焊接结构的疲劳破坏

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1、第六章焊接结构的疲劳破坏FatigueFracture材料成型及控制工程2012.9疲劳断裂是金属结构的一种主要失效形式。金属结构疲劳破坏几率高达90％，具有广泛性。疲劳破坏发生在承受交变载荷的构件中。疲劳断裂往往具有低应力特征。焊接结构的疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹扩展。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、影响因素及焊接结构疲劳破坏的预防措施。本章要点:1）疲劳断裂的基本特征与疲劳图；2）疲劳裂纹的扩展机理；3）焊接结构疲劳断裂的影响因素；4）焊接

2、结构疲劳断裂的防止措施。6.1疲劳破坏的基本概念6.1.1疲劳破坏在交变载荷反复作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。6.1.2疲劳破坏的基本特征1)疲劳裂纹是交变载荷多次反复作用后产生的一种失效形式，裂纹扩展缓慢；2)疲劳破坏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宏观断口有辐射状的疲劳纹—“年轮状”花样，其辐射条纹的起点就是疲劳裂纹源；②微观断口有疲劳扩展的辉纹，呈“海滩状”花样；③疲劳裂纹扩展部分的断面较为平滑、颜色较深；由于空气及介质的氧化或腐蚀

3、作用；凸起部分则因扩展过程的摩擦和挤压作用逐渐被磨光；因而出现贝壳状条纹的光滑表面，即所谓的“海滩状”、“年轮状”花样。④瞬时断裂区较为粗糙，属于脆性断口。“年轮状”花样图示材料：TC2钛合金工艺情况：660℃～710℃，15min～60min，空冷组织说明：断裂起始于表面，点源，疲劳扩展初期为条带和轮胎花样特征，扩展中后期主要为疲劳条带特征材料：LD7铝合金工艺情况：工作温度为50~270℃（进口低，出口高）组织说明：疲劳条带形貌，条带间距细密，应为高周疲劳断裂特征5.1.3疲劳破坏的分类1)应力疲劳（高周疲劳）在低应力、

4、高循环、低扩展速率下产生的疲劳称为应力疲劳或弹性疲劳。其特点是：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；循环寿命长，达106～7次.2)应变疲劳（低周疲劳）在高应力、低循环、高扩展速率下产生的疲劳称为应变疲劳或塑性疲劳。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（10-2mm/次，循环寿命短（N<104次）。6.1.4疲劳强度和疲劳极限传统疲劳设计：为防止结构在预定工作寿命期发生疲劳破坏，传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。1）乌勒（Wöhler）疲劳曲线①结构在多次循环载荷作用

5、下，即使工作应力σmax小于强度极限σb时也会发生疲劳破坏。②在不同载荷σmax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与所需加载次数N之间关系的曲线即为乌勒（Wöhler）疲劳曲线。疲劳曲线示意图两种形式的乌勒疲劳曲线图例1Nσmaxσ1σ2N1N2σ—N疲劳曲线揭示内涵：不同载荷，不同寿命！降低载荷，寿命提高！两种形式的乌勒疲劳曲线图例2lnNσmaxσ1σ2N1N2σ—lnN疲劳曲线揭示内涵：不同载荷、不同寿命！意义：曲线变折线，图形更好看！2）疲劳强度（条件疲劳极限）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度

6、极限σmax，即为该循环条件下的疲劳强度σr。理解为：有限寿命所能承受的最大载荷σmax即为σr！换言之，最大载荷σmax是规定循环次数N——疲劳寿命的函数！即σr=f（N）一般循环次数N小于107。3）疲劳极限结构对应于无限次应力循环而不发生破坏的强度极限即疲劳极限σr。它在σ—N疲劳曲线图中应理解为疲劳曲线的水平渐进线相对应的最高循环应力σmax！这时，对应的循环寿命理论上为：N!一般大于107!∞6.1.5应力循环特性应力循环特性的基本概念在疲劳极限的符号σr中,其下脚标“”表示不同的应力循环特性！对应具体的应力循环状

7、况，有其特定的数值。其定义为：r=具体分析如下:应力循环中的参数6.1.6特殊应力循环的特性系数①对称交变载荷r=－1，疲劳强度记为σ-1②脉动载荷r=0，疲劳强度记为σ0③拉伸变载荷0

8、之，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之间关系的曲线即为疲劳图。有4种常见表示法。四种表示法：①σmax―r表示法；②σmax―σm表示法；③σa―σm表示法；④σmax―σmin表示法。疲劳图的应用意义：①工程上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。