1、第三编 焊接结构第十三章 焊接应力与变形本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。 第一节 焊接应力和变形的形成过程一、应力与变形的基本知识 1应力 物体在单位截面上表现的内力称为应力。根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。 内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。 2变形 物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变
2、，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。 按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形； 按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。 二、研究焊接应力与变形的基本假定 （1）平截面假定 （2）金属性能不变的假定 （3）金属屈服点的假定 三、焊接应力与变形的产生原因 影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。 为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。 1均匀加热时引起应力与变形的原因 （1）不受约束的杆件，均匀加热 属于自由变形，无残余应力，无残余变
3、形。 （2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。 如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。 若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。 如果杆件不能自由收缩，则不存在外观的残余变形，但杆件中会产生残余拉
4、应力。 2不均匀加热时引起的应力与变形 （1）长板条中心加热引起的应力与变形 （2）长板条一侧加热引起的应力与变形 综上所述： 金属不均匀受热时，只要加热温度高于屈服点温度，加热时产生压缩塑性变形，焊后就会产生残余应力与残余变形； 焊接过程中的变形与焊接残余变形方向相反； 焊接加热时，焊缝附近产生压缩塑性变形，冷却后收缩，如果收缩充分，则变形大，应力小；否则变形小，应力大。 焊接瞬时及残余应力分布不均匀，焊缝及其附近区域通常为残余拉应力。 第二节 焊接残余应力一、焊接残余应力的分类 1根据应力性质划分：拉应力、压应力 2根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力 3根据应力作用方向划分
5、：纵向应力、横向应力、厚度方向应力 4根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力 5根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力 二、焊接残余应力的分布规律 1纵向应力 x 的分布 x 在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。 x 在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，x=0，越靠近纵截面的中间，x 越大，逐渐趋近于 s。如图 2-9 所示。 图 2-11 为板边堆焊时，x 在焊缝横截面上的分布。 T 形接头的 x 分布与立板和水平板尺寸有很大关系，/
6、h 越小，接近于板边堆焊的情况；/h 越大，接近于等宽板对接的情况。 2横向应力 y 的分布 y =y+y y：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力； y：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。 3特殊情况下的焊接残余应力 厚板中的焊接残余应力 拘束状态下焊接残余应力 封闭焊缝中的残余应力 焊接梁柱中的残余应力 焊接管道中的残余应力 三、焊接残余应力对焊接结构的影响 1对结构强度的影响 只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。 对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰
7、值不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。 2对构件加工尺寸精度的影响 3对梁柱结构稳定性的影响四、减小焊接残余应力的措施 一般来说，可以从设计和工艺两方面着手： 1设计措施 尽可能减少焊缝数量； 合理布置焊缝； 采用刚性较小的接头形式。 2工艺措施 （1）采用合理的装配和焊接顺序及方向 钢板拼接焊缝的焊接； 同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，应先焊收缩量大的焊缝； 对工作时受力较大的焊缝应先焊； 平面交叉焊缝的焊接。 （2）缩小焊接区与结构整体之间的温差 （预热法、冷焊法） （3）加热“减应区”法 （
8、4）降低接头局部的拘束度 （5）锤击焊缝 五、消除焊接残余应力的方法 1热处理法 热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的，同时热处理还可以改善接头的性能。 （1）整体热处理 整体炉内热处理、整体腔内热处理 整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。保温时间根据板厚确定，一般按每毫米板厚 12 min 计算，但最短不小于 30 min，最长不超过 3h。 碳钢及中、低合金钢：加热温度为 580680； 铸铁：加热温度为 600650。 （2）局部热处理 局部热处理只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。
9、加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、远红外加热等，消除应力效果与加热区的范围、温度分布有关。 2加载法 加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松驰应力的目的。 （1）机械拉伸法 （2）温差拉伸法 （3）振动法 六、焊接残余应力的测定 目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。 1机械方法 利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。包括切条法、钻孔法和套孔法。 2物理方法 是非破坏性测定焊接残余应力的方法，常用的有
10、磁性法、超声波法和 X 射线衍射法。 （1）磁性法是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。 （2）X 射线衍射法是根据测定金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的无损测量方法。 （3）超声波法是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的。 第三节 焊接残余变形一、焊接残余变形的种类及其影响因素 按变形对整个焊接结构影响程度分类：局部变形、整体变形 按变形特征分类：收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形、错边变形 1收缩变形 焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它可分为纵向收缩变形和横向收缩变形。 （1）纵向收缩变形 x 产生原
11、因：焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形。 焊件在假想力的作用下产生的纵向收缩量可用下式表示： 影响因素： 焊缝长度 L 焊件的截面积 A 压缩变形区的面积 Ap 压缩塑性应变 p（与焊接方向、焊接线能量、焊接工艺有关） （2）横向收缩变形 y 横向收缩变形的过程比较复杂，影响因素很多，现分述如下： 1）堆焊焊缝及角焊缝的横向收缩 影响因素： 焊接线能量：焊接线能量越大，横向收缩量越大； 板厚：板厚增加，横向收缩量减小。 沿焊缝长度方向 y 逐渐增大，但到一定长度后趋于稳定，不再增大。 2）对接焊缝的横向收缩 影响因素： y 的大小与板厚、材质、拘束情况、焊接工艺、焊接顺序
12、有关。 2角变形 中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及 T 形接头焊接中会产生角变形。 原因：熔化金属在厚度上收缩量不一致而引起的。 （1）平板堆焊的角变形 影响因素： 焊接线能量 板厚 堆焊引起的角变形沿堆焊焊缝长度方向开始比较小，随后增加，直至达到稳定。 （2）对接接头的角变形 影响因素： 坡口形式 坡口尺寸 焊接层数 焊接顺序 （3）T 形接头角变形 T 形接头角变形可以看成是由立板相对于水平板的回转角变形 与水平板本身的角变形 两部分组成。 减小 T 形接头角变形的方法有： 采用开坡口，减小立板与水平板之间焊缝夹角，减小 ； 通过减小焊脚尺寸以减小焊缝金属量，降低 。 3弯曲变形 产生原因：焊
