焊接结构疲劳强度课件.pptx

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1、 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1041052. 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041055-1 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

2、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。5-1 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

3、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线，外观与脆性失稳断裂相似。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S和强度极限b，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r，计算的出发点是是局部应力(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。5-1 疲劳破坏及影响因素 加

4、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：min=-max r=-1 疲劳强度用-1表示2. 脉动载荷：min=0 r=0 疲劳强度用0表示3. 拉伸变载荷；0r1 疲劳强度用r表示max循环最大应力；min循环最小应力；m=min+max/2 (平均应力)；a=min-max/2 (应力振幅)； r=min/max (应力循环特性系数)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 maxm表示的疲劳图 5-1 疲劳破坏及影响因素 max-min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亚临界扩展)

5、裂纹受到一个低于c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。5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹扩展速率裂纹扩展速率) 当外加应力强度因子幅度达到临界值Kth后，裂纹扩展速率急剧上升，此线段几乎与纵坐标平行；此后，da/dN与K成指数关系变化，断口平直，

6、与拉应力成900，穿晶断裂，疲劳辉纹明显；继续增加K出现斜率转折点I，过此点斜率n2斜率，出现切变斜断口，为解理断裂和疲劳断裂的混合型；继续增加K接近材料的KIC时，到了材料的第转折点，过此点后，斜率增加，点是裂纹扩展加速转变点，此区内断口全为切变断口。 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 )nCdNda 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

7、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。5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(福曼修正表达式) C、n常数； KIC材料的断裂韧性 r循环特性，r=min/max= 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。 ICnKr1CdNda5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(华格表达式 ) m、n、C与材料和介质有关的常数 当m=1时与帕瑞斯表达式完全一致nmmaxr1CdNda5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算

8、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：c0aamBdaNa0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a5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算疲劳裂纹扩展寿命估算)代入裂纹扩展寿命式得：当m1时，ss2seclnEa8考虑在大范围屈服条件下 1mcr1m0ma1a11mBD1N 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2106次疲劳强度等)，使设

9、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-N曲线获得r，并利用max-min疲劳图进行设计。 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

10、期和控制破损的安全负载，结构是能够安全使用的。 5-3 焊接接头疲劳强度计算 推导疲劳公式的max-min图 5-3 焊接接头疲劳强度计算 推导疲劳公式的max-min图 绝对值最大的应力是拉应力 绝对值最大的应力是压应力krpp10rkpp0疲劳S-N曲线的表达式：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： 5-3 焊接接头疲劳强度计算国际焊接学会（IIW）的疲劳等级FAT 1000010000010000001E750100150200250300350400450500max /MPaFatigue life, N /cycle Ele

11、ctrical slag welding 1 Characteristic S-N curve (m=3.076) 2 Characteristic S-N curve (m=3)12mCN)log(loglogmCN 5-3 焊接接头疲劳强度计算国际焊接学会（IIW）的疲劳等级FAT 对焊接接头(或结构)进行分级，以200万次循环的疲劳强度作为疲劳等级FAT值 FAT中考虑了焊接及使用条件等的影响 按FAT进行疲劳设计 铁素体珠光体钢焊态条件下 ，m=3.0 根据FAT和m计算C 计算N次循环下的疲劳强度或一定疲劳载荷下的寿命 计算结果偏保守)log(3)102log(log6FATC3lo

12、glog)log(; )log(3loglogNCCN 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 在参考疲劳载荷作用下，疲劳裂纹从初始长度扩展到最终长度相应的参考疲劳寿命可按下式计算： 5-3 焊接接头疲劳强度计算 损伤容限破损安全设计方法mKCdNda)(/3);(107 . 1135 . 513mCycleNmmCrefdaKCNmdarefreffi1 5-4 影响疲劳强度因素及提高疲劳强度措施(影响因素)(一) 应力集中的影

13、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p与有效应力集中试样的疲劳强度p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。 5-4 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a和m表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同平均应力时的极限应力振幅值a。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m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

14、措施(a-m疲劳图断裂分析图) 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。 5-4 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