焊接工程学(第九章)讲解.ppt

福曼公式中，由于高韧性材料的临界应力强度因子K1c很难测出，故福曼公式难以描述高韧性材料的裂纹扩展规律。为此，华格提出了如下的裂纹扩展公式： da / dN= C[Kmax(1-r)m]n m、n、c为与材料和介质有关的常数。Kmax(1-r)m为有效应力强度因子。m=1时，该公式与帕瑞斯公式完全一致 第三节 疲劳断裂力学的基本概念 分别用福曼公式和华格公式处理的铝合金的da / dN -△K 关系曲线 第三节 疲劳断裂力学的基本概念 2. 疲劳裂纹的扩展特性 试验表明，绝大多数材料的指数m=2-4，n=2-7。金属材料的da / dN —△K关系在双对数坐标上表现为并非一条直线，而是由四条不同斜率的线段组成： 第一条线段：当应力强度因子幅度小于某一界限值△K th时，裂纹不发生扩展；当外加应力强度因子幅度达到△K th后，裂纹扩展速率急速上升，几乎与纵坐标平行。将△K th定义为应力强度因子的门槛值 第三节 疲劳断裂力学的基本概念 金属材料的da / dN —△K在双对数坐标上的关系 第二条线段：稍微增加△K 值， da / dN —△K 关系呈指数n1变化，在断口上表现为此扩展阶段为平断口，与外力成90°，为穿晶断裂，有典型的疲劳辉纹 第三条线段：继续增加△K时，出现斜率转折点，测得该点的裂纹扩展速率为10-3 ~10-4 mm/次，线段的斜率降为n2 ，该阶段的断口为与外力成45°的切变斜断口，为解理断裂与疲劳断裂的混合 第三节 疲劳断裂力学的基本概念 金属材料的da / dN —△K在双对数坐标上的关系 继续增加△K，当Kmax逐渐达到材料的K1c时，将出现裂纹扩展速度加速的第二转折点，此后斜率将大增，在此阶段宏观断口为全切变断口 研究表明，各种材料的疲劳裂纹扩展速度加速转变点，几乎均在一恒定的裂纹张开位移幅度下发生，即第二转折点的△δt=3.96×10-2mm 第三节 疲劳断裂力学的基本概念 对于发生在高应力、低循环、高扩展速率的高应变循环疲劳（即低循环疲劳或塑性疲劳），此时应控制材料的应变幅值，而非应力 如果用裂纹尖端的张开位移来描述此时的裂纹扩展规律，则可表示为： da / dN= C(△δt)m 可见，裂纹尖端的张开位移幅度△δt是影响裂纹扩展速度的主要参量 第三节 疲劳断裂力学的基本概念 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 1. 应力集中的影响 焊接构件由于几何不连续、材料成分不均匀或加工形成的缺陷等原因 使构件内出现应力集中 降低了构件的疲劳强度 应力集中程度用应力集中系数KT表示 对接焊缝的断裂部位 1 接头形式引起应力集中的影响 在对接接头中，对于质量良好的具有一定量余高的焊缝，主要应力集中点发生在焊趾处。裂纹可在焊缝或热影响区内形成，然后向基体金属或焊缝金属内扩展 由于应力集中系数的不同，对接焊缝的形状对于接头的疲劳强度影响最大 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 焊缝余高对疲劳强度的影响 a、过渡角的影响 左图为材料的疲劳强度与焊缝金属过渡角的关系。若焊缝宽度W和高度h变化，但h/W比值保持不变，即过渡角保持不变，此时疲劳强度保持不变；若W不变，h变化，则h增加，疲劳强度降低，原因是过渡角增加 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 焊缝过渡半径、过渡角对疲劳强度的影响 b、焊缝金属过渡半径的影响 随着焊缝金属过渡半径R的增加，接头的疲劳强度增加；过渡角θ越大，疲劳强度下降越大 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 c、机加工的影响 若对焊缝表面进行机械加工，焊缝的应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度将相应提高 由于机械加工使成本提高，故只有确实需要时，才宜采用机加工。当焊缝有严重缺陷时，由于有高度的应力集中，此时采用机加工则毫无意义 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 角焊缝和极限尺寸 对于十字接头或T形接头，由于在焊缝向基体金属过渡处具有明显的截面变化，故其应力集中系数较高。对于未开坡口或未焊透的接头，其疲劳断裂易出现在两个薄弱环节：基体金属与焊缝趾端的交界处或焊缝上。当焊缝的厚度a与板厚B之比a/B＜0.6~0.7时，一般断于焊缝处；当a/B＞0.7时，一般断于焊趾处 第四节 影响焊接结构疲劳强度的因素 不承受载荷的十字接头和T形接头的疲劳强度 对于开坡口并焊透的十字接头或T形接头，断裂一般只发生在焊趾处，而非焊缝处 提高十字接头或T形接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑过渡，就可大幅度提高接头的疲劳强度 当不承