1、焊接结构疲劳 断裂与寿命预测,第一章 绪论,1.1 疲劳断裂及寿命预测研究的意义焊接是许多重大结构的主要连接方式，焊接结构在航空航天、电力、机械、船舶与海洋工程中得到广泛应用。通常许多焊接结构都受交变载荷的作用。大量的研究表明，受交变载荷作用的构件，在工作应力低于材料的静强度，甚至低于材料的屈服强度条件下，经历了一定的循环次数的交变载荷以后，可能发生突然断裂，从而产生灾难性的事故，结构的这种破坏形式，也就是我们所熟悉的疲劳断裂现象。为了保证焊接结构在服役期间的安全性，研究其疲劳断裂特性，预测它们的疲劳寿命，为工程应用提供科学的指导，具有重要意义。,1.2 焊接接头的基本类型 根据结构连接的需要
2、，在焊接结构中可以采用不同形式的焊接接头，通常的焊接结构有板接头和管接头两大类。板接头中有对接接头，T形接头，角接头和搭接头四种基本形式。其结构示意图分别如图1.1图1.4所示。,管接头中有T型管节点，Y型管节点，X型管节点，其结构示意图分别如图1.5图1.8所示。,在许多工程结构中所采用的焊接头主要是板接头，而在海洋工程结构及高层建筑等焊接结构中常采用焊接管节点 。,1.3 疲劳断裂的基本特征焊接结构受交变载荷作用，在结构几何变化处产生应力集中，尤其是在焊缝附近存在气孔，咬边，微裂纹等几何缺陷，这些地方的应力集中程度更高。由于应力集中使得焊接结构局部范围内的应力达到较高的水平，从而使得这些部
3、位首先出现裂纹并扩展直至结构破坏。,疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 材料承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化和内部缺陷发展的过程。 ISO：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。 特点：一定循环次数；交变循环应力， 应力水平低于屈服强度；永久性破坏；,常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类： 高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的 应力水平较低 ，破坏循环次数一般高于104105的疲劳 ，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。 低循环疲劳（低 周疲劳）。作用于零件、构件的应力
4、水平较高 ，破坏循环次数一般低于104105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。,结构的疲劳破坏经历三个阶段： 第一阶段：裂纹的萌生阶段。 疲劳裂纹的萌生是由局部塑性应变集中引起而产生的。在交变应力作用下，由于焊缝附近材料组织的不均匀性，疲劳裂纹在金属表面滑移带或缺陷区形成，而后疲劳裂纹立即开始向金属内部扩展，其扩展方向通常与主应力轴成45。这一阶段的疲劳裂纹由最大剪应力控制。 第二阶段：裂纹的扩展阶段。 疲劳裂纹按第一阶段扩展一定距离后，扩展方向发生变化，它沿与主应力垂直方向扩展，这时裂纹扩展主要受主应力控制。 第三阶段：裂纹失稳扩展阶段。 它与前两个阶段不同，是在一瞬间突然发生的，主
5、要是由超载所引起的。其本质是因疲劳损伤累计，达到损伤临界值的结果。,1.4.2 包辛格效应 金属加工硬化具有方向性，在拉伸变形后，继续拉伸变形比较困难，但此时压缩变形反而变得容易了。反之，先压缩变形然后再进行拉伸变形，屈服极限将有所降低。这种现象称为包辛格效应。 1.4.3 循环硬化和软化应力（应变）随循环数的增加而增大，然后达到稳定的状态称为循环硬化。,当外加循环应力应变位材料进入塑性后，由于反复产生塑性变形，金属的塑性流动特性改变，材料抵抗变形的能力增加或减小，这种现象称为循环硬化或循环软化。循环加载有两种控制方式：应力控制和应变控制。在应力控制下，对循环硬化材料，其应变不断减小；对循环软
