第七章 焊接接头和结构的疲劳强度 7.1 材料及结构疲劳失效的特征 材料及结构疲劳失效第一个特征：疲劳断裂形式与脆性断裂形式有明显差别。 第七章 焊接接头和结构的疲劳强度 7.1 材料及结构疲劳失效的特征 材料及结构疲劳失效第一个特征：疲劳断裂形式与脆性断裂形式有明显差别。 材料及结构疲劳失效第二个特征：疲劳强度难以准确定量确定。 材料及结构疲劳失效第三个特征表现为：疲劳破坏一般从表面和应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。

7.2 疲劳试验及疲劳图 7.2.1 疲劳载荷及其表示法 图 疲劳试验中的载荷参数

图 疲劳试验中的载荷范围

a）循环次数采用线形坐标 b）循环次数采用对数坐标 7.2.2基础疲劳试验及疲劳曲线 图 结构钢St37的S-N曲线 a）循环次数采用线形坐标 b）循环次数采用对数坐标

图 两种类型疲劳曲线 a）钢铁材料 b）部分有色金属材料（如铝合金等）

为了表达疲劳强度和循环特性之间的关系，应当绘出疲劳图。 7.2.3疲劳强度的常用表示法-疲劳图 为了表达疲劳强度和循环特性之间的关系，应当绘出疲劳图。 1、用σmax和r表示的疲劳图即Moore，Kommers疲劳强度图。它能直接的将σmax与r的关系表示出来。 图6-8 用σmax和r表示的疲劳图

2、用σmax和σm表示的疲劳图即Smith疲劳强度图

3、用σa和σm表示的疲劳图即Haigh疲劳强度图

4.用σmax和σmin表示的疲劳图 即Goodman疲劳强度图

疲劳图应用举例 图为一组实例。该钢种的静载强度为60kgf/mm2（588N/mm2，A点）。200万次脉动循环的疲劳强度为31kgf/mm2(304N/mm2，B点)。而其交变载荷r=-1的疲劳强度为20kgf/mm2(196kgf/mm2，C点)。对于r=1/2的疲劳强度，根据ADB线的交点即可找出，为42kgf/mm2等。 作业题：在该图上找出n=100万次的各种循环特性的疲劳强度值。

7.2.4 各类参数对疲劳强度的影响 1.材料的影响 不同材料的疲劳强度不同 2.表面状况的影响 图 表面状况对疲劳强度的影响

3.循环次数的影响 对应不同的疲劳破坏循环次数， 疲劳强度有很大不同 。 图 Haight疲劳强度图

对应不同的疲劳破坏循环次数， 疲劳强度有很大不同 图 Smith疲劳强度图 图 Goodman疲劳强度图

对应不同的疲劳破坏循环次数，疲劳强度有很大不同 图 Moore，Kommers疲劳强度图

4.应力性质的影响 应力特性对疲劳强度的影响亦很大 图 铸铁在抗拉强度与抗压强度范围内的疲劳强度 图 结构钢的疲劳强度（疲劳极限）—— 按统计分析作出的线性曲线 a）疲劳强度图 b）S-N曲线

5.缺口效应的影响 图 不同缺口效应时结构钢的S-N曲线 （已作偏于安全的近似）

6.频率、温度、环境、复合应力载荷的影响 载荷循环频率对疲劳强度也有不同程度影响，钢疲劳强度受载荷循环频率影响不大，工程技术中常用的频率范围是0.1-200Hz, 低温试验表明虽频率的增高试件疲劳强度稍有增加，但温度升高到一定程度后，虽着频率的增高试件疲劳强度又会下降，对于铝合金，这种频率影响较为明显；与材料的静载强度类似，其疲劳强度在低温时增加，在高温时降低，高温时要注意蠕变过程。

7.3 疲劳断裂的物理过程和断口特征 疲劳断裂的过程一般由三个阶段所组成：一、在应力集中处产生初始疲劳裂纹―裂纹萌生；二、裂纹稳定扩展；三、失稳断裂。 在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其它联接型式的循环次数少。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。 宏观特征：从断裂开始点向四周射出类似贝壳纹的疲劳纹。对于塑性材料，宏观断口为纤维状，暗灰色；对于脆性材料则是结晶状。