13、缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀引起的。 （1）纵向收缩引起的弯曲变形 （2）横向收缩引起的弯曲变形 4波浪变形 波浪变形是一种失稳变形，一般产生于薄板结构中。 产生原因：板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值。 防止措施： 能降低焊接残余压应力的措施都可以减小波浪变形； 提高板的刚度或增大板的拘束度均可减小或防止波浪变形。 5扭曲变形 产生原因：焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。 6错边变形 错边变形可分为长度方向错边和厚度方向错边。 产生原因： 装配不良； 组成焊件的零件装配时夹紧不一致； 两零件的刚度或热物理性质不一样； 电弧
14、偏离坡口中心。 以上 6 种变形是焊接变形的基本形式，其中收缩变形是最基本的变形形式，所有焊件都不可避免地会产生收缩变形，而其它几种变形在有些焊接结构中容易出现，而在有些焊接结构中不容易出现。 二、焊接变形对焊接结构生产的影响 首先，零部件的焊接变形给装配带来困难，进而影响后续焊接质量； 其次，焊接变形增加了结构的制造成本； 另外，焊接变形也会降低焊接接头性能和承载能力。 三、控制焊接变形的措施 1设计措施 （1）尽量选用对称的构件截面和焊缝位置 （2）合理地选择焊缝长度和焊缝数量 （3）合理选择焊缝截面尺寸和坡口形式 2工艺措施 （1）留余量法 主要是用于补偿焊件的收缩变形。 （2）反变形法
15、 主要用于控制角变形及弯曲变形。 例：V 形坡口单板对接；（图 2-52） 锅炉集箱；（图） 工字梁翼板；（图 2-53） 板式起重机主梁，腹板预制上拱度（图 2-54） （3）刚性固定法 焊件固定在刚性平台上 （图 2-55） 将焊件组合成刚性更大或对称的结构 （图 2-56） 利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束 （图 2-57） 利用临时支撑增加结构的拘束 （图 2-58） （4）选择合理的装配焊接顺序 正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。 （图 2-54） 对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。 （图 2-59） 焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。 （图
16、2-60） 长焊缝焊接时，应采用合理的分段焊接顺序。 （图 2-61） 相邻两条焊缝，为防止产生扭曲变形，应注意焊接方向与顺序。 （图 2-62） （5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数 （图 2-63） （6）热平衡法 （图 2-64） （7）散热法 （图 2-65） 四、矫正焊接残余变形的方法 矫正焊接变形的实质是使构件产生新的变形，以抵消焊接残余变形。矫正的方法一般有机械矫正法和火焰加热矫正法。 1机械矫正法 机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸，产生拉伸塑性变形，使变形的构件恢复到所要求的形状。 （如图 2-66） 2火焰加热矫正法 火焰加热矫正，是利用火焰加热时产生的局部压
17、缩塑性变形使较长的部分在冷却后缩短来消除变形。 加热方式： 点状加热 用于矫正薄件的波浪变形。 线状加热 用于矫正焊件的角变形及大厚度板的弯曲变形。 三角形加热 用于矫正刚度大，厚度大的焊件的弯曲变形。第十四章 焊接接头强度及计算本章主要介绍焊接接头的作用和基本形式；焊接接头的工作应力分布状况及其静载强度计算；影响焊接接头的疲劳强度因素有提高疲劳强度的措施；焊接接头脆性断裂、影响脆性断裂的因素及防止措施。 第一节 焊接接头的特点及形式一、焊接接头的基本形式 1电弧焊接头的基本形式 （1）对接接头 把同一平面上的两被焊工件相对焊接起来而形成的接头。这是一种比较理想的接头形式，受力状况好，应力集中
18、小，材料消耗小。 （2）角接接头 是两被焊工件端面间构成大于 30、小于 150 夹角的接头。多用于箱形构件上。 （3）T 形接头 是把互相垂直的被焊工件用角焊缝连接起来的接头，可承受各种方向的力和力矩。 （4）搭接接头 是把两被焊工件部分地重叠在一起，以角焊缝连接，或加上塞焊缝、槽焊缝连接起来的接头。 （5）端接接头 是两被焊工件重叠放置或两被焊工件之间夹角不大于 30 在端面进行连接的接头。 2电阻焊接头的基本类型 （1）对接接头 （2）点焊接头 （3）缝焊接头 二、电弧焊焊缝的类型 1按工作特点分 承载焊缝 非承载焊缝 密封焊缝 定位焊缝 2按接头的结构特点分 对接焊缝 角焊缝 端接焊缝
