焊接結(jié)構(gòu)強度的基本理論

1、第三章焊接結(jié)構(gòu)強度的基本理論焊接結(jié)構(gòu)除了在使用過程中結(jié)構(gòu)強度不足時會造成破壞外，還有其他形式的破壞，如疲勞破壞、脆性破壞等，這種破壞也是焊接結(jié)構(gòu)的一般破壞形式。本章主要介紹了焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞、脆性破壞的原因、提高疲勞強度和防止脆性破壞的主要措施。焊接結(jié)構(gòu)第一部分的疲勞斷裂一、疲勞的定義疲勞定義為由重復(fù)應(yīng)力引起的裂紋開始和緩慢擴展導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)部件損壞，疲勞極限是樣例在沒有疲勞破壞的情況下循環(huán)到“無數(shù)”應(yīng)力的最大應(yīng)力值。在重復(fù)載荷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部分，當施加給部件的公稱應(yīng)力低于彈性極限時，可能會發(fā)生疲勞裂紋。疲勞裂紋開發(fā)的最后階段不穩(wěn)定性擴展(斷裂)突然發(fā)生，沒有預(yù)告，沒有明顯的塑性變形，預(yù)防措施困難

2、，因此疲勞裂紋對結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成了巨大威脅。焊接結(jié)構(gòu)也可能因交替應(yīng)力或變形作用下的裂紋(或)擴展而被疲勞破壞。疲勞破壞通常從應(yīng)力集中開始，但是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞通常發(fā)生在焊接連接處。二、影響焊接接頭疲勞性能的因素焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，在很大程度上決定了構(gòu)件中的應(yīng)力集中，不適當?shù)倪B接形式和焊接過程中出現(xiàn)的各種缺陷(例如未焊接的穿透、咬邊等)是導(dǎo)致應(yīng)力集中的主要原因。此外，熔接結(jié)構(gòu)本身的某些性質(zhì)(例如接合效能的不均勻性、熔接殘余應(yīng)力等)會影響熔接結(jié)構(gòu)的疲勞強度。1.應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的影響結(jié)構(gòu)上幾何圖形的不連續(xù)性會產(chǎn)生應(yīng)力集中的不同程度，金屬材料表面的槽口和內(nèi)部缺陷會導(dǎo)致應(yīng)力集中。熔接接合本身是幾何

3、間斷的，并且接合形式和熔接造型不同時，具有填角熔接的接合的應(yīng)力集中程度更大的應(yīng)力集中程度不同。構(gòu)件的槽口越尖銳，應(yīng)力集中越大(即應(yīng)力集中系數(shù)k越大)，疲勞強度減少也越大。不同的材料或相同的材料具有不同的空隙敏感度(或槽口效果)，具體取決于組織和強度。高強度鋼低強度鋼對槽口敏感。也就是說，如果有相同的槽口，高強度鋼的疲勞強度比低強度鋼低得多。在焊縫連接中，承載焊縫的槽口效應(yīng)比非承載焊縫強，而在承載焊縫中，作為垂直于焊縫軸方向的載荷，凹槽最敏感。圖3-1是三種不同強度結(jié)構(gòu)鋼的滾動表面光滑試樣、對接接頭和交叉接頭(未加工)的疲勞極限和應(yīng)力比r的關(guān)系曲線(疲勞圖)。圖中顯示了曲面平滑(無應(yīng)力集中)、強

4、度高的材料，疲勞強度也高。如果對接接頭中存在應(yīng)力集中，這三種材料的疲勞強度均會降低。強度越高，縮減幅度越大。相交接合的應(yīng)力集中程度更高，因此所有三種材料在一個應(yīng)力層級減少了大量疲勞強度。表明，疲勞載荷下應(yīng)力集中的存在消除了高強度鋼的靜載荷強度優(yōu)勢。圖3-1低、中、高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭疲勞極限與應(yīng)力比的關(guān)系a)軋制板材b)中等質(zhì)量對接接頭c)中等質(zhì)量交叉接頭圖3-2是低碳鋼搭接接頭疲勞試驗結(jié)果的比較。圖3-2 a是只有側(cè)焊縫的搭接接頭，疲勞強度只有母材的34%。焊腳1: 1的前焊縫的搭接接頭(圖3-2 b)比只有側(cè)焊縫的聯(lián)接疲勞強度稍高，但仍然較低。前焊接焊腳比率為1: 2的搭接接頭，改善了應(yīng)力

