焊接结构的疲劳断裂.ppt

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Chapter5焊接结构的疲劳断裂本章内容：1.焊接结构疲劳失效的分类及危害2.焊接疲劳断裂的特征3.焊接结构疲劳的原因及影响因素4.焊接结构疲劳的防治措施 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样。两者比较，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的影响比较小。 一、疲劳断裂示例1、疲劳断裂的示例：疲劳事故最早发生在19世纪初期。疲劳一般从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生，下图是几个典型的焊接结构疲劳断裂事例。 下图为直升飞机起落架的疲劳断裂图，裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低周疲劳。 下图为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂，该梁板厚5mm，承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，该车破坏时已运行30000Km。 下图表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝而导致疲劳断裂，改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。 下图水压机疲劳断裂事例，很明显，疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。 焊接结构较其它结构（如铆接结构）更容易产生疲劳断裂，这是因为：1）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至整个构件断裂。2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。 火车轴（弯曲）曲轴（扭转）齿轮齿根（弯曲）球轴承（压缩）连杆（小拉大压）缸盖螺钉（大拉小拉）连杆（小拉大压） 二、疲劳断裂概念2.疲劳破坏的概念钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。 PP折铁丝 三、疲劳极限3．疲劳极限金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力，在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为“疲劳极限”， 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb条件疲劳极限：钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低；金属材料－疲劳强度较高；纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。 四、疲劳断裂的类型4.疲劳断裂的类型1、低周疲劳。由反复塑性变形所造成的破坏称为低周疲劳。低周疲劳的循环应力很高，接近或超过材料的屈服点，在每次循环中，材料都产生一定的塑性变形，在这种情况下，加载时的频率不可能很高，一般为0.2-0.5HZ，断裂周次很低，在104-105次以下。例如，锅炉及压力容器的每一次升压“降压便产生了一次塑性变形循环，在使用期间这种反复塑性变形循环的积累，就可能造就其低周疲劳破坏。 低周疲劳的特点1、局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。 多数零件按疲劳极限进行设计；有些零件承受的交变应力远高于疲劳极限，用过载持久值进行设计。低周疲劳N<105;高周疲劳N>105 2、热疲劳。工作过程中，受反复加热和冷却的元件，在反复加热和冷却的交变温度下，元件内部产生较大的热应力，由于热应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。例如，某电厂水冷壁下的集箱（15钢）在长期运行中受热不均匀经受较大的交变热应力，致使集箱产生热疲劳破坏。 1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。 2、热应力的产生外部约束不让材料自由膨胀；内部约束温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变导致裂纹的萌生，扩展。3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径材料减小热膨胀系数，提高λ，均匀性，高温强度。工件状况减小应力集中。使用减小热冲击。 3、、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，而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σ接～N，σ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）麻点剥落局部塑性变形，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）浅层剥落最大切应力处，塑化变形最剧烈，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）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。 五、载荷的概念所谓静荷载是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不变或变动很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小可忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力。相反，若构件在荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷载随时间有显著的变化，这类荷载称为动荷载。交变应力工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。 三、应力幅：二、平均应力：曲线称为应力谱。应力重复变化一次的过程，称为一个应力循环。应力重复变化的次数，称为应力循环次数。 四、几种特殊的交变应力：1.对称循环：smtsminsaTs ts3.静循环：五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。satsm2.脉动循环： 交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。最大应力σmax最小应力σmin幅应力σa平均应力σm应力比r 1、变动载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动应力。