Chapter 5 焊接结构的疲劳断裂 5r1om

Chapter 5 焊接结构的疲劳断裂 本章内容： 1. 焊接结构疲劳失效的分类及危害 2. 焊接疲劳断裂的特征 3. 焊接结构疲劳的原因及影响因素 4. 焊接结构疲劳的防治措施

疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。 大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构 ，约占失效结构的 90% 。  疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样。 两者比较，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多 次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构 脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢 的，有时需要长达数年时间。  此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温 度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度 却受温度的影响比较小。 

一、疲劳断裂示例 1

、疲劳断裂的示例：



疲劳事故最早发生在 19 世纪初期。疲劳一 般从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是 从焊接接头处产生，下图 是几个典型的焊接结构 疲劳断裂事例。



下图为直升飞机起落架的疲劳断裂图 ，裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开 始，该机飞行着陆 2118 次后发生破坏，属 于低周疲劳。



下图为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂 ，该梁板厚 5mm ，承受反复的弯曲应力， 在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高 而产生裂纹，该车破坏时已运行 30000Km 。



下图表示空气压缩机法兰盘和管道连 接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝 而导致疲劳断裂，改为应力集中较小的对 接焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。



下图水压机疲劳断裂事例，很明显， 疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力 集中点产生的。

焊接结构较其它结构（如铆接结构） 更容易产生疲劳断裂，这是因为：  1 ）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或 板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性 ，一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直 至整个构件断裂。  2 ）焊接连接不可避免地存在着产生应力集 中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。  3 ）焊缝区存在着很大的残余拉应力。 

 min r  1  max m  0 火车轴（弯 曲） 曲轴（扭转）

r

0

0

 max   m  max 2

 min   0   m  min  0 2 r

r0 0  r 1  mm  0  m  0

齿轮齿根

球轴承

连杆 连杆

缸盖螺钉

（弯曲）

（压缩）

（小拉大 （小拉大 压） 压）

（大拉小 拉）

二、疲劳断裂概念  2.

疲劳破坏的概念  钢材在连续反复荷载作用下，其应力 虽然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服 强度时，也可能发生突然破坏，这种现象 称为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没 有明显的变形，是一种突然发生的脆性断 裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的 脆性破坏。

P

PP

折铁丝

三、疲劳极限 3 



．疲劳极限

金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应 力值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳 断裂的能力，在一定条件下，当应力的最大值低于某一定 值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。 这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。 循环应力只要不超过某个 “最大限度 ” , 构件就可以 经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称为 “疲劳极限 ”，

 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系

:

σ-1 = (0.45 ～ 0.55)σb  条件疲劳极限： 

钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108

陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。

四、疲劳断裂的类型  4.

疲劳断裂的类型 1 、低周疲劳。由反复塑性变形所造成的破坏称 为低周疲劳。低周疲劳的循环应力很高，接近或 超过材料的屈服点，在每次循环中，材料都产生 一定的塑性变形，在这种情况下，加载时的频率 不可能很高，一般为 0.2-0.5HZ ，断裂周次很低 ，在 104-105 次以下。 例如，锅炉及压力容器的每一次升压“降压便产生 了一次塑性变形循环，在使用期间这种反复塑性 变形循环的积累，就可能造就其低周疲劳破坏。

 低周疲劳的特点

1 、局部产生宏观变形，应力与应变之 间呈非线性。 2 、裂纹成核期短，有多个裂纹源。 3 、断口呈韧窝状、轮胎花样状。 4 、疲劳寿命取决于塑性应变幅。

多数零件按疲劳极限进行设计； 有些零件承受的交变应力远高于疲劳

极限，用过载持久值进行设计。 低周疲劳 N<105; 高周疲劳 N>105

2

、热疲劳。工作过程中，受反复加热和冷 却的元件，在反复加热和冷却的交变温度 下，元件内部产生较大的热应力，由于热 应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。 15 钢）在 长期运行中受热不均匀经受较大的交变热 应力，致使集箱产生热疲劳破坏。

 例如，某电厂水冷壁下的集箱（

1 、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的 疲劳称为热疲劳。  热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性 变形）。  由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称 为热机械疲劳。 

 2 、热应力的产生



。 

外部约束 不让材料自由膨胀； 内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。 热应变 导致裂纹的萌生，扩展。 3 、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数

4 、提高热疲劳寿命的途径 材料 减小热膨胀系数，提高 λ ，均匀性， 高温强度。 工件状况 减小应力集中。 使用 减小热冲击。

 3 、、接触疲劳

1 、基本概念 对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力 长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。 形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。 （轴承、齿轮表面、钢轨等） 接触疲劳曲线两种 σ 接～ N ， σ 接～ 1/N 。  2 、接触应力（赫兹应力） 两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为 接触应力。 接触处的接触应力为三向压应力。 

 3 、接触疲劳破坏方式

（ 1 ）麻点剥落 局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂） 润滑剂气蚀（高压冲击波） 剥落下一块金属而形成一凹坑  （ 2 ）浅层剥落 最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物 附近萌生裂纹。 表层、次表层产生了加工硬化。  （ 3 ）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展 ，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。 

五、载荷的概念 

 

 

所谓静荷载是指由零缓慢地增加到某一定值后保持 不变或变动很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各 点没有加速度，或加速度很小可忽略不计，此时构件处 于静止或匀速直线运动的平衡状态。 　　在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力。 相反，若构件在荷载作用下，体内各点有明显的加速度 ，或者荷载随时间有显著的变化，这类荷载称为动荷载。 交变应力 工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变 化，这种应力称为交变应力。

二、平均应力：

 max  min  m 2  t

三、应力幅：

 max  min  a 2

四、几种特殊的交变应力：

1. 对称循环：  min r 1  max



m  min

t

a T

 m 0

 2.

脉动循环：  r  min 0  max

 a  m  max  2

m a

t



3. 静循环： t

 r  min 1  max

 a 0 五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。

交变载荷：载荷大小和方向 随时间发生周期变化的载 荷。 疲劳断裂：零件在交变载荷 下经过长时间工作而发生 断裂的现象成为疲劳断裂 。 最大应力 σmax 最小应力 σmin 幅应力 σa 平均应力 σm 应力比 r

 max   min 2    min  m  max 2  min r   max a 





1 、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。 变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动 应力。 2 、循环应力 循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波 等。 （ 1 ）循环应力的描叙 平均应力 σm=1/2 （ σmax+σmin ） 应力幅 σa=1/2 （ σmax-σmin ） 应力比 γ=σmin/σmax （ 2 ）循环应力的种类（ See Fig 5 － 2/P108 ） 对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。

反复作用的荷载值不随时间变化，则 在所有应力循环内的应力幅将保持常量， 称为常幅疲劳。  若反复荷载作用下，应力循环内的应 力随时间随机变化，则称为变幅疲劳。其 循环应力谱如图 2 和图 3 所示。 





= -1

min

＜0

min









max max



max



＜ 0



＞0

max

 min

min





= 0

max



 max

 min



=

min



图 2 常幅应力循环的谱

=1



(a) 完全对称循环

(b) 脉冲循环

(c) 不完全对称循环

(d) 不完全对称循环

图 3 变幅应力循环的谱

反复荷载引起的应力循环形式有同号 应力循环和异号应力循环两种类型。  循环中绝对值最小的峰值应力与绝对 值最大的峰值之比称为应力循环特征值， 当为拉应力时，或取正号；当为压应力时 ，或取负号。 

 最大应力和最小应力符号相反而其绝对值

相等，即 p=-1 （图 1a ），称为对称循环。 当最大应力为拉应力而最小应力为零时， （图 19-5c ），称为脉冲循环。

例如齿轮上任一齿的齿根处 A 点的应力 ( 图 (a) ），在传动过程中，轴每转一周该齿 啮合一次， A 点的弯曲正应力就由零变到 最大值，然后再回到零。齿轮不停地转动 ，应力就不断地作周期性变化，如图 (b) 所示。

结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏。

六、疲劳破坏的特点及特征  

  

疲劳破坏的特点 （ 1 ） 交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般 低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限 （低应力破坏）。 （ 2 ） 无论 是脆性材料还 是塑性材料，在交变应 力作用 下，均表现为脆性断裂，没有明显的塑性变形。 （ 3 ） 材料发 生破坏时 ，交变应 力的循环 次数与应 力的 大小有关，应力越大，循环次数越少。 （ 4 ） 断裂面上有裂纹 的起源点和两 个明显 不同的区域 ，即光滑区域和粗糙区域，如图所示。

疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现 象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种 微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩 展，直至余下的未裂开的截面积不足以承 受外荷载时，零件就突然断裂。

 疲劳断口的特征

疲劳断口

疲劳源

（a）

（b） 图 8-8 疲劳断口

（ a ）疲劳断口宏观形貌 （ b ）疲劳条纹的微观图象





 

1 、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。 加工硬化。 随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。 2 、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶 （高应力作用）。 3 、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘 为剪切唇。 返回

疲劳源区 零件所用材料的内部缺陷 、加工缺陷、设计欠缺等引起 局部应力集中，这些局部区域 成为裂纹的产生地，即疲劳裂 纹源区。

疲劳裂纹扩展 区

疲劳裂纹形成后，在交变应力 的作用下，裂纹口不断张开和闭合 ，裂纹表面相互摩擦，裂纹向前扩 展的同时留下一条条光亮的