焊接热影响区对应力集中的敏感性下降，其

57、的敏感性下降，其疲劳极限疲劳极限可比可比母材高得多母材高得多。(图图3-35)低合金钢低合金钢焊接接头焊接接头：低合金钢低合金钢的情况比较复杂。在热循环下，热影响区的的情况比较复杂。在热循环下，热影响区的力学性能力学性能变化比低碳钢大。变化比低碳钢大。试验说明：试验说明：低合金钢低合金钢的的化学成化学成分分、金相组织和力金相组织和力学性能学性能的的不一致性不一致性，在，在有应力集中有应力集中或或无应力集中无应力集中时都对时都对疲劳强度的疲劳强度的影响不影响不大大。3.6.3 残余应力残余应力的影响的影响 焊接残余应力焊接残余应力对结构对结构疲劳强度疲劳强度的影响是人们广泛关心的问题，的影响是人

58、们广泛关心的问题，对于这个问题人们进行大量的对于这个问题人们进行大量的试验研究工作试验研究工作。试验时往往采用试验时往往采用有焊接应力有焊接应力的的试件试件和经过和经过热处理消除内应热处理消除内应力后力后的的试件试件进行疲劳试验，并作进行疲劳试验，并作对比对比。由于由于焊接残余应力焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的的产生往往伴随着焊接热循环引起的材材料性能的变化料性能的变化，而，而热处理在消除内应力热处理在消除内应力的同时也的同时也恢复或部分恢恢复或部分恢复复材料的性能材料的性能。因此，对于试验的结果就产生。因此，对于试验的结果就产生不同的解释不同的解释，对，对内应力的影响内应力的影

59、响也有了也有了不同的评价不同的评价。但对但对有刻槽试件有刻槽试件的研究表明，由于在刻槽根部有的研究表明，由于在刻槽根部有应力集中应力集中存在，接头中的存在，接头中的残余应力残余应力不易调匀不易调匀，所以它们对疲劳强度的影，所以它们对疲劳强度的影响是响是很明显很明显的。的。下面通过几个具体下面通过几个具体试验研究的结果试验研究的结果来说明来说明焊接残余应力焊接残余应力对疲劳对疲劳强度的强度的影响影响。471不同焊接顺序不同焊接顺序获得不同获得不同焊接应力分布焊接应力分布试件的对比试件的对比试验试验图图3-37中，中，A组先焊组先焊纵向纵向焊缝焊缝1，后焊，后焊横向焊缝横向焊缝2。B组试件先焊组试

60、件先焊横向焊缝横向焊缝1，后焊后焊纵向焊缝纵向焊缝2。在焊缝。在焊缝交叉处交叉处焊接残余拉应力焊接残余拉应力：A组组B组组。疲劳强度疲劳强度：A组组B组组。实验实验没有采用热处理没有采用热处理消除消除内应力。比较明确地内应力。比较明确地说明说明内应力的作用内应力的作用。即：。即：构件构件中的残余拉应力越低，其中的残余拉应力越低，其疲劳强度越高。疲劳强度越高。482在在不同应力比不同应力比R下下内应力内应力的影响的影响 对称循环交变载荷对称循环交变载荷(R=-1)消除内应消除内应力力试件的疲劳极限接近试件的疲劳极限接近130MPa，而，而未消除未消除内应力的仅为内应力的仅为75MPa；在在脉动循

61、环交变载荷脉动循环交变载荷下下(R=0)两组试两组试件的件的疲劳极限相同疲劳极限相同，为，为185MPa；当当R=0.3时，经时，经热处理消除内应力热处理消除内应力的的试件疲劳极限反而略试件疲劳极限反而略低于低于未热处理未热处理的的试件。试件。试验采用试验采用14Mn2低合金结构钢低合金结构钢，试件有一条横向，试件有一条横向对接焊缝对接焊缝，并在，并在正反两面正反两面堆焊堆焊纵向焊道纵向焊道各一条。一组试件焊后作各一条。一组试件焊后作消除内应力热处理消除内应力热处理，另一组，另一组未经热处未经热处理理，然后进行，然后进行疲劳强度对比疲劳强度对比试验。采用三种应力比试验。采用三种应力比R=-l，