5、集中，提高了疲勞強度，但效果不大。即使在焊縫到主切換區(qū)域(參見圖3-2d)中執(zhí)行表面加工，也不能顯著提高接頭的疲勞強度。根據(jù)強度條件，蓋子厚度超過要求的兩倍，焊腳比率為1: 38，只能通過機械加工(圖3-2e)將焊縫平滑轉(zhuǎn)換為母材，以提高疲勞強度(圖3-2e)，但不能采用這種連接，因為這樣的連接成本太高。圖3-2f連接了非常不合理的塢站接頭的板，這大大削弱了原始疲勞強度高的塢站接頭。圖3-2低碳鋼搭接接頭疲勞極限比較表面狀態(tài)粗糙相當于許多因應(yīng)力集中而降低疲勞強度的微槽口。表面越粗糙，疲勞極限越小。材料的強度等級越高，表面狀態(tài)的影響也越大。焊接表面的波紋太粗糙，不利于接合的疲勞強度。焊接殘余應(yīng)力

6、的影響焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力影響疲勞強度。焊縫殘余應(yīng)力的存在改變了平均應(yīng)力m的大小，但不改變應(yīng)力幅度a。在“殘余拉伸應(yīng)力”區(qū)域中增加平均應(yīng)力會對疲勞強度產(chǎn)生不利影響，因為工作應(yīng)力可能達到或超過疲勞極限。相反，殘余壓縮應(yīng)力有利于提高疲勞強度。對于塑料材料，如果在循環(huán)特征r-1中材料先屈服，然后被疲勞破壞，則殘余應(yīng)力不再有影響。焊接殘余應(yīng)力是因為結(jié)構(gòu)上拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力同時存在。如果可以調(diào)整壓縮殘余應(yīng)力，使其位于材料表面或應(yīng)力集中區(qū)域，則非常有利，如果材料表面或應(yīng)力集中區(qū)域中存在殘余拉伸應(yīng)力，則非常不理想，應(yīng)將其刪除。焊接缺陷的影響焊縫缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的類型、大小、方向和位置有關(guān)。片狀缺

7、陷(例如裂紋、未熔合、未焊接)的影響比有圓角的缺陷(例如氣孔等)大。表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響更大。垂直于作用方向的薄片缺陷的影響大于其他方向。殘余拉伸應(yīng)力場的缺陷比殘余壓縮應(yīng)力場的影響大。同樣的缺陷，在應(yīng)力集中場(例如焊接趾裂和根裂)的影響大于在均勻應(yīng)力場的影響。三、提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的措施如上所述，應(yīng)力集中是降低焊接連接和結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要原因，只有焊接連接和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理，焊接工藝完善，焊接金屬質(zhì)量良好，才能保證焊接連接和結(jié)構(gòu)的疲勞強度高。要提高焊接接頭的疲勞強度，通常要采取以下措施：1.減少應(yīng)力集中疲勞裂紋源于焊縫和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點，可以通過消除或減少應(yīng)力集中的任何方法提高結(jié)構(gòu)的疲勞強度

8、。(1)合理的結(jié)構(gòu)形式盡量不搭接合，優(yōu)先選擇對接接合；重要結(jié)構(gòu)最好將t或轉(zhuǎn)角接頭變更為對接接頭，以使焊接避免轉(zhuǎn)角部分。如果t型接頭或圓角接頭是必需的，請使用完全焊透對接焊接。盡量避免偏心負載設(shè)計，以免元件的內(nèi)力順暢、分布均勻、產(chǎn)生額外應(yīng)力。減少斷面突變，板厚或板寬差異大，對接時要設(shè)計平緩的過渡區(qū)域。結(jié)構(gòu)的尖角或拐角應(yīng)使曲率半徑越大，圓弧就越圓。確保3向焊接空間不相交，焊縫不設(shè)置在應(yīng)力集中區(qū)域，避免在主要拉伸構(gòu)件上設(shè)置側(cè)焊縫。在不可避免的情況下，必須保證焊縫的內(nèi)外質(zhì)量，減少焊縫腳趾的應(yīng)力集中。只能單面焊接的對接焊縫，重要結(jié)構(gòu)中不允許在背面放置永久墊板。不要使用間斷焊縫，因為在每個焊接段的起始端，