19、 塞焊缝 组合焊缝 第二节 焊接接头的工作应力分布一、应力集中 1应力集中概念 在几何形状突变处或不连续处应力突然增大的现象称为应力集中。应力集中程度的大小，常以应力集中系数 KT 表示： KT=max/ m 2焊接接头中产生应力集中的原因 （1）焊缝中的工艺缺陷 如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等。 （2）焊接接头处几何形状的改变 （3）不合理的接头形式和不合理的焊缝外形 二、电弧焊接头的工作应力分布 1对接接头的工作应力分布 对接接头的应力集中位于由焊缝向母材过渡的转角处，KT 的大小取决于焊缝宽度 c、余高h、焊趾处的 角及转角半径 r。在其它因素不变的情况下，余高 h 增加、焊缝宽度 c 减
20、少、 角增加、r 减小等都会使 KT 增加。 2搭接接头的工作应力分布 （1）正面角焊缝的工作应力分布 如图 3-5 所示，在角焊缝的根部 A 点和焊趾 B 点有较大的应力集中，B 点的应力集中系数随角焊缝的斜边与水平边的夹角 而变，减小 、增大熔深及焊透根部等都可降低应力集中系数。 搭接接头的正面角焊缝受偏心载荷时，在焊缝上会产生附加弯曲应力，导致弯曲变形，见图 3-6。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离 l 应不小于其板厚的 4 倍。 （2）侧面角焊缝的工作应力分布 在用侧面角焊缝连接的搭接接头中，其应力分布更加复杂。切应力沿焊缝长度上分布是不均匀的，它与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作
21、用点的位置等因素有关。 外力作用如图 3-7a 所示时，其沿侧面焊缝长度上切力分布见图 3-8，因为搭接板材不是绝对刚体，在受力时本身产生弹性变形，所以形成两端切力大，中间切力小的分布状态。 外力作用如图 3-7 b 所示时，两板各对应点的相对位移从左至右逐渐下降，因而焊缝传递的切力以左端为最高，向右逐渐减小。当侧面角焊缝长度超过某一长度时，焊缝中间部分的切力就会接近零，因此，采用过长的侧面角焊缝是不合理的。一般工艺规定侧面角焊缝长度不得大于 50K。 （3）联合角焊缝搭接接头工作应力分布 如图 3-9b 所示，在 BB 截面上正应力的分布比较均匀，最大切应力 max 降低，所以在 BB 截面
22、两端点的应力集中得到改善。 3T 形接头的工作应力分布 T 形接头在角焊缝的过渡处和根部都有很大的应力集中，如图 3-10 所示。 （1）未开坡口的 T 形接头 如图 3-10a 所示，焊缝根部应力集中很大，在焊趾截面 BB 上应力分布也不均匀，B 点的应力集中系数随角焊缝 角减小而减小，也随焊脚尺寸增大而减小；但非承载焊缝在 B 点的 KT 随焊脚尺寸增大而增大。 （2）开坡口并焊透的 T 形接头 如图 3-10b 所示，这种接头的应力集中大大降低。可见，保证焊透是降低 T 形接头应力集中的重要措施之一。 第三节 焊接接头强度计算基础一、焊接接头的设计 1焊接接头设计要点 （1）应尽量使接头
23、形式简单、结构连续，且不设在最大应力作用截面上。 （2）要特别重视角焊缝的设计。 （3）尽量避免在厚度方向传递力。 （4）接头的设计要便于制造和检验。 （5）一般不考虑残余应力对接头强度的影响。 2常见不合理的接头设计及改进 见表 3-3 二、电弧焊接头静载强度计算 1焊接接头静载强度计算的几个假设 2电弧焊接头的静载强度计算 静载强度计算方法，目前仍采用许用应力法，强度计算时许用应力均为焊缝的许用应力。 焊缝的强度计算一般表达为： 或 (1)对接接头的静载强度计算 对接接头强度计算时，不考虑焊缝余高，焊缝长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者。 全部焊透的对接接头如图 3-17 所示。其各种
24、受力情况的计算公式如下： 1）受拉时 2）受压时 3）受剪切时 4）受板平面内弯矩 5）受垂直板面弯矩 （2）搭接接头静载强度计算 受拉、压的搭接接头计算公式如下： 正面焊缝 侧面焊缝 联合焊缝 第十五章 焊接结构的脆性断裂第一节 金属材料或结构的断裂及其影响因素一、疲劳破坏 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。焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发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。 1影响焊接接头疲劳强度的因素 （1）应力集中的影响 （2）残余应力的影响 （3）缺陷的影响 2提高焊接接头疲劳强度的措施
