焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂

一、焊接结构的疲劳破坏

大量统计资料表明，工程结构失效80%以上是由疲劳引起的。美国商业部国家标准局向美国国会提出的研究报告，美国每年因断裂及防止断裂要付1190 亿美元的代价，相当国民经济总产值4 % ，而统计资料表明，绝大多数的断裂是由疲劳所引起的。

美国有几座桥梁的疲劳断裂纹发生在靠近焊缝端部的焊趾部位，如图2 一53 所示，在图示的裂纹部位有较高的应力集中。在载荷作用下，腹板平面位移集中在一个比较狭窄而没有支撑的腹板高度上，也就是翼板至加强肋底部的腹板高度上（划阴影线区域），从而使该处腹板开裂。

疲劳定义为重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展，从而产生的结构部件的损伤。疲劳断裂过程通常经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。

（一）疲劳断口的特征

在进行疲劳断口的宏观分析时，一般把断口分成三个区，这三个区与疲劳裂纹的形成、扩展和瞬时断裂三个阶段相对应，分别称为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时扩展区，如图2 一54 所示。

疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。由于疲劳源区一般很小，所以宏观仁难以分辨疲劳源区的断面特征。疲劳源一般总是发生在表面，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等，也可在构件内部发生。疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，则于其应变幅值较大，断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。

疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。其宏观形貌特征常呈现为贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹源开始向四周推进，呈弧形线条，而且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。其微观特征是疲劳裂纹，又称疲劳辉纹，每一贝壳花纹内有干万条。它通常是明暗交替的有规则相互平行的条纹，一般每一条纹代表一次载荷循环。疲劳条纹的间距在 0.1- 0.4 Уm 之间一般来说，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢）的疲劳条纹比较清晰、明显。体心立方金属及密排六方结构金属的疲劳条纹远不如前者明显，如钢的疲劳条纹短而不连续，轮廓不明显。

另外，从宏观上看一些构件，尤其是薄板件，其断口上并无明显的贝壳状花纹，却有明显的疲劳台阶。在一个独立的疲劳区内，两个疲劳源向前扩展相遇就形成一疲劳台阶，因此疲劳台阶也是疲劳裂纹扩展区的一个特征。

瞬时破断区（或称最终破断区）是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。它的特征与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同，但有时仅仅出现剪切唇而无放射区。对于非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。

（二）影响焊接结构疲劳强度的因素

影响母材疲劳强度的因素（如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况等），同样对焊接结构也有影响。除此之外，焊接结构本身的一些特点，如接头部位近缝区性能的变化，焊接残余应力等也可能对焊接疲劳产生影响。

( l ）应力集中的影响   焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，它们对接头的疲劳强度产生不同程度的不利影响。

( 2 ）近缝区金属性能变化的影响   试验研究表明，在常用线能量下低碳钢的焊接。热影响区 和基本体金属的疲劳强度相当接近，其近缝区金属机械性能变化对接头的疲劳强度影响较小。

（3）残余应力的影响  残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸的，则它降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外残余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环次数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。

( 4 ）缺陷的影响  焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、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）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；位于应力集中区的缺陷比在均匀应力场中的同样缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向大；位于残余拉应力场内的缺陷比在残余压应力区的影响大。

（三）提高疲劳强度措施

1. 降低构件中的应力集中程度

结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素，一般采取下列措施 。

（1）用合理的构件结构形式  减小应力集中，以提高疲劳强度。

（2）合理地选择接头形式  尽量采用应力集中系数小的对接接头，焊缝形状过渡平缓。振动载荷采用连续焊缝比断续焊有利，尽量少采用角焊缝。

（3）当采用角焊缝时须采取综合措施   如机械加工焊缝端部、合理选择角接板形状、保证烨缝根部焊透等。

（4）用表面机械加工的方法  消除焊缝及其附近的各种刻槽，来降低接头应力集中程度

2. 提高焊接结构疲劳强度的工艺措施

（1）在工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内外部没有缺陷。

（2）TIG焊电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度。

（3）调整残余应力。其方法有两类：结构和元件的整体处理，包括整体退火或超载预拉伸法；对接头部位局部处理，即在接头某部位采用加热、辗压、局部爆炸等方法，使接头应力集中处产生残余应力。

（4）改善材料的机械性能  表面强化处理，用小轮挤压或用锤轻打焊缝表面及过渡区，或用小钢丸喷射焊缝区部可提高接头的疲劳强度。

3 ．采用特殊保护措施

采用特殊的塑料涂层，改善焊接接头疲劳性能是一项新技术，其效果较显著。

二、焊接结构的脆性断裂

自从焊接结构广泛应用以来，许多国家都发生过焊接结构的脆性断裂事故，其后果是严重的，甚至是灾难性的。英国原子能局和联合国技术委员会联合调查的结果表明：12700 台制造中的压力容器发生的灾难性事故，大部分为脆性断裂，事故率为 2.3×10~4 ；在 100300 台在役压力容器中，灾难性事故率为 0.7× 10~4，损伤性事故率 12.5×10~4 合计 13.2×1O~4。在许多严重的事故中，最为典型的事例是 1938 年 3 月 14 日比利时 Albert 运河上Hesselt桥的断塌事故。

（一）脆断的特点

（1）脆断一般都在应力不高于结构设计应力和没有显著塑性变形的情况下发生，并扩展到结构整体，损失严重。

（2）脆断往往从应力集中处开始，如构件内存在有缺陷和焊缝处等。

（3）在低温下，厚截面和高应变速度，即动载作用下，极易引起脆断。大量脆断事故研究友明，造成焊接脆断的原因是多方面的，但主要的是材料选用不当，设计不合理、制造工艺以及检验技术不完善等。

（二）影响金属脆性断裂因素

1. 温度对破坏方式的影响

降低温度将使破坏方式由塑性破坏转变为脆性破坏。这是因为随着温度的降低，发生解理断裂的危险性增大，材料将出现由延性到脆性断裂的转变，即材料脆性转变温度升高。

2. 应力状态的影响

物体在受外载时，在不同截面上产生不同的正应力б和剪切应力т，其中有一个最大的正应力бmax和最大的切应力тmax。бmax和тmax及其比бmax/тmax 与加载方法式有关。a=бmax/тmax 称为应力状态系数，与加载方式和零件形状有关。б增大的应力状态，有利于塑性变形切应力的韧性断裂，而б减少则有利于正应力的脆性断裂。

3. 加载速度的影响

研究表明提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。还应指出，在同样加载速率下，结构中有缺陷时，应变速率可呈加倍的不利影响。因为此时应力集中，大大降低了材料的局部塑性。

4. 材料状态的影响

（1）板厚度的影响  首先厚板在缺陷处容易形成三向应力的平面应变状态，另外厚板轧制次数少，组织疏松，内外性能不均。

（2）晶粒度的影响  晶粒度对脆性转变温度有很大的影响，晶粒越细，其转变温度降低。

（3）化学成分的影响  钢中 C 、 N 、 O 、 H 、 S 、 P 等元素会增加钢材的脆性

审核编辑：黄飞