焊接结构疲劳性能
提高焊接接头疲劳性能的研究进展简介
提高焊接接头疲劳性能的研究进展简介技术中心李加良0引言在纪念中国机械工程学会焊接学会成立四十周年和中国焊接协会成立十五周年时，学会和协会秘书处编写了一本纪念文集反映我国焊接技术各个研究方向的发展轨迹及焊接技术在各个行业的应用现状，笔者感到天津大学材料学与工程学院霍立兴等人的论文：“提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术”一文对我厂这种主要从事焊接结构件的生产企业有一定指导意义，因此缩编了此文以飨我厂读者。
自从焊接结构得到广泛应用以来，发现主要承受动载荷的焊接结构，在远没有达到其设计寿命时就出现断裂破坏现象，其中90%为疲劳失效。
近年来，各国科技工作者在这方面的研究已经取得了较大的成绩，但是焊接结构疲劳断裂事故仍不断发生，且随着焊接结构的广泛应用有所增加。
例如，九十年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了较大的经济损失。
1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，而在设计和造过程中认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的发展趋势，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。
2影响焊接结构疲劳强度的主要因素2.1静载强度对焊接结构疲劳强度的影响在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承当较大的负载重量。
制作质量对塔式起重机结构件焊接节点疲劳性能的影响
隐患 。近些 年来各 地塔式 起 重机 的倒 塌事 故发 生较
多， 造成 了重大 的人 员伤 亡和 财产损 失＿ 。因此 ， ２ ］ 有 必 要进 一步 研究塔 机 结 构 件 的疲 劳 性 能 ， 析 结 构 分
件 中实际存 在 的缺 陷对 塔 机 安全 寿 命 的影 响 ， 争 力
规范塔 机 的生产 和使 用 ， 塔 机 生产 厂 建立 质量 控 为 制 体 系 、 缺陷机 械 结 构件 的运行 安 全 性判 定 提 供 有 依据。
ＫＥ Ｗ ＯＲＤ ｊｉｔ ｄ ｆｃ ｍａ ｕａ ｔ ｒｎ ｅ ｉｔ ｎ ｆｔｇ ｅｓｒｎ ｔ ｆ ｔ ｕ ｉｅ Ｙ Ｓ ｏｎ ｅｅｔ ｎ ｆｃｕ ｉｇ ｄ ｖａｉ ａｉｕ ｔｅ ｇ ｈ ａｉ ｅｌ ｏ ｇ ｆ
随着 我国经 济 的快 速 发 展 ， 建设 工 程 对 建筑 机
作 偏 差 对 结 构 件 节 点 疲 劳 强度 和 疲 劳 寿命 的 影 响 ， 不 同 质 量 塔 机 结 构 件 节 点 的 疲 劳强 度 和 疲 劳 寿命 进 行 计 算 ， 对
提 出缺 陷和 制 作偏 差 的控 制 建议 。
关 键 词 节 点 缺 陷 制作 偏 差 疲 劳 强度 疲 劳寿 命
ｗｉｈ ｄｉｆ ｒ ｎｔｑ ｌｔ ｏｗｅ ｒ ｎｅ ｓｒ ｃ ｕｒ ｌｍ ｅ ｂｅ ｓａ ｅｃ ｌｕｌ ｅ ｎｄ ｔ ｅ ｏｍ ｍ ｅ ｄ ｉｎｓｆ ｏｎｔｏ ｆｄｅｅ ｔ ｔ ｆｅ ｅ ｕａｉｙ ｏｆｔ ｒｃ ａ ｔ ｕ ｔ ａ ｍ ｒ ｒ ａｃ ａｔｄ ａ ｈｅｒ ｃ ｎ ａｔｏ ｏｒｃ ｒ ｌｏ ｆ ｃ ａ ｅｌａ ａ ｆ ｃ ｕｒｎ ｅ ｉｔｏ ｒ ｌｏ ｐ ｏ ｗａｒ ． ｓｗ ｌ ｓｍ ｎｕ ａ ｔ ｉ ｇ ｄ ｖ ａ ｉｎ ａ ｅ ａ ｓ ｕｔｆ ｒ ｄ
焊接力学与焊接结构基础
焊接力学与焊接结构基础【原创版】目录一、焊接力学概述二、焊接结构的基本概念三、焊接结构的力学性能四、焊接结构的疲劳性能五、焊接结构的缺陷及其影响六、焊接结构的设计原则与方法正文一、焊接力学概述焊接力学是研究焊接过程中力学现象的学科，它主要研究焊接接头的形成机理、力学性能以及焊接结构在使用过程中的受力分析。
焊接力学不仅关注焊接过程中金属的塑性变形，还涉及焊接结构的强度、刚度和稳定性等性能。
二、焊接结构的基本概念焊接结构是由焊接件通过焊接方法连接而成的结构。
焊接结构具有许多优点，如重量轻、生产成本低、结构简单等，因此在许多行业中得到了广泛应用。
焊接结构的类型有很多，如梁、柱、桁架等，其形式也有所不同，如有焊缝、无焊缝等。
三、焊接结构的力学性能焊接结构的力学性能主要取决于焊接质量、焊接材料和母材的性能。
焊接质量好的结构具有较高的强度、刚度和疲劳性能。
焊接材料和母材的性能对焊接结构的力学性能也有很大影响，如强度、硬度、韧性等。
四、焊接结构的疲劳性能焊接结构的疲劳性能是指在交变载荷作用下，焊接结构能承受一定次数的循环加载而不破坏的能力。