25、 （1）降低应力集中 1）采用合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。 2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头，如对接接头。 3）当采用角焊缝时，应采取综合措施来提高接头的疲劳强度。 4）用表面机械加工方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，通过降低应力集中程度来提高接头的疲劳强度。 （2）调整残余应力场 消除焊接接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力，都可以提高疲劳强度。 1）整体处理。包括整体退火或超载预拉伸法。 2）局部处理。采用局部加热或挤压可以调节残余应力场，在应力集中处产生残余压应力。 （3）改善材料的力学性能。 （4）特殊保护措施 二、焊接结构的脆性断裂 在应力不高于结构的
26、设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体的破坏方式。 1影响金属脆断的主要因素 （1）应力状态的影响 实验证明，许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，可呈塑性状态。当处于三轴拉伸应力时，因不易发生塑性变形而呈脆性。 （2）温度的影响 对于一定的加载方式，当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度称为脆性转变温度。脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方点阵的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方点阵金属中发生。 （3）加载速度的影响 提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。 （4）材料状态的影响 1）厚度的影响 厚板在缺口处容易
27、形成三轴应力，因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制，产生三轴应力使材料变脆。 冶金因素。厚板轧制次数少、终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。 2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度越细，其转变温度越低。 3）化学成分的影响。钢中 C、N、O、H 、S、P 均增加钢的脆性。Mn、Ni、Cr、V 加入适量，有助于减少钢的脆性。 2预防焊接结构脆性断裂的措施 （1）正确选用材料 在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合区的最脆部位应有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能。 材料的选择可通过缺口韧性试验或断裂韧性评定试验来确定。 （2）采用合理的焊接结构设计 1）尽量减少结构或焊
28、接接头部位的应力集中。 2）在满足结构的使用条件下尽量减少结构的刚度，以降低应力集中和附加应力。 3）不应通过降低许用应力值来减少脆性的危险性。 4）对于附件或不受力焊缝的设计，应与主要承力焊缝一样给予足够重视。 5）减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。在制订工艺过程中，应当考虑尽量减少焊接残余应力值，在必要时应考虑消除应力热处理。 第二节 金属材料和焊接结构断裂的评定方法转变温度 金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度 s 和断裂强度 f。温度降低，s 上升速率大于 f 上升速率，两线交点对应温度 Tk 称为韧脆转变温度，当 TTk 时，fs，材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度，即材料
29、无塑性变形而产生脆断。防止裂纹发生和阻止扩展原则 防止结构产生脆性破坏有两种设计原则防止开裂原则：止裂原则：设计的结构在可能出现的最低温度下工作，必须能阻止裂纹的自由扩展。根据断裂力学理论，能够止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，且处于较高的应力场中，当裂纹扩展进入韧性区和低应力场时，该裂纹如果小于失稳断裂的临界长度，则该裂纹被阻止。转变温度评定方法(冲击试验 )(一)冲击试验分为夏比 V 形缺口冲击试验和梅氏 U 形缺口冲击试验。夏比 V 形缺口冲击试验评定：1 能量准则：以冲击断裂功 k 值降低到某一特定数值时的温度作为临界温度 Tk。断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面