9、應(yīng)力集中程度更高。摘要在常溫靜態(tài)載荷下工作的焊接結(jié)構(gòu)和在動態(tài)載荷或低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)在施工設(shè)計上有不同的要求，更注重詳細設(shè)計。表3-1顯示了兩種載荷條件下的配置設(shè)計差異。表3-1常溫下靜態(tài)和可變載荷的焊接結(jié)構(gòu)在詳細設(shè)計中存在差異序號靜態(tài)負載下工作在可變載荷下工作1表圖3-1表圖3-102表圖3-2表圖3-113表圖3-3表圖3-124表圖3-4表圖3-135表圖3-5表圖3-146表圖3-6表圖3-157表圖3-7表圖3-168表圖3-8表圖3-179表圖3-9表圖3-18(2)正確的焊縫形狀和良好的焊縫內(nèi)部和外部質(zhì)量對接接頭焊縫的馀力應(yīng)盡可能小，最好是平整(或拋光)，不留下焊后旅費；T形接

10、頭建議使用具有凹面的填角熔接，而不要使用具有擠出部分的填角熔接。在焊接和母材表面的交點處，焊接腳趾要平穩(wěn)過渡，必要時要研磨焊接腳趾，或者重新溶解氬弧焊弧，減少那里的應(yīng)力集中。所有焊接缺陷都具有不同的應(yīng)力集中程度。特別是裂紋焊接缺陷(例如裂紋、成本接觸貫穿、無融合和咬邊)對疲勞強度的影響最大。因此，為了減少焊接缺陷，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計中消除過多缺陷，以便容易焊接。2.殘余應(yīng)力調(diào)整殘余壓縮應(yīng)力會增加疲勞強度，拉伸應(yīng)力會降低疲勞強度。因此，如果構(gòu)件表面或應(yīng)力集中存在殘余壓縮應(yīng)力，則可以提高疲勞強度。例如，通過調(diào)整焊接順序、部分加熱等，可以獲得有助于提高疲勞強度的殘余應(yīng)力場。對接熔接1(如圖3-3所示)受

11、到最大彎曲應(yīng)力垂直的I梁對接。如果在接頭兩端未焊接角焊縫3，則首先焊接焊縫1，然后將腹板焊接到接縫2，收縮焊縫2，使焊縫1產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。由于最后一個熔接保留的填角熔接3的收縮，裂口1和接縫2中均存在殘余壓縮應(yīng)力。測試結(jié)果表明，該焊接順序首先焊接焊縫2，然后比焊縫1的疲勞強度高30%。圖3-4是縱向焊接連接節(jié)點板，是縱向接頭端槽口中的應(yīng)力集中點，執(zhí)行點形狀的部分加熱可以形成在加熱位置適當?shù)那闆r下在槽口中獲得有利壓力殘余應(yīng)力的殘余應(yīng)力場。圖3-3 I梁對接焊接順序圖3-4節(jié)點板局部加熱的殘余應(yīng)力此外，還可以使用滾動、錘或噴丸等表面變形強化，使金屬表面塑性變形和硬化，并在表面產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，從

12、而提高疲勞強度。對于帶槽口的構(gòu)件，使用一次預(yù)過載拉伸，可以在槽口頂部獲得殘余壓縮應(yīng)力。彈性卸載后槽口殘余應(yīng)力的符號總是與(彈塑性)載荷下槽口應(yīng)力的符號相反。此方法不應(yīng)使用彎曲過載或多重拉伸載荷。與壓力容器水壓試驗等結(jié)構(gòu)驗收試驗結(jié)合時，起到預(yù)過載拉伸的作用。3.改善材料的組織和性質(zhì)1)提高母材金屬和焊接金屬的疲勞抵抗力，還要考慮材料的內(nèi)部質(zhì)量。要提高材料的冶金質(zhì)量，減少鋼的夾雜物。重要部件可以使用真空熔煉、真空脫氣、甚至electroslag remelting等熔煉過程的材料來確保純度。室溫精煉晶粒鋼可以提高疲勞壽命。熱處理可以獲得最佳組織狀態(tài)，在提高(或保證)強度的同時，提高塑性和韌性。回火

13、馬氏體、低碳馬氏體(通常有自己的回火效果)和河北鎳等組織具有較高的疲勞阻力。2)強度、塑性和韌性要合理調(diào)整。強度是材料抵抗斷裂的能力，但高強度材料對縫隙很敏感。塑性的主要作用是通過塑性變形吸收變形工作，減少最大應(yīng)力，重新分布高應(yīng)力。槽口和裂紋尖端鈍化，裂紋擴展緩和或中斷。塑性能保證強度效應(yīng)充分發(fā)揮。因此，在高強度鋼和超高強度鋼的情況下，提高一些塑性和韌性，可以大大提高抗疲勞能力。4.特別保護措施大氣和介質(zhì)侵蝕經(jīng)常影響材料的疲勞強度，因此使用一定的保護涂層是有利的。例如，在應(yīng)力集中涂漆帶填料的塑料層是實用的改進方法。第二節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)廣泛使用以來，發(fā)生了一些脆性破壞(即脆性破壞)事