2、循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。（1）循环应力的描叙平均应力σm=1/2（σmax+σmin）应力幅σa=1/2（σmax-σmin）应力比γ=σmin/σmax（2）循环应力的种类（SeeFig5－2/P108）对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。 反复作用的荷载值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保持常量，称为常幅疲劳。若反复荷载作用下，应力循环内的应力随时间随机变化，则称为变幅疲劳。其循环应力谱如图2和图3所示。 图2常幅应力循环的谱 (b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环 图3变幅应力循环的谱 反复荷载引起的应力循环形式有同号应力循环和异号应力循环两种类型。循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值最大的峰值之比称为应力循环特征值，当为拉应力时，或取正号；当为压应力时，或取负号。 最大应力和最小应力符号相反而其绝对值相等，即p=-1（图1a），称为对称循环。当最大应力为拉应力而最小应力为零时，（图19-5c），称为脉冲循环。 例如齿轮上任一齿的齿根处A点的应力(图(a)），在传动过程中，轴每转一周该齿啮合一次，A点的弯曲正应力就由零变到最大值，然后再回到零。齿轮不停地转动，应力就不断地作周期性变化，如图(b)所示。 结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏。 六、疲劳破坏的特点及特征疲劳破坏的特点（1）交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力破坏）。（2）无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为脆性断裂，没有明显的塑性变形。（3）材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应力越大，循环次数越少。（4）断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即光滑区域和粗糙区域，如图所示。 疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外荷载时，零件就突然断裂。 疲劳断口的特征 疲劳断口（a）（b）图8-8疲劳断口（a）疲劳断口宏观形貌（b）疲劳条纹的微观图象疲劳源 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。加工硬化。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。返回 零件所用材料的内部缺陷、加工缺陷、设计欠缺等引起局部应力集中，这些局部区域成为裂纹的产生地，即疲劳裂纹源区。疲劳源区 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹形成后，在交变应力的作用下，裂纹口不断张开和闭合，裂纹表面相互摩擦，裂纹向前扩展的同时留下一条条光亮的弧线，称疲劳线。疲劳线呈“贝壳状”或“海滩状”，这是疲劳断裂的重要特征。 最后断裂区随着裂纹的扩展，有效承载面积减小，应力增加，当应力超过材料的断裂强度时，即发生快速断裂。此区同静载脆断断口，呈放射状。 疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹疲劳裂纹扩展区疲劳源区 断口特征 七、疲劳断裂的过程及机理疲劳破坏的过程及机理构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过程。三个阶段组成：1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；2）裂纹稳定扩展；3）结构断裂。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。 （疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳扩展、断裂。）一、裂纹萌生及机理常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。 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。 2、晶界处开裂晶界就是面缺陷；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。 二、疲劳裂纹扩展过程及机理1、裂纹扩展的两个阶段第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅.1μm数量级。第二阶段在da/dN的II区。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μm级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹）。一条辉纹就是一次循环的结果。 2、疲劳裂纹扩展模型（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。材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽裂纹扩展模型：塑性钝化模型。裂纹反复锐化和钝化的过程。 （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。返回 八、材料的疲劳曲线疲劳曲线----循环次数N与疲劳极限rN或rN之间的关系曲线s－N疲劳曲线s－N疲劳曲线 AB段视为静应力强度的情况，使材料发生破坏的最大应力值基本不变，或下降很小。BC段应力疲劳或低周疲劳阶段，使材料发生破坏的最大应力值将不断下降，材料出现塑性变形。CD段机械零件的疲劳大多发生区，为有限寿命疲劳阶段D点以后无限寿命疲劳阶段，为一水平线：CD和D以后两段所代表的疲劳叫高周疲劳 总结：疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应力循环次数之间的个关系曲线，它反映了材料抵抗疲劳断裂的能力。通常分为有限寿命区和无限寿命区，以循环基数为界，利用疲劳曲线可以对只需要工作一定期限的零件进行有限寿命设计，以期减小零件尺寸和重量。 应力循环次数N（疲劳寿命）应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。 