焊接结构力学教学课件-第五章.ppt

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1、焊接结构力学焊接结构力学第五章第五章 焊接接头和结构的疲劳强度焊接接头和结构的疲劳强度主讲：史菲金属材料的疲劳破坏5-1疲劳裂纹形成及影响疲劳强度的因素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目录目录提高焊接接头疲劳强度的措施5-6影响焊接接头疲劳强度的因素5-5其他类型疲劳5-7目录目录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。疲劳断裂由 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5-1 金属材料的疲劳破坏一、疲劳强度引言:材料构件在变动应力和应变的长期作用下

2、，由于累积损伤而引起的断裂的现象疲劳。疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往b b，甚至s s；不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。疲劳断裂是一种非常危险的断裂。工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。是由于在构件的危险截面中，产生过大的残余变形或最终断裂。是在构件局部高应力区内，较弱的晶粒在变动应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展导致最终疲劳破坏。静强失效：疲劳破坏：脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点：同：（1）都属低应力破坏；（2）破坏前结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，令人猝不及防；（3）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存

3、在原始缺陷，或起裂于应力集中点。异：不同点不同点脆性断裂疲劳断裂载荷性质载荷性质静载、冲击疲劳对温度的敏感性对温度的敏感性敏感、低温易脆断不敏感受载次数受载次数大于临界值，一次即可断裂需几十几百万次断裂经历时间断裂经历时间大于临界值，瞬间断裂需较长或很长时间断裂经历过程断裂经历过程弹性能释放有余，连续自动开裂“张开闭合”循环断裂机制断裂机制需要大于临界的扩展能张开扩展，闭合硬化、锐化宏观断口形貌宏观断口形貌沿薄弱环节扩展，错落交织人字纹带有幅射线的贝壳纹微观断口形貌微观断口形貌错层，河流样花纹疲劳辉纹ammintmax0图5-1 应力循环参数图二、疲劳强度的基本概念1.1.疲劳应力循环特性的五

4、个基本参数 maxmax、minmin、r r、m m、a a(1)(1)最大主应力:maxmaxmmaa min/rmin/r(2)(2)最小主应力:minminm-am-a r rminmin(3)(3)应力循环特征系数:r=min/max=(m-a)/(mr=min/max=(m-a)/(ma);a);-1 r 1(4)(4)平均应力:m=(max+min)/2=maxm=(max+min)/2=max(1+r)/2(1+r)/2 (5)(5)应力幅值:a=(max-min)/2=mina=(max-min)/2=min(1-r)/2(1-r)/2 图5-2 应力循环基本类型图maxma

5、x、minmin、r r、m m、a a(1)(1)静态拉、压载荷：a=0,r=1,max=min=ma=0,r=1,max=min=m(2)(2)拉伸变载荷:0r1,0minmax0r1,0min0R=0图5-3 应力循环基本类型图2.应力循环的基本类型（载荷的种类）Eg Eg：静载及主要静载荷：静载及主要静载荷 min =10kN/cm2max=10kN/cm2r =1min=5kN/cm2max=10kN/cm2r =0.5动载荷（脉动载荷和交变载荷）动载荷（脉动载荷和交变载荷）min=2kN/cm2max=10kN/cm2r =0.2min=0kN/cm2max=10kN/cm2r =

6、0交变载荷交变载荷min=-5kN/cm2max=10kN/cm2r=-0.5min=-5kN/cm2max=10kN/cm2r=-0.5 把载荷特征值的不同的数字用作区分静载荷或动把载荷特征值的不同的数字用作区分静载荷或动载荷的分界值载荷的分界值 13 载荷种类对构件的强度行为具有根本的影响。随着载荷特征值变小，构件产生疲劳断裂的危险增大。对每一个焊接结构，在设计之前就应充分考虑到在不同的载荷状态下，其所承受相应载荷的能力，并使其达到设计的使用寿命。此外，构件是否出现疲劳断裂还受构件本身形状、材料厚度、表面状况或腐蚀情况等影响。3.疲劳强度与疲劳极限(1)疲劳曲线：通过疲劳试验，测得发生疲劳

7、破坏的应力（疲劳强度），与其所需的加载次数N(疲劳寿命）之间的对应关系曲线:f(N)=a+blnN(2)疲劳强度:在某疲劳应力的作用下，经N次循环，发生破坏，称该应力N次循环的疲劳强度。疲劳强度是循环应力的最大值max，用r表示。(3)疲劳极限：在规定循环次数以后，疲劳强度不再下降，达到饱和的极限值。如图中水平虚线所对应的疲劳应力值称疲劳极限。图5-3 疲劳曲线及疲劳极限4.疲劳强度在焊接结构中的常用表示方法（1）max-r表示法 直观反映max与r的关系：（2）a-m表示法 tg a/m=(1-r)/(1+r)，所以，r=(1-tg)/(1+tg)a b(静载）mraramm-1rmmax-

