焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和脆性斷裂

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和脆性斷裂一、焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞大量統(tǒng)計資料表明，工程結(jié)構(gòu)失效80%以上是由疲勞引起的。美國商業(yè)部國家標(biāo)準(zhǔn)局向美國國會提出的研究報告，美國每年因斷裂及防止斷裂要付1190億美元的代價，相當(dāng)國民經(jīng)濟總產(chǎn)值4%，而統(tǒng)計資料表明，絕大多數(shù)的斷裂是由疲勞所引起的。美國有幾座橋梁的疲勞斷裂紋發(fā)生在靠近焊縫端部的焊趾部位，如圖2一53所示，在圖示的裂紋部位有較高的應(yīng)力集中。在載荷作用下，腹板平面位移集中在一個比較狹窄而沒有支撐的腹板高度上，也就是翼板至加強肋底部的腹板高度上（劃陰影線區(qū)域），從而使該處腹板開裂。疲勞定義為重復(fù)應(yīng)力所引起的裂紋起始和緩慢擴展，從而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷。疲勞斷裂過程通常經(jīng)歷裂紋萌生、穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展三個階段。圖253美國幾座僑梁疲開開翟的焊疑位置‘一）疲勞斷口的特征在進行疲勞斷口的宏觀分析時，一般把斷口分成三個區(qū)，這三個區(qū)與疲勞裂紋的形成、擴展和瞬時斷裂三個階段相對應(yīng)，分別稱為疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬時擴展區(qū)，如圖2—54所示。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋的形成過程在斷口上留下的真實記錄。由于疲勞源區(qū)一般很小，所以宏觀仁難以分辨疲勞源區(qū)的斷面特征。疲勞源一般總是發(fā)生在表面，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，如脆性夾雜物等，也可在構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生。疲勞源數(shù)目有時不止一個，而有兩個甚至兩個以上，對于低周疲勞，則于其應(yīng)變幅值較大，斷口上常有幾個位于不同位置的疲勞源。疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞斷口上最重要的特回形試忤 〔希雨扭搓關(guān)raz瘢若染址晰II上三卜特征區(qū)的示意尚I一料墳霸；2此世裂拭擴履區(qū)；5-岐盼？｛次加魂機展瞄；卜垛時斷做試征區(qū)域。其宏觀形貌特征常呈現(xiàn)為貝殼狀或海灘波紋狀條紋，而且條紋推進線一般是從裂紋源開始向四周推進，呈弧形線條，而且垂直于疲勞裂紋的擴展方向。其微觀特征是疲勞裂紋，又稱疲勞輝紋，每一貝殼花紋內(nèi)有十萬條。它通常是明暗交替的有規(guī)則相互平行的條紋，一般每一條紋代表一次載荷循環(huán)。疲勞條紋的間距在0.1-0.4ym之間一般來說，面心立方金屬（如鋁及鋁合金、不銹鋼）的疲勞條紋比較清晰、明顯。體心立方金屬及密排六方結(jié)構(gòu)金屬的疲勞條紋遠不如前者明顯，如鋼的疲勞條紋短而不連續(xù)，輪廓不明顯。另外，從宏觀上看一些構(gòu)件，尤其是薄板件，其斷口上并無明顯的貝殼狀花紋，卻有明顯的疲勞臺階。在一個獨立的疲勞區(qū)內(nèi)，兩個疲勞源向前擴展相遇就形成一疲勞臺階，因此疲勞臺階也是疲勞裂紋擴展區(qū)的一個特征。瞬時破斷區(qū)（或稱最終破斷區(qū)）是疲勞裂紋擴展到臨界尺寸之后發(fā)生的快速破斷。它的特征與靜載拉伸斷口中快速破壞的放射區(qū)及剪切唇相同，但有時僅僅出現(xiàn)剪切唇而無放射區(qū)。對于非常脆的材料，此區(qū)為結(jié)晶狀的脆性斷口。（二）影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素影響母材疲勞強度的因素（如應(yīng)力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況等），同樣對焊接結(jié)構(gòu)也有影響。除此之外，焊接結(jié)構(gòu)本身的一些特點，如接頭部位近縫區(qū)性能的變化，焊接殘余應(yīng)力等也可能對焊接疲勞產(chǎn)生影響。（l）應(yīng)力集中的影響焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，它們對接頭的疲勞強度產(chǎn)生不同程度的不利影響。（2）近縫區(qū)金屬性能變化的影響試驗研究表明，在常用線能量下低碳鋼的焊接。熱影響區(qū)和基本體金屬的疲勞強度相當(dāng)接近，其近縫區(qū)金屬機械性能變化對接頭的疲勞強度影響較小。(3)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)力較高的區(qū)域，如應(yīng)力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強度。另外殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響，還與應(yīng)力集中程度、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)，特別是應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力影響越顯著。