焊接结构的疲劳和脆性断裂(教案)

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1、课程名称：钢结构焊接制造任课教师：王小兵课题：焊接结构的疲劳和脆性断裂口的要求：1、掌握焊接结构的疲劳破坏的原因。2、掌握提高疲劳强度的措施。3、要求联系实践，把安全技术贯穿生产实习中。重点：掌握焊接结构的疲劳破坏的原因。难点：掌握提高疲劳强度的措施。课的类型、教学方法：课堂教学时间分配：开课2分钟复习提问5分钟讲授新课78分钟小结布置作业5分钟作业：详见教案最后页审批：焊接结构的疲劳和脆性断裂重点：掌握焊接结构的疲劳破坏的原因。难点：掌握提高疲劳强度的措施。一、组织教学1、检查学生到课情况。2、

2、课前准备情况及引导学生进入学习状态。二、复习提问1、减少残余应力措施有哪些？三、讲授新课(―)焊接结构的疲劳破坏大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190亿美元的代价，相当国民经济总产值4%,而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。美国有儿座桥梁的疲劳断裂纹发生在靠近焊缝端部的焊趾部位，如图253所示，在图示的裂纹部位有较高的应力集中。在载荷作用下，腹板平面位移集中在一个比较狭窄而没有支撑的腹板

3、高度上，也就是翼板至加强肋底部的腹板高度上(划阴影线区域)，从而使该处腹板开裂。疲劳定义为重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展，从而产生的结构部件的损伤。疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。图2-53美国几座桥梁疲劳开裂的焊缝位置"一）疲劳断口的特征在进行疲劳断口的宏观分析时，一般把断口分成三个区，这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2-54所示。疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。由于疲劳源区一

4、般很小，所以宏观仁难以分辨疲劳源区的断面特征。疲劳源一般总是发生在表面，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等,也可在构件内部发生。疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，则于其应变幅值较大，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特图2・54疲劳裂纹断I」上三个特征区的示意图I一裂纹源；2—彼劳裂纹扩展区；3—疲劳裂纹加速扩展区；4—瞬时斷段区征区域。其宏观形貌特征常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进，呈弧形

5、线条，而且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。其微观特征是疲劳裂纹，又称疲劳辉纹，每一贝壳花纹内有干万条。它通常是明暗交替的有规则和互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在0.1-0.4ym之间一般來说，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。体心立方金属及密排六方结构金属的疲劳条纹远不如前者明显，如钢的疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。另外，从宏观上看一些构件，尤其是薄板件，其断口上并无明显的贝壳状花纹，却有明显的疲劳台阶。在一个独立的疲劳区内，两个疲劳源向前扩展相

6、遇就形成一疲劳台阶，因此疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一个特征。瞬时破断区（或称最终破断区）是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。它的特征与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同，但有时仅仅出现剪切唇而无放射区。对于非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。（二）影响焊接结构疲劳强度的因索影响母材疲劳强度的因素（如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况等），同样对焊接结构也有影响。除此Z外，焊接结构本身的一些特点，如接头部位近缝区性能的变化，焊接残余应力等也可能对焊接疲劳产生影响。（1）应力集

7、中的影响焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，它们对接头的疲劳强度产生不同程度的不利影响。(2)近缝区金属性能变化的影响试验研究表明，在常用线能量下低碳钢的焊接。热影响区和基本体金属的疲劳强度相当接近,其近缝区金属机械性能变化对接头的疲劳强度影响较小。(3)残余应力的彩响残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉仲的，则它降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外残余应力对疲劳强度的影响，

8、还与应力集中程度、应力循环次数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。(4)缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷(如裂纹、未熔合、未焊透)，比带圆角的缺陷(如气孔)影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；位于应力集屮区的缺陷比在均匀应力场屮的同样缺陷影响大「与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向大；位于残余拉应力场内的缺陷比在残余压应力区的影响大。(三)提高疲劳强度措施1・降低构件中的应力集中程度结构中的应力集中是降低焊接结构