0NX105N1N2fy123456 焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他联接形式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝的焊趾处），而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物，疲劳裂纹往往就起源于这些缺陷处。因为有这些缺陷存在，使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中一个相当短的时间，主要的时间是属于裂纹的扩展。 九、影响焊接接头疲劳强度的因素焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因。除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。 1．应力集中和表面状态的影响结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可造成应力集中。焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。 构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。 （1）焊缝表面机械加工的影响。未经机械加工低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度，见下图。若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度也相应提高，见图111。但是焊缝表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适宜采用机加工。带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，有缺陷处或焊缝根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。 图111：未经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度1—低合金锰钢2—低碳钢 图111：经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度1—低合金锰钢2—低碳钢3—未焊低合金锰钢4—未焊低碳钢 （2）接头形式的影响。不同的接头形式对于疲劳强度的影响是各不相同的。对接接头的焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他接头形式要小，但是过大的余高和过大的基本金属与焊缝金属间的过渡角和过渡圆弧半径对疲劳强度的影响，见图111，T形和十字形接头。这两种接头在焊接结构中得到了广泛的应用，在这种接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高。因此，T形和十字形接头的疲劳强度远低于对接接头。 图111过渡角和过渡圆弧半径对对接接头疲劳强度的影响 开I形坡口用角焊缝连接的十字形接头，其疲劳强度和应力循环特性系数的关系，见下图。当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节上，即母材与焊缝焊趾端交界处和焊缝上。当单个焊缝的计算厚度与板厚之比小于0.6-0.7时，一般断于焊缝；当大于0.7时，一般断于母材。图1212中的实线代表的疲劳强度是按断裂在母材计算的，虚线是按断裂在焊缝计算的，由图中可以看出合金钢对应力集中比较敏感。 在这种情况下，采用低合金钢对疲劳强度并没有优越性。此外，增加焊缝的尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内才有效，因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面，即焊缝焊趾端处母材的强度，故最多亦不能超过断裂在此处的疲劳强度。提高T形和十字形接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。低碳钢开坡口焊透的十字形接头的疲劳强度图，见下图。 图111：开I形坡口的十字形接头的疲劳强度1—低合金锰钢2—低碳钢 图121开坡口焊透的十字形接头的疲劳强度1—焊缝经机械加工2—焊缝未经机械加工 ③搭接接头。低碳钢搭接接头的疲劳试验结果，见下图。试验证明搭接接头的疲劳强度是很低的。仅有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度最低，只达到基本金属的34%（图a）焊脚尺寸为1：1的侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度虽然比只有侧面焊缝的接头高一些，其数值仍然是很低的，只达到基本金属的40%（图b）正面焊缝焊脚尺寸为1：2的搭接接头应力集中稍有降低，因而其疲劳强度有所提高，但是效果不大。（图c） 图122低碳钢搭接接头的疲劳强度对比 焊缝向基本金属过渡区域进行表面机械加工的搭接接头，其疲劳强度也没有显著提高（图d）。具有盖板的对接接头，当盖板的厚度比按强度所要求的增加1倍，焊脚尺寸比例为1：3.8，并采用机械加工使焊缝向基本金属平滑过渡，此时疲劳强度最高，等于基本金属的疲劳强度（图e）。但是在这种情况下，已经丧失了搭接接头简单易行的优点，因此不宜采用这种措施。采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。试验结果表明，在这种情况下，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了（图f）。 表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度是不利的。 2．焊接残余应力的影响焊接结构的残余应力对疲劳强度是有影响的。焊接残余应力的存在，改变了平均应力σm的大小，而应力幅σa却没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。对于塑性材料，当循环特征r﹤1时，材料是先屈服后才疲劳破坏，这时残余应力已不发生影响。由于焊接残余应力在结构上是拉应力与压应力同时存在。如果能调整到压残余应力位于材料表面或应力集中区则是十分有利的，如果材料表面或应力集中区存在的是残余拉应力，则极为不利，应设法消除。 为了研究焊接残余应力对疲劳强度的影响，试验往往采用有残余应力的试样与经过热处理去除残余应力后的试样，进行疲劳试验对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能变化，而焊后热处理在消除残余应力的同时，也恢复或部分恢复了材料的性能，而这些性能对接头的疲劳强度又产生影响，因此对于试验的结果就产生了不同的解释。。 例如，曾用Q345低合金结构钢进行试验，试样有一条横向对接焊缝，在正、反两面堆焊纵向焊道各一条。一组试样焊后作消除应力热处理；另一组未经热处理，然后进行疲劳强度对比试验，疲劳试验采用三种应力循环特征系数，-1，0+0.3，试验结果见下图。从图中可以看出，在交变载荷下（-1）消除内应力试样的疲劳强度接近130MPa，而未消除内应力的仅为75MPa。