8、1b0r1 0 1 图5-4 max-r表示法图5-5 a-m表示法表示法（3）max-min表示法+min（拉伸）r=-1maxCrB-min（压缩）m-1minr=+1BCDDr=min/max静载强度br=0450450minmaxEE图5-6 max-min表示法18火车轴（弯曲）火车轴（弯曲）曲轴（扭转）曲轴（扭转）齿轮齿根齿轮齿根（弯曲）（弯曲）球轴承球轴承（压缩）（压缩）连杆连杆（小拉大压）（小拉大压）缸盖螺钉缸盖螺钉（大拉小拉）（大拉小拉）图5-7 r值与实例三、疲劳分类19按按应力状力状态弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳复合疲劳按按环境境 腐蚀疲劳热疲劳接触疲劳按循按循环周期周期高周

9、疲劳（低低应力疲力疲劳）低周疲劳（高高应力疲力疲劳）按破坏原因按破坏原因 机械疲劳腐蚀疲劳热疲劳低周疲劳应力水平很高，负载频率较低，但疲劳寿命并不高。破坏循环次数一般低于103104的疲劳压力容器、燃气轮机零件等的疲劳等。高周疲劳即施加载荷比较低，而频率比较高。破坏循环次数一般高于104的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。一、疲劳裂纹的形成及扩展21疲劳破坏材料在多次重复的变应力作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的强度极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，从而产生裂纹并且最终断裂。5-2 疲劳裂纹形成及影响疲劳强度的因素疲劳断裂是由循环应力、拉应力、塑性应变同时作用而造成的。疲劳破坏过

10、程一般可分为三个阶段：疲劳裂纹形成疲劳裂纹扩展（亚稳扩展、失稳扩展）瞬时断裂疲劳裂纹的形核主要有三种方式：滑移带开裂；夹杂物和基体晶面开裂；孪晶和晶界开裂。22（一）疲劳裂纹的形成 图5-8 疲劳裂纹的形成方式 1、滑移带开裂（1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。（2）挤出峰和挤入槽 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）。（柯垂耳-赫尔模型）。孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。裂纹萌生及机理裂纹萌生及机理（一）疲劳裂纹的形成 2、晶界处开裂 晶界就是面缺

11、陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。3、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。裂纹萌生及机理裂纹萌生及机理（一）疲劳裂纹的形成 裂纹扩展第一阶段25裂纹扩展第一阶段：与拉应力轴线成45度角。沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m数量级。（二）疲劳裂纹的扩展过程及机理图5-8 疲劳裂纹的扩展图5-8 疲劳裂纹的扩展裂纹扩展第二阶段：与拉应力轴向垂直；晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率m级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹），一条辉纹就是一次

12、循环的结果。（二）疲劳裂纹的扩展过程及机理裂纹扩展第二阶段图5-11 疲劳裂纹扩展留下形貌（二）疲劳裂纹扩展过程及机理（1）Laird塑性钝化模型 裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。图5-12 疲劳裂纹Laird塑性钝化模型（二）疲劳裂纹的扩展过程及机理裂纹扩展模型（2）再生核模型 疲劳裂纹的扩展是断续的。主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。强度高的材料，可形成解理裂纹。图5-13 F-R再生核模型a-拉应力半周期裂纹尖端形成空洞，再生核b-再生核裂纹与主裂纹桥接（二）疲劳裂纹的扩展

13、过程及机理裂纹扩展模型 初始疲劳裂纹在应力集中区孕育、萌生；裂纹亚临界扩展或稳定扩展；失稳扩展，以至与断裂。（三）疲劳破坏的宏观断口特征断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区疲劳源、疲劳区、瞬断区。30随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同图5-9 疲劳断口裂源区裂源区扩展区扩展区瞬断区瞬断区1.疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2.疲劳区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作

14、用）。3.瞬断区 一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。疲劳破坏的宏观断口特征疲劳破坏的宏观断口特征图5-9 疲劳断口裂源区裂源区扩展区扩展区瞬断区瞬断区二、影响疲劳强度的因素（一）应力集中 材料的强度越高，缺口越尖锐 （二）表面状况 表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学处理）（三）尺寸的影响 关于尺寸对材料疲劳极限的影响，综合许多研究资料，可归纳为以下几点：A.试样尺寸增加时，材料疲劳极限降低；（考虑表层状态）B.强度高的合金钢，其尺寸影响比强度低的钢大；C.当应力分布不均匀性增加时，尺寸影响也增加；D.尺寸增加时，有效应力集中系数也增加。应

15、力集中越敏感。（四）材料内因 1、化学成分 成分决定组织和强化效果。2、显微组织 相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大小等。3、治金缺陷 夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性等。（五）工件结构 壁厚；壁厚均匀性；表面沟槽等。(六）工况因素 1、载荷 载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇。2、环境 温度；周边介质；应力状况。二、影响疲劳强度的因素5-3 5-3 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 疲劳强度设计方法断裂力学设计方法从强度考虑从韧性考虑一、裂纹的亚临界扩展 一个含有尺寸为a0的裂纹体，当受静载荷时，只是在其应力达到临界应力c 时，即当其裂纹尖端的应力强度因

