材料力学性能53-课件.ppt
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- 材料力学 性能 53 课件
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1、5 5 焊接结构的疲劳强度焊接结构的疲劳强度 焊接作为现代理想的连接手段,与其焊接作为现代理想的连接手段,与其它连接方法相比,具有经济、灵活的突它连接方法相比,具有经济、灵活的突出优点,因此,各个工业领域都大量地出优点,因此,各个工业领域都大量地采用焊接结构。但是,许多运动结构或采用焊接结构。但是,许多运动结构或承受动载荷的结构,在交变载荷作用下,承受动载荷的结构,在交变载荷作用下,即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。即使在低应力下也容易产生疲劳断裂。5 5 焊接结构的疲劳强度焊接结构的疲劳强度 据统计,由于疲劳而失效的金属结构中,据统计,由于疲劳而失效的金属结构中,90%为焊接结构。一般情况下
2、,焊接接头承为焊接结构。一般情况下,焊接接头承受静载的能力并不比母材低,而承受动载荷的受静载的能力并不比母材低,而承受动载荷的能力却远低于母材。这是因为,焊缝处存在应能力却远低于母材。这是因为,焊缝处存在应力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力,以及焊趾力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力,以及焊趾处显微组织粗化等,导致疲劳强度下降,成为处显微组织粗化等,导致疲劳强度下降,成为焊接结构的疲劳薄弱环节。焊接结构的疲劳薄弱环节。5.1 5.1 各种焊接接头的疲劳破坏形式各种焊接接头的疲劳破坏形式 1横向对接焊缝横向对接焊缝 在没有焊接缺陷时,在没有焊接缺陷时,带有余高的横向对接焊带有余高的横向对接焊缝,应力集中
3、主要发生缝,应力集中主要发生在焊缝的焊趾和焊根处,在焊缝的焊趾和焊根处,所以疲劳破坏一般始发所以疲劳破坏一般始发于此,见图于此,见图5-1 a)和)和b)。)。a)b)图图5-1 5-1 横向对接接头横向对接接头 疲劳裂纹部位疲劳裂纹部位 2纵向对接焊缝纵向对接焊缝 外力方向与对接焊缝平行,外力方向与对接焊缝平行,焊缝表面的波纹与应力方向垂焊缝表面的波纹与应力方向垂直,疲劳破坏将从缺口最严重直,疲劳破坏将从缺口最严重的鳞纹处开始,或者在更换焊的鳞纹处开始,或者在更换焊条的那一点,见图条的那一点,见图5-2 a)。在梁的翼缘边对接一个小附在梁的翼缘边对接一个小附件,在焊缝端部形成严重的应件,在焊
4、缝端部形成严重的应力集中,因此裂纹常出现在焊力集中,因此裂纹常出现在焊缝端部,见图缝端部,见图5-2 b)。)。a)b)图图5-2 5-2 纵向对接焊缝疲劳纵向对接焊缝疲劳裂纹部位裂纹部位 3角接焊缝角接焊缝 角接焊缝的破坏形式有以下角接焊缝的破坏形式有以下几类:几类:(1)在不承载的横向角焊)在不承载的横向角焊缝中,疲劳裂纹发生在焊趾处,缝中,疲劳裂纹发生在焊趾处,见图见图5-3(a)中;)中;(2)对于承载的横向角焊)对于承载的横向角焊缝,裂纹起始于焊趾或焊根缝,裂纹起始于焊趾或焊根,见图,见图5-3(b););(3)对于承载和不承载的)对于承载和不承载的纵向角焊缝,裂纹都起始于焊纵向角焊
5、缝,裂纹都起始于焊缝两端缝两端 ,见图,见图5-3(c)、)、(d)。)。图图5-35-3角接接头的破坏形式角接接头的破坏形式(黑点表示裂纹的开始点)(黑点表示裂纹的开始点)不承载的横向角焊缝不承载的横向角焊缝 不承载的纵向角焊缝不承载的纵向角焊缝横向角焊的筋板横向角焊的筋板(纵向角焊的筋板)(纵向角焊的筋板)承载的横向角焊缝承载的横向角焊缝 承载的纵向角焊缝承载的纵向角焊缝横向角焊搭接横向角焊搭接侧向角焊搭接侧向角焊搭接5.2 5.2 影响焊接接头疲劳强度的因素影响焊接接头疲劳强度的因素 q 应力集中的影响应力集中的影响 研究表明,一个结构的疲劳特征主要决研究表明,一个结构的疲劳特征主要决定
