船舶建造工藝力學(xué)第四章

1、第四章 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的因素4.1 應(yīng)力集中 焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀一般總是比較復(fù)雜的，在焊接結(jié)構(gòu)幾何變化處所產(chǎn)生的應(yīng)力往往能引起比名義應(yīng)力大的多的局部應(yīng)力，這時(shí)疲勞裂紋總是從這些結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中處開始。因而，研究這些部位的應(yīng)力集中，對于了解焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞性質(zhì)，預(yù)測其疲勞壽命是非常有意義的。在焊接結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的幾何變化包括以下兩個方面。其一，是結(jié)構(gòu)的整體幾何變化，具體體現(xiàn)在接頭的形式上；其二，是焊縫局部幾何的變化。4.1.1 接頭形式 焊接接頭形式不同，它們的應(yīng)力集中程度也不同，因而接頭的疲勞強(qiáng)度存在差異。一般來說，應(yīng)力集中程度越高，其疲勞強(qiáng)度越低。對接接頭疲勞強(qiáng)度要高于角接頭和搭接接

2、頭。在焊接管節(jié)點(diǎn)中，T型接頭關(guān)節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度較高。4.1.2 焊縫局部幾何形狀 焊縫局部幾何形狀的變化，對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度將產(chǎn)生十分明顯的影響。實(shí)驗(yàn)表明：焊縫寬度與高度的夾角變大，其疲勞強(qiáng)度降低。4.1.3 錯位和角變形 焊接接頭的錯位或角變形，使得焊縫局部幾何形狀變化加劇，使得焊趾根部的應(yīng)力集中程度增加，這必然是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低。對于有角變形的焊接結(jié)構(gòu)，小林，田中等提出了魷魚角變形而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力的公式： 式中為附加彎曲應(yīng)力； e是每米的角變形；是名義應(yīng)力。 其中E， 分別是彈性模量和泊松比。對低合金鋼錯位板接頭進(jìn)行的疲勞斷裂實(shí)驗(yàn)表明，錯位量的增加，其疲勞極限降低。這種變化趨勢如圖

3、所示。4.1.4 焊接缺陷 焊接缺陷主要是指焊縫中的裂紋，未焊透，咬邊，氣孔，夾渣等。由于這些缺陷的存在，使得焊縫局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而使焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低。若通過檢測得知焊縫的缺陷，則可以通過理論計(jì)算求出焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場及缺陷處的最大應(yīng)力值或裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)而可預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。4.2 尺寸效應(yīng) 大量的試驗(yàn)研究表明，不同尺寸的構(gòu)件，其疲勞強(qiáng)度是不相同的。一般來說，隨著尺寸的增加，其疲勞強(qiáng)度呈下降的趨勢。這種疲勞強(qiáng)度隨構(gòu)件尺寸的變化而變化的現(xiàn)象，稱為尺寸效應(yīng)。 材料尺寸效應(yīng)的定量描述可以用尺寸系數(shù)來表征。它定義為：當(dāng)應(yīng)力集中情況相同時(shí)，尺寸為d的試樣的疲勞極限與標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限

4、之比值 式中是尺寸為d的大構(gòu)件在對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限；是尺寸為的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣在對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限。 產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的原因：加工因素和比例因素。（1） 一般來說，大型構(gòu)件的加工質(zhì)量比小型試件的差，因而所包含的缺陷更多些，其疲勞強(qiáng)度也就降低。 (2)構(gòu)件上的應(yīng)力梯度是造成尺寸效應(yīng)的主要原因之一。大試件的應(yīng)力梯度比小試件的小，使得大試件在某一相同深度內(nèi)的名義應(yīng)力比小試件的要大。根據(jù)試件疲勞破壞時(shí)其深度相等的觀點(diǎn)，從而大試件比小試件的疲勞強(qiáng)度要低。4.3 平均應(yīng)力 應(yīng)力幅對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有決定性作用，而平均應(yīng)力也是重要的影響因素之一。平均拉應(yīng)力是疲勞強(qiáng)度降低，平均壓應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度提高。關(guān)于平均應(yīng)力