16、子达到临界值KIC（KC）时，才能发生失稳破坏。如果该裂纹体受到一个低于c的但有足够多的循环应力时，则初始裂纹便会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界裂纹尺寸ac构件破坏。这一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。按线弹性断裂力学，对初始裂纹a0只有在KK1C时，才会失稳扩展；疲劳裂纹的亚临界扩展 ca0aca0aC失稳扩展亚临界亚临界扩展研究疲劳裂纹亚临界扩展规律对疲劳设计、疲劳寿命确定具有重要理论意研究疲劳裂纹亚临界扩展规律对疲劳设计、疲劳寿命确定具有重要理论意义和实用价值。义和实用价值。图5-14 裂纹扩展一般公式：N-疲劳次数，a-裂纹长度，-疲劳应力，C-材料常数帕瑞斯（Paric)公式：K-应

17、力强度因子幅度 K=Kmax-Kmin,n=27(塑性脆性)帕瑞斯认为：K是裂纹尖端的应力强度因子，故也是裂纹扩展速度的重要参量。102101103da/dN,mm/次次1045001500 20001000KK，/mm/mm3/23/2图5-15 疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅度疲劳裂纹扩展速率计算公式 da/dN=f(a,C）da/dN=C(Kda/dN=C(K）n n对无限大薄板：K=（a)(1/2)K=(a)(1/2)按帕瑞斯公式，亚临界扩展速率不受试验几何形状和加载方式的影响，只受应力强度因子幅值的影响。其过分强度 K和 作用，而忽视了Kmax的增大，特别是Kmax趋近K1C时对裂

18、纹扩展的加速作用。由于引入循环特征系数r，能更好描述不同r的疲劳裂纹扩展规律。裂纹扩展速率是C、r、K和K1C的函数，K1C越大da/dN越小。图5-16 福曼(Forman)修正公式 疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅度da/dN=C(K)da/dN=C(K)n n/(1-r)K/(1-r)K1C1C-K)K)=C(K)=C(K)n n/(K/(K1C1C-K-Kmaxmax)K/K)K/Kmaxmax)=C(K)=C(K)n n K Kmaxmax/(K/(K1C1C-K-Kmaxmax)K)K)福曼（Forman)修正公式：由于许多高韧性材料的K1C无法测得，因此华格（Walker）提出疲

19、劳扩展速率计算公式：式中：m105,具有典型的疲劳断口。AkN 2、影响冲击疲劳的因素 a.小能量多冲击，主要为强度。b.较大能量时，冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。c.能量再大时，则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。三、接触疲劳 1、基本概念 对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种 接N，接1/N。2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。3、接触疲劳破坏方式（1 1）麻点剥落）麻点剥落 局

20、部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑（2 2）浅层剥落）浅层剥落 最大切应力处，塑性变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化。（3 3）深层剥落）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。三、接触疲劳4、影响接触疲劳抗力的因素 （1 1）材料内因）材料内因 组织（晶粒大小，相组成，夹杂物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变M，不利于接触疲劳）表面硬度和心部硬度（2 2）外因）外因 表面粗糙度；接触精度；硬度匹配；润滑情况。三、接触疲劳EgEg：气缸盖和曲轴的疲劳破坏气

21、缸盖和曲轴的疲劳破坏一、气缸盖的疲劳破坏一、气缸盖的疲劳破坏l.气缸盖底面裂纹2.气缸盖冷却面裂纹气缸盖材料：气缸盖一般都由优质灰铸铁或合金铸铁铸造，轿车用的汽油机则多采用铝合金气缸盖。二、曲轴的疲劳破坏二、曲轴的疲劳破坏1.弯曲疲劳裂纹 曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹。2.扭转疲劳裂纹 扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45的两个方向扩展。3.弯曲-扭转疲劳裂纹3.弯曲-扭转疲劳裂纹(1)疲劳源大多分布于零件表面，一般有12个。(2)疲劳裂纹扩展呈贝纹状时

22、，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。(3)最后断裂区所占面积很大，甚至超过断面的一半以上，说明零件严重过载；若所占面积较小或小于断面一半时，说明零件无过载或过载很小。在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，承受双向弯曲的零件有2个疲劳源；承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的影响较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。1、什么是疲劳破坏？疲劳破坏可分哪几类？2、断口形貌可分为哪三个区域？有何特征？3、试阐述疲劳断裂的过程4、影响零件疲劳强度的因素有哪些？5、什么是高温疲劳？高温疲劳有哪些特点？6、提高材料热疲劳抗力的途径主要有哪些？第五章 复习题