6、于它所包含的应力集中的严重程度。由于定于它所包含的应力集中的严重程度。由于所有的焊接接头不可避免地是应力集中点,所有的焊接接头不可避免地是应力集中点,自然,疲劳破坏很可能发生在接头部位。因自然,疲劳破坏很可能发生在接头部位。因此,应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主此,应力集中是影响焊接接头疲劳强度的主要因素。要因素。(一)横向对接接头(一)横向对接接头 图图5-4中示出了横向对接接头中的工作应力中示出了横向对接接头中的工作应力分布。分布。为名义应力,在焊趾和焊根处都有一为名义应力,在焊趾和焊根处都有一定的应力集中。定的应力集中。图图5 5-4-4 对接接头中工作应力的分布对接接头中工作应力的分
7、布00 影响横向对接焊缝应力集中的主要因素影响横向对接焊缝应力集中的主要因素是焊缝余高是焊缝余高h和过渡处半径和过渡处半径r,见图,见图3-5。图图5-5 对接焊缝余高对接焊缝余高h、过渡半径、过渡半径r与应力集中系数与应力集中系数K的关系的关系表表5-1 如果使用机械加工方法将余高切除,则应力如果使用机械加工方法将余高切除,则应力集中可以大大减小,对接接头的疲劳极限可以明集中可以大大减小,对接接头的疲劳极限可以明显提高,见表显提高,见表5-1 接头的表面状态接头的表面状态对接接头的疲劳极对接接头的疲劳极限限-1-1(MPaMPa)母材轧制状态母材轧制状态225225235235横向对接焊接态
8、横向对接焊接态117117127127横向对接两面加工横向对接两面加工215215225225纵向对接焊接态纵向对接焊接态179.34179.34 但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时,其缺陷或但当焊缝带有严重缺陷或未焊透时,其缺陷或未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多,这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。得多,这时焊缝表面进行机械加工则是毫无意义的。(二)搭接接头(二)搭接接头 搭接接头中的工作应力分布见图搭接接头中的工作应力分布见图5-6所所示。搭接接头的应力集中比对接接头严重,示。搭接接头的应力集中比对接接头严重,因此其疲劳强度也比对
9、接接头低得多。因此其疲劳强度也比对接接头低得多。a a)等截面板搭接)等截面板搭接 b b)不等截面板搭接)不等截面板搭接图图5-6 5-6 侧面搭接焊缝应力分布图侧面搭接焊缝应力分布图 1.各种端焊缝型式的搭接接头,其疲劳极各种端焊缝型式的搭接接头,其疲劳极限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。限与焊缝两直角边的比值和机加工情况有关。搭接端焊缝搭接端焊缝两直角边比两直角边比疲劳极限疲劳极限0 0(MPaMPa)母材母材200 200 1 1直角边比直角边比1 1:1 180802 2直角边比直角边比1 1:2 297973 3焊缝经机械加工焊缝经机械加工1021024 4盖板直角边比盖板直
10、角边比1 1:3.83.8,经机械加工,经机械加工200200 表表5-2 2侧焊缝形式的搭接接头,无论是受到拉侧焊缝形式的搭接接头,无论是受到拉-压或弯曲载荷,其疲劳强度都比端焊缝低。压或弯曲载荷,其疲劳强度都比端焊缝低。见图见图5-8和表和表5-35-3。材料材料应力比应力比疲劳极限(疲劳极限(MPaMPa)a)a)b)b)c)c)碳钢碳钢b b=432MPa=432MPas s=262MPa=262MPa0 0707080809090-1-13434434340405050表表5-35-3 a)b)c)图图5-8 5-8 侧焊缝搭接接头侧焊缝搭接接头(三)(三)T形(十字)接头形(十字)