30、积对应的温度来确定临界温度 Tk。延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。转变温度评定方法(威尔斯宽板试验 ) 在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环方面模拟实际结构。该试验脆性断裂有三种情况：1 低应力产生裂纹并立即断裂2 低应力产生裂纹扩展一定长度后自行停止3 在较高温度下，要有高达屈服强度的应力才会产生 裂纹，最后产生断裂。转变温度评定方法(落锤试验 ) 测定厚度大于 16mm 钢板的 NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和
31、较大拘束效应，表面堆焊脆性焊道，对热敏感的合金材料难以使用。 转变温度评定方法(动态撕裂试验 ) 确定材料断裂韧性的全范围的试验方法，属于大型冲击试验。除了确定 NDT 温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。这类钢与低强度钢相比，各向异性受钢中杂质的影响，难以保证稳定的抗脆断性能；晶粒大小及碳化物金相组织的大小、分布等对显微裂纹的形成有较大的影响。转变温度评定方法(双重拉伸 ) 前述各种方法试件中的脆性裂纹都是在冲击载荷作用下开裂的，但大多数焊接结构工作在静载下，所以开裂条件不够真实。通过试验确定止裂应力与温度的关系。利用一块耳板在低温和拉伸负载
32、下将试样拉断，使裂纹向有均匀拉伸负载的试件主体扩展。第三节 焊接结构的特点及其对脆断的影响设计影响焊接结构的整体性及大刚度1 引起较大的附加应力2 对应力集中因素特别敏感3 一旦有不稳定脆性裂纹出现，很可能会穿越接头扩展至整个结构，从而造成整个结构的破坏。不应在高应力集中区布置焊缝。制造影响(应变时效 )人工时效：钢材在剪切、冷作、弯曲成型之后，如果在 150450范围内加热，材料性能会产生脆化，即产生应变时效。该应变时效较动应变时效的影响弱的多。动应变时效：材料在热循环和热塑性变形循环的作用下，在缺陷处和产生较严重的应变集中，具有较大的热应变量，降低了材料的延性，提高了材料的转变温度。 制造
33、影响(接头金相组织、焊接缺陷 )在焊接热循环的作用下，焊缝及近缝区的组织会发生一系列的变化，使接头各部位的缺口韧性不同。金相组织变化取决于材料原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量。过小的线能量，引起淬硬组织，易产生裂纹；过大的线能量，使晶粒粗大，造成韧性降低。1 焊接缺陷是造成结构产生脆断的重要因素。其影响程度与缺陷的性质、尺寸、形状及部位有关，其中裂纹、未焊透等影响最为严重。制造影响(角变形、错边、残余应力 )产生附加弯曲力矩和新的应力应变集中，在拉伸载荷和附加弯曲力矩的共同作用下，易造成接头破坏。平面缺陷裂纹、分层、未焊透非平面缺陷气孔、夹渣1) 试验温度在材料的转变温度以上时对脆断无
34、影响2) 试验温度在材料的转变温度以下时，和拉伸载荷叠加，造成脆断的产生。第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施设计方面(一) 掌握结构工作条件：最低温度、介质温度和工作载荷的性质。(二) 减少结构和接头的应力集中1 选择结构传力截面及接头形式要尽量使力线均匀分布，避免截面尺寸突变，防止应力集中。2 尽量减小结构刚性，大型结构采用较薄的材料。3 充分考虑到可焊到性。4 避免焊缝密集和焊缝相交正确选用材料 按缺口韧性试验验收材料一般对选定的材料用 V 形缺口冲击试验的结果来验证其适应性，即所选材料和焊接填充金属保证在工作温度下有合格的缺口韧性。 按断裂韧性和屈服极限之比选择材料断裂韧性尚不足以说明材
35、料的脆-塑性，断裂韧性(KIC) 与材料屈服极限之比才能好好地说明这一问题，因为两者之比反映了裂纹尖端处在断裂前塑性区的大小。严格制造工艺和质量监督 1严格按规定的工艺参数施工，禁止使用过大的线能量2较强质量检验，及时消除严重缺陷3尽可能利用焊接工夹具和机械化装置进行施工4对于重要的和危险的结构应通过试验决定是否需要焊后热处理第十六章 焊接接头和焊接结构的疲劳强度第一节 疲劳断裂的基本概念疲劳断裂分类 按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳按应力大小和应力循环次数分为1低周高应变疲劳：作用的应力超过弹性范围， 疲劳循环次数小于 1041052高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服