各种类型的疲劳的断口形态示意图：表征了载荷类型、应力大小和应力集中等因素对断口形态的影响。 表 各种类型的疲劳断口形态示意图

疲劳断口的微观特征和断裂机理 图 疲劳裂纹扩展的辉纹 图 疲劳裂纹的扩展过程 a) 无载荷 b) 小的拉伸载荷 c) 最大拉伸载荷 d)小的压缩载荷 e) 最大压缩载荷 f)小的拉伸载荷 应力轴沿垂线方向

7.4 焊接接头的疲劳强度计算标准 计算钢结构的疲劳强度时，基本金属和连接的疲劳许用应力按下列公式确定： 绝对值最大的应力为拉力时： 绝对值最大的应力为压力时：

7.5 影响焊接接头疲劳强度的因素 7.5.1应力集中的影响 影响基本金属疲劳强度的因素（例如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况、介质等）同样对焊接结构的疲劳强度有影响。除此以外焊接结构本身的一些特点。 7.5.1应力集中的影响 疲劳强度系数可定义为： 图 过度角θ以及过渡圆弧半径R对对接接头

图 低碳钢及低合金钢对接接头在机械加工后的疲劳强度 图未经加工的低碳钢及低合金钢对接接头的疲劳强度 1.钢焊接接头 图 低碳钢及低合金钢对接接头在机械加工后的疲劳强度 1—低合金锰钢 2—低碳钢 3—低合金锰钢未焊母材 4—低碳钢未焊母材 图未经加工的低碳钢及低合金钢对接接头的疲劳强度 1—低合金锰钢 2—低碳钢 3—低合金锰钢未焊母材 4—低碳钢未焊母材

低碳钢十字接头的试验结果 图 未开坡口的十字接头 1-低合金锰钢 2-低碳钢 图 开坡口的十字接头 1-焊缝经过机加工 2-焊缝未经过机加工

丁字接头上有一个偏心力矩，降低了过渡区的应力，它的应力集中比对称的十字接头低 ，其数值接近于图中阴影线的上限 。 图 焊缝不承受工作应力的丁字 和十字接头的疲劳强度

低碳钢的搭接接头的疲劳试验结果 图 低碳钢搭接接头的疲劳强度对比

具有较严重应力集中的焊接接头如十字接头，无论它是由低强钢或高强钢制成，其对称循环疲劳强度或脉动循环疲劳强度均不高，高强钢会失去其静载强度方面的优势。 图 低强结构钢和中强结构钢焊接接头脉动疲劳强度与缺口效应的关系

图 低、中、高强度结构钢对接接头的低周和中周脉动疲劳强度（r =0） 在中周和低周疲劳强度范围内高强钢的优点就会显示出来，它的S-N曲线会随其抗拉强度的增大而相应升高 。 ） 图 低、中、高强度结构钢对接接头的低周和中周脉动疲劳强度（r =0）

2.铝合金焊接接头 表 铝合金焊接接头疲劳强度系数 σ⊥ σ⊥或σ∥ 焊缝种类 母材受载情况 疲劳强度降低系数 对接焊缝 0.45～０.75 表 铝合金焊接接头疲劳强度系数 （拉伸脉动应力幅疲劳强度为155~170N/mm2，对称交变循环应力幅疲劳强度为95~100N/mm2，破坏概率Pf=0.1） 焊缝种类 母材受载情况 疲劳强度降低系数 对接焊缝 σ⊥ 0.45～０.75 K形对接缝（十字接头） 0.2 角焊缝（十字接头中） 0.3～0.5 正面角焊缝侧面角焊缝（搭接） σ⊥或σ∥ 0.15～0.2 横向筋板接头 0.4～0.7 对接焊缝与角焊缝（工字梁上） 0.45～0.7 纵向筋板接头

7.5.2 近缝区金属性能变化的影响 图 疲劳强度σ-1与应力集中的关系 1—基本金属 2~4 不同冷却速度下热影响区情况 图 疲劳强度σ-1与应力集中的关系 1—基本金属 2~4 不同冷却速度下热影响区情况 2—1000℃/s 3—28℃/s 4—6.8℃/s

a）钢3试验结果b）c）含镍铬低合金钢试验结果d）硅锰钢试验结果 图 基本金属和热影响区的疲劳强度 a）钢3试验结果b）c）含镍铬低合金钢试验结果d）硅锰钢试验结果 ○—焊接试样●—没有焊缝的试样

