疲劳断裂的原因及影响因素

1.疲劳断裂的原因分析

表面光滑的结构之所以会萌生疲劳裂纹是因为滑移生核。金属在冶炼或加工过程中，材料表面和内部多少会有些缺陷与不均匀，虽然工作应力不高，但部分缺陷会造成应力集中而产生比屈服强度高的应力，发生位错和塑性变形，在最大切应力方向发生滑移，如没有非金属夹杂物、缺陷、切口之类的应力集中源，则由于构件表面区域处于平面受力状态，有利于塑性滑移，因而首先在构件表面滑移生核。在反复疲劳载荷下，不同方向的滑移在构件表面产生凸出和凹入，多次凹入处即萌生出微观疲劳裂纹，裂纹从与主应力成45°方向逐渐转向沿与主应力垂直方向扩展，成为宏观疲劳裂纹，直至失稳断裂。

疲劳断裂一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处开始，产生疲劳裂纹所需的循环次数也远比其他连接形式少，这是因为焊接接头中容易产生未焊透、夹渣、咬边、裂纹等焊接缺陷，它们往往就是疲劳裂纹源，可直接越过疲劳裂纹的孕育期，加速断裂的过程。另外焊接接头处也存在较严重的应力集中，有较高的焊接残余应力，这些都表明焊接结构更容易产生疲劳裂纹和导致疲劳断裂。

疲劳断裂是由循环应力、拉应力以及塑性应变三者的共同作用而发生的，其中循环交变应力使裂纹形成，而拉应力造成裂纹的扩展，塑性应变则影响整个疲劳过程。

2.影响焊接接头疲劳强度的因素

（1）应力集中的影响 焊接结构中，由于在接头部位具有不同的应力集中，将对接头的疲劳强度产生不同程度的影响。

1）焊缝表面机械加工的影响。未经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度如图10-39所示。若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减小，对接接头的疲劳强度也相应提高，如图10-40所示。但是焊缝表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适宜采用机加工。带有严重缺陷和不用封底焊的焊缝，有缺陷处或焊缝根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重很多，所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。

图10-39 未经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度

1—低合金锰钢 2—低碳钢

图10-40 经机械加工的低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度

1—低合金锰钢 2—低碳钢 3—未焊低合金锰钢 4—未焊低碳钢

2）接头形式的影响。不同的接头形式对接疲劳强度的影响各不相同。

①对接接头的焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他接头形式要小，但是过大的余高和过大的基本金属与焊缝金属间的过渡角θ和过渡圆弧半径R对疲劳强度的影响如图10-41所示。

②T形和十宇形接头。这两种接头在焊接结构中得到了广泛的应用，在这种接头中，由于焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高。因此，T形和十宇形接头的疲劳强度远低于对接接头。

开I形坡口用角焊缝连接的十宇形接头，其疲劳强度和应力循环特性系数的关系如图10-42所示。当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节上，即母材与焊缝焊趾端交界处和焊缝上。当单个焊缝的计算厚度d与板厚δ之比d/δ＜0.7时，一般断于焊缝，当d/δ＞0.7时，一般断于母材。图10-42中的实线代表的疲劳强度是按断裂发生在母材计算的，虚线是按断裂发生在焊缝计算的，由图中可以看出合金钢对应力集中比较敏感。在这种情况下，采用低合金钢对疲劳强度并没有优越性。此外，增加焊缝的尺寸对提高疲劳强度仅在一定范围内才有效，因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面，即焊缝焊趾端处母材的强度，故最大不能超过断裂在此处的疲劳强度。提高T形和十宇形接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。低碳钢开坡口焊透的十宇形接头的疲劳强度如图10-43所示。图10-43与图10-42相比，接头的疲劳强度有较大提高。

图10-41 过渡角θ和过渡圆弧半径R对对接接头疲劳强度的影响

图10-42 开Ⅰ形坡口的十宇形接头的疲劳强度

1—低合金锰钢 2—低碳钢

图10-43 开坡口焊透的十宇形接头的疲劳强度

1—焊缝经机械加工 2—焊缝未经机械加工

③搭接接头。低碳钢搭接接头的疲劳试验结果，如图10-44所示。试验证明搭接接头的疲劳强度是很低的。(www.xing528.com)

仅有侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度最低，只达到基本金属的34%（见图10-44a）。

焊脚尺寸为1：1的侧面焊缝的搭接接头，其疲劳强度虽然比只有侧面焊缝的接头高一些，其数值仍然很低，只达到基本金属的40%（见图10-44b）。

图10-44 低碳钢搭接接头的疲劳强度对比

正面焊缝焊脚尺寸为1：2的搭接接头应力集中稍有降低，因而其疲劳强度有所提高，但是效果不明显（见图10-44c）。

从焊缝向基本金属过渡区域进行表面机械加工的搭接接头，其疲劳强度也没有显著提高（见图10-44d）。

具有盖板的对接接头，当盖板的厚度比按强度所要求的增加1偌，焊脚尺寸比例为1：3.8，并采用机械加工使焊缝向基本金属平滑过渡，此时疲劳强度最高，等于基本金属的疲劳强度（见图10-44e）。但是在这种情况下，已经丧失了搭接接头简单易行的优点，因此不宜采用这种措施。

采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。试验结果表明，在这种情况下，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了（见图10-44f）。

④焊缝形状的影响。角焊缝的根部和焊趾区的应力集中易引发裂纹，其疲劳强度比对接接头小得多。传递载荷的正面角焊缝接头的疲劳强度与焊脚尺寸有关：焊脚尺寸小，在根部发生裂纹，疲劳强度变小；焊脚尺寸增大，则焊趾区的应力集中比根部大，裂纹则在焊趾区产生，这时若再增大焊脚尺寸，也不会增加疲劳强度。

（2）应力水平的影响 因为构件表面上的应力水平一般都较高，所以疲劳裂纹通常最先在表面上形成，增加拉伸应力会降低疲劳寿命，而增加压缩应力则可提高疲劳寿命。

（3）热影响区金属性能变化的影响 低碳钢焊接接头热影响区的研究结果表明，在常用的热输入下焊接，热影响区和基本金属的疲劳强度相当接近。只有在非常高的热输入下焊接（在生产实际中很少采用），能使热影响区对应力集中的敏感性下降，其疲劳强度可比基本金属高得多。因此低碳钢热影响区金属力学性能的变化对接头的疲劳强度影响较小。

低合金钢焊接接头在热循环作用下，热影响区的力学性能变化比低碳钢大，但试验结果表明，化学成分、金相组织和力学性能的不一致性，在有应力集中或无应力集中时，都对疲劳强度的影响不大。

图10-45 带有交叉焊缝试样的疲劳强度对消除应力热处理的影响

1—焊态 2—经热处理消除内应力

图10-46 焊接残余应力将对疲劳强度的影响

（4）焊接残余力的影响 焊接残余应力会降低焊接接头的疲劳强度，这时构件的平均应力也随之提高，应力比增大，裂纹扩展速率会增加。为了研究焊接残余应力对疲劳强度的影响，试验往往采用有残余应力的试样与经过热处理去除残余应力后的试样，进行疲劳试验对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能变化，而焊后热处理在消除残余应力的同时，也恢复或部分恢复了材料的性能，而这些性能对接头的疲劳强度又产生影响，因此对于试验的结果就产生了不同的解释。例如，曾用Q345（14MnNb）低合金结构钢进行试验，试样有一条横向对接焊缝，在正、反两面堆焊纵向焊道各一条。一组试样焊后作消除应力热处理；另一组未经热处理，然后进行疲劳强度对比试验，疲劳试验分别采用r=-1、r=0、r=0.3三种应力循环特征系数，试验结果如图10-45所示。从图中可以看出，在交变载荷下（r=-1）消除内应力试样的疲劳强度接近130MPa，而未消除内应力的疲劳强度仅为75MPa。在脉动载荷下（r=0），两组试样的疲劳强度相同，为185MPa。而r=0.3经热处理消除内应力的试样疲劳强度为260MPa，反而略低于未经热处理的试样（270MPa）。因此，当应力循环特征系数r较高时，利用焊后消除应力的热处理，并不能提高接头的疲劳强度。

为了弄清焊接残余应力对疲劳强度的影响，采用不同的焊接次序，获得不同的焊接残余应力分布的试样，做对比试验，如图10-46所示。这是两组带有纵向和横向焊道的试样：第一组试样图10-46a是先焊纵向焊缝1，后焊横向焊缝2；第二组试样图10-46b是先焊横向焊缝1，后焊纵向焊缝2。从图10-46c中可以看出第一组疲劳强度高于第二组，说明焊接残余应力将对疲劳强度产生不利的影响。试验中没有采用热处理来消除残余应力，排除了热处理对材料性能的影响。

（5）焊接缺陷的影响 焊接缺陷对接头的疲劳强度会产生重大的不利影响，影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；位于残余拉应力区内的缺陷比在残余应力区外的影响大；位于应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比在均匀应力区中的缺陷影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下的影响如图10-47和图10-48所示，A组的影响大，B组的影响小。

图10-47 咬边在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响

a）A组 b）B组

不同材料具有不同的缺口敏感性，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度影响并不相同，未焊透对五种材料疲劳强度的影响如图10-49所示。由图中可以看出，随着未焊透的增加，疲劳强度迅速下降，并巨以12Cr19Ni9奥氏体不锈钢的下降幅度为最大，尽管这种材料在静载和一次冲击载荷下有较好的韧性。