在脉动载荷下（0），两组试样的疲劳强度相同，为185MPa 图111带有交叉焊缝试样的疲劳强度对消除应力热处理的影响1—焊态2—经热处理消除内应力 而当0.3应力循环下，经热处理消除内应力的试样疲劳强度为260MPa，反而略低于未经热处理的试样（270MPa）。因此，当应力循环特征系数较高时，利用焊后消除应力的热处理，并不能提高接头的疲劳强度。 为了单独弄清焊接残余应力对疲劳强度的影响，曾采用不同的焊接次序，来获得不同的焊接残余应力分布的试样，作对比试验，见下图。这是两组带有纵向和横向焊道的试样：第一组试样图a是先焊纵向焊缝1，后焊横向焊缝2；第二组试样图b是先焊横向焊缝1，后焊纵向焊缝2。从图上可以看出第一组疲劳强度高于第二组，说明焊接残余应力将对疲劳强度产生不利的影响。这个试验没有采用热处理来消除残余应力，排除了热处理对材料性能的影响。 图1221焊接残余应力将对疲劳强度的影响 3．焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度影响的大小与缺陷的种类、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（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中的影响大。 焊接缺陷对焊接接头的疲劳强度产生重大的不利影响，影响的大小与缺陷的种类、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（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；位于残余拉应力区内缺陷的比在残余压应力区内的影响大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比在均匀应力区中同样缺陷的影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下的影响，见下图，A组的影响大，B组的影响小。 1）外观缺欠——咬边、焊瘤、凹坑、未熔合、未焊透、余高、弧坑未填满、表面气孔飞溅及裂纹等。2）内部缺欠——气孔、夹渣、偏析、裂纹、剩余应力、焊缝和HAZ组织粗化、析出脆化、HAZ软化等。3）焊后缺欠——在焊后热处理或服役中产生的缺欠，包括裂纹、热疲劳脆化、析出脆化、时效脆化、晶间腐蚀、孔蚀、应力腐蚀开裂、异种钢接头熔合区脆化等。 图111咬边在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响 图111未焊透在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响 不同材料具有不同的缺口敏感性，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度影响并不相同，未焊透对五种材料疲劳强度的影响，见下图，由图中可以看出，随着未焊透的增加，疲劳强度迅速下降，并且以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的下降幅度为最大，尽管这种材料在静载和一次冲击载荷下有较好的韧性。 图111未焊透百分比对疲劳强度的影响1—机械化氩弧焊2—埋弧焊3—机械化氩弧焊4—机械化氩弧焊5—低碳钢埋弧焊 4.零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响。材料表面状态σb/MPaσ-1/MPa45钢（正火）光滑656280有刀痕65414540Cr（淬火＋200℃回火）光滑1947780有刀痕1922300 问答题1、试述焊接接头形式对疲劳极限的影响。焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，将对接头的疲劳极限产生程度不同的不利影响。⑴对接接头 对接接头从焊缝至母材的形状变化不大，应力集中比其它接头要小，所以在所有的接头形式中具有最高的疲劳极限。但是过大的余高会增加应力集中，使疲劳极限下降。⑵T形接头 这种接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，应力集中系数比对接接头的应力集中系数高，因此其疲劳极限远低于对接接头。提高T形接头疲劳极限的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。⑶搭接接头 这是一种疲劳极限最低的接头形式，特别是在原来对接接头的基础上，增加盖板来进行“加强”，其结果适得其反，这种盖板非但没有起到“加强”作用，反而使原来疲劳极限较高的对接接头被大大地削弱了。 2、试述焊接缺陷对疲劳极限的影响。焊接缺陷对焊接接头的疲劳极限产生重大的不利影响，这种不利影响与焊接缺陷的种类、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、点状夹渣）影响大。表面缺陷比内部缺陷影响大。与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向大。位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余应力区内的大；位于应力集中区内的缺陷（如焊趾裂纹）的影响比在均匀应力区中同样缺陷影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下对接头疲劳极限的影响，见图38，其中A组的影响最大，B组的影响较小。 3．如何减少焊接接头的应力集中？答：减少焊接接头应力集中的措施是：（1）尽量采用对接接头，对接接头的余高值不应太大，焊趾处应尽量圆滑过渡。（2）T型接头（十字接头）应该开坡口，采用深熔焊，以保证焊透。（3）减少或消除焊接缺陷，如裂纹、未焊透、咬边等。（4）不同厚度钢板对接时，对厚板应进行削薄处理。（5）焊缝之间不应过分密集，以保证有最小的距离。（6）焊缝应尽量避免出现在结构的转弯处。 4．试比较焊接结构的疲劳断裂和脆性断裂有何不同？答：焊接结构的疲劳断裂和脆性断裂从性质到形态都不一样，两者断裂时的变形都很小，但疲劳断裂需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外，脆断受温度的影响特别明显，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的影响比较小。 5．为什么重要的焊接结构上两条焊缝不能靠得太近？答：焊后在焊缝附近将出现残余拉应力，离开焊缝区其值迅速减小，所以在焊缝附近的峰值或残余应力有助于脆断的发生。当结构上有两条焊缝时，如果两条焊缝间距小于两条焊缝拉应力区宽度之和，则残余拉应力发生叠加，造成结构低应力破坏。 焊接结构疲劳失效的原因焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；②早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头； ③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；⑤焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。 