图 几种焊缝金属及经过模拟焊接热处理的钢材的裂纹扩展速率规律 材料的性能对裂纹扩展速率有一定的影响，但不太大。 图 几种焊缝金属及经过模拟焊接热处理的钢材的裂纹扩展速率规律

试验的结果表明，对于高组配即软夹硬的焊接接头，力学性能不均匀性对于接头的疲劳强度基本上没有影响，如图6-36所示。此时接头的疲劳强度取决于较软的基本金属。而在具有较软夹层即硬夹软的焊接接头中，疲劳强度还取决于层的尺寸h/d 。 图 接头疲劳极限与夹层尺寸的关系 ○—“硬夹层”情况 ●—“软”夹层情况

7.5.3 残余应力的影响 图 疲劳强度与σa、σm关系 图 焊接应力对应力循环的影响

采用不同焊接次序来获得不同的焊接应力分布的试样对比试验 图 利用不同焊接次序调整试样焊接 应力的疲劳强度对比试验结果

图 带有交叉焊缝试样焊态（1）与经过热处理消 除内应力（2）的疲劳强度对比

图 带纵向短筋板试样的疲劳强度 1—焊态 2—焊后经过热处理

7.5.4 缺陷的影响 图 咬边在不同的载荷作用下对疲劳强度的影响

缺陷的影响 图 未焊透在不同载荷作用下对疲劳强度的影响 规律： 平面类型缺陷（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平面缺陷的影响比其它方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷的影响比在残余压应力区内的大；位于应力集中区的缺陷（如焊缝趾部裂纹）的影响比在均匀应力场中同样缺陷影响大。

3—12Cr18Ni9Ti自动氩弧焊 4—LY12自动氩弧焊 5—低碳钢埋弧焊自动焊 图 未焊透深度百分比对疲劳强度的影响 1-LF6自动氩弧焊 2—30CrMnSiA埋弧焊 3—12Cr18Ni9Ti自动氩弧焊 4—LY12自动氩弧焊 5—低碳钢埋弧焊自动焊 图 焊趾裂纹与平板表面裂纹的扩展 a）平板表面裂纹 b）焊趾裂纹

7.6 提高焊接接头疲劳强度的措施 7.6.1焊接结构疲劳强度设计概述 7.6.2疲劳强度设计的一般原则 7.6.3提高疲劳强度的工艺措施 （1）降低应力集中 1）采用合理的结构形式 图 几种设计方案正误比较

2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头形式 图 铲土机零件 图 轮毂机构 图 不合理的对接焊缝

（3）当采用角焊缝时（有时不可避免）须采取综合措施（机械加工焊缝端部，合理选择接板形状，焊缝根部保证熔透等）来提高接头的疲劳强度，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。 表是部分接头进行综合处理的实例。实验证明，采用综合处理后，低碳钢接头处的疲劳强度提高3～13倍。对低碳合金钢的效果更显著。

（4）在某些情况下，可以通过开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处来提高接头的疲劳强度。 图 带有缓和槽的焊接电机转子

（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，提高接头疲劳强度。但是这种表面机械加工的成本高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适合采用这种加工。 （6）采用电弧TIG或等离子束整形的方法可以代替机械加工的方法来使焊缝与基本金属之间平滑过渡。 图 采用钨极氩弧整形提高接头疲劳强度

超载预拉伸方法由于可降低残余拉伸应力，甚至在某些条件下在缺口尖端处产生残余压应力，因此它往往可以提高接头的疲劳强度。 （2）调整残余应力场 可以分为两类：一类是结构或元件整体处理，另一类是对接头部位局部处理。第一类包括整体退火或超载预拉伸法，第二类一般是在接头某部位采用加热、辗压、局部爆炸等方法使接头应力集中处产生残余压应力。 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，残余拉应力的不利影响增大，退火往往是有利的。 超载预拉伸方法由于可降低残余拉伸应力，甚至在某些条件下在缺口尖端处产生残余压应力，因此它往往可以提高接头的疲劳强度。

