焊接H型钢失效分析(影响焊接结构疲劳强度的因素清单，值得收藏)

Posted 2023-06-02

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1、焊接结构的疲劳断裂:

● 疲劳断裂是指机件在变动载荷下经过较长时间运行发生的失效现象

● 疲劳断裂呈低应力脆性断裂性质

① 断裂发生在较低的应力下，其最大循环应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度；

② 断裂部位无宏观塑性变形；

③ 断裂呈突发性，没有预先征兆；

④ 疲劳断裂在交变应力作用下经过数百次，甚至几百万次循环才发生。

● 疲劳断裂呈损伤积累过程

① 金属材料内部组织首先在局部区域发生变化并受到损伤；

② 损伤逐渐积累，并到一定程度后发生疲劳断裂；

③ 疲劳断裂三个阶段：疲劳裂纹的形成、扩展、断裂。

● 疲劳断裂是焊接钢结构失效的一种主要形式，在焊接结构断裂事故中，疲劳失效约占90%。如：船舶及海洋工程结构、铁路及公路钢桥以及高速客车转向架等。

2、焊接缺陷引起的应力集中：

● 焊接缺陷——应力集中源，对接头疲劳强度的影响程度取决于缺陷的种类、方向和位置。

● 缺陷种类：平面状缺陷（如裂纹、未熔合等）体积型缺陷（如气孔、夹渣等）

⑴ 裂纹：如热裂纹、冷裂纹，是严重的应力集中源，大幅度降低结构及接头的疲劳强度。如裂纹面积约为试件横截面积的10%时，在交变载荷作用下，接头2×106循环寿命的疲劳强度下降了55%～65%。

⑵ 未焊透：

◎ 未焊透并非都是缺陷，有些结构要求接头局部焊透；

◎ 未焊透缺陷：①表面缺陷（单面焊缝）；②内部缺陷（双面焊缝）；

◎ 未焊透缺陷对疲劳强度的影响不如裂纹严重。

3、焊接缺陷其它因素对接头疲劳强度的影响：

● 表面缺陷比内部缺陷的影响大；

● 与作用力方向垂直的平面缺陷比其它方向的影响大；

● 位于残余拉应力区的缺陷比在残余压应力区的影响大；

● 位于应力集中区的缺陷（如悍趾裂纹）比在均匀应力场中同样缺陷的影响大。

4、材料强度对接头疲劳强度的影响：

● 材料的疲劳强度随着材料本身抗拉强度的增加约以50%的比率增加；

● 接接头（对接、角接）的疲劳强度与材料本身的抗拉强度无关；

● 当接头疲劳寿命较短时，高强钢接头的疲劳强度高于低强钢接头的疲劳强度。

5、按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳按应力大小和应力循环次数分为

● 低周高应变疲劳：作用的应力超过弹性范围，疲劳循环次数小于104~105

● 周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大于104~105

6、疲劳破坏及影响因素（疲劳裂纹形成过程）：

● 疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。

● 扩展阶段；初始裂纹在交变载荷作用下，当裂纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开，尖端向前延伸

● 瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬时断裂。

7、疲劳断口可分成三个区域：

● 疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。

● 劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳条纹

● 瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱线，外观与脆性失稳断裂相似。

8、焊接接头疲劳强度计算（疲劳设计方法分类）：

● 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率95％的2×106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方法。

● 安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设计。所谓安全寿命指在某一环境下，在已知小于疲劳破坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。由σ-N曲线获得σr，并利用σmax-σmin疲劳图进行设计。