6、化材料，其应变则不断增加。在应变控制下：对循环硬化材料，其应力不断增加：对循环软化材料，其应力则不断减小。0.8循环软化材料， 在07一08之间的材料就有可能是循环硬化材料，也可能是循环软化材料。）,1.5 S-N曲线,当施加于结构的交变载荷经过一定的循环次数N以后，构件发生疲劳断裂。循环次数N称为疲劳寿命。对试件用不同载荷进行多次反复加载实验，可测得在不同载荷下试件的疲劳寿命，得到应力与寿命的一系列关系，将这种应力寿命关系的曲线描绘出来，就是构建的疲劳寿命曲线，通常称之为SN曲线。,如何得到S-N曲线 ：标准试样的疲劳试验，一般是在控制载荷或应力的试验条件些，用旋转弯曲疲劳试验机来做的。试验
7、中记录试样在某一循环应力作用下到达破坏时的循环数或寿命N，这里的破坏是指断裂。对一组试样施加不同应力幅的循环载荷，就得到一组破坏循环数。以循环应力中的最大应力为纵坐标，破坏循环数N为横坐标，根据试验数据，用最小二乘法可绘出曲线，即S-N曲线。如图。,P-S-N曲线： 对于给定的构件，在不同应力水平下，各进行一组疲劳试验，从而可得各应力水平下，疲劳寿命的概率分布曲线。一般认为，疲劳寿命在次以内，疲劳寿命服从对数正态分布和威布尔分布。这样，即可求得给定存活率P时的对数疲劳寿命，将不同应力水平下具有相同存活率的各点相连所得曲线，就是构件的P-S-N曲线。如图所示。,下图表示的是等幅应力-时间历程。图
8、中标出了疲劳强度设计中所用的一些符号，以说明最大应力、最小应力、应力幅、平均应力和应力幅度的定义。这些参数之间的关系为,1.6 预测构件疲劳寿命的基本方法 由于影响构件疲劳性能的因素很多，因为使得预测疲劳寿命变得十分复杂，目前，预测构件的疲劳寿命主要有以下几种方法：（1） 名义应力法 其基本思想是以名义应力为控制参数。通过疲劳试验获得SN曲线，通过载荷谱分析及损伤法则，即可计算构件的疲劳寿命。优点是具有较高的可靠度，得到广泛应用；缺点是费时费力，很不经济。（2） 局部应力应变法 它是基于决定构件疲劳强度和寿命的主导因素是应力应变集中区德局部应力和应变这种思想，并假定只要局部应力应变相同，其疲劳
9、寿命就完全一致。因而只要知道构件的局部应力应变就可以通过光滑材料试件的SN曲线来预测构件的疲劳寿命。值得注意的是，该法计算的寿命是裂纹形成寿命而非总寿命。,（3）断裂力学方法 对于焊接结构，由于焊缝内常常有气孔，裂纹，夹渣等缺陷，人们用断裂力学理论建立焊接结构的损伤容限设计方法，预测焊接结构的疲劳裂纹扩展寿命。由于焊缝内裂纹的复杂性，材质的不均匀性，裂纹扩展的特殊规律等诸多问题的存在，使得该法预测变得十分复杂。随着断裂力学理论研究的进一步深入，断裂力学方法必将得到更大地发展。（4）损伤力学方法 构件的疲劳破坏其本质是构件的累计损伤发展到临界损伤值得结果。有关损伤力学的研究，目前大部分主要还是限
10、于材料的损伤，对于焊接结构的损伤研究还无法涉及。,第二章 疲劳累计损伤理论,线性累计损伤理论有两点不足： 第一，该理论不考虑各级载荷间的相互作用；第二，不考虑在作用下循环次以后，结构的疲劳极限要发生改变。 尽管如此，它仍然是目前工程上应用最广的公式。 由于线性累计损伤法则存在某些不足，因此许多学者试图寻求新的非线性累计损伤理论，他们各自从不同的角度建立了相应的疲劳损伤规律。下面介绍一种非线性损伤公式。,常见S-N曲线是对称循环（ ）时，焊接结构的疲劳强度极限。对于焊接板节点应力循环数N可取 ，对于焊接管节点可取 。 中周阶段的SN曲线可表示为：,其中C，m为常数。它们可由以下两式确定：,式中,
11、是第i个试件所施加的应力幅；,是第i个试件所对应的疲劳寿命；N是试件的个数。,第三章 影响焊接结构疲劳性能的因素,3.1 应力集中 焊接结构的几何形状一般总是比较复杂的，在焊接结构几何变化处所产生的应力往往能引起比名义应力大的多的局部应力，这时疲劳裂纹总是从这些结构的局部应力集中处开始。因而，研究这些部位的应力集中，对于了解焊接结构的疲劳破坏性质，预测其疲劳寿命是非常有意义的。在焊接结构中，结构的几何变化包括以下两个方面。其一，是结构的整体几何变化，具体体现在接头的形式上；其二，是焊缝局部几何的变化。,3.1.1 接头形式焊接接头形式不同，它们的应力集中程度也不同，因而接头的疲劳强度存在差异。