焊接结构的疲劳性能受到很多因素的影响，如焊接质量、焊接结构形式、载荷类型等。
为了提高焊接结构的疲劳性能，需要采取一定的设计措施和工艺方法。
五、焊接结构的缺陷及其影响焊接结构在焊接过程中可能会产生一些缺陷，如焊缝裂纹、气孔、夹杂等。
这些缺陷会对焊接结构的力学性能产生不良影响，如降低强度、刚度，加剧疲劳损伤等。
因此，在焊接过程中要尽量减少缺陷的产生，以保证焊接结构的使用性能。
六、焊接结构的设计原则与方法焊接结构的设计原则主要包括以下几点：保证结构的强度、刚度和稳定性；尽量简化结构形式，降低生产成本；考虑焊接变形和残余应力的影响；遵循材料力学和焊接力学的基本规律。
焊接结构的设计方法主要包括经验法、解析法和数值法等。
经验法是根据实际工程经验进行设计的方法，适用于简单的焊接结构；解析法是通过力学方程求解焊接结构问题的方法，适用于复杂的焊接结构；数值法是利用计算机模拟焊接结构的力学性能，可以更精确地预测焊接结构的性能。
焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能分析
焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能分析焊接是一种常见的金属加工方法，通过加热和加压使金属材料连接在一起。
焊缝是焊接后形成的接头，其形貌和力学性能对焊接质量有着重要的影响。
本文将对焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能进行分析。
一、焊缝形貌分析焊缝形貌是指焊接后焊缝的外观形态及其组织特征。
焊缝形貌的好坏直接反映了焊接工艺的合理性和焊接接头的质量。
以下是焊缝形貌的主要观察指标。
1.焊缝外观焊缝外观主要包括焊缝宽度、焊缝凹凸度、焊缝表面质量等指标。
焊缝宽度应符合设计要求，不能过宽或过窄。
焊缝凹凸度应均匀，不能存在明显的凸起或凹陷。
焊缝表面应光滑、光亮，并且不能有裂纹、气孔等缺陷。
2.焊缝组织结构焊缝组织结构是指焊接过程中金属材料的晶粒生长状态和相组成。
焊缝组织结构的好坏与焊接材料的选择、焊接工艺参数的控制密切相关。
理想的焊缝组织应该具有细小均匀的晶粒和致密的结构，以提高焊接接头的强度和韧性。
3.焊缝形状焊缝形状是指焊缝截面的形状和形貌。
常见的焊缝形状有直角焊缝、V型焊缝、X型焊缝等。
选择合适的焊缝形状可以提高焊缝的强度和疲劳寿命。
二、力学性能分析焊缝的力学性能是指焊接接头在受力情况下的承载能力和变形能力。
焊缝的力学性能直接影响焊接件的使用寿命和安全性能。
以下是焊缝力学性能的主要评估指标。
1.拉伸强度焊缝的拉伸强度是指焊接接头在拉伸载荷下的最大承载能力。
高强度的焊缝具有较好的抗拉性能，能够保证焊接接头在受力情况下不易发生断裂。
2.抗剪强度焊缝的抗剪强度是指焊接接头在剪切载荷下的最大承载能力。
焊缝的抗剪强度对于焊接接头的剪切稳定性和耐疲劳性能具有重要影响。
3.韧性焊缝的韧性是指焊接接头在受到外力作用下的变形能力。
良好的焊缝韧性可以减缓焊接接头的断裂速度，提高焊接接头的断裂韧性和疲劳寿命。
4.疲劳寿命焊缝的疲劳寿命是指焊接接头在循环载荷作用下能够承受的次数。
焊缝的疲劳寿命直接决定了焊接接头的使用寿命和可靠性。
综上所述，焊接工艺中的焊缝形貌与力学性能对焊接质量具有重要意义。
焊接结构强度的基本理论
第三章焊接结构强度的基本理论焊接结构在使用中，除结构强度不够时会导致破坏外，还有其他形式的破坏，如疲劳破坏、脆性断裂等，这些破坏也是焊接结构常见破坏形式。
本章主要介绍焊接结构疲劳破坏、脆性断裂产生的原因，以及提高疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。
第一节焊接结构的疲劳破坏一、疲劳的定义疲劳定义为由重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤，疲劳极限是指试样受“无数次”应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。
在承受重复载荷结构的应力集中部位，当部件所受的公称应力低于弹性极限时，就可能产生疲劳裂纹，由于疲劳裂纹发展的最后阶段——失稳扩展（断裂）是突然发生的，没有预兆，没有明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大危胁。
焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发（或）扩展而发生疲劳破坏。
疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。
二、影响焊接接头疲劳性能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。
(仅供参考)焊点疲劳强度研讨
焊点疲劳强度研讨一．疲劳强度电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。
随着电子产品元器件安装密度的增加，电路的发热量增加，经常会发生焊接处的电气特性劣化，机械强度下降或出现断裂等现象。
材料在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
疲劳是一种低应力破坏。
二．提高疲劳强度性能的方法2．1提高焊点的可靠性提高焊点可靠性的最好方法有三个：提高焊点合金的耐用性；减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配；尽可能按照实际的柔软性来生产元件，向焊点提供更大的应变；2．1．1提高焊点合金的耐用性2．1．1．1选择合适的焊膏2．1．1 润湿性能对于焊料来说，能否与基板形成较好的浸润，是能否顺利地完成焊接的关键。
如果一种合金不能浸润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙，易使应力集中而在焊接处发生开裂。
焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。
从现象上看，任何物体都有减少其自身表面能的倾向。
因此液体尽量收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。
如果液体滴在固体表面，则会形成图一所示的情况。
图二和图三分别表示浸润不良和良好的现象。
θ为浸润角，显然浸润角越小，液态焊料越容易铺展，表示焊料对基板的润湿性能越好。
a. 当θ<900，称为润湿，B角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开；b. 当θ>90时称为不润湿，B角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，越容易收缩成接近圆球的形状;c. 当θ=00或180“时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。
通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<200。
影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。
IPC－SPVC用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示的方法评估了不同组成的 SAC 合金的润湿性，结果发现其中（零交时间与最大润湿力）并无差异，见图4。
基于网格不敏感结构应力的铝合金焊接接头疲劳性能分析
泛 的方法 之一 ． 但 名 义应 力 是 从 远 离 焊缝 处 应 力
表征所受载荷 ， 而焊接结构 的疲劳破 坏多是发生 在焊趾处等近焊缝 的区域． 虽然名义应力在数学
上有 严格 的定 义 ， 但 它不 能 真 实 地 反 应疲 劳破 坏 处， 即焊 缝 处 的应 力 状态 ． 设 计过 程 中 ， 有 限元 计 算 名 义应力 ， 会 由于 网格 敏感 性 存 在 计算 结 果 的 不 一致 性 ． 热点 应 力是 在 名 义 应 力 的 基础 上 外 推 实现 的 ， 也 同样 存在计 算 结果 的不一 致性 问题 ， 对 复杂结 构也 难 以实现 外推 ． 本文采 用 网格不 敏感 结构 应力 方法 进行 铝合
速铁路时代 ， 装备制造业也会得到空前 的发展． 因 此， 铝合金焊接结构的应用也必将得到进一步的普 及 和推广 ． 铝 合 金 焊 接 工艺 较 钢 材 焊 接更 难 以控 制， 更容易产生产生气孔、 热裂纹等缺陷， 相同结构 的铝合金 和 钢 焊 接接 头 相 比 ， 其疲 劳强 度 要 明显
疲 劳分 析 和 设 计 方 法 ． 在以 ３ Ａ ２ １ 、 ５ Ａ ０ ６、 ６ ０ ６ １等 铝合 金焊接 疲 劳 数据 建 立 疲 劳 数据 库 的基 础 上 ， 分 析 其疲 劳性 能 ， 并 对接 头 形 式 、 厚度 、 应 力 比及 材料 因素对 疲 劳性 能 的影 响进 行分 析 ．
第３ ４卷 第 ６期 ２ ０ １ ３年 １ ２月
大 连
交 通
大
学 学
报