5、對疲勞壽命的影響，可用極限應(yīng)力線圖表示。 圖中ACB曲線為格伯疲勞極限圖線。在曲線內(nèi)的任一點(diǎn)，表示不發(fā)生疲勞破壞；在曲線外的點(diǎn)，表示經(jīng)一定的應(yīng)力循環(huán)數(shù)后發(fā)生疲勞破壞。圖中A點(diǎn)是對稱循環(huán)應(yīng)力下發(fā)生疲勞破壞的臨界點(diǎn)，該點(diǎn)的縱坐標(biāo)值為對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限。 B點(diǎn)為靜強(qiáng)度破壞的點(diǎn)，其橫坐標(biāo)值為強(qiáng)度極限。 由原點(diǎn)O作與橫坐標(biāo)軸成45°角的線，并與曲線ACB相交于C點(diǎn)，則=, 因max=m+a，所以有= 式中： -脈動循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限。應(yīng)指出，疲勞極限的腳標(biāo)表示應(yīng)力比r的數(shù)值。如r=-1時(shí)的疲勞極限為。應(yīng)力比為任意r時(shí)的疲勞極限寫成。 平均應(yīng)力的三種疲勞極限線圖： 格伯疲勞極限線是經(jīng)過對稱

6、循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限點(diǎn)A和靜強(qiáng)度極限點(diǎn)B的拋物線（圖中曲線1），其方程式為 古德曼圖線是經(jīng)過對稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限點(diǎn)A和靜強(qiáng)度極限點(diǎn)B的直線（圖中曲線2），其方程式為 索德倍爾圖線是經(jīng)過對稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限點(diǎn)A和屈服極限點(diǎn)S的直線（圖中曲線3），其方程式為 4.5 殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力是由加熱不均勻所引起的。在焊接過程中，由于焊縫處溫度較高，而金屬的集體約束焊縫，使其不能自由膨脹，因而出現(xiàn)內(nèi)部壓應(yīng)力，局部達(dá)到塑性變形。溫度降低后，由于周圍的約束不能自由收縮，出現(xiàn)內(nèi)部拉應(yīng)力，局部達(dá)到拉伸屈服極限。在遠(yuǎn)離焊縫的地方則存在殘余壓應(yīng)力，其形成過程恰好是相反。殘余拉應(yīng)力使焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低。4.6

7、材質(zhì)和力學(xué)非均勻性通常把焊接接頭分為三個特征區(qū)，即焊縫區(qū)，熱影響區(qū)和母材區(qū)。因?yàn)檫@三個區(qū)具有不同的金相組織和力學(xué)性質(zhì)，因此反映出整個焊接接頭具有材質(zhì)和力學(xué)非均勻性。目前，工程上對焊接接頭進(jìn)行疲勞分析的方法，是把它作為均勻材料來處理。幾年來，人們開始研究各分區(qū)材質(zhì)非均勻性對整體接頭力學(xué)性能，斷裂力學(xué)參量等的影響。4.7 焊后熱處理及焊縫修整技術(shù) 焊接結(jié)構(gòu)在焊后進(jìn)行熱處理，可以把焊接殘余應(yīng)力減到較低的水平，從而可提高疲勞強(qiáng)度。關(guān)于焊縫修整技術(shù)，常用的方法有以下四種：研磨，TIG熔修，等離子弧熔修以及錘擊。這些方法都是通過改善焊趾處缺陷和外部形狀來降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的。4.

8、8 腐蝕腐蝕疲勞是指腐蝕性介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力聯(lián)合作用下產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象。循環(huán)應(yīng)力加速了腐蝕作用，而腐蝕又加速了機(jī)械疲勞過程。腐蝕疲勞是一種決定于環(huán)境，材料和受力狀態(tài)三者相互作用的力學(xué)電化學(xué)過程。象海洋工程中的海上平臺管節(jié)點(diǎn)這樣的焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常處在海水腐蝕環(huán)境中。由于海水的腐蝕作用，使得焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低，其降低的程度與應(yīng)力水平和加載頻率有關(guān)。研究表明：當(dāng)加在頻率在1HZ以內(nèi)，應(yīng)力水平在屈服極限附近，海水腐蝕對疲勞強(qiáng)度的影響較小。隨著應(yīng)力水平的降低，海水腐蝕對疲勞強(qiáng)度的影響加大。預(yù)防措施有： （1）采用電化學(xué)勢（陰極保護(hù)）的方法。陰極保護(hù)可以有效地防止焊接結(jié)構(gòu)的腐蝕，但提高疲勞壽命是有限的，在高應(yīng)力水平下沒有提高。對于海上平臺管節(jié)點(diǎn)，海水自由腐蝕使疲勞壽命降低的程度有經(jīng)驗(yàn)公式： 而在陰極保護(hù)條件下，其疲勞壽命相對于空氣中