焊接结构疲劳性能
第十课 焊接结构的疲劳破坏
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2.焊接残余应力的影响 2.焊接残余应力的影响 焊接残余应力的存在，改变了平均应力σav的 焊接残余应力的存在，改变了平均应力σ 大小，而应力幅值σ 大小，而应力幅值σa没有改变 。 σ max + σ min σmax - σmin σav = σa = 2 2 一般拉应力有害，压应力有利。 3.焊接缺陷的影响 3.焊接缺陷的影响 三、提高焊接结构疲劳强度的措施 1.降低应力集中 1.降低应力集中 （1）采用合理的结构形式 ①优先选用对接接头 ②避免偏心受载
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③减少断面突变； ④避免三向焊缝空间交汇； ⑤单面施焊的对接焊缝，背面不允许放置永久性垫 板；由于每段焊缝始末端有较高的应力集中，避 免采用断续焊缝。 （2）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，最好磨平； ②T形接头最好采用带凹度的焊缝； ③焊趾最好平滑过渡，必要时可进行磨削或氩弧重 熔。
第四节 焊接结构的疲劳破坏
疲劳是金属结构失效的一种主要形式，由于疲劳 而失效的金属结构，约占失效结构的90%，疲劳一 般是从应力集中处开始的，而焊接结构的疲劳一般是 从焊接接头处开始的。 一、疲劳的概念 1.疲劳定义 材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产 生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹 或突然发生完全断裂的过程。
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1
2.疲劳极限 2.疲劳极限
3.疲劳断裂过程 3.疲劳断裂过程
裂纹萌生 锐化 → 钝化 → 再锐化稳定扩展 失稳扩展（断裂） 2
焊接结构疲劳性能
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。
焊接结构疲劳失效的原因及改善措施办法总结
焊接结构疲劳失效的原因及改善措施办法总结焊接结构疲劳失效是指在长时间的使用过程中，由于受到重复载荷的作用，焊接接头或部件出现疲劳裂纹，最终导致结构失效。
焊接结构疲劳失效的主要原因包括材料质量、焊缝设计不良、焊接工艺不合理等。
下面将就这些问题逐一进行分析，并提出相应的改善措施和办法。
首先，材料质量是影响焊接结构疲劳失效的一个重要因素。
若使用的材料强度较低，容易发生疲劳失效。
此外，若材料存在明显的内部缺陷、气孔、夹杂物等，也会直接影响材料的力学性能，导致焊接接头的强度和疲劳性能下降。
为了改善这一问题，应首先确保选用的材料质量可靠，在焊接前进行严格的材料检查，杜绝存在缺陷的材料使用。
其次，可以通过热处理等方式来提高材料的力学性能和疲劳强度。
其次，焊缝设计不良也是导致焊接结构疲劳失效的原因之一、一般来说，焊缝的形状和大小应根据受力情况进行合理的设计，以保证焊接接头的强度和疲劳寿命。
若焊缝设计不当，容易导致应力集中或者应力分布不均匀，使得焊接接头容易产生裂纹。
改善这一问题的措施包括：合理选择焊缝的形状和尺寸，尽量减少应力集中区的存在；采用多道焊接的方式，提高焊缝的强度和疲劳寿命；增加过渡部位的长度，减小应力集中的程度。
此外，焊接工艺不合理也是导致焊接结构疲劳失效的一个关键因素。
焊接工艺的合理性直接影响焊接接头的质量和疲劳强度。
若焊接参数选择不当，焊接过程中存在较大的热输入或者冷却速度过快等问题，容易导致焊接接头产生裂纹。
为了改善这一问题，应根据焊接接头的特点和使用条件，选择适当的焊接工艺参数。
同时，在焊接过程中，要严格执行焊接规程，保证焊接接头的质量和性能。
综上所述，改善焊接结构疲劳失效的措施和办法包括：选择优质的材料，确保材料的质量可靠；进行合理的焊缝设计，减少应力集中和应力分布不均匀的问题；合理选择焊接工艺参数，保证焊接接头的质量和疲劳强度。
此外，为了及时发现焊接结构的裂纹，可以采用无损检测技术进行定期检查，及时发现问题并采取相应的维修措施。
焊接结构的疲劳强度
第6章焊接接头和结构的疲劳强度§6-1 疲劳破坏及特性一、疲劳破坏疲劳破坏是焊接金属结构的一种主要失效形式。
材料在交变或波动载荷作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的屈服极限，但由于材料局部造成某种程度的永久变形，从而产生裂纹并最终断裂。
在循环应力、拉伸应力和塑性应变的共同作用下形成的，一般来说，循环应力造成疲劳裂纹产生，拉伸应力造成扩展。
二、疲劳断裂分类1．按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳。
2．按应力大小和应力循环次数分为（1）低周高应力疲劳：作用的应力超过弹性范围，承受远高于屈服极限的循环载荷。
疲劳循环次数小于104~105；（2）高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大于104~105。
应力场强度因子K处于弹性范围，塑性变形仅局限在很小的局部区域。
高周低应力疲劳其应力应变曲线如图7-1(a)所示，一次拉伸的应力-应变曲线为OA，用相图6-1 应力应变循环图图6-2 大变形后卸载图7-3 疲劳裂纹扩展示意图 同的试样进行一次压缩，应力-应变曲线为OB 。
低周高应力疲劳其应力应变曲线如图7-1(b)所示，拉伸时应力应变曲线由O 点到A 点，之后进行压缩，应力应变曲线由A 点到B 点，再进行拉伸，应力应变曲线由B 点回到A 点，完成一次应力应变循环。
一次应力应变循环卸载后，产生了塑性应变εp 和弹性应变εe ,如图7-2所示。
总应变为：ε=εp +εe 三、疲劳断裂过程及断口特征1．疲劳断裂过程疲劳破坏的实质就是疲劳裂纹的成核和长大。
其过程分为三个阶段，如图7-3所示。