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ． ６ Ｄｅ ｃ． ２ ０１ ３
Ｊ ＯＵ ＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬ Ｉ ＡＮ Ｊ Ｉ Ａ０Ｔ ０ＮＧ ＵＮ Ｉ ＶＥＲ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ
焊接结构疲劳强度相关知识
焊接结构疲劳强度相关知识焊接结构的疲劳强度是指在循环载荷作用下，焊接接头在无限次载荷循环中不会发生破坏的能力。
焊接结构的疲劳强度是较为复杂和重要的一种力学性能，对于确保焊接接头在长期使用中不发生破坏具有重要意义。
下面将介绍与焊接结构疲劳强度相关的各方面知识。
焊接接头的疲劳破坏模式主要有断裂疲劳和表面疲劳。
断裂疲劳是指焊接接头在循环载荷作用下，由于应力集中和裂纹发展所致的破坏。
表面疲劳是指焊接接头表面由于循环载荷的作用而出现的镀层剥落、锈蚀和微小裂纹等破坏形式。
为了保证焊接结构的疲劳强度，需要对焊接接头的设计、工艺、材料选择和检测等方面进行综合考虑。
焊缝设计对焊接结构的疲劳强度具有重要影响。
焊接接头的几何形状和尺寸对疲劳强度的影响很大。
一般来说，焊缝的几何形状应尽量避免应力集中，并应尽量减小焊缝尺寸和长度，以提高疲劳强度。
此外，焊缝的连续性和密度也对疲劳强度具有影响，焊缝的连续性和密度越高，疲劳强度越好。
焊接工艺对焊接结构的疲劳强度具有重要影响。
焊接工艺参数的选择和控制可以影响焊缝的质量和性能，从而影响焊接结构的疲劳强度。
焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接时间和焊接温度等。
合理选择和控制这些参数可以避免焊接接头出现瑕疵和裂纹等缺陷，提高焊接接头的疲劳强度。
焊接材料对焊接结构的疲劳强度具有重要影响。
焊接材料的物理、化学和力学性能会直接影响焊接接头的性能和疲劳强度。
焊接材料应具有良好的疲劳性能，具有较高的强度和韧性，并且能够适应焊接过程中的热变形和应力集中等问题。
一般来说，焊接材料应与母材具有相似的力学性能，以提高焊接接头的疲劳强度。
焊接接头的疲劳检测对焊接结构的疲劳强度评估和维护具有重要意义。
常用的焊接接头疲劳检测方法包括传统的力学性能试验和现代的无损检测技术。
力学性能试验主要通过加载焊接接头并测量其应力应变关系来评估其疲劳强度，但这种方法需要实际加载焊接接头，成本较高。
无损检测技术主要包括超声波检测、磁粉检测、涡流检测和X射线检测等，可以通过对焊接接头进行非破坏性检测来评估其疲劳强度。
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③应力集中达到一定程度高强钢≈低碳钢
4.2.5金属疲劳的分类
按载荷工况 工作环境
按研究对象
按失效周次
按受力状态
按载荷特征
材料疲劳
高周疲劳
单轴疲劳
恒幅疲劳
常规疲劳 高低温疲劳
பைடு நூலகம்
结构疲劳
低周疲劳
多轴疲劳
变幅疲劳
热疲劳 随机疲劳 热-机械疲劳 腐蚀疲劳 接触疲劳
材料疲劳：主要研究材料的失效机理，化学成分、微观组织、 环境和工况等对疲劳强度的影响，研究疲劳断口的宏观和微观 形貌等。 结构疲劳：以部件、接头以致整个结构为研究对象，研究它们 的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法， 形状、尺寸和工艺因素的影响以及提高疲劳强度的方。 高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经 104~105以上循环产生的失效。(弹簧、传动轴等)
飞机疲劳事故
2010年11月29日，阿根廷 举行飞机表演现场，金属 疲劳造成机翼断裂，如图 中左机翼。
疲劳断裂安全隐患
铁道部大举召回动车原因：轮 对发现裂纹 轮对是机车与钢轨相接触 的部分，由左右两个车轮压装 在同一根车轴上组成，其作用 是保证机车车辆在钢轨上的运 行和转向，承受来自机车车辆 的全部静、动载荷，把它传递 给钢轨，并将因线路不平顺产 生的载荷传递给机车车辆各零 部件，使容易发生机械疲劳， 存在安全隐患。
焊接结构疲劳性能
4.1.1 焊接结构疲劳断裂事故多发的原因
①承受动载的焊接结构越来越多，承受的载荷越来越大 ，而焊接结构并没有严格按照疲劳设计规范进行设计； ②虽然焊接接头静载承受能力一般与母材相当，但承受 疲劳载荷能力与母材相比较差，没有引起设计者、制造 者、使用者的足够认识。
斜拉索桥事故
脉动循环疲劳 破坏临界点
OA=σ-1
OB=σ1, 即σb
OC线与横轴的夹角α=45°, tgα= 1.