提高焊接结构疲劳性能方法的研究意义疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动载的工程实际，故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外有关专家和工程技术人员，尤其是国际焊接学会疲劳专业委员会的普遍关注。 在大量疲劳试验与工程实践的基础上，焊接结构抗疲劳设计规范不断出台，如英国桥梁疲劳设计规范BS5400、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的疲劳设计规范IIW.DOC-639-8l以及我国的钢结构设计规范GB-17-88。世界各主要造船及海洋资源开发国家，都在船舶及海洋工程结构的设计建造和检验入级规范中对焊接结构的疲劳强度作出了规定和要求。 由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能，关系着焊接结构能否安全使用。因此为了保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度，显然这造成极大浪费。即使如此，在接头处局部应力集中作用下，仍然会发生整体结构的过早疲劳失效。 为了使焊接结构很好地满足工程上对其提出的承受动载的要求，能够采取的措施主要有两点。一方面，增加对焊接结构抗疲劳性能的了解，精心设计结构形式及接头形式，使所设计的焊接结构更合理，具有更高的疲劳强度；同时提高和严格控制焊接质量，防止和减少焊接缺陷的产生；另一方面，直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱点，在焊接结构制造过程中、完成后以及使用过程中采取有效的工艺措施，提高接头的疲劳强度，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命。 由上面讨论知道，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。 十、焊接接头疲劳强度的改善应从根本上考虑，尽可能消除裂纹源和减少应力集中。概括起来不外三方面：1）从设计开始就尽量做到接头构造合理，降低缺口效应；2）加强制造、施工的质量管理，防止或减少焊接缺欠的产生；3）必要的焊后改善措施和服役期间的质量管理。 1、降低应力集中疲劳裂纹源于焊接接头和结构上的应力集中点，应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因。因此，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳强度。通常采用的方法是：（1）采用合理的结构形式，图121是几种设计方案的正误比较。 焊接结构构造要合理，能均匀、连续、平顺地传力，避免构件截面剧烈变化。必要时用圆弧过渡（图8）。 图8桁架节点 要尽量选用刚度均匀的方案，焊缝连接处构件的不均匀刚度,导致焊缝的变形和应力分布不均,必然影响连接的疲劳性能。例如图10所示工字形牛腿与钢柱用角焊缝的连接,牛腿端部有弯矩M和剪力V用。在图10a中,由于柱翼缘变形,牛腿端部截面不能保持平面变形,牛腿翼缘的应力也就不可能均匀分布。如果在牛腿翼缘端部柱子腹板上设置横向加劲肋（图10b),便能改善应力分布,提高连接的疲劳性能。 图10构件刚度对疲劳性能的影响 角焊缝（图11）在角焊缝的焊跟和焊趾处,有严重的应力集中,裂纹从这里开后,向焊缝内部或主体金属扩展。侧面角焊缝因两端应力集中严重,疲劳破坏从端部开始。 图11角焊缝的疲劳破坏位置 T形连接可以用角焊缝,用部分熔透或全熔透的K型焊缝构成。前二者疲强度很低。全熔透的K型焊缝（图14）的性能与对接焊缝的相同,在经过加工,无损检验后,疲劳强度较高,宜用于直接承受动力荷载的T形连接。不论对接焊缝或角焊缝,它们的疲劳强度都比母材的为低，在动力荷载作用时比较危险。因此,对直接承受动力荷载的焊缝连接,必须进行疲劳计算。 图14全熔透的K型焊缝 （2）尽量采用应力集中系数小的接头，如对接接头。采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝的实例，见图121、图1212。在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡，机械打磨过渡区是可采用的方法，但应注意打磨方向应是顺着力线传递方向，因为垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。此外，在对接焊缝中应保证在连接件的截面没有改变时进行力的传递。对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝，这是应当引起注意的。 减小断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应作成圆弧状，其曲率半径越大越好。 在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平缓过渡，机械打磨过渡区是可采用的方法，但应注意打磨方向应是顺着力线传递方向，因为垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。此外，在对接焊缝中应保证在连接件的截面没有改变时进行力的传递。对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝，这是应当引起注意的。 （3）当采用角焊缝时，需采取综合措施，如机械加工焊缝端部、合理选择角接板形状、焊缝根部保证熔透等来提高接头的疲劳强度，因为采取这些措施可以降低应力集中，并消除残余应力的不利影响。试验证明，采用综合处理后，低碳钢接头处的疲劳强度能提高3-13倍，对低碳合金钢的效果更加显著。 （4）开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处；可以提高接头的疲劳强度，见图。 （5）用表面机械加工的方法，消除焊缝及其附近的各种刻槽，可以降低构件中的应力集中程度。但是这种表面机械加工的方法成本高，因此只有在真正有益和确实能加工到的地方，才适合采用这种方法。 只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。 （6）采用电弧整形的方法来代替机械加工，使焊缝与母材之间平滑过渡。这种方法是用钨极氩弧焊在焊接接头的过渡区重熔一次，使焊缝与母材之间平滑过渡，同时减少该部位的微小非金属夹杂物，因而可使接头部位的疲劳强度提高，见下图。采用氩弧整形方法，提高焊接接头疲劳强度的效果，见表。 由表1-3可知，对于低碳钢和低合金钢，其疲劳强度提高的程度和机械加工的效果相似。对于高强度钢，用电弧整形法就具有更重要的意义，因为高强度钢对应力集中比较敏感，采用电弧整形法对提高疲劳强度的效果更好。 （7）正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量①对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高；②T形接头最好采用带凹度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝；③焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。 任何焊接缺陷都有不同程度的应力集中，尤其是片状焊接缺陷如裂纹、未焊透、未熔合和咬边等对疲劳强度影响最大。因此，在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊、以减少焊接缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。 （8）钢材选用我国规范对钢材选用采取规定钢号和保证项目的办法。考虑的因素有:(1)是否焊接结构；(2)是否承受动力荷载；(3)是否处于低温。对于焊接结构,钢材质量要求得比非焊接结构严格。关于保证项目必须符合有关要求,。这里着重讨论钢号问题。（1）焊接构件的要求高于铆接构件：铆接重级工作制吊车梁,当计算温度高于－20℃时可以采用Q235沸腾钢,同样条件下的焊接吊车梁则必须采用Q235镇静钢〈或低合金钢〉 。（2）重级工作制构件高于中轻级工作制构件，处于低温工作的构件要求高：对于处在低温的其他结构,材料也要求严格,如50t以上的中级工作制焊接吊车梁,当计算温度高于－20℃时可以采用Q235沸腾钢,而当计算温度等于或低于－20℃时，则应该用Q235镇静钢。（3）承受动力荷载的构件要求高于承受静力荷载的构件。前者除荷载循环次数少,或荷载小,或非焊接结构外,都要求用镇静钢,并保证冲击韧性；后者除在温度低达－30℃的情况外都可以用沸腾钢,且不论温度是否低于－30℃都不要求保证冲击韧性。 我国规范不足之处,是没有把焊接结构的选材和钢材厚度相联系。欧洲的一些钢材选用的规定,考虑因素多而细致。比如把应力状态分为三个等级,钢板厚度每差15mm为一个等级,气温分为>－10℃和－10至－30℃两级,还把构件的重要性分为两级。把这些级别综合起来,选定构件材料的质量等级。材料等级分为1d、B、c、D四级,以冲击试验的温度为准。 2、进行焊后消除应力热处理残余压应力可提高疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此，若能调整构件表面或应力集中处存在残余压应力，就能提高疲劳强度。例如，通过调整施焊顺序、局部加热等都有可能获得有利于提高疲劳强度的残余应力场。 消除接头应力集中处的应力可以提高接头的疲劳强度，但是用焊后消除应力的退火方法不一定都能提高构件的疲劳强度。一般情况下，在循环应力较小或应力循环系数较低，应力集中较高时，利用焊后整体或局部消除应力的热处理将取得较好的效果。 3．改善材料的组织和性能1）提高母材金属和焊缝金属的疲劳抗力还应从材料内在质量考虑。应提高材料的冶金质量、减少钢中夹杂物。重要构件可采用真空熔炼、真空除气、甚至电渣重熔等冶炼工艺的材料，以保证纯度；在室温下细化晶粒钢可提高疲劳寿命；通过热处理可以获得最佳的组织状态，在提高（或保证）强度同时，也能提高其塑性和韧性。回火马氏体、低碳马氏体（一般都有自回火效应）和下贝氏体等组织都具有较高抗疲劳能力。 2）强度、塑性和韧性应合理配合。强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料对缺口敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形，可吸收变形功、削减应力峰值，使高应力重新分布。同时，也使缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹的扩展得到缓和甚至停止。塑性能保证强度作用充分发挥。所以对于高强度钢和超高强度钢，设法提高一点塑性和韧性，将显著改善其抗疲劳能力。 4、改善材料的力学性能表面强化处理，用小轮挤压或用锤头锤击焊缝表面及过渡区，或用小钢丸喷射（即喷丸处理）焊缝区，都可以提高接头的疲劳强度。因为材料经过这种处理后，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工硬化，因而可以提高疲劳强度。 5、特殊保护措施介质往往对材料的疲劳强度有影响，因此，采用一定的保护涂层是有利的。例如在应力集中处涂上加填料的塑料层，这是一种比较实用的改进方法。 6、正确使用不在主要结构上任意焊接附加的零件,不任意悬挂重物,不任意超负荷使用结构,要注意检查维护,及时油漆防锈，避免任何撞击和机械损伤,原设计在室温工作的结构,在冬季停产检修时要注意保暖等 十一、提高焊接接头疲劳强度的具体工艺以下的具体工艺方法可以在一定程度上提高接头的疲劳强度 但许多经验指明，在缺口附近表面形成剩余压应力，对改善疲劳强度是有利的。现有一些工艺方法的就是基于压应力对疲劳过程的抑制作用，而进行调整剩余应力。1）预超载法。具有严重缺口的焊接接头的疲劳强度几乎不受拉伸预应力的影响，而存承受压缩应力时却有很大提高。实际中，只要施以拉伸载荷便可在缺口顶端得到所希望的压应力。在弹性卸载后，缺口剩余应力的符号总是与加载时的符号相反。在结构验收时用一个加大的载荷，就自然地达到预超载的目的。 2）局部加热法与局部挤压法。两者相似，借助局部集中的加热作用或挤压作用，引起缺口附近屈服而产生剩余压应力。其效果稍好于预超载法，但不如喷丸法。3）表面压缩法。包括锤击法和喷丸法，是冷加工方法是能在缺口顶端横向变形受到拘束时借助局部集中的表面压力引起屈服而产生剩余压应力的方法。锤击和喷丸还有消除微小缺口、改善缺口几何形状和冷作和硬化作用。如图和图所示，锤击和喷丸能很好地改善疲劳强度。喷丸法对于高强钢具有突出的效果，甚至可与熔修相比拟。 4）射水激冷法。加热缺口区域并随即射水激冷，被激表面将硬化而产生剩余压应力。曾采用此法成功地防止对接管道内部产生疲劳裂纹。具体方法是管道外部采用感应加热，管内部用循环水冷却，在管道内产生压缩应力。 5）UIT法。即超声波冲击法（ultrasonicimpacttreatment）。原是20世纪70年代前苏联发明的方法，当时的目的在于解决军舰制造中的焊接变形与应力问题。经过多年的研究，现今应用于改善接头疲劳强度上，收到令人瞩目的效果，如图所示，已可与熔修法相比拟。主要是利用超声波的高频振荡冲击焊趾部位，不但形成剩余压应力，且可有消除微小缺口的效应。不但可应用于车间，也可方便地在工地上应用。没有噪声是很大的优点。 二、焊趾加工修整1）机械加工法。对焊缝表面进行机械加工，消除余高，可彻底消除焊趾部位的应力集中。有时也可只对焊趾局部加工处理，也能大幅度改善疲劳强度。2）磨削法。用磨盘或砂轮对焊趾进行局部打磨，可消除微小缺口，降低其缺口效应。通过磨削或多或少也会使缺口部位产生剩余压应力，并使表面硬化，而带来一定的好处。对于严重影响疲劳强度的重要焊缝缺口进行磨削是必不可少的常规做法。 用砂轮打磨以除去焊趾咬边,可以改善横向受力时的疲劳性能。图4给出打磨的具体要求。左侧所示打磨虽然使几何形状的改变有所缓和,但未能消除切口这一隐患,因此是不正确而无效的。