（1）疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。
夹渣物和基体晶面开裂，滑移带开裂，孪晶和晶界开裂。
该区域不大，最多为2～5晶粒范围。
当疲劳裂纹的核心一旦在试样表面滑移带或缺陷出晶界上形成后，立即沿滑移带的主滑移面向金属内部扩展，此滑移面的走向大致与主应力成450交角。
焊接结构的疲劳
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，
3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。
r min 1 max
m 0
r 0 0 max
m
max 2
r min 0
m
min 2
0
r0
mm 0
0 r 1
m 0
火车轴（弯曲） 齿轮齿根 曲轴（扭转） （弯曲）
球轴承
连连杆杆
缸盖螺钉
（压缩） （（小小拉拉大大压压）） （大拉小拉）
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。
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。
低周疲劳的特点 1、局部产生宏观变形，应力与应变之间
焊接结构疲劳强度
焊接结构疲劳强度焊接是一种常见的金属连接方法，但焊接接头在使用过程中容易受到疲劳破坏。
焊接结构的疲劳强度是指焊接接头在受到交变载荷作用下能够承受的最大循环载荷次数。
疲劳强度的评估对于焊接结构的设计和使用至关重要。
本文将介绍焊接结构的疲劳破坏机制、影响疲劳强度的因素以及提高焊接接头疲劳强度的方法。
焊接结构的疲劳破坏机制主要包括以下几种：1.脆性断裂：焊接接头容易出现脆性断裂，主要是由于焊接过程中，焊缝和周边热影响区的组织发生变化，使其变得脆性，降低了焊接接头的疲劳强度。
2.裂纹扩展：焊接接头中存在的焊接缺陷（如气孔、夹杂等）是裂纹扩展的起始点。
在交替加载下，焊接接头中的裂纹会逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。
影响焊接结构疲劳强度的因素主要包括以下几个方面：1.焊接材料选择：焊接材料的强度和塑性对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
通常情况下，焊接接头的强度应大于被焊接材料的强度，以保证焊接接头的疲劳寿命。
2.焊接工艺参数：焊接过程中的工艺参数（如焊接电流、焊接速度等）会对焊接接头的组织结构和性能产生影响，进而影响焊接接头的疲劳强度。
3.焊接接头形状和几何尺寸：焊接接头的形状和几何尺寸也会影响其疲劳强度。
一般来说，焊接接头的强度随着接头厚度的增加而增加，但是当厚度过大时，会导致应力集中，从而降低疲劳强度。
提高焊接接头疲劳强度的方法主要包括以下几个方面：1.选择合适的焊接方法：不同的焊接方法对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
例如，自动化焊接方法相对于手工焊接方法具有更高的焊接质量和疲劳强度。
2.进行焊接前的准备工作：在焊接前，需要对焊接接头进行彻底的清洁和表面处理，以减少焊接缺陷的产生。
3.优化焊接工艺参数：通过调整焊接的工艺参数，可以改善焊接接头的疲劳强度。
例如，适当增大焊接电流和焊接速度，可以减少焊缝内的局部熔化区，从而提高焊接接头的强度。
4.对焊接接头进行后处理：通过对焊接接头进行热处理或应力释放，可以改善焊接接头的组织结构和性能，提高其疲劳强度。
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。
焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法
焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法引言焊接接头是工程结构中常见的连接方式，其疲劳性能对于结构的安全性和可靠性至关重要。
因此，对焊接接头的疲劳性能进行研究和寿命预测具有重要的理论和实际意义。
一、焊接接头的疲劳性能研究1. 疲劳破坏机理焊接接头在工作过程中，由于受到载荷的作用，会产生应力集中现象，从而导致接头发生疲劳破坏。
疲劳破坏主要包括裂纹的形成、扩展和最终断裂。
2. 影响疲劳性能的因素焊接接头的疲劳性能受到多种因素的影响，包括焊接工艺、焊缝形状、焊接材料、应力水平等。
其中，焊接工艺是影响疲劳性能的重要因素之一，包括焊接温度、焊接速度、焊接电流等。
3. 疲劳试验方法为了研究焊接接头的疲劳性能，通常采用疲劳试验方法。
疲劳试验可以通过施加不同的载荷和循环次数，模拟真实工作条件下的应力变化，从而评估焊接接头的疲劳寿命。
二、焊接接头寿命预测方法1. 经验法经验法是一种简化的寿命预测方法，通过根据已有的试验数据建立经验公式，来预测焊接接头的疲劳寿命。
这种方法的优点是简单易行，但是由于其基于试验数据的经验总结，其适用范围较窄。
2. 统计学方法统计学方法是通过对大量的试验数据进行统计分析，建立疲劳寿命的概率分布模型，从而预测焊接接头的寿命。
这种方法考虑了试验数据的分布特征，能够提供较为准确的寿命预测结果。
3. 数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机软件对焊接接头进行有限元分析，通过模拟实际工作条件下的应力分布和变化规律，来预测焊接接头的疲劳寿命。
这种方法具有较高的精度和灵活性，但是需要大量的计算资源和较长的计算时间。
结论焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法是一个复杂而重要的课题。
通过对焊接接头的疲劳破坏机理的研究，可以更好地理解焊接接头的疲劳性能。
同时，选择合适的寿命预测方法，可以为焊接接头的设计和使用提供科学依据，提高结构的安全性和可靠性。
未来，还需要进一步深入研究焊接接头的疲劳性能，开发更准确、高效的寿命预测方法，以满足不断发展的工程需求。