2）局部加热处理 采用局部加热可以调节焊接残余应力 3） 预先超载 实际中，只要施以一拉伸载荷（一次性）便可在缺口顶端得到所希望的压应力。 图 调节应力场提高疲劳强度

（3）改善材料的表面性能 表面强化处理，用小轮挤压和用锤轻打焊缝表面及过渡区，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。 缺口激冷是正在研究的一种办法，如在加热缺口区时紧接着便用水枪对该表面进行局部激冷处理，则被激表面将硬化且产生残余压应力。 试件号 试件加工部分简图 焊后加工情况 疲劳强度 N/mm2 % 1 未加工 237 100 2 风锤锻打 270 11.9 3 107 45 4 加热至600℃ 回火2小时 5 表面喷丸 224 94 6 227 96 （4）特殊保护措施 焊缝外部缺口表面的金属或塑料涂层能提高疲劳强度

图 不同工艺方法提高焊接接头疲劳强度的比较（结构钢、横向简板接头、脉动加载） 图 不同工艺方法提高焊接接头疲劳强度的比较 7.6.4提高疲劳强度几种工艺方法的定量分析与比较 图 不同工艺方法提高焊接接头疲劳强度的比较（结构钢、横向简板接头、脉动加载） 图 不同工艺方法提高焊接接头疲劳强度的比较 （结构钢、纵向简板接头、脉动加载）

7.7断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 应用断裂力学把疲劳设计建立在构件本身存在裂纹这一客观事实的基础上，估算结构的寿命是保证构件安全工作的重要途径，同时也是对传统疲劳试验和分析方法的一个重要补充和发展。 6.7.1 裂纹和亚临界扩展 图 亚临界裂纹与临界裂纹尺寸

裂纹扩展速率可写成以下形式： 帕瑞斯（Paris）提出了以下关于裂纹扩展的重要经验公式： ： 对于中心开有长2a缺口（裂纹）的无限宽板，有: 亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方法的限制，而直接受应力强度因子幅度⊿K的控制

图 根据“指数规律”公式绘制的7075-T6铝合金的da/dN与ΔK的关系曲线 帕瑞斯的指数规律公式（6-9）有两个缺点： 首先它未考虑平均应力对da/dN的影响，其次是它未考虑当裂纹尖端的应力强度因子趋近其临界值KIc时，裂纹的加速扩展效应。 福曼（Forman）提出修正公式： 图 根据“指数规律”公式绘制的7075-T6铝合金的da/dN与ΔK的关系曲线 图 根据福曼公式绘制的7075-T6铝合金相应曲线

图 金属材料da/dN—ΔK在双对数坐标上的一般关系图

低周疲劳（塑性疲劳或应变疲劳）的裂纹扩展速率 以上所讨论的是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内的扩展规律。应当说明，这些规律的应用范围是低应力、高循环、低扩展速率。 这种指数规律不能用来表征高应变循环条件下裂纹的扩展规律。高应变循环疲劳也称为低循环疲劳或塑性疲劳。它一般发生在高应力、低循环、高扩展速率的情况下，此时试验条件不是控制应力、而是控制应变幅值。 断裂力学中用裂纹尖端的张开位移来描述此时的裂纹扩展规律，即 裂纹张开位移幅度⊿δt就是影响裂纹扩展速率的主要参量。

7.7.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算 以帕瑞斯公式为例，则 ： 对上式求定积分： 对于无限大板中心穿透裂纹 于是 7.7.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算 以帕瑞斯公式为例，则 ： 对上式求定积分： 对于无限大板中心穿透裂纹 于是 n=2时，疲劳裂纹扩展寿命为：

若以福曼公式为例，则： 用⊿Kf表示对应于临界裂纹尺寸ac时的应力强度因子幅值，有： 对于无限大板中心穿透裂纹的情况：

对于应变疲劳的情况，由于此时最大应变已经与屈服应变相当，裂纹尖端的塑性区很大，故必需用弹塑性断裂力学来分析疲劳裂纹扩展速率，也就是说利用裂纹尖端张开位移幅度⊿δ或J积分幅度⊿J作为控制裂纹扩展速率的主要参量，即： 式中的A，n和B，m在一定条件下是材料常数。