焊接結構強度的基本理論

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1、脆性斷裂的主要特徵:

宏觀：斷裂前無明顯塑性變形，沒有任何先兆，突然性強。

斷裂時所承受載荷不大，遠低於設計時的許用應力，是典型的低應力破壞形式。

2、影響金屬脆性斷裂的因素：1）應力狀態的影響；2）溫度的影響3）；載入速度的影響；4）材料狀態的影響。

3、焊接結構產生脆性斷裂的原因

1）焊接結構本身：剛性大，整體性強，構件間很難發生相對位移，焊接應力很難消除，且對應力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構件之間擴展，繼而擴展到整體。

2）焊接熱循環：熱影響區組織脆化，韌性下降。

改變材料脆性轉變溫度。對某些高強鋼，板厚為30 mm，線輸入達50000J/cm時，可使脆性轉變點升高50~100℃

3）焊接殘餘應力：脆性材料降低材料實際承載能力。

產生應力集中，使微裂紋擴展成脆性斷裂源。

4）備料及成形加工

5）焊接缺陷：裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。

氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結構的實際強度，並可能誘發微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。

4、防止焊接結構脆性斷裂的措施：1）正確選用材料；2）採用合理的焊接結構設計；3）不可採用過厚截面；4）了解焊接結構的工作條件

5、脆性斷裂的特徵：無明顯塑性變形的低應力破壞，突然性強。

產生脆斷的原因

1）使用溫度低於脆性轉變溫度使塑性材料變脆；

2）焊接熱循環容易使熱影響區組織粗大，塑性下降;

3）焊接殘餘應力使焊接接頭強度下降並且接頭處易產生應力集中；

4）焊接缺陷使結構的實際承載面積減小，並可能引起微裂紋；

5）備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性；

6）焊接結構剛度大，焊接應力難消除，裂紋在構件之間擴展容易。

生產和設計中防止脆斷的措施：了解使用條件；合理設計結構；降低應力集中；盡量減少缺陷。

6、焊接結構的疲勞破壞：動荷載的概念：所謂靜荷載是指由零緩慢地增加到某一定值後保持不變或變動很小的荷載。構件受靜荷載作用時，體內各點沒有加速度，或加速度很小可忽略不計，此時構件處於靜止或勻速直線運動的平衡狀態。

在靜荷載作用下，構件中產生的應力稱為靜應力。相反，若構件在荷載作用下，體內各點有明顯的加速度，或者荷載隨時間有顯著的變化，這類荷載稱為動荷載。

交變應力工程中的某些構件工作時，其力往往隨時間作周期性變化，這種應力稱為交變應力。

7、疲勞破壞的特點

（1）交變應力下材料發生破壞時的最大應力，一般低於靜荷載作用的強度極限，有時甚至低於屈服極限（低應力破壞）。

（2）無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應力作用下，均表現為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。

（3）材料發生破壞時，交變應力的循環次數與應力的大小有關，應力越大，循環次數越少。

（4）斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區域，即光滑區域和粗糙區域，如圖所示。

8、疲勞破壞的過程：構件的疲勞破壞，實質上是裂紋的產生、擴展和最後斷裂的全過程。

三個階段組成：1）在應力集中處產生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩定擴展；3）結構斷裂。

疲勞破壞是積累損傷的結果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。

9、影響焊接接頭疲勞強度的因素：

（1）應力集中的影響：對接焊縫由於形狀變化不大，因此，它的應力集中比其它形式的接頭要小； T形(十字)接頭的疲勞強度遠遠低於對接接頭。在搭接接頭中，由於其應力集中很嚴重，其疲勞強度也是很低的。

（2）殘餘應力的影響：殘餘應力對結構疲勞強度的影響，取決於殘餘應力的分布狀態。在工作應力較高的區域，如應力集中處，受彎曲構件的外緣，殘餘應力是拉伸的，則它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘餘應力，則提高疲勞強度。另外殘餘應力對疲勞強度的影響，還與應力集中程度、應力循環特徵以及循環次數等因素有關，特別是應力集中係數越高，殘餘應力影響越顯著。

（3）缺陷的影響：焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大；表面缺陷比內部影響大；位於應力集中區的缺陷比在均勻應力場中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大；位於殘餘拉應力場內的缺陷比在殘餘壓應力區的影響大。值得說明的是，同樣尺寸的缺陷對不同材料焊接結構的疲勞強度的影響也不相同。

10、提高焊接接頭疲勞強度的措施

（1）降低應力集中

（2）調整殘餘應力場：1）整體處理。整體處理包括整體退火或超載預拉伸法2）局部處理。採用局部加熱或擠壓可以調節焊接殘餘應力場，在應力集中處產生殘餘壓應力；

（3）改善材料的力學性能：表面強化處理，擠壓捶擊焊縫表面和過渡區，表面噴丸處理等；

（4）特殊保護措施：如油漆或鍍鋅等。

本文轉載自：CAE技術聯盟