典型焊接接头的疲劳可靠性分析

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焊接接头疲劳试验标准推荐度：
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Y 807 812摘要

摘要目前，我们进行焊接接头疲劳评估所采用的基本数据均是参考有关国外资料所得，对于各种我们国家自己的焊接接头缺乏相应的数据，因此，有必要对我国国内焊接接头的基本疲劳数据进行试验研究。本

文针对太原钢铁生产并由齐齐哈尔铁路车辆集团焊接的不同钢种对

接、搭接、角接接头进行了以下四方面的研究工作： 1用 MS 疲劳试验机以 GL20、 T及 P-0高频疲劳试验机，采用成组法与升降法测试了不锈钢及耐候钢对接、角接、搭接 6种形式接头的疲

劳极限以，及在置信度r9%存活率p9% 9% 5的pSN线。=5,=5,, 0 0 --曲%2 、用扫描电子显微镜 (E )对选取的对接及搭接典型试样断口 SM

进行了观察。查明了疲劳源的产生及试样起裂的原因；并对疲劳扩展区进行观察，分析裂纹扩展规律。

3 、将可靠性参数与累积损伤相结合，提出了具有一定可靠度下的疲劳累积损伤计算方法，并用此法通过试验得出了不锈钢一不锈钢角接

接头、耐候钢一不锈钢对接接头、不锈钢一不锈钢搭接接头在一定可靠性参数下的疲劳累积损伤值。但该方法还需通过大量试验进行验证。

4用 AS软件模拟分析了 S、 NY焊缝形状参数中焊趾倾角0焊趾圆、弧半径P对接头的疲劳应力集中系数所产生的影响；对具有单面加强高及双面加强高的对接焊缝的应力集中状况进行了对比分析： NY用ASS软件计算了试验用尺寸对接、搭接、角接接头的应力集中系数，并与用 MS SA80应变仪贴片实测的应力集中系数进行了对比。 T及 D-3B本论文的研究结果将对国内同类型的焊接构架的设计和安全评定提供技术保证和数据支持。关键词：疲劳累积损伤应力集中系数焊接接头

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S f, ae r cd i d a e i o t fi hv r e ne f e n t f w ln jis ge o w a e e e r f o g a o r r d g n a u t ea ao, o w ln j n o or nyw dn hv eog vl tn at t e i o t f cut, o' ae uh u i s h d g s u o r e t n e i spot . t ee a td s e a hs h w ln jis uprdt S iincs r o o r er ett e i o t a o s s y o e c o d g

a m s e n o or n yTippr m iy cn a d f r ett t f cut . s e hs n cnett o o a c o u o r h a a a l o re n s s h u p e aui jiscr r tad jisw i a poue b Tiun bt g t o ejis l o t h h r cd a a t o, o n a n, c r d n n n n p e y Y s epat w l d C RQ R t l ad d b N .R S e l n e e y n 1Ihs d p h ad t tn h ttt ag e g u m t d fc ao m t d e t fi e . a u r t s o e o n l u i e o o h tu u s e l i ad - cr s it eo aui ji, r t l i t n pS uv o s y s bt g t cmeji ad m s - N e f p f t o x n n o o n a n p ji b MT ad L20 h qec fi e i m ci, e o t S G - h f uny g t tg h eudr n y n P 0 i r g e au en a n n t s 9 pr n dge o cni ne 9, ad pr n dg e o 5 c t r s of ec ad 4 n 5 e et r s e e e e f d n 5 0 0 c e e f f co srin r t n v i ai u v g 2 Ih e c n g t n ioc e M) be e s s ni e coi mc s p (E t os v t . a u d n l r c r o S t s a e o r h e t i l p sw i a se e fm ui jn ad jn . y c s l, h e cd a t g t n l o t Te p a a e h r l t r b t o s a is h m c e o n i p fi e r ad ci ra n t s p s r ce e. ag su e c k g s o h a l w e c d B tu o c n r n e o f m e e h k a e y os v g et dd at c c et d g u r aa zd be i t x ne a, r k e i r l w s l e. rn h e e r h a xn n e a a ny e e g 3 C m in h ea l p a ts ag a u le i t ri i y r e r a fi e c u t . b g lbi a m e n t

