焊接结构强度的基本理论VIP免费

60第三章焊接结构强度的基本理论焊接结构在使用中，除结构强度不够时会导致破坏外，还有其他形式的破坏，如疲劳破坏、脆性断裂等，这些破坏也是焊接结构常见破坏形式。本章主要介绍焊接结构疲劳破坏、脆性断裂产生的原因，以及提高疲劳强度和防止脆性断裂的主要措施。第一节焊接结构的疲劳破坏一、疲劳的定义疲劳定义为由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，疲劳极限是指试样受“无数次”应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。在承受重复载荷结构的应力集中部位，当部件所受的公称应力低于弹性极限时，就可能产生疲劳裂纹，由于疲劳裂纹发展的最后阶段——失稳扩展（断裂）是突然发生的，没有预兆，没有明显的塑性变形，难以采取预防措施，所以疲劳裂纹对结构的安全性有很大危胁。焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发（或）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。二、影响焊接接头疲劳性能的因素焊接结构的疲劳强度,在很大程度上决定于构件中的应力集中情况,不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷（如未焊透、咬边等）是产生应力集中的主要原因。除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响。1．应力集中和表面状态的影响结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中，金属材料表面的缺口和内部的缺陷也可造成应力集中。焊接接头本身就是一个几何不连续体，不同的接头形式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中较为严重。构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。不同材料或同一材料因组织和强度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感，即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中，承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷对缺口最敏感。61图3-1是对三种强度不同结构钢的轧制表面光滑试件、对接接头和十字接头（均未加工）的疲劳极限与应力比r的关系曲线（疲劳图）。图中说明，表面光滑（无应力集中）强度高的材料，其疲劳强度也高；对接接头有了应力集中，这三种材料的疲劳强度都有降低。强度越高降低的幅度也越大；十字接头因具有更严重的应力集中，这三种材料的疲劳强度都降低很多，且都在一个应力水平上。说明在疲劳载荷的作用下由于应力集中的存在使高强钢失去了其静载强度方面的优势。图3-1低、中、高强度结构钢焊接接头疲劳极限与应力比的关系a）轧制板材b）中等质量的对接接头c）中等质量的十字接头图3-2为低碳钢搭接接头疲劳试验结果比较。图3-2a是只有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度只达到母材的34%。焊脚为1：1的正面焊缝的搭接接头（图3-2b），其疲劳强度比只有侧面焊缝的接头略高一些，但仍然很低。正面焊缝焊脚比例为1：2的搭接接头，应力集中获得改善，疲劳强度有所提高，但效果不大。如果在焊缝向母材过渡区进行表面机械加工（见图3-2d）,也不能显著地提高接头的疲劳强度。只有当盖板的厚度比按强度条件所要求的增加一倍，焊脚比例为1：38,并经机械加工使焊缝向母材平滑地过渡（图3-2e）,才可提高到与母材一样的疲劳强度，但这样的接头成本太高，不宜采用。图3-2f是在对接接头上加盖板，这种接头极不合理，把原来疲劳强度较高的对接接头大表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度是不利的。2．焊接残余应力的影响62焊接结构的残余应力对疲劳强度是有影响的。焊接残余应力的存在，改变了平均应力O的大小，而应力幅O却没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。对于塑性材料，当循环特征<时，材料是先屈服后才疲劳破坏，这...