(4)缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度的影響與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)，比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷比在均勻應(yīng)力場中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向大；位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的影響大。(三)提高疲勞強度措施.降低構(gòu)件中的應(yīng)力集中程度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的最主要因素，一般采取下列措施。用合理的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式減小應(yīng)力集中，以提高疲勞強度。合理地選擇接頭形式盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對接接頭，焊縫形狀過渡平緩。振動載荷采用連續(xù)焊縫比斷續(xù)焊有利，盡量少采用角焊縫。當(dāng)采用角焊縫時須采取綜合措施如機械加工焊縫端部、合理選擇角接板形狀、保證燁縫根部焊透等。用表面機械加工的方法消除焊縫及其附近的各種刻槽，來降低接頭應(yīng)力集中程度.提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝措施在工藝上應(yīng)正確選擇焊接規(guī)范，保證焊縫良好成形和內(nèi)外部沒有缺陷。TIG焊電弧整形，可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強度。調(diào)整殘余應(yīng)力。其方法有兩類：結(jié)構(gòu)和元件的整體處理，包括整體退火或超載預(yù)拉伸法；對接頭部位局部處理，即在接頭某部位采用加熱、輾壓、局部爆炸等方法，使接頭應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余應(yīng)力。(4)改善材料的機械性能表面強化處理，用小輪擠壓或用錘輕打焊縫表面及過渡區(qū)，或用小鋼丸噴射焊縫區(qū)部可提高接頭的疲勞強度。.采用特殊保護措施采用特殊的塑料涂層，改善焊接接頭疲勞性能是一項新技術(shù)，其效果較顯著。二、焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂自從焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來，許多國家都發(fā)生過焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故，其后果是嚴(yán)重的，甚至是災(zāi)難性的。英國原子能局和聯(lián)合國技術(shù)委員會聯(lián)合調(diào)查的結(jié)果表明：12700臺制造中的壓力容器發(fā)生的災(zāi)難性事故，大部分為脆性斷裂，事故率為2.3X10~4；在100300臺在役壓力容器中，災(zāi)難性事故率為0.7X10~4，損傷性事故率12.5X10?4合計13.2X1O?4。在許多嚴(yán)重的事故中，最為典型的事例是1938年3月14日比利時Albert運河上Hesselt橋的斷塌事故。(一)脆斷的特點脆斷一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力和沒有顯著塑性變形的情況下發(fā)生，并擴展到結(jié)構(gòu)整體，損失嚴(yán)重。脆斷往往從應(yīng)力集中處開始，如構(gòu)件內(nèi)存在有缺陷和焊縫處等。在低溫下，厚截面和高應(yīng)變速度，即動載作用下，極易引起脆斷。大量脆斷事故研究友明，造成焊接脆斷的原因是多方面的，但主要的是材料選用不當(dāng)，設(shè)計不合理、制造工藝以及檢驗技術(shù)不完善等。(二)影響金屬脆性斷裂因素.溫度對破壞方式的影響降低溫度將使破壞方式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。這是因為隨著溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危險性增大，材料將出現(xiàn)由延性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變，即材料脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。.應(yīng)力狀態(tài)的影響物體在受外載時，在不同截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力6和剪切應(yīng)力t，其中有一個最大的正應(yīng)力6max和最大的切應(yīng)力tmax。6max和tmax及其比6max/tmax與加載方法式有關(guān)。a=6max/tmax稱為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，與加載方式和零件形狀有關(guān)。6增大的應(yīng)力狀態(tài)，有利于塑性變形切應(yīng)力的韌性斷裂，而6減少則有利于正應(yīng)力的脆性斷裂。.加載速度的影響研究表明提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當(dāng)于降低溫度。還應(yīng)指出，在同樣加載速率下，結(jié)構(gòu)中有缺陷時，應(yīng)變速率可呈加倍的不