11、接头 图图5-9中示出了中示出了T形(十字)接头的工作应力分布。形(十字)接头的工作应力分布。其应力集中系数远比对接接头高。其应力集中系数远比对接接头高。a)a)未开坡口角焊缝构成的未开坡口角焊缝构成的接头接头b)b)开开K K形坡口角焊缝构成的形坡口角焊缝构成的接头接头图图5-9 T5-9 T形(十字)接头的形(十字)接头的应力分布应力分布 未开坡口的未开坡口的T形接头,当焊缝传递工作应力时,形接头,当焊缝传递工作应力时,其薄弱环节有两个:一是焊缝,另一个是焊趾。如其薄弱环节有两个:一是焊缝,另一个是焊趾。如果焊缝的计算厚度果焊缝的计算厚度a与板厚与板厚t之比之比a/t0.60.7,一般断于
12、焊缝。如果一般断于焊缝。如果a/t0.7,一般断于焊趾,这一般断于焊趾,这时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高,时再增大焊缝厚度也不能使其疲劳强度进一步提高,最根本的措施是开坡口焊透和加工焊缝、使焊趾向最根本的措施是开坡口焊透和加工焊缝、使焊趾向基本金属光滑过渡。基本金属光滑过渡。图图5-10中示出了三种十字接头型式中示出了三种十字接头型式。板厚板厚1212S=5a=8a)b)c)图图5-10 5-10 三种十字接头型式三种十字接头型式rkrk焊接接头的焊接接头的疲劳极限疲劳极限母材金属的母材金属的疲劳极限疲劳极限正应力下的正应力下的疲劳缺口系数疲劳缺口系数母材金属母材金属应力比应力比
13、(MPaMPa)(MPaMPa)备注备注St37St370 023623615.715.72602601.11.1图中图中a a)-1.0-1.011811813.713.71621621.41.4St52St520 01911913263261.71.7-1.0-1.01391392012011.451.45St37St370 010310314.714.72602602.32.3图中图中b b)-1.0-1.0717115.715.71621622.52.5St52St52-1.0-1.078782012012.62.6St37St370 088882602602.952.95图中图中c
14、c)-1.0-1.039391621624.154.15表表5-4 十字接头的疲劳极限十字接头的疲劳极限a)b)c)q 焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响 大量试验表明,除各种焊接接头的几何尺寸因大量试验表明,除各种焊接接头的几何尺寸因素造成应力集中(应力分布不均匀)外,焊趾处还素造成应力集中(应力分布不均匀)外,焊趾处还存在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块存在着微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及沿熔合线的轻微咬边(见图以及沿熔合线的轻微咬边(见图3-11)。熔渣楔块)。熔渣楔块的平均尺寸为的平均尺寸为0.15mm,咬边深度在,咬边深度在0.1mm
15、以下,以下,它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。图图5-11 5-11 焊趾微观缺口效应焊趾微观缺口效应图图512 a)CW2C构架侧梁断裂照片构架侧梁断裂照片图图5-125-12为为CW-2CCW-2C转向转向架构架侧梁断裂照架构架侧梁断裂照片。该构架于片。该构架于20032003年年8 8月进行月进行A4A4修程时修程时对定位座实施了补对定位座实施了补强处理,于强处理,于20042004年年1010月月1616日发生断裂日发生断裂事故,仅运行了一事故,仅运行了一年多。年多。a a图为定位座图为定位座补强板焊缝沿焊趾补强板焊缝沿焊趾开裂的实物照