36、极限，疲劳破坏的应力循环次数大于104105疲劳裂纹形成过程 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。2.扩展阶段；初始裂纹在交变载荷作用下，当裂纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开，尖端向前延伸3.瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬时断裂。疲劳断口可分成三个区域1. 疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。2疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，每一条辉纹代表一次应力(应变) 循环及裂纹逐次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳条纹3. 瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射
37、棱线，外观与脆性失稳断裂相似。第二节 疲劳破坏机理裂纹亚临界扩展裂纹受到一个低于 c 但有足够大的循环应力时，则初始裂纹会由起始尺寸 a0 逐渐扩展到临界尺寸 ac，这一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。裂纹扩展速率当外加应力强度因子幅度达到临界值 Kth 后，裂纹扩展速率急剧上升，此线段几乎与纵坐标平行；此后，da/dN 与 K 成指
38、数关系变化，断口平直，与拉应力成 900，穿晶断裂，疲劳辉纹明显；继续增加 K 出现斜率转折点 I，过此点斜率 n2 斜率，出现切变斜断口，为解理断裂和疲劳断裂的混合型；继续增加 K 接近材料的 KIC 时，到了材料的第转折点，过此点后，斜率增加，点是裂纹扩展加速转变点，此区内断口全为切变断口。 帕瑞斯表达式 K应力强度因子幅度(K=Kmax-Kmin)c、n由试验确定的材料、环境、频率和循环特形等的函数帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对 da/dN 影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因子趋近于其临界值 KIC 时，裂纹加速扩展效应第三节 疲劳断裂力学的基本概念疲劳设计方法分类 1 许用应力设
39、计法：把各种构件和接头试验疲劳强度除以特殊安全系数作为许用应力( 疲劳极限、非破坏概率 95的 2106 次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方法。2 安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设计。所谓安全寿命指在某一环境下，在已知小于疲劳破坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。由 -N 曲线获得 r ，并利用 max-min 疲劳图进行设计。应力应变循环图(小载荷) 应力应变循环图(大载荷)第四节 疲劳强度的常用表示法在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服极限 S 和强度极限 b，静载强度计算的出发点是名义应力(或称基本应力 )，而疲劳强
40、度计算中，所用材料的强度指标是疲劳极限 r ，计算的出发点是是局部应力 (或称峰值应力)。将破坏应力与加载循环次数 N 绘成如图 5-7 所示的曲线，曲线上对应的某一循环次数N 的破坏应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的水平渐近线代表疲劳极限。ndNa第五节 影响焊接结构疲劳强度的因素(一) 应力集中的影响当局部峰值应力达到材料屈服极限时，在断裂前局部材料将产生塑性变形，造成应力重新分布，故实际峰值应力低于理论峰值应力。在这种情况下，应该用有效应力集中系数Kf 来估计，其值为光滑试样的疲劳强度 p 与有效应力集中试样的疲劳强度 p 之比对接接头焊缝形状变化不大，因此和角接接头及十字等相比
41、，应力集中程度要小，接头疲劳强度最高。(二) 焊接残余应力的影响在 a 和 m 表示的疲劳图中，曲线 ACB 代表不同平均应力时的极限应力振幅值a。当构件中的应力振幅值大于极限振幅值时，将发生疲劳破坏。随着 m 的增加，极限应力幅值有所下降。(三) 材料表面状态材料表面有缺陷易造成疲劳强度降低。疲劳裂纹开始产生于材料表面，尤其在拉伸载荷作用下，表层应力最高。 (四) 焊接缺陷的影响焊接缺陷在焊件中会引起应力集中，在交变载荷作用下，很容易引发疲劳裂纹。缺陷对疲劳强度的影响比对静载强度的影响大得多。(五) 不同强度金属的影响强度极限越高，材料对应力集中就越敏感，只有表面抛光的试件其疲劳强度才能随强度极限的提高而增大。(六) 其他影响因素1试样尺寸的影响：尺寸增大，疲劳极限降低；2负载特点：交变弯曲疲劳破坏的寿命最短。3温度升高，裂纹扩展速率随之增高。第六节 提高焊接接头疲劳强度的措施(一) 降低应力集中1. 采用合理的结构形式 2尽量采用应力集中系数小的焊接接头。3改善非连续的几何形状，缓和应力集中(二) 调整残余应力场在易产生裂纹的缺口部位预制残余压应力，消除接头应力集中处的残余拉应力。 (三) 表面强化处理