u c m a o n e t d dm g, r t af i e u u t e mae t d T e t t a ae etc d g acm li d g m h . n e xa e a u c t av a eo h e d s aui jis cm r tad jn b ts hd et fi e bt g t o ejis l o t y m t tgt ag t o, n n o n a is h e o o h tu n p i e acm li dm g vl udr ri iy a e r B t cu u t e ae u ne s av a a e o ea l pr ts u ts me bi a m e . h l t i m t d dd rs p s e o d e o nee m e l tb p f h e o a e o r e m o 4 U i N Y t nl i h ts acm le fc n b A S S aa s t ses u u t ceiet . n s g o y s r c e a o fi y cag g r e lad i ot t o w l C n a e t se hni t a ag n r u f o f d ots d ts n h k n e a s h e e . r t h r s e d e e a u u te fcnot w ln jis h h e ls e a c m li ceiet e d g t w i hv s g -dd c av o fi f e i o, a i ei n h n c n d duls e i esi t n gt e e t ses u u tce iet obe i d nic i hi . t h t sacm le fc n -d n f ao e h T s d r c t e a o fi o tad es n t g t cm r tad jis S f l ni aui jis o ej n n l o tb MT ad r i o b t o, i m n n o s a n y n i p S A 80 sa dv ea o l e i y S ST e r u s e D -3B i ei, aa zd A Y . to l w r t n c l n y t N r s b hw e t e sas c nrse . lo t td o a

T e l f ppr g e n u a ua e dts o ot s ewl i t hi e r c ad a pr h ru h a i v e q s n n a u t e t i s l c s p thm gnos d g ids n s e l tn u cut . o oeeu w ln bg e

g ad ea ao o or n y o e i o e i n a v u i f o r f K y od: i e acm le m g, s acm le e c n ew rs Ftu, u ua d ae ses u u t c f i t ag c t a t r c a o f e, iw l n ji ei o t d g n

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r J京交通大学硕士研究生学位论文

第二章疲劳曲线试验方法21疲劳基本知识 .21 . 1疲劳极限 .对于结构钢和钦合金等 SN曲线上有水平区段的材料，与此水平 -

区相的大力 1称材的劳限简疲极 S曲段应最应 6a为料疲极，称劳限。- 1、 N线上的水平区段，意味着与它相应的应力水平下，试样可以承受很多次循环而永不破坏。因此，可以把疲劳极限定义为疲劳寿命很人时的中值疲劳强度『。结构钢 SN曲线的转折点一般在 1'” - 0次以前，因此，一般认为，结构钢试样只要经过1' 0次循环不破坏，则可承受很多次循环而永不破坏。

在 S线匕非平段应的大力。为件劳 - N曲水区对最应 a称条疲极限。对于腐蚀疲劳和有色金属，其 SN曲线没有水平段，因此不存在真正的疲劳极限。但是，在11 11 0- 0次循环以后，其 SN曲线渐趋平 -

坦因一以 0 1次环效的大力 .作条疲极，此般 1或 0循失时最应 a为件劳 ',二限，这时的失效循环数称为循环基数。循环基数取为1' 0次循环时，可以不特别注明。循环基数取为其它循环数时，必须同时注明其循环基数。因此，对于有色金属和腐蚀疲劳等没有水平区段的情况，当未注明循环基数时，意味着循环基数为 1, 0次循环。但这时的疲劳极限仍为条件疲劳极限，而不像结构钢和钦合金在常温空气介质下那样的真正疲劳极限材料的疲劳极限随加载方式和应力比的不同而异。因为决定材料

疲劳强度的是应力幅Q,,所以一般都以对称循环下的疲劳作为材极限疲劳强度的是应力幅Q,,所以一般都以对称循环下的疲劳作为材极限

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第二章疲劳曲线试验方法

料的基本疲劳极限。材料的对称弯曲疲劳极限用6、示，表对称拉压疲劳极限用(I TL -表示，对称扭转疲劳极限用：表示。 _:符号中的下标一表 1示应力比R一。二 1又因三者中以对称弯曲疲劳试验最为方便，所以一般都以对称弯曲疲劳极限来表征材料的基本疲劳性能，许多手册中给出

的疲劳材料性能数

据往往只限于对称弯曲极限(1疲劳 T o _矩形截面对称平面弯曲疲劳载荷下的疲劳极限一般与圆试样旋转弯曲下的疲、疲劳极限接近相等，因此二者往往不加区别。但是， - N曲线的水平区段实际上也并非真正水平。高周次 (0 ) S 11

的疲劳试验表明，当试验周次继续增加时，试样的疲劳强度仍在不断的下降，只是降低的不明显而己。因此，通常得出的疲劳极限，只是1' 0时的疲劳极限，并非真正的疲劳极限。

21 SN曲线 .2 .-疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命，一般用

N表示。试验的疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般说来，材料的强度极限越高，外加的应力水平越低，这样疲劳寿命就越长；反之，疲劳寿命就越短。表示这种外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间的关系的曲线称为材料的 SN曲线，简称 SN曲线 ( - -如

图21。这种曲 -)因为线通常都是表示中值疲劳寿命与外加应力之间的关系，以也称中值 SN曲线。所 -又因为这种曲线为德国人 Whe A o lr .首

先提出，所以也称为 Whe线[ olr曲 1 9]