16、片;开裂的实物照片;图图512 b)CW2C构架侧梁断口照片构架侧梁断口照片b b图为裂纹断口照片。由断口照片可见:裂纹源在补强板焊缝靠近内侧的端部;此外,沿图为裂纹断口照片。由断口照片可见:裂纹源在补强板焊缝靠近内侧的端部;此外,沿焊缝还有许多焊缝还有许多“台阶台阶”,这是焊趾部许多微小缺陷引起的多条裂纹扩展形成的。,这是焊趾部许多微小缺陷引起的多条裂纹扩展形成的。CW-2CCW-2C(B B)转向架定位座补强后严重裂损的原因,主要是补强板只采用了角焊缝,没有转向架定位座补强后严重裂损的原因,主要是补强板只采用了角焊缝,没有按照按照“焊满磨平焊满磨平”的工艺要求去实施,从而在焊缝处产生严重的
17、应力集中;同时,焊缝的工艺要求去实施,从而在焊缝处产生严重的应力集中;同时,焊缝质量较差,特别是在焊趾处存在许多微小缺陷,大大削弱了该焊接接头的疲劳强度。质量较差,特别是在焊趾处存在许多微小缺陷,大大削弱了该焊接接头的疲劳强度。q 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响 焊接残余应力的作用与平均应力相当,二者的焊接残余应力的作用与平均应力相当,二者的区别仅在于:平均应力在加载过程中是不变的,而区别仅在于:平均应力在加载过程中是不变的,而焊接残余应力在加载过程中会逐渐释放,因此其影焊接残余应力在加载过程中会逐渐释放,因此其影响也逐渐减小。响也逐渐减小。焊接残余应力如何影响焊接接头的疲劳强度问焊接残
18、余应力如何影响焊接接头的疲劳强度问题,至今仍存在争议。题,至今仍存在争议。基本上有两种观点:基本上有两种观点:一类观点是:残余应力对疲劳强度的影响可以忽略。一类观点是:残余应力对疲劳强度的影响可以忽略。理由是:焊接接头的疲劳强度主要与焊缝几何尺理由是:焊接接头的疲劳强度主要与焊缝几何尺寸和焊趾部存在的应力集中等因素的影响有关,残寸和焊趾部存在的应力集中等因素的影响有关,残余应力的影响是第二位的;拉伸残余应力使疲劳余应力的影响是第二位的;拉伸残余应力使疲劳极限降低,压缩残余应力使疲劳极限增加。焊接残极限降低,压缩残余应力使疲劳极限增加。焊接残余应力的总体影响不显著。余应力的总体影响不显著。另一类
19、观点是:在一定条件下,残余应力可影响焊另一类观点是:在一定条件下,残余应力可影响焊接接头的疲劳强度。如,当高残余拉应力点与焊接接接头的疲劳强度。如,当高残余拉应力点与焊接结构的应力集中点重合时,残余应力对疲劳强度的结构的应力集中点重合时,残余应力对疲劳强度的影响是毫无疑问的。影响是毫无疑问的。(一)消除焊接残余应力工艺对接头疲劳强(一)消除焊接残余应力工艺对接头疲劳强 度的影响度的影响 由残余应力测试结果可以看出,退火处由残余应力测试结果可以看出,退火处理和除锈喷丸处理都能明显地消除和改变焊理和除锈喷丸处理都能明显地消除和改变焊接构架表面的残余应力状态。接构架表面的残余应力状态。1退火处理后,
20、整个构架被均匀加热,退火处理后,整个构架被均匀加热,残余应力通过塑性变形而产生松弛。这对疲残余应力通过塑性变形而产生松弛。这对疲劳极限有双重影响:消除残余应力能使疲劳劳极限有双重影响:消除残余应力能使疲劳强度提高,但同时又使金属软化、降低疲劳强度提高,但同时又使金属软化、降低疲劳强度。强度。表表5-5中列出了退火处理对于对接接头疲劳强度影响的试中列出了退火处理对于对接接头疲劳强度影响的试验结果。验结果。母材强度(母材强度(MPaMPa)试样试样状态状态-1-1(MPaMPa)310310母材母材210210V V形接头形接头焊接状态焊接状态93.793.7退火或回火退火或回火96.396.34
