摘要: 钢结构的疲劳失效问题日益引起人们关注,而这种疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。本文通过分析焊接接头疲劳失效的机理及影响其疲劳强度的因素,提出了改善焊接接头疲劳性能的一些措施。
关键词:钢结构;焊接接头;疲劳失效
Fatigue failure analysis of steel welded joint Under cyclic loading
前言
随着焊接钢结构的发展与结构使用的频繁程度加剧,土建钢结构疲劳破坏问题日益突出,受到了工程界人士的重视。而土建钢结构在正常使用时的疲劳破坏又大多是高周疲劳破坏,即当破坏断裂时没有明显的塑性变形,破坏突然,危害大。由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用,其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能,即焊接接头的抗疲劳性能,关系着焊接结构能否安全使用。因此提高和改善焊接接头疲劳性能具有很大的潜在经济效益和社会效益。
1 疲劳失效的机理
疲劳失效是指材料、零件和构件在循环加载下,在某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。疲劳失效可分为3个阶段:(1)微观裂纹阶段。在循环加载下,由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区,该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂,发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后,裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展,裂纹长度大致在0.05毫米以内,发展成为宏观裂纹。(2)宏观裂纹扩展阶段。随着应力重复作用的次数增加,裂纹逐渐扩展,损伤积累,减小了有效截面积。(3)瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时,物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段,在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区。疲劳源区通常面积很小,色泽光亮,是两个断裂面对磨造成的;疲劳裂纹扩展区通常比较平整,具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样;瞬断区则具有静载断口的形貌,表面呈现较粗糙的颗粒状。
2 影响焊接接头疲劳性能的因素
疲劳是一个十分复杂的过程,从微观到宏观,疲劳破坏受到众多因素的影响,尤其是对材料和构件静力强度影响很小的因素,对疲劳影响却非常显著,例如构件的表面缺陷、应力集中等。影响焊接钢结构疲劳破坏的主要因素是作用的应力幅、应力集中和应力的循环次数,而与钢材的静力强度和最大应力无明显关系。
2.1应力幅对焊接接头疲劳性能的影响
反复作用的荷载值不随时间变化,则在所有应力循环内的应力幅将保持常量,称为常幅疲劳。若反复荷载作用下,应力循环内的应力随时间随机变化,则称为变幅疲劳。
对于轧制钢材和非焊接结构,应力循环特征值越小疲劳强度越低,反之则越高。但对于焊接结构,由于焊缝附近存在着很大的焊接残余应力峰值,值并不代表疲劳裂缝出现处的应力状态,实际的应力循环是从残余应力开始,变动一个应力幅(此处为最大拉应力,为最小应力,拉应力取正值,压应力取负值)。因此焊接结构的疲劳性能直接与应力幅有关而与应力循环特征值的关系不是非常密切。应力幅越大,疲劳寿命越小。
2.2 应力集中对焊接接头疲劳性能的影响
应力集中对疲劳强度影响最大,应力集中以截面几何形状突然改变处最为明显。但对没有截面改变的钢材,也存在着微观裂纹引起的应力集中的因素,如焊接结构及其附近主体金属中的气孔、裂纹、夹渣等缺陷,以及易产生缺陷的焊缝趾和焊缝端部;非焊接结构的孔洞、刻槽;钢材内部的偏析、非金属夹杂;制造过程中剪切、冲孔、切割等。
2.2.1接头类型的影响
焊接接头的形式主要有:对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头,在接头部位由于传力线受到干扰,因而发生应力集中现象。对接接头的力线干扰较小,因而应力集中系数较小,其疲劳强度也将高于其他接头形式。十字接头或T形接头由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化,其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高,因此十字或T形接头的疲劳强度要低于对接接头。搭接接头的疲劳强度是很低的,这是由于力线受到了严重的扭曲。
2.2.2焊缝形状的影响
无论是何种接头形式,它们都是由两种焊缝连接的,对接焊缝和角焊缝。焊缝形状不同,其应力集中系数也不相同,从而疲劳强度具有较大的分散性。对接焊缝的形状对于接头的疲劳强度影响最大。
2.2.3焊接缺陷的影响
焊趾部位存在有大量不同类型的缺陷,这些不同类型的缺陷导致疲劳裂纹早期开裂和使母材的疲劳强度急剧下降(下降到80%)。焊接缺陷大体上可分作两类:面状缺陷(如裂纹、未熔合等)和体积型缺陷(气孔、夹渣等),它们的影响程度是不问的,同时焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。焊接缺陷对接头疲劳强度的影响,不但与缺陷尺寸有关,而旦还决定于许多其他因素,如表面缺陷比内部缺陷影响大,与作用力方向垂直的面状缺陷的影响比其它方向的大;位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大;位于应力集中区的缺陷(如焊缝趾部裂纹)比在均匀应力场中同样缺陷影响大。
2.3 应力的循环次数对焊接接头疲劳性能的影响
在循环加载下,产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数,称为疲劳寿命。如下图所示S-N曲线中的S为应力(或应变)水平,N为疲劳寿命。
由于S-N曲线是根据疲劳试验直到试样断裂得出的,所以对应于S-N曲线上某一应力水平的疲劳寿命N是总寿命。在疲劳的整个过程中,塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应力水平较低时,弹性应变起主导作用;当应力水平逐渐提高,塑性应变达到一定数值时,塑性应变成为疲劳破坏的主导因素。为便于分析研究,常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类:(1)高循环疲劳(高周疲劳)。作用于零件、构件的应力水平较低,破坏循环次数一般高于104~105的疲劳,弹簧、传动轴等的疲劳属此类。(2)低循环疲劳(低周疲劳)。作用于零件、构件的应力水平较高 ,破坏循环次数一般低于104~105的疲劳,如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。循环次数N越大,疲劳强度越小。
3 改善焊接接头疲劳性能的措施
3.1 工艺措施
焊接接头疲劳裂纹一般于焊根和焊趾两个部位,如果焊根部位的疲劳裂纹启裂的危险被抑制,焊接接头的危险点则集中于焊趾部位。我们可以采取很多工艺措施来提高焊接接头的疲劳强度。