S曲 -线通常取最大应力ca纵坐标， N r、 m为但也通常取应力幅v为 8纵坐标。 - SN曲线中的疲劳寿命通常都使用刘数坐标，而应力则有时取

线性坐有时标，取对数坐标，二者均统称为SN -曲线。 -线的左段 SN曲在双对数坐标中一般是一条直线，在单对数坐标中一般不为直线，但

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由于用直线表示比较简便，在单对数坐标中也常简化为直线。 - SN曲线的右段则可以分为两种型式：第一种型式 ( 2 1)有一明显的水平图 -a区段，为结构钢和钦合金的典型形式；第二种形式 ( 21 )没有水图 -6平区段，是有色金属和腐蚀疲劳的典型形式。

SN线的左段有时也会出 -曲现断 ( -c和转折 ( -do开图2l)图21)断开可能是由于裂纹尖端由平面应力状态转变为平面应变状态和由穿晶破坏转变为晶间破坏等原因所引起。转折点则往往是不同破坏区域的交界点，如循环蠕变与低周疲劳的交界点，低周疲劳与高周疲劳的交界点等。

。。三二_。。二口1 N g 1N g ( )

a ( 6)

):一

( 1 d g N )

图 2 1材料 SN曲线的土要型式 - -

SN -曲线的左段，常用如下形式的公式表达：v'=C N ( -1 2 )

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第二章疲劳曲线试验方法

式中的。 C材料常数。和均为将上式两边取对数得：mlv lN 1C g+g=g (-; 22可见，式 (-)相当于 SN曲线的左段在双对数坐标上为直线，1 22 -/ I T

为 SN线的负斜 -曲率。在中、长寿命区 (> )SN曲线还可以使用下面的三参数幂函数公 N 0, 14 -式来统一表达：

N6 A0 D (- )= ' (-) 23

式中八无限：一一寿命时的疲劳极限，在对称循环下即。, _ mm—斜率参数 ;, D常数。 —

21 p - .3 N曲线 .- S由于疲劳实验数据的离散性，试样的疲劳寿命与应力水平间的关系，并不是一一对应的单值关系，而是与存活率 n有着密切的联系。用常规方法作出的 SN曲 -线，只能代表中值疲劳寿命与应力水平间的关系。要想全面各种存活率下的疲劳寿命与应力水平间的关系，必须

使 p-线o用 -N[ S曲 i n。在利用对数正态分布或威布尔分布求出不同应力水平下的 PN曲 -

线以后，将不同存活率下的数据点分别相连，即可得出一族 SN线， -曲其中的每一条曲线，分别代表某一不同存活率下的应力一寿命之间的关系。这种以应力为纵坐标，以存活率 p的疲劳寿命为横坐标，所绘出

的一族存活应力寿命曲称为pSN线 (率一一线， --曲见图22。 -)在进行疲劳设计时，即可根据所需的存活率 P利用与其对应的 SN曲线进行， -设计。因此，PSN曲线代表了更全面的应力一 --寿命关系，比 SN曲线 -

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有更广泛的用途。例如，在进行概率疲劳设计时，就必须使用 pSN --曲线。

1g订

1N g

图2 p -A V ' - - N i 2 S线示 l1 0作 pSN曲线时 --,与 SN曲 -线一样，即可使用单对数坐标，即仅将疲劳寿命取对数；也可使用双对数坐标，即将应力和

疲劳寿命都取

对数。使用双对数坐标时，p -线的左段一一条直线。 - N曲 S般是

22 - .pSN曲线试验方法 -由于疲劳寿命的分散性，用常规方法作出的 SN曲线，是存活率 -

p5%值 SN线，=0的中 -曲其置信度也为 5%它只能代表中 0。值疲劳寿命与应力水平之间的关系。如果仅仅以这种曲线作为产品设计和疲劳寿命估算的依据，则1偏于危险。因为，中值寿命意味着有一半的产钊主

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第二章疲劳曲线试验方法

品在达到预期的寿命前己经失效。如果用高存活率、高置信度的 pSN --曲线进行设计和寿命估算，其结果将更有利于安全。

pSN线是指在给定 --曲存活率p下的SN线， -曲同时也要保证达到给定的置信度 Y。这里存活率 p表示在一定的应力水平 S下，经一定的循环次数 N后试验的破坏概率。而置信度则反映了这一事件本身的