相应于应力循环特性为R的情况,只需 作一条与横坐标轴夹角为α的射线,其 交于曲线ACB上的交点C的坐标之和:
σa(C)＋σm (C) = σR(C)
图4-9 σa-σm表示法 静载强度破坏点
(3) σmax(σmin)-σm表示的疲劳图
ADC最大应力线 BEC最小应力线 OA=σ-1 C点：静载荷破坏点
E点：σmin=0
D点：脉动循环的疲劳极 限(σmin=0)
max 2 max 2 tan 用作图法可求出任一R下的疲劳强度， m max min 1 R
R=-1 R>0 σm σmin t σa σmax
σ
0
R=0
R=1
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
17
min r 1 max m 0
火车轴（弯曲） 曲轴（扭转）
r
0
m
max max
2
0
r
min
0 2
0
r0
0 r 1
lnN N1 N2
σ— lnN 疲劳曲线
4.2.3疲劳强度的常用表示方法
为了直观表达疲劳强度和循环特性之间关系，运用实验 数据可绘出下列几种形式的疲劳图。
利用疲劳图，可查得各种循环特性下、对应一定循环寿 命的疲劳强度，了解某种材料的抗疲劳性能。 换言之，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。
常 规 疲 劳：在室温、空气介质中的疲劳
低 温 疲 劳：低于室温的疲劳 高 温 疲 劳：高于室温的疲劳 热 疲 劳：温度循环变化产生的热应力导致的疲劳 热-机械疲劳：温度循环与应变循环叠加的疲劳 腐 蚀 疲 劳：腐蚀环境与循环应力(应变)的复合作用所导致的疲劳 接 触 疲 劳：滚动接触零件在循环接触应力作用下，产生局部永久 性累积损伤，经一定的循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深 层剥落的过程 冲 击 疲 劳：重复冲击载荷所导致的疲劳
(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），与其所需的加 载次数N(疲劳寿命）之间的对应关系 曲线。 (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4-3 水压机焊接机架的疲劳断裂
对于焊接结构，疲劳裂纹都是从设计不良的焊接接头的应 力集中部位开始的。
4.2.1疲劳载荷及其表示方法
常用正弦应力或正弦应变进行加载
σ
σmax 0 σmin
(1)应力循环中的参数 σmax——应力循环中最大应力值； σmin ——应力循环中最小应力值，
t
σm ——应力循环中平均应力值； σa ——应力循环中应力振幅； R ——应力循环特征系数。
4.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线
4.2.2.1疲劳试验 在控制载荷或应力的试验条件下，记录试样在某一循环应 力作用下达到断裂时的循环次数N。
控制应力，得到σ-N曲线
控制应变，得到ε-N曲线
S-N曲线
4.2.2.2疲劳曲线——乌勒疲劳曲线 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。
云天化公司爆炸
2009年３月２３日云南云天 化股份有限公司的合成氨装 置合成塔出口管道断裂，事 故导致７名员工受到轻微伤。 由于高温、高压气体外泄形 成了强冲击波，导致合成氨 装置合成塔出口管道发生断 裂。
深圳华侨城事故
