影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素

1、焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂:

●   疲勞斷裂是指機件在變動載荷下經(jīng)過較長時間運行發(fā)生的失效現(xiàn)象

●   疲勞斷裂呈低應(yīng)力脆性斷裂性質(zhì)

①   斷裂發(fā)生在較低的應(yīng)力下，其最大循環(huán)應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服強度；

②   斷裂部位無宏觀塑性變形；

③   斷裂呈突發(fā)性，沒有預(yù)先征兆；

④   疲勞斷裂在交變應(yīng)力作用下經(jīng)過數(shù)百次，甚至幾百萬次循環(huán)才發(fā)生。

●   疲勞斷裂呈損傷積累過程

①   金屬材料內(nèi)部組織首先在局部區(qū)域發(fā)生變化并受到損傷；

②   損傷逐漸積累，并到一定程度后發(fā)生疲勞斷裂；

③   疲勞斷裂三個階段：疲勞裂紋的形成、擴展、斷裂。

●   疲勞斷裂是焊接鋼結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，在焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故中，疲勞失效約占90%。如：船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)、鐵路及公路鋼橋以及高速客車轉(zhuǎn)向架等。

2、焊接缺陷引起的應(yīng)力集中：

●   焊接缺陷——應(yīng)力集中源，對接頭疲勞強度的影響程度取決于缺陷的種類、方向和位置。

●   缺陷種類：平面狀缺陷（如裂紋、未熔合等）體積型缺陷（如氣孔、夾渣等）

⑴ 裂紋：如熱裂紋、冷裂紋，是嚴重的應(yīng)力集中源，大幅度降低結(jié)構(gòu)及接頭的疲勞強度。如裂紋面積約為試件橫截面積的10%時，在交變載荷作用下，接頭2×106循環(huán)壽命的疲勞強度下降了55%～65%。

⑵ 未焊透：

◎   未焊透并非都是缺陷，有些結(jié)構(gòu)要求接頭局部焊透；

◎   未焊透缺陷：①表面缺陷（單面焊縫）；②內(nèi)部缺陷（雙面焊縫）；

◎   未焊透缺陷對疲勞強度的影響不如裂紋嚴重。

3、焊接缺陷其它因素對接頭疲勞強度的影響：

●   表面缺陷比內(nèi)部缺陷的影響大；

●   與作用力方向垂直的平面缺陷比其它方向的影響大；

●   位于殘余拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的影響大；

●   位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如悍趾裂紋）比在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷的影響大。

4、材料強度對接頭疲勞強度的影響：

●   材料的疲勞強度隨著材料本身抗拉強度的增加約以50%的比率增加；

●   接接頭（對接、角接）的疲勞強度與材料本身的抗拉強度無關(guān)；

●   當(dāng)接頭疲勞壽命較短時，高強鋼接頭的疲勞強度高于低強鋼接頭的疲勞強度。

5、按疲勞破壞的原因分為：腐蝕疲勞；熱疲勞；機械疲勞按應(yīng)力大小和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分為

●   低周高應(yīng)變疲勞：作用的應(yīng)力超過彈性范圍，疲勞循環(huán)次數(shù)小于104~105

●   周低應(yīng)力疲勞：公稱循環(huán)應(yīng)力小于材料的屈服極限，疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于104~105

6、疲勞破壞及影響因素（疲勞裂紋形成過程）：

●   疲勞形核：疲勞裂紋首先在應(yīng)力最高、強度最弱的基體上形成。

●   擴展階段；初始裂紋在交變載荷作用下，當(dāng)裂紋尖端處在拉伸應(yīng)力場時，由于裂紋尖端極大的應(yīng)力集中，使該處晶粒發(fā)生滑移，裂紋張開，尖端向前延伸

●   瞬時斷裂階段：當(dāng)疲勞裂紋擴展到材料的強度極限時，疲勞裂紋達到臨界裂紋尺寸而產(chǎn)生瞬時斷裂。

7、疲勞斷口可分成三個區(qū)域：

●   疲勞裂紋源：肉眼可見晶粒的粗滑移。

●   勞裂紋擴展區(qū)：宏觀有條帶和貝殼狀花紋，每一條輝紋代表一次應(yīng)力(應(yīng)變)循環(huán)及裂紋逐次向前推進的位置。對于高強鋼來說，很難辨認明顯的疲勞條紋

●   瞬時斷裂區(qū)：一般呈粗晶狀斷口或出現(xiàn)放射棱線，外觀與脆性失穩(wěn)斷裂相似。

8、焊接接頭疲勞強度計算（疲勞設(shè)計方法分類）：

●   許用應(yīng)力設(shè)計法：把各種構(gòu)件和接頭試驗疲勞強度除以特殊安全系數(shù)作為許用應(yīng)力(疲勞極限、非破壞概率95％的2×106次疲勞強度等)，使設(shè)計載荷引起應(yīng)力最大值不超過其許用應(yīng)力，從而確定構(gòu)件斷面尺寸設(shè)計方法。

●   安全壽命設(shè)計：傳統(tǒng)疲勞設(shè)計方法都是安全壽命設(shè)計。所謂安全壽命指在某一環(huán)境下，在已知小于疲勞破壞許用應(yīng)力的最大負載概率時工作的循環(huán)次數(shù)。由σ-N曲線獲得σr，并利用σmax-σmin疲勞圖進行設(shè)計。