可信程度。比如： p 9,% pSN线，取=% Y 9的 --曲 9=0表示你有9% 0的把握说在达到预期寿命时仍有 9% 9的产品在正常工作。

测定pSN线时，曲 --一般采用成组法与升降法相结合的方式进行。即， pSN线的在 --曲上控制点 ( 5 5大约 X左右) 1 0,采用成组法进行试验； pSN曲下控制点 (X 0)在 --线的 2 16次，一般焊接结构的条件疲劳极限为2 6应的 X所对 1 0应力处，采用升降法进行试验[a 1 2]大量的研究表明，在循环数小于 2 0时，pSN曲线在双对数 X1“ --坐标下呈直线关系，并且疲劳寿命服从对数正态分布，疲劳强度服从正态分布。

2. . 1成组法 2用成组法进行试验时，在某一应力水平下试验一组试件，数据分散性小时，试件可以少取一些，数据分散性大时，则需多一些试件。

成组法按对数正态分布测定 p - -S N曲线的步骤如下：首先把该应力水平下测得的疲劳寿命 N由 i小到大按序排列，并取相应的对数值列表。用下面公式算出试件的存活率 P, i

“‘t一n一l+式中 i为试件按疲劳寿命由小到大排列的顺序号；n为该应力水平下的试件数。

(- 2 4)

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求出该应力水平下对数疲劳寿命的均值、标准差和变异系数：均值

、t x一全；刀丁「二

(- 2 5)

标准差5

(- 2 6)

变

异系数X

)

(- 2 7)

式中：x为 1‘第个试件的对数疲劳寿命。该应力水平所需的最小试件个数可由下式确定：

(- 2 8)

n为所需最小试件数；

k标准差修正系数；为 t 及试件个数刀。是分布值，与置信度Y有关；

u是与活率的标准正态偏量。 p相关

以 k、,通查阅关劳靠资所之据得 “可过有疲可性料列数表上，均 t .到。

具有指定置信度Y活率 P的及存安全对数疲劳寿 p可按下式命x,计算：

x=+ px肪 (9 2 ) -其中k“为单侧容限系数”,可表达为：

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第二章疲劳曲线试验方法

u一 n 1 I -;, r{}一}一， I -,u一\ 7\ ' -, - _ y L k一 ) k一) n 2n i/n 3 j

1,。 I z - 1[: “ )(一 0 2 1)

2一) (1 n上式中“是与，置信度r相关的“标准正态偏差” u可， r通过查阅有关疲劳可靠性资料所列之数据表得到。

当已， u和 n时，知u、: P,可由 ( 1)式 2 0求出 -系数k的大小，从而再由 (-)式 29求出具有置信度的对数安全寿命x。 n这时x的，含义是：以Y的置信度来说〔 Y的把握 )有，母体中至少有 P的个体对数疲劳寿

命于石1大 x P。[ 3,2 .降法 .2升 2

根实经对 p -线劳命N>护的寿，据践验，于 -N疲寿 S曲 1长命区用成组法测定的疲劳寿命分散性极大，疲劳寿命的频率分布常常很不规

律，且试验到N>护时若试 1样未断而采用截尾数据有一定误差n,<因 1此，需要采用升降法确定材料的疲劳极限。

升法是疲强作随变通测某指寿 o 劳度为机量，过定一定命N下降把材料疲劳强度的分布，经统计分析，确定在该指定寿命下，具有指定存活率、置信度时材料的疲劳极限n s}现对升降法作如下说明：试验从高于疲劳极限的应力水平开始，然后逐级降低，直到有一根试样在达到指定寿命时没有破坏 (出)越，则下一根试样就在高一级的应力水平下进行。依此类推，凡前一根试样不到指定寿命就破坏的，随后

的一根试样就要在低一级的应力水平卜进行；凡前一根试样越出的，则后一根试样就要在其高一级的应力下进行，直至完成全部试验为止。处理试验结果时，在第一次出现相

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反结果以前的数据均舍弃，把所有邻近出现相反结果的数据点都p成 t对子。

利用升降法，可以比较准确地测定出疲劳极限。用升降法测定材料的疲劳极限时，有效试样数量一般在1根以上；试验一般在3 -级应力 3^5

水平下进行；应力增量通常选为预计疲劳极限的 -%。大量研究表 35明，疲劳极限一般符合正态分布。用升降法确定指定寿命和指定存活率、置信度下材料疲劳极限的方法如下：

假定有效试样对子总数为n有。级应力水平，而毯为，第济口+第il相邻两级应力间的对子数，v,为第 i和第il+相邻两级应力的平均值，则疲劳极限均值 6 1 -及其标准差s分别为

v一 Yr -二 n,〕,f

( 1) 2 1 -

:一-一一三、(工}Q茎；具指存率疲极 (i下计：有定活的劳限6f用式算 _可 l )

(- 2 2 1)

由式 (-8 2 1)检验有效对子数是否满足最少对子条件，如果不够，则需补做试验，直到应力对子数达到或超过最少对子数条件为止。