“太空迷航”在设备设计方 面存在的问题包括：座舱支承系 统的中导柱法兰与活塞杆之间的 联接为间隙配合，使中导柱内一 个直径为16毫米的螺栓承受交变 载荷，设计上没有考虑该螺栓承 受交变载荷，未进行相应的疲劳 验算，而且结构设计没有考虑在 现场安装、维护时保证该螺栓达 到预紧力的有效措施。由于该螺 栓松动，加剧了中导柱法兰与活 塞杆在运行时的相对运动，使该 螺栓的受力状况恶化，从而导致 该螺栓产生疲劳破坏。
委内瑞拉的Maracibo桥， 建于1960年，是世界著名 的预应力混凝土斜拉索桥， 由于桥索涂漆层经不住风 雨的侵蚀，在拉索的剧烈 振动下，192根的钢索中 有25根存在严重隐患， 1979年2月，一根拉索突 然疲劳断裂，造成桥体局 部坍塌，直接经济损失达 5000万美元。
桥梁疲劳事故
辽宁盘锦田庄台大桥 2004年6月10日早晨7时许， 辽宁省盘锦市境内田庄台 大桥突然发生垮塌。大桥 从中间断裂27米。 该桥在超限车辆长期作用 下，内部预应力严重受损。 由于重载冲击力使大桥第 9孔悬臂端预应力结构瞬 间脆性断裂，致使桥板坍 塌。
低周疲劳：材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于 104~105次循环产生的失效。(压力容器、燃气轮机零件等)
单轴疲劳：单向循环应力作用下的疲劳。 多轴疲劳：多向循环应力作用下的疲劳。 恒幅疲劳：疲劳载荷中，所有峰值载荷均相等和所有谷值载 荷均相等的载荷，承受恒幅载荷的疲劳为恒幅疲劳。 变幅疲劳：疲劳载荷中，所有峰值载荷不等或所有谷值载荷 不等或两者均不等的载荷为谱载荷，承受谱载荷的疲劳为变 幅疲劳。 随机疲劳：疲劳载荷中峰值载荷和谷值载荷及其序列是随机 出现的谱载荷为随机载荷，承受随机载荷的疲劳为随机疲劳。
R －1 0 R 1
直接地将σmax与R的关系表示出来
（2）σa-σm表示法
对称循环应力下疲 劳破坏的临界点
图解:已知R, 则 tanα= σa /σm= (1-R)/(1+R); 特征值:
ACB为疲劳极限曲线，即 该曲线内的任意点不发生 疲劳破坏，曲线外的点， 经一定的应力循环次数后 发生疲劳破坏。
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。
(1)σmax―R表示的疲劳图
图例：
σmax
特点：直观、方便
σR
σ－1
σ0
σ1
m
min
m 0
连杆
m 0
缸盖螺钉 （大拉小拉）
齿轮齿根
（弯曲）
球轴承
（压缩） （小拉大压）
图 R值与实例
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。
4.1.2 焊接结构疲劳断裂事例
图4-1 直升飞机起落架的疲劳断裂
图4-2 载重汽车纵梁的疲劳断裂结构
裂纹从高度集中的角接板尖端开始， 该机飞行着陆2118次后发生破坏。
汽车底架纵梁断裂，该处承受反 复的弯曲应力，且高应力集中
高 应 力 集 中 部 位
图4-4
焊趾部位的疲劳裂纹
靠近焊缝端部的焊趾部位的疲劳 裂纹，由于较高应力集中所致。
两种形式的乌勒疲劳曲线
图例1 σmax
σ1 σ2 揭示内涵：不同载荷，不同寿命！
降低载荷，寿命提高！
曲线的水平渐近线为疲劳极限
N N1 N2
σ— N 疲劳曲线
两种形式的乌勒疲劳曲线
图例2 σmax
σ1 σ2 揭示内涵：不同载荷、不同寿命！ 意义：曲线变折线，图形更好看！ 水平线代表疲劳极限的数值
(1)静态拉、压载荷(横轴，黄线) R=1,σa=0, σmax=σmin=σm (2)拉伸变载荷:(黑线) 0<R<1, 0<σmin<σmax (3)脉动载荷：(红线) R=0,σmin=0 (4)对称载荷: (蓝线) R=-1，σmin＝-σmax, (5)随机变载荷： 幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。 图 应力循环基本类型图