文档介绍：第六章焊接结构的疲劳破坏 Fatigue Fracture
材料成型及控制工程
序言
疲劳断裂是金属结构的一种主要失效形式。
金属结构疲劳破坏几率高达90%,具有广泛性。
疲劳破坏发生在承受交变载荷的构件中。
疲劳断裂往往具有低应力特征。
焊接结构的疲劳寿命不是决定于裂纹产生,而是决定于裂纹扩展。
因此,本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上,利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、影响因素及焊接结构疲劳破坏的预防措施。
本章要点:
1)疲劳断裂的基本特征与疲劳图;
2)疲劳裂纹的扩展机理;
3)焊接结构疲劳断裂的影响因素;
4)焊接结构疲劳断裂的防止措施。
疲劳破坏的基本概念
疲劳破坏
在交变载荷反复作用下,金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。
疲劳破坏的基本特征
1)疲劳裂纹是交变载荷多次反复作用后产生的一种失效形式,裂纹扩展缓慢;
2) 疲劳破坏与应力集中关系密切,对应力集中十分敏感,与温度的关系不大;
3)疲劳破坏时变形小;
4)疲劳破坏的断口特征:
①宏观断口
有辐射状的疲劳纹—“年轮状”花样,其辐射条纹的起点就是疲劳裂纹源;
②微观断口
有疲劳扩展的辉纹,呈“海滩状”花样;
③疲劳裂纹扩展部分的断面较为平滑、颜色较深;
由于空气及介质的氧化或腐蚀作用;凸起部分则因扩展过程的摩擦和挤压作用逐渐被磨光;因而出现贝壳状条纹的光滑表面,即所谓的“海滩状”、“年轮状”花样。
④瞬时断裂区较为粗糙,属于脆性断口。
“年轮状”花样图示
有人又形象的称之为“小太阳”!
疲劳断口的年轮花样
脆断区
疲劳扩展区
疲劳破坏的分类
1) 应力疲劳(高周疲劳)
在低应力、高循环、低扩展速率下产生的疲劳称
为应力疲劳或弹性疲劳。
其特点是:在应力循环条件下,裂纹在弹性区内
扩展,且裂纹扩展速率低;循环寿命长,达106~7次.
2) 应变疲劳(低周疲劳)
在高应力、低循环、高扩展速率下产生的疲劳称为应变疲劳或塑性疲劳。
其特点是:应变幅值很高,最大应变接近屈服应变,故疲劳裂纹扩展速率高(10-2mm/次,循环寿命短(N<104次)。
疲劳强度和疲劳极限
传统疲劳设计:
为防止结构在预定工作寿命期发生疲劳破坏,传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。
1)乌勒(Wöhler)疲劳曲线
①结构在多次循环载荷作用下,即使工作应力σmax小于强度极限σb时也会发生疲劳破坏。
②在不同载荷σmax下使结构破坏所需的加载次数N也不同。
表达结构破坏载荷σ与所需加载次数N之间关系的曲线即为乌勒(Wöhler)疲劳曲线。
疲劳曲线示意图
两种形式的乌勒疲劳曲线
图例1
N
σmax
σ1
σ2
N1 N2
σ— N 疲劳曲线
揭示内涵:不同载荷,不同寿命!
降低载荷,寿命提高!