14、故。這種事故沒有征兆，突然發(fā)生，一般都有致命的后果，必須重視。焊接結(jié)構(gòu)易碎的原因有材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造質(zhì)量和操作條件等多種。防止焊接結(jié)構(gòu)易碎的系統(tǒng)工程只能通過個別測試或計算方法來保證安全使用。一、焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的基本現(xiàn)象和特點通過對大規(guī)模焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故的分析，發(fā)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂有以下幾個現(xiàn)象和特點。1)大多數(shù)馀料粗加工是在環(huán)境溫度或介質(zhì)溫度降低時發(fā)生的，因此稱為低溫馀料粗加工。2)脆性斷裂的標稱應(yīng)力低，通常低于材料的降伏點，通常低于設(shè)計應(yīng)力。因此，也稱為低應(yīng)力脆性破壞。3)損壞總是從焊接缺陷或幾何急劇變化、應(yīng)力和變形集中開始。4)破損時，宏觀塑性變形很少或很少，一般事故周圍散落著

15、碎片。波段是易碎的扁平波段，宏觀外觀以人字紋、粒狀、人字紋末端為基準，可以找出裂紋的來源。微結(jié)構(gòu)大部分是晶界斷裂和分裂斷裂。(5)脆脆時，裂紋擴展速度很高，一般約為聲速的三分之一，在鋼中可達1200到1800米/秒。當裂紋達到較低的應(yīng)力區(qū)或材料的高韌性時，裂紋停止擴展。6)模擬破壞時，溫度對破壞附近的材料進行了韌性能量測試，結(jié)果顯示其韌性非常差，遠離斷裂的材料的機械性質(zhì)的再測試，其強度和伸長率經(jīng)常符合原規(guī)格要求。第二，焊接結(jié)構(gòu)易碎的原因分析研究了各種焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故，發(fā)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞是材料(包括母料和焊接材料)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造過程三個方面的綜合結(jié)果。材料主要在工作溫度下缺乏韌性，結(jié)構(gòu)設(shè)

16、計主要導(dǎo)致限制材料塑性發(fā)揮的非常不利的應(yīng)力狀態(tài)。對于制造過程，除了焊接工藝缺陷引起的嚴重應(yīng)力集中外，焊接熱的作用還會導(dǎo)致材料(例如熱影響區(qū)域的脆性)發(fā)生變化，并產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。影響金屬材料脆性破壞的主要因素研究表明，同一金屬材料受外部因素的影響，其破壞特性發(fā)生了變化。其中最重要的元素是溫度、負載速度、應(yīng)力狀態(tài)，這三者通常共同作用。溫度的影響溫度對材料的斷裂特性有很大的影響。圖3-5是熱軋低碳鋼的溫度-拉伸特性關(guān)系曲線。如圖所示，隨著溫度的降低，材料的屈服應(yīng)力s和破壞應(yīng)力b增加。反映材料塑性的截面收縮率在溫度降低時從-200 左右減少到0。其屈服應(yīng)力與破壞應(yīng)力幾乎相同，表示材料破壞的特性

17、已從延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。在圖中，屈服應(yīng)力s是與破壞應(yīng)力b同步的溫度或溫度區(qū)間，也稱為材料的溫度或臨界溫度，該溫度或臨界溫度由延性轉(zhuǎn)換為脆性。其他河流也有類似的規(guī)律，除了脆性轉(zhuǎn)變溫度的高低。因此，可以作為衡量材料脆性破壞的指標。脆性轉(zhuǎn)變溫度受測試條件的影響，如缺口試樣的轉(zhuǎn)變溫度高于光滑試樣的轉(zhuǎn)變溫度。圖3-5 0.2%C鋼溫度與拉伸性能的關(guān)系溫度不僅對材料的拉伸特性有類似的影響，而且對沖擊韌性和斷裂韌性也有類似的影響。圖3-6是溫度對其他材料的影響Ak，圖3-7是溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼的斷裂韌性Klc的影響；圖3-8顯示了溫度對Mn-Cr-Mo-V鋼c的影響。溫度降低時，韌性和韌性都下降，通過測試可以確認脆性轉(zhuǎn)變溫度。圖3-6溫度對三種不同材料減震工作的影響圖3-7溫度對Ni-Cr-Mo-V鋼Klc的影響圖3-8溫度對Mn-C