12、一般来说，应力集中程度越高，其疲劳强度越低。对接接头疲劳强度要高于角接头和搭接接头。在焊接管节点中，T型接头关节点的疲劳强度较高。 3.1.2 焊缝局部几何形状 焊缝局部几何形状的变化，对焊接结构的疲劳强度将产生十分明显的影响。实验表明：焊缝宽度与高度的夹角变大，其疲劳强度降低。,3.1.3 错位和角变形焊接接头的错位或角变形，使得焊缝局部几何形状变化加剧，使得焊趾根部的应力集中程度增加，这必然是焊接结构的疲劳强度降低。 3.1.4 焊接缺陷 焊接缺陷主要是指焊缝中的裂纹，未焊透，咬边，气孔，夹渣等。由于这些缺陷的存在，使得焊缝局部产生应力集中，因而使焊接结构的疲劳强度降低。若通过检测得知焊缝
13、的缺陷，则可以通过理论计算求出焊接结构的应力场及缺陷处的最大应力值或裂纹尖端应力强度因子，进而可预测结构的疲劳寿命。,3.2 尺寸效应大量的试验研究表明，不同尺寸的构件，其疲劳强度是不相同的。一般来说，随着尺寸的增加，其疲劳强度呈下降的趋势。这种疲劳强度随构件尺寸的变化而变化的现象，称为尺寸效应。材料尺寸效应的定量描述可以用尺寸系数来表征。它定义为：当应力集中情况相同时，尺寸为d的试样的疲劳极限与标准试样的疲劳极限之比值 式中是尺寸为d的大构件在对称循环时的疲劳极限；是尺寸为的标准尺寸试样在对称循环时的疲劳极限。产生尺寸效应的原因：加工因素和比例因素。（1） 一般来说，大型构件的加工质量比小型
14、试件的差，因而所包含的缺陷更多些，其疲劳强度也就降低。 （2）构件上的应力梯度是造成尺寸效应的主要原因之一。大试件的应力梯度比小试件的小，使得大试件在某一相同深度内的名义应力比小试件的要大。根据试件疲劳破坏时其深度相等的观点，从而大试件比小试件的疲劳强度要低。,3.3 平均应力应力幅对焊接结构的疲劳寿命有决定性作用，而平均应力也是重要的影响因素之一。平均应力对材料的S-N曲线的影响如图所示。一般来说，平均拉应力是有害的，它使疲劳寿命降低；而平均压应力是有利的，它使疲劳寿命提高。,格伯疲劳极限线是经过对称循环应力的疲劳极限点A 和静强度极限点B的抛物线（图中曲线1），其方程式为,古德曼图线是经过
15、对称循环应力的疲劳极限点A 和静强度极限点B的直线（图中曲线2），其方程式为,索德倍尔图线是经过对称循环应力的疲劳极限点A 和屈服极限点S的直线（图中曲线3），其方程式为,3.4 残余应力焊接残余应力是由加热不均匀所引起的。在焊接过程中，由于焊缝处温度较高，而金属的集体约束焊缝，使其不能自由膨胀，因而出现内部压应力，局部达到塑性变形。温度降低后，由于周围的约束不能自由收缩，出现内部拉应力，局部达到拉伸屈服极限。在远离焊缝的地方则存在残余压应力，其形成过程恰好是相反。残余拉应力使焊接结构的疲劳强度降低。3.5 材质和力学非均匀性通常把焊接接头分为三个特征区，即焊缝区，热影响区和母材区。因为这三个
16、区具有不同的金相组织和力学性质，因此反映出整个焊接接头具有材质和力学非均匀性。目前，工程上对焊接接头进行疲劳分析的方法，是把它作为均匀材料来处理。几年来，人们开始研究各分区材质非均匀性对整体接头力学性能，断裂力学参量等的影响。,3.6 焊后热处理及焊缝修整技术 焊接结构在焊后进行热处理，可以把焊接残余应力减 到较低的水平，从而可提高疲劳强度。 关于焊缝修整技术，常用的方法有以下四种：研磨，TIG熔修，等离子弧熔修以及锤击。这些方法都是通过改善焊趾处缺陷和外部形状来降低应力集中现象，从而提高焊接结构的疲劳强度的。,3.7 腐蚀 腐蚀疲劳是指腐蚀性介质与循环应力联合作用下产生的断裂现象。循环应力加
17、速了腐蚀作用，而腐蚀又加速了机械疲劳过程。腐蚀疲劳是一种决定于环境，材料和受力状态三者相互作用的力学电化学过程。象海洋工程中的海上平台管节点这样的焊接结构经常处在海水腐蚀环境中。由于海水的腐蚀作用，使得焊接结构的疲劳强度降低，其降低的程度与应力水平和加载频率有关。研究表明：当加在频率在1HZ以内，应力水平在屈服极限附近，海水腐蚀对疲劳强度的影响较小。随着应力水平的降低，海水腐蚀对疲劳强度的影响加大。,预防措施有： （1）采用电化学势（阴极保护）的方法。阴极保护可以有效地防止焊接结构的腐蚀，但提高疲劳寿命是有限的，在高应力水平下没有提高。 （2）对焊缝进行修整也可以提高在海水中的焊接结构的疲劳强
18、度。但是，不论采用哪有那种预防措施，焊接结构在海水中的疲劳强度都达不到其在空气中的疲劳强度。,管节点S-N曲线预测方法焊接管节点是海洋工程海上平台结构中管件连接的基本形式。在复杂的受力方式和载荷反复作用下，在节点交贯线焊缝的焊趾处产生裂纹萌生、扩展、汇合、贯穿壁厚而破坏。目前，通过试验方法获得管节点的SN曲线从而以此为基础，预测管节点的疲劳寿命，是许多国家所采用的基本方法。然而，为了模拟海浪等外载荷对管节点的作用，消除加载频率对管节点疲劳强度所产生的附加影响，在完成管节点的模型疲劳试验中，加载频率一般在1Hz以内，因而使得试验周期变得很长，试验受到较大地限制。所以，建立用较少的试验，而获得管节
19、点的S-N曲线的方法是有实际意义的。,管节点SN曲线实际的管节点的几何尺寸是很大的，而在试验室里所完成的是管节点的模型试验，由于疲劳破坏的尺寸效应，这种模型试验的结果，不能完成代表实际尺寸的SN曲线否则就会给出偏于危险的结果。通常，可以采用一点法，即把m值固定下来，然后预测管节点SN曲线的C值。 根据前面所建立的焊接结构疲劳强度厚度效应的预测理论，若以某一特定厚度下的疲劳强度为基准，则可以预测任意厚度时管节点的疲劳强度，而任意厚度时S- N曲线的m值与特定厚度下S- N曲线的m值相同。因而，可以预测任意厚度时管节点的S- N曲线。,构件的P-S-N曲线S-N曲线是对构件进行疲劳寿命预测的前提和
20、基础。由于疲劳试验数据的离散性，使得疲劳应力-寿命间的曲线，并不是一一对应的单值关系，而是与存活率P紧密相连。前面提到的S-N曲线是中值疲劳寿命曲线，也就是存活率P为50%的S-N曲线。在许多情况下，尤其是构件的可靠性设计中，根据实际要求，需要不同存活率的S-N曲线。要表达这些不同存活率的疲劳寿命曲线，就必须使用P-S-N曲线。实践表明，疲劳 寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题 。具有存活率p（如95、99、99.9）的疲劳寿命Np的含义是 ：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（ 1 p ） 。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p50的曲线
21、。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。,对于给定的构件，在不同应力水平下，各进行一组疲劳试验，从而可得各应力水平下，疲劳寿命的概率分布曲线。一般认为，疲劳寿命在次以内，疲劳寿命服从对数正态分布和威布尔分布。这样，即可求得给定存活率P时的对数疲劳寿命，将不同应力水平下具有相同存活率的各点相连所得曲线，就是构件的P-S-N曲线。如图6.1所示。,由于P-S-N曲线全面地反映了构件的应力-寿命关系，因而在工程实际中比S-N曲线具有更广泛的用途。焊接结构的P-S-N曲线的测定可以按照构件的P-S-N曲线测定方法进行。一般可选5级应力水平，在每一应力水平下试验一组焊接结构，每组的焊接结构试
22、件个数不少于6个。焊接结构给定盈利水平下的疲劳寿命服从对数正态分布时，由试验确定的P-S-N曲线方程式表示为：,式中,是用存活率表示的疲劳寿命。而常数,分别由以下两式表示：,是所加应力水平的级数；,是第j级应力水平的应力幅；,是第j级应力水平下具有指定存活率p的对数疲劳寿命,局部应力应变法应变寿命法 实验结果表明，稳态循环，一曲线中循环应力 与塑性内变之间的关系可用幂函数近似描述：,为循环应力幅值;,为循环应变幅值;,为循环强度系数；,可得稳态循环一曲线 的近似表达式为,为循环应变强化指数。,应变寿命曲线（低周疲劳） MansonCoffin公式，,-疲劳强度系数;,B 疲劳强度指数; C 疲劳延续指数;,疲劳延续系数;,非对称载荷平均应力的Morrow修正,