62、0，+0.3进行疲劳进行疲劳试验，试验结果见图试验，试验结果见图3-38。49产生上述现象的产生上述现象的原因原因：在在minmax值值比较高比较高时，例如在脉动循环载荷下时，例如在脉动循环载荷下(R=0)，疲劳强度较高疲劳强度较高，在在较高的拉应力较高的拉应力作用下，作用下，内应力内应力较快地得到较快地得到释放释放。因此，。因此，内应力对疲劳强内应力对疲劳强度的影响就度的影响就减弱减弱。当当minmax增大到增大到(R=0.3)时，时，内内应力应力在载荷作用下，在载荷作用下，进一步降低进一步降低，实际上，实际上对疲劳强度已不起作用对疲劳强度已不起作用。而。而热处理热处理在在消除消除内应力内应

63、力的同时，的同时，又消除又消除焊接过程对材料疲焊接过程对材料疲劳强度的劳强度的有利影响有利影响。因而，。因而，疲劳强度在疲劳强度在热处理后反而下降。热处理后反而下降。在对称循环交变载荷在对称循环交变载荷(R=-1)试件里，试件里，这个这个有利影响有利影响并不足以抵消并不足以抵消内应力的不内应力的不利影响利影响。而在脉动载荷（。而在脉动载荷（R=0）试件里试件里正正好抵消好抵消残余内应力的残余内应力的不利影响不利影响。因此因此，焊接内应力焊接内应力对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响与疲劳载荷的与疲劳载荷的应力循环特征应力循环特征有关。有关。总之，在总之，在minmax值值（即（即R值）值）较低时，

64、影响较大较低时，影响较大。503内应力在有内应力在有应力集中应力集中试件内的影响试件内的影响 消除内应力消除内应力后试件的后试件的疲劳强度疲劳强度均高于均高于未经未经热处理热处理的试件。的试件。在这个试验中，内应在这个试验中，内应力的作用在力的作用在脉动载荷脉动载荷下下(R=0)仍有反映。仍有反映。说明说明内应力的影响内应力的影响：在应力集中较高时更在应力集中较高时更大。大。试件带试件带纵向短肋板纵向短肋板，具有，具有较高的应力集中系数较高的应力集中系数(应力集中严重应力集中严重程度不同程度不同)。513.6.4 其他因素的影响其他因素的影响 1材料性质材料性质的影响的影响 当当无应力集中无应

65、力集中时，材料的时，材料的疲劳疲劳强度与屈服点成正比强度与屈服点成正比，对于，对于光光滑试件滑试件，材料的，材料的疲劳极限疲劳极限随着随着材料强度材料强度以约以约50的比率增加。的比率增加。所以，所以，屈服点较高屈服点较高的的低合金钢低合金钢比比低碳钢低碳钢具有具有更高的疲劳极限更高的疲劳极限。高强度钢高强度钢对对应力集中应力集中非常非常敏感，当结构中有应力集中时敏感，当结构中有应力集中时,高强度低合金钢高强度低合金钢的疲劳强度的疲劳强度下下降降得比得比低碳钢快低碳钢快；当当应力集中应力集中因素因素达到某种达到某种程度程度时，两种钢的疲劳极限相时，两种钢的疲劳极限相同或相差无几，图同或相差无几

66、，图3-40。522结构尺寸结构尺寸的影响的影响 疲劳强度疲劳强度在很大程度上决定于在很大程度上决定于结构截面尺寸结构截面尺寸。当结构。当结构尺寸增加尺寸增加时，时，疲劳强度疲劳强度将会将会降低降低。这可能是由于结构。这可能是由于结构尺寸增加，其尺寸增加，其缺陷缺陷也必将也必将增加增加；或者是焊缝；或者是焊缝缺陷缺陷在在小小构件构件上所引起的上所引起的应力集中应力集中要比在要比在大构件大构件中中小些小些等原因等原因所致。所致。因而在考虑材料的因而在考虑材料的疲劳强度疲劳强度时，必须注意时，必须注意绝对尺绝对尺寸寸这一这一不良影响不良影响。533.7 提高焊接接头疲劳强度的提高焊接接头疲劳强度的措施措施改善措施改善措施：降低降低应力集中应力集中调整调整残余应力场残余应力场（消除消除残余拉应力残余拉应力或或产生产生残余残余压应力压应力）特殊保护特殊保护措施措施（如塑料保护涂层）（如塑料保护涂层）541.降低应力集中降低应力集中 (1)采用采用合理的结构形式合理的结构形式 这可以减小这可以减小应力集中应力集中，提高疲劳强度。提高疲劳强度。图3-41为几种设计方案的正误比较。a）推荐设计方案）