焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂.docx

一、焊接结构的疲劳破坏

大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190亿美元的代价，相当国民经济总产值4%，而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。

美国有几座桥梁的疲劳断裂纹发生在靠近焊缝端部的焊趾部位，如图2一53所示，在图示的裂纹部位有较高的应力集中。在载荷作用下，腹板平面位移集中在一个比较狭窄而没有支撑的腹板高度上，也就是翼板至加强肋底部的腹板高度上（划阴影线区域），从而使该处腹板开裂。

疲劳定义为重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展，从而产生的结构部件的损伤。疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。

（一）疲劳断口的特征

在进行疲劳断口的宏观分析时，一般把断口分成三个区，这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2一54所示。

疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。由于疲劳源区一般很小，所以宏观仁难以分辨疲劳源区的断面特征。疲劳源一般总是发生在表面，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等，也可在构件内部发生。疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，则于其应变幅值较大，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。

疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。其宏观形貌特征常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进，呈弧形线条，而且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。其微观特征是疲劳裂纹，又称疲劳辉纹，每一贝壳花纹内有干万条。它通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在0.1-0.4Уm之间一般来说，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢）的疲劳条纹比较清晰、明显。体心立方金属及密排六方结构金属的疲劳条纹远不如前者明显，如钢的疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。

另外，从宏观上看一些构件，尤其是薄板件，其断口上并无明显的贝壳状花纹，却有明显的疲劳台阶。在一个独立的疲劳区内，两个疲劳源向前扩展相遇就形成一疲劳台阶，因此疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一个特征。

瞬时破断区（或称最终破断区）是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。它的特征与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同，但有时仅仅出现剪切唇而无放射区。对于非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。

（二）影响焊接结构疲劳强度的因素

影响母材疲劳强度的因素（如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况等），同样对焊接结构也有影响。除此之外，焊接结构本身的一些特点，如接头部位近缝区性能的变化，焊接残余应力等也可能对焊接疲劳产生影响。

(l）应力集中的影响?焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，它们对接头的疲劳强度产生不同程度的不利影响。

(2）近缝区金属性能变化的影响?试验研究表明，在常用线能量下低碳钢的焊接。热影响区和基本体金属的疲劳强度相当接近，其近缝区金属机械性能变化对接头的疲劳强度影响较小。

（3）残余应力的影响?残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸的，则它降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外残余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环次数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。

(4）缺陷的影响?焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透），比带圆角的缺陷（如气孔）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；位于应力集中区的缺陷比在均匀应力场中的同样缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向大；位于残余拉应力场内的缺陷比在残余压应力区的影响大。

（三）提高疲劳强度措施

1.降低构件中的应力集中程度

结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素，一般采取下列措施。

（1）用合理的构件结构形式?减小应力集中，以提高疲劳强度。

（2）合理地选择接头形式?尽量采用应力集中系数小的对接接头，焊缝形状过渡平缓。振动载荷采用连续焊缝比断续焊有利，尽量少采用角焊缝。

（3）当采用角焊缝时须采取综合措施?如机械加工焊缝端部、合理选择角接板形状、保证烨缝根部焊透等。

（4）用表面机械加工的方法?消除焊缝及其附近的各种刻槽，来降低接头应力集中程度

2.提高焊接结构疲劳强度的工艺措施

（1）在工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内外部没有缺陷。

（2）TIG焊电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度。

（3）调整残余应力。其方法有两类：结构和元件的整体处理，包