必须如右侧所示,不仅把切口完全除去,并且还要再磨去0.5mm除去侵入熔化金属的焊渣。当然,母材磨去深度d不应过大,不应超过2mm或板厚的5%,打磨时应避免使焊缝有效厚度受到削弱。此外，还应注意,打磨留下的痕纹应平行于受力方向而不是垂直于受力方向。 图4打磨咬边 对接焊缝（图5）在焊跟、焊缝快陷及焊缝余高的焊趾等部位,具有严重的应力集中,它们是疲劳裂纹开展的根源。焊缝余高的大小对焊缝的疲劳强度也有很大影响。试验表明,焊缝余高的夹角愈小,则应力集中愈大,疲劳强庭愈低。因此,对直接承受重复荷载作用的对接焊缝连接,除了要进行无损检验,使其符合钢结构工程施工及验收规范外，还要对焊缝表明进行加工，磨去余高，以消除焊趾处的缺口效应。经过这些处理后,对接焊缝连接的疲劳性能将显著改善。但是没查出的微观裂纹以及规范容许的少量气孔、夹渣等还可能残存,它们也将是疲劳裂纹发展的起点，对接焊缝的耐疲劳性能,仍低于无应力集中的主体金属〈轨制边或刨边〉。这一点在钢结构设计规范规定的容许应力幅中都有反映。 纵向焊缝的焊波皱纹〈常发生在施焊时更换焊条处),垂直于力的作用方向,类似糟口,对疲劳不利,也应加工磨平。图5对接焊缝的疲劳破坏位置 3）TIG熔修法。用钨极氩弧焊焊炬或等离子弧焊炬对焊趾局部重熔，以改善对接焊缝或角焊缝焊趾的外形，以及消除焊趾区可能存在的微观缺口，可以显著地改善疲劳强度。重熔形成的新焊道的质量以及这一方法可能引起局部过度硬化问题，都应给予注意。TIG熔修法在改善接头疲劳强度上有显著的效果，特别是高强钢焊接接头。 TIG法是使用钨极气体保护电弧(Tungsten-inertgasarc)使焊趾部位重新熔化。这种钨极弧不会在趾部产生咬边和焊渣侵入，只要重新熔化的深度足够,原有切口及悍渣都可以消除,并且还可以形成平缓的几何形状变化。采用这种方法在不同应力幅情况下疲劳强度都能提高。图6给出了带纵肋的16Mn钢板,焊缝绕肋板围焊时,用TIG法提高疲劳强度的情况。 锤击强化法和喷丸硬化法，所产生的冷作硬化作用在改善疲劳强度上虽并不很明显，但消除微小缺口和改善缺口几何形状的作用，则不能忽视，对改善疲劳强度颇有好处。焊趾加工所采用的方法不仅有改善几何形状、消除微小缺口的效果，实际上也或多或少有一些调整剩余应力的效应。其实，UIT在一定程度上也有修整焊趾的作用。由于在高应力循环时有可能使各种方法所获得的剩余压应力重新分布，而消除其有利的效果。这时采用机械加工方法和TIG重熔法将更为有利。 图6TIG法提高疲劳强度图7工艺措施效果对比 总之，合理设计（选材与构造设计）、正确制造（工艺措施合理）、正确使用是提高结构疲劳性能的有效方法。 试比较脆性断裂和疲劳断裂两者的不同点。脆性断裂和疲劳断裂从性质到形式都一样。两者比较，都是低应力破坏，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载。结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓展览品的，有时需要长达数年时间。此外，脆性断裂受温度的影响特别显著，随着温度的降低，脆性断裂的危险性迅速增加，但疲劳极限却受温度的影响比较小，因此疲劳断裂和温度的变化关系也不大。 第四节应力腐蚀失效的特征及断口分析（1）应力腐蚀失效的特征应力腐蚀断裂是一种远低于金属屈服点的拉应力与化学侵蚀共同作用的破坏过程。纯金属对该类破坏的敏感性比不纯的金属低得多，而纯二元合金对该类破坏一般都是很敏感的。裂纹常常产生大量的分叉，并在大致垂直于影响它们产生和扩展的拉应力方向连续扩展。在这种情况下，细小的裂纹会深深地扩展进焊件之中，而表面又呈现出模糊不清的腐蚀迹象。因而，不可能有即将断裂的宏观标志，具有更大的危害性。 （2）应力腐蚀断裂断口的宏观分析在应力腐蚀断口上通常可以辨认出裂纹源、裂纹慢速扩展区和最终快速断裂区。断裂源常发生在金属材料的表面，由于化学作用，往往在裂纹源处形成腐蚀坑。一般情况下，应力腐蚀裂纹是多源的。这些裂纹在扩展过程中发生合并，形成台阶或放射状条纹等形貌。裂纹扩展部分具有明显的放射条纹，其汇聚处为裂纹源。应力腐蚀断裂断口宏观形貌呈现脆性特征，由于化学介质的作用，在断口上可以看到腐蚀特征和氧化现象，断口表面有一定的颜色，通常呈现褐色或暗色。 （3）应力腐蚀断裂断口的微观分析应力腐蚀断裂方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，由材料与腐蚀环境决定。通常碳钢和低合金钢的应力腐蚀断口是沿晶开裂的，裂纹沿着大致垂直于所施应力的晶界延伸。应力腐蚀的断裂方式不仅与材料有密切关系，而且还与介质有关。例如在含氯离子的介质中，铬不锈钢呈现沿晶断裂，而奥氏体不锈钢为穿晶断裂。应力腐蚀的显微断口还具有“腐蚀坑”和“二次裂纹”的形貌。 第五节其他类型失效的分析（1）氢损伤失效氢损伤失效（氢脆）通常分为以下两大类。①第一类氢损伤氢脆的敏感性随应变速率的增加而增加，造成裂纹或类裂纹的缺陷，如气泡、白点等。这类破坏起因于体内或从体外吸收的原子态氢在夹杂物或微裂纹等不连续处偏聚并结合成分子态氢后，体积增大产生巨大的内压力所致。 ②第二类氢损伤氢脆的敏感性随应变速率的增加而下降。此时金属体内并无裂纹源，但在低于屈服点的静拉应力下工作一段时间后出现裂纹，这些裂纹会慢慢扩展，到临界尺寸后造成构件突然断裂。工程上所说的氢脆多指这种类型的氢损伤，也称延迟破坏。 焊接时若焊条没有经过充分烘干，或烘干后保管不当，或在潮湿气氛中焊接时，都有可能在热影响区粗晶区或焊缝金属中产生延迟裂纹或出现白点。氢脆断口的宏观形貌比较光滑平整或类似于冰糖块状的沿晶断裂，与应力腐蚀断口相比，氢脆断口上的二次裂纹也较少。 （2）腐蚀疲劳失效腐蚀疲劳是重复或交变应力与腐蚀环境共同作用产生的破坏过程。当表面钝化层遭到破坏时，金属发生整体或局部腐蚀，常常在表面形成半圆形的坑蚀并在坑底产生裂纹。由于不断受到介质的腐蚀，裂纹外宽内窄，呈楔形，内部或表面往往充满腐蚀产物。这类裂纹成群出现，平行向内扩展，裂纹尖端很少分叉或不分叉。 腐蚀疲劳断口从宏观和微观来看与一般疲劳有相似之处，其宏观特点稍明显，可以出现海滩状或贝壳状痕迹，但有时也被腐蚀产物覆盖。在微观上也出现疲劳条带和脆性的“二次裂纹”特点。此外，焊接结构的失效形式还有韧性断裂失效、高温失效、腐蚀失效、磨损失效、液体冲蚀失效、微振磨蚀失效、液体金属致脆失效等。一般来说，必须检查断口并把焊件工作条件与取得的有关性能的数据进行比较，才能确定一种失效的类型，从而找出科学的解决办法。 典型焊接失效分析水泥回转窑筒体开裂事故分析（脆性断裂失效） （1）筒体失效过程某厂利用磷氮复合肥生产线排出的废渣为原料，采用筒体为4m×45m、全长为150m的湿法水泥回转窑生产水泥。该窑用6个桥墩支撑，窑体总质量900多吨，如图所示。该窑于1987年底投产，1991年7月1日首次在进料端桥墩之间挂链板端的筒体外部发现无数处小裂纹，料浆向外渗漏。从此以后，筒体外部就不断地出现裂纹，并且裂纹出现的部位，也由桥墩之问逐渐扩大到和桥墩之间的筒体上。由于没有搞清楚裂纹的性质，未能有效地控制裂纹的产生。新更换的部分筒体，也在运行了三个多月后，又开始不断地出现裂纹。因此，有必要对该回转窑筒体裂纹进行详尽的失效分析。 （2）失效分析的方法和结果通过对回转窑筒体裂纹的现场调查，对从更换下来的筒体上截取典型裂纹试样进行成分分析、金相分析、裂纹断口扫描电镜分析，并对筒体进行了受力分析和计算，综合判断裂纹的性质和失效原因，以期为该回转窑筒体裂纹的修复、重新设计和制造等项工程提供必要的技术依据。 1）断口宏观和微观分析结果宏观分析结果表明，裂纹多在挂链板和筒体之间的角焊缝附近、筒体环焊缝以及工艺焊缝附近产生。大多数裂纹沿周向扩展，个别裂纹沿筒体长度方向扩展。筒体裂纹的宏观断口特征为：①从筒体外部看到的裂纹，在其断口上只有个别点相连；②断口上无延性变形痕迹，为脆性断口；③断口上有大量的腐蚀产物；④断口沿板厚方向的中部，有许多“平面台阶”或“二次纹”。扫描电镜观察结果表明：所有试样均为沿晶开裂的脆性断口，断口上有许多空洞和“二次裂纹”。 2）母材金属化学成分和料浆成分筒体母材金属的化学成分分析结果为：c%0.17，Si%0.51，Mn%0.63，S0.02%,P0.018%，母材金属为低碳钢。该厂所用料浆主要由复合肥渣、黏土、铁粉和水等构成。料浆的PH值为6.8-8.2复合肥生产过程和磷矿本身带入，料浆的主要成分及其所含离子见下表： 金相观察结果表明，筒体母材金属的内表面上有大量深浅不一的腐蚀坑。从横截面上看，筒体内壁表面凹凸不平，局部腐蚀坑较深。裂纹沿铁素体晶界和珠光体相向母材金属中扩展。母材金属中心带状组织明显，裂纹沿带状组织扩展一定距离后，继续转向沿母材金属厚度方向扩展。这一扩展结果，将在裂纹主断口上形成“平面台阶”或“二次裂纹”。 （3）筒体受力分析和计算回转窑静止时，筒体受到的主要应力如下。①窑体自重产生的应力。②回转窑中心线偏离（相当于桥墩支点下沉或上升）引起的附加应力。③筒体制造时，切割、卷圆、焊接、装配等工序使其局部产生的残余应力。④支撑托轮通过带轮产生的应力。⑤温度应力。⑥颈缩温度应力：由于带轮和其下方的筒体温差较大，带轮的刚性大，当带轮和筒 体之间的间隙较小时，致使筒体中产生颈缩温度应力。⑦挂链板热胀冷缩在筒体中产生的应力。回转窑运转时，上述种应力叠加后，对筒体的某一点来说，受到一个大小和方向随时间变化的循环应力的作用，筒体所受叠加弯矩图如图所示。 （4）失效模式分析综合母材金属和物料成分分析结果以及宏观断口、扫描电镜及光学金相的观察结果，可以确认该回转窑筒体脆性开裂是由腐蚀造成的。该厂所用的复合肥渣中，含有复合肥生产过程中磷矿粉硝酸分解和中间反应物氮化时带入的大量、离子，磷矿粉也带入了少量的、、等离子。当矿渣制成料浆后，矿渣中的离子溶解到水中，使料浆具有一定的腐蚀性。料浆进入窑内后，通过耐火砖之间的缝隙、耐火砖与挂链板之间的缝隙、耐火砖或耐火水泥本身的孔隙等逐渐渗入，使料浆与筒体内壁接触。低碳钢筒体材质对含有、、、、等离子的料浆具有腐蚀敏感性，故产生腐蚀开裂。低碳钢筒体母材金属，在含有大量、和少量、、等离子的介质中，主要发生沿晶腐蚀开裂。由于珠光体和铁素体晶粒边界腐蚀时不产生变形，筒体裂纹断口为沿晶开裂的脆性断口，并形成大量的“二次裂纹”和空洞。 除料浆使筒体发生腐蚀外，燃料中产生和释放出的水蒸气、二氧化碳、硫化氢等气体，也可以扩散进入耐火材料中，与料浆中的其他离子一起构成对筒体的腐蚀。再者，回转窑中的碱循环，使料浆中腐蚀性离子浓度不断增加，促进筒体的腐蚀开裂。根据回转窑构造和筒体受力特点，筒体首先从内壁产生下列不同形式的腐蚀开裂。 ①缝隙腐蚀一方面，含有腐蚀性离子的料浆能通过耐火砖之间或耐火砖与挂链板之间的缝隙，或耐火材料中的孔隙扩散渗入，与筒体内壁钢板接触。另一方面，当耐火砖与筒体之间的缝隙足够小时，与钢板接触的含有腐蚀性离子的料浆维持相对静止状态，该处的筒体内壁便具备了产生缝隙腐蚀的条件。 在筒体内壁满足缝隙腐蚀条件处，筒体内壁发生缝隙腐蚀。通过氧化还原反应，铁素体晶界和珠光体组织被腐蚀。当铁素体晶界被腐蚀贯通后，铁素体相脱落。在铁素体脱落和珠光体溶解处形成了腐蚀坑。筒体内壁不同部位的介质浓度、温度等不同，使筒体内壁形成深浅不一的腐蚀坑和微裂纹。缝隙腐蚀发生时，不需特定的应力条件，所以，回转窑停窑和运转期间均可发生缝隙腐蚀。 ②应力腐蚀回转窑静止时（如停窑检修期间），筒体中静拉伸力较大的部位，在腐蚀介质和应力作用下，便发生应力腐蚀开裂。停窑期间，筒体内壁总有一部分受拉应力。在运行期间渗入到该处的介质和应力作用下，该处筒体便发生应力腐蚀开裂。缝隙腐蚀产生的腐蚀坑和微裂纹，或筒体中已有的较大尺寸的裂纹，在停窑期间，其尖端的应力强度因子大于临界应力强度因子时，均可继续发生应力腐蚀开裂。 ③腐蚀疲劳回转窑运转时，对筒体内壁某一点来说，受到一个循环应力的作用。在腐蚀介质和循环应力的作用下，筒体便发生腐蚀裂纹开裂。回转窑运转时，筒体母材金属发生腐蚀疲劳开裂。腐蚀疲劳开裂不存在一个临界应力强度因子。筒体内壁上的腐蚀坑或裂纹，均可在回转窑运行时发生腐蚀疲劳扩展。金属的腐蚀疲劳极限和腐蚀疲劳寿命受循环应力水平和应力幅、温度、介质浓度、钢板厚度等影响。号桥墩之间和号桥墩两侧的筒体中应力水平高，其腐蚀疲劳寿命就短。回转窑运转时，焊接残余应力和筒体中的应力叠加，在焊缝附近形成一个循环应力峰值和应力幅变化更大的区域，使位于高应力区的筒体焊缝附近发生腐蚀疲劳开裂。 总之，从筒体外部看到的裂纹，是缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳在不同阶段相互作用的结果。回转窑一年中约有280天处于运转状态，运转时筒体中还形成较大的温度应力，所以，筒体上的裂纹在形成过程中，腐蚀疲劳的作用更大。 （5）模拟验证采用疲劳试验机，并利用该水泥分厂所用的料浆为腐蚀介质，进行Q345钢的腐蚀疲劳试验。对比空气和料浆中的试验结果，Q345钢在料浆中的疲劳循环次数明显降低。料浆温度的升高，硝酸铵浓度的增大，试验频率的降低，都使Q345钢的腐蚀疲劳寿命降低。在料浆中，焊接接头易在焊趾处发生低频低周腐蚀疲劳。说明该厂所用的料浆的确对低碳钢具有腐蚀性，腐蚀疲劳使钢的寿命明显降低。 ②筒体的制造和安装筒体制造和安装时，主要经过切割、卷圆、焊接和装配等程序，焊接是其中的关键环节。由于筒体板厚大，焊后接头处的残余应力也就大，使筒体附近产生大量裂纹。焊接时，焊接接头附近产生残余应力是难以避免的。为了降低焊接 残余应力，宜选用低匹配、高韧性的焊接材料，以降低焊缝周围的残余应力峰值。通过合理的接头设计，选用合适的焊接方法、焊接工艺参数和焊接顺序。为了进一步降低焊接残余应力的影响，也可对焊接接头进行焊后局部消除应力处理。 窑内的物料成分和气氛窑内的料浆和窑内的气氛均可对筒体产生腐蚀。为了降低料浆对筒体腐蚀开裂的影响，必须尽可能降低复合肥中腐蚀性离子的浓度，即从复合肥生产线中控制进入复合肥中的离子浓度。也可通过在料浆中添加其他原料，在保证料浆成分的前提下，降低料浆中腐蚀性离子的浓度。为了降低窑内气氛的危害，应选用含硫较低的煤。 加防护涂层或使用复合钢板为了隔离腐蚀介质对筒体内壁造成的腐蚀，可在筒体内壁增加防护涂层。这种涂层还必须耐高温，所添加的涂层适合于大面积施工，并与筒体结合牢靠。用内侧为不锈钢的复合钢板制造筒体，可以明显提高筒体的寿命，但材料的成本较大。 定期调整回转窑的中心线回转窑的中心线偏移，会在筒体上产生很大的附加弯矩。因此，为了避免中心线偏移造成的附加应力，应定期测试回转窑的中心线，对于中心线弯曲处应尽早调整。