三节 应力集中与工件的断裂,焊接接头可能存在的缺陷：焊接接头可能存在的缺陷：,3,单个夹杂,链状气孔,气孔,内侧未熔合,内部未熔合,线状夹渣,非平面缺陷：气孔、夹渣,对断裂的影响程度一般低于平面缺陷。,影响焊接接头性能的主要因素 1.焊接缺陷：焊接裂纹、熔合不良、咬边、夹渣、气孔 2.接头形状不连续性 3.焊接残余应力和变形 4.材质 5.焊后热处理 6.焊接材料焊条和焊丝等 7.焊接方法 8.焊接工艺焊接电流、电 弧电压、焊接速度和线能 量等的总称为工艺参数,4, 焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。 不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。 不合理的接头设计：不同接头型式引起应力集中不同。 焊缝布置不合理。 焊接残余应力。 制造过程中的缺陷。,5,6,图3-15 平板对接接头应力分布,图3-16 平板对接接头余高对应力分布的影响,（二）T形接头（十字形接头）的工作应力分布,7,十字接头有熔透和未熔透两种： 未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。 熔透的十字接头有较小的应力集中系数。,图3-12 十字接头应力分布,8,根据受力方向，可将搭接接头角焊缝分为： 正面角焊缝-与受力方向垂直的角焊缝 侧面角焊缝-与受力方向平行的角焊缝 斜向角焊缝-与受力方向呈一定角度的角焊缝,1.正面搭接角焊缝 与力作用方向垂直的焊缝 焊缝根部A点、焊趾B点应力集中严重 焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边的夹角 而改变 减小 、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度，可使 减小,9,10,图3-14 侧面搭接角焊缝,3.斜向搭接角焊缝,图3-13 斜向搭接角焊缝,事例,拖车底盘下腹板,为了降低应力集中，下腹板对接设计成对接,同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。,15,（一）应力状态的影响 当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。,同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重，则产生脆性断裂的倾向就越大。,16,（一）应力状态的影响 当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。在实际结构中，三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单轴双向拉应力状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应。因此，脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。,（二）温度的影响 随着温度的降低，焊接结构的破坏方式会发生变化，即从延性破坏变为脆性破坏。当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，此为脆性转变温度。脆性转变温度高，则脆性倾向严重。 （三）加载速度的影响 试验证明，加载速度越快，焊接结构越容易发生脆性断裂。在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。因为此时有应力集中的影响，应变速率比无缺口高得多，从而大大降低了材料的局部塑性。,17,（四）材料状态的影响 材料状态包括材料厚度、晶粒度和化学成分等方面。,18,1厚度的影响。厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，因此容易使材料变脆。,2晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金结构钢，晶粒度越细，其脆性转变温度越低。,3化学成分的影响。钢中的C、N、O、H、S、P会增加钢的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当，则有助于减少钢的脆性。,19, 缺口效应 在缺口处产生应力集中，其数值为平均应力的几倍。,图4-15 试件的缺口尺寸,缺口的存在导致缺口效应的存在 键槽、油孔、螺纹、焊缝、毛刺等,对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布，来清楚地进行表示。,图4-16 有无缺口应力曲线分布对比,缺口越尖锐、曲率越小应力集中越严重。K=max/m,图4-17 对接和角焊缝的应力集中,23,（六）焊接缺陷对脆断的影响,24,平面缺陷; 裂纹、分层、未焊透,这类缺陷对断裂的影响取决于缺陷的大小、取向、位置和缺陷前沿的尖锐程度。,非平面缺陷：气孔、夹渣,对断裂的影响程度一般低于平面缺陷。,焊接接头中，大约40的脆断事故是从焊接缺陷处开始的。在外载作用下，裂纹前沿附近会产生少量塑性变形，同时尖端有一定量的张开位移，使裂纹缓慢发展，当外载增加到某一临界值时，裂纹即以高速度扩展，此时裂纹如位于高值拉应力区，往往引起整个结构的脆性断裂。 除去裂纹以外，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝表面成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏。,二、焊接结构制造工艺特点对脆断的影响,疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.如图示意。 疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂三个阶段组成。,25,图5-1 疲劳断裂示意,5-1 金属材料的疲劳破坏及其影响因素 一、疲劳强度,26,引言: 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象疲劳。 疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往b，甚至s； 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。,脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点： 同： （1）都属低应力破坏； （2）破坏前结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，令人猝不及防； （3）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。,27,异：,28,三、疲劳分类,29,二、影响疲劳强度的因素 （一）应力集中 材料的强度越高，缺口越尖锐 （二）表面状况 表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学处理） （三）尺寸的影响 关于尺寸对材料疲劳极限的影响，综合许多研究资料，可归纳为以下几点： A.试样尺寸增加时，材料疲劳极限降低；（考虑表层状态） B.强度高的合金钢，其尺寸影响比强度低的钢大； C.当应力分布不均匀性增加时，尺寸影响也增加； D.尺寸增加时，有效应力集中系数也增加。,30,应力集中越敏感。,（四）材料内因 1、化学成分 成分决定组织和强化效果。 2、显微组织 相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大小等。 3、治金缺陷 夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性等。 （五）工件结构 壁厚；壁厚均匀性；表面沟槽等。 (六）工况因素 1、载荷 载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇。 2、环境 温度；周边介质；应力状况。,二、影响疲劳强度的因素,31,一、影响疲劳载荷、环境效应的因素（外因） 1.疲劳载荷的性质和大小 max、和r直接影响疲劳裂纹每次的张开、闭合的幅度和向前推进的进程。max越大，r值越低，就越大，da/dN就越大，疲劳寿命就越短。 2.环境因素 腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展速率，减低疲劳寿命。,32,1.结构刚柔相济的程度 构件的整体刚度和强度是结构承载的根基；接头间的平滑、圆滑、柔韧程度，是减低应力集中敏感性的重要手段； 2.结构上，特别是接头上的应力集中现象 1）结构表面形状的突然变化； 2）各种缺陷和孔洞； 3）焊接变形错边、角变形； 4）金属表面的粗糙度,33,二、影响结构抗力的因素（内因）,表面缺陷比内部缺陷影响大，与作用力方向垂直的面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。,34,3.材质的纯度与材料的塑性和韧性 塑性和韧性对延缓裂纹的萌生和扩展有明显作用 4.结构的残余拉应力 残余拉应力提高了疲劳循环的平均应力，加速疲劳破坏； 残余压应力可以阻止或减缓疲劳裂纹的萌生和扩展。,焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性有关。即在循环特性值较低时，影响比较大。,35,二、影响结构抗力的因素（内因）,焊缝要布置在 便于施焊的位置,36,图5-11 焊条电弧焊焊缝位置,焊缝布置要有利于减少焊接应力与变形 尽量减少焊缝数量及长度，缩小不必要的焊缝截面尺寸,37,图5-13 减少焊缝数量,焊缝布置应避免密集或交叉,38,图5-14 焊缝布置应避免密集和交叉,