21、80480母材母材235235V V形接头形接头焊接状态焊接状态118118退火或回火退火或回火122122520520母材母材307307V V形接头形接头焊接状态焊接状态126126退火或回火退火或回火134134表表5-5 退火处理后对接接头的疲劳强度退火处理后对接接头的疲劳强度 2冷作强化处理(喷丸、滚压、捶击冷作强化处理(喷丸、滚压、捶击等),使焊接结构表面(或接头表面)造成等),使焊接结构表面(或接头表面)造成压缩残余应力,能大大提高焊接接头的疲劳压缩残余应力,能大大提高焊接接头的疲劳强度。低碳钢喷丸硬化层厚度可达强度。低碳钢喷丸硬化层厚度可达0.4mm左右,对接接头喷丸后,在左右
22、,对接接头喷丸后,在2106次循环次循环时,疲劳强度提高时,疲劳强度提高5565;非承载横向;非承载横向角焊缝,疲劳强度提高角焊缝,疲劳强度提高3639。(二)交变载荷作用下焊接构架上残余应(二)交变载荷作用下焊接构架上残余应力的变化力的变化 残余应力是一个不稳定的力学量,在交残余应力是一个不稳定的力学量,在交变载荷作用下会引起残余应力的变化(释变载荷作用下会引起残余应力的变化(释放)。其机理是:在动应力和残余应力共同放)。其机理是:在动应力和残余应力共同作用下,如果某部位应力值超过材料的屈服作用下,如果某部位应力值超过材料的屈服极限,就会在该部位产生塑性变形,使残余极限,就会在该部位产生塑性
23、变形,使残余应力释放,降低残余应力的峰值。动应力幅应力释放,降低残余应力的峰值。动应力幅值愈大,残余应力下降的愈多愈快。一般在值愈大,残余应力下降的愈多愈快。一般在几十次到几万次循环内完成应力释放,释放几十次到几万次循环内完成应力释放,释放的幅值为的幅值为5080之间。之间。图图5-15中示出了焊接构架在室内疲劳试验中,中示出了焊接构架在室内疲劳试验中,某一测点的残余应力随循环周次的变化规律。某一测点的残余应力随循环周次的变化规律。图图5-155-15焊接构架某测点的残余应力随循环周次焊接构架某测点的残余应力随循环周次的变化规律的变化规律q 焊接缺陷的影响焊接缺陷的影响 (一)一般规律(一)一
24、般规律 在焊接接头中可能存在着各种缺陷,缺在焊接接头中可能存在着各种缺陷,缺陷会造成严重的应力集中,对焊接接头的疲陷会造成严重的应力集中,对焊接接头的疲劳强度产生显著影响。影响程度与缺陷的种劳强度产生显著影响。影响程度与缺陷的种类、位置和方向有关。类、位置和方向有关。1缺陷可分为两类:面状缺陷(裂纹、缺陷可分为两类:面状缺陷(裂纹、未焊透及咬边等)和体积型缺陷(气孔、夹未焊透及咬边等)和体积型缺陷(气孔、夹渣等)。面状缺陷引起严重的应力集中,对渣等)。面状缺陷引起严重的应力集中,对疲劳强度的影响比体积型缺陷要大。疲劳强度的影响比体积型缺陷要大。2表面或靠近表面的缺陷比内部缺陷表面或靠近表面的缺
25、陷比内部缺陷对疲劳强度的影响大;位于应力集中区的缺对疲劳强度的影响大;位于应力集中区的缺陷(如焊趾部)比位于均匀应力场中同样缺陷(如焊趾部)比位于均匀应力场中同样缺陷的影响大;位于拉应力区的缺陷比在压应陷的影响大;位于拉应力区的缺陷比在压应力区的影响大。力区的影响大。3与作用力方向垂直的缺陷比其它方与作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷对疲劳强度的影响大。向的缺陷对疲劳强度的影响大。(二)面状缺陷对焊接接头疲劳强度的影响(二)面状缺陷对焊接接头疲劳强度的影响 1未焊透(未熔合)未焊透(未熔合)b b)横向角接)横向角接a a)横向对接)横向对接图图3-16 3-16 未焊未焊透透 表表5-6中
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