焊接结构力学教学课件-第五章

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1、焊接结构力学第五章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，由于累积

2、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<σb，甚至<σs；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

3、及防；（3）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。异：不同点脆性断裂疲劳断裂载荷性质静载、冲击疲劳对温度的敏感性敏感、低温易脆断不敏感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大于临界值，瞬间断裂需较长或很长时间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错层，河流样花纹疲劳辉纹σσaσmσmintσmax0图5-1应力循环参数图二、疲劳强度的基本概念1.疲劳应力循环

4、特性的五个基本参数σmax、σmin、r、σm、σa(1)最大主应力:σmax＝σm＋σa＝σmin/r(2)最小主应力:σmin＝σm-σa＝r·σmin(3)应力循环特征系数:r=σmin/σmax=(σm-σa)/(σm＋σa);-1≤r≤1(4)平均应力:σm=(σmax+σmin)/2=σmax·(1+r)/2(5)应力幅值:σa=(σmax-σmin)/2=σmin·(1-r)/2图5-2应力循环基本类型图σmax、σmin、r、σm、σa(1)静态拉、压载荷：σa=0,r=1,σmax=σmin=σm(2)拉伸变载荷:0

5、in<σmax(3)脉动载荷：r=0,σmin=0(4)对称载荷:σmin＝σmax,r=-1(5)随机变载荷：幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。σσaσmσmintσmax0R=-1R>0R=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：静载及主要静载荷σmin=10kN/cm2σmax=10kN/cm2r=1σmin=5kN/cm2σmax=10kN/cm2r=0.5动载荷（脉动载荷和交变载荷）σmin=2kN/cm2σmax=10kN/cm2r=0.2σmin=0kN/cm2σmax=10kN/cm2r=0交变载荷σm

6、in=-5kN/cm2σmax=10kN/cm2r=-0.5σmin=-5kN/cm2σmax=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，测得发生疲劳破坏的应力σ（疲劳强度），与其所

7、需的加载次数N(疲劳寿命）之间的对应关系曲线:σ＝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σmax，用σr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）σmax-r表示法直观反映σmax与r的关系：（2）σa-σm表示法tgα＝σa/σm=(1-r)/(1+r)，所以，r=(1-tgα)/(1+tgα)σaσb(静

8、载）σmσrarσaσmσmσ-1σrmασmaxσ-1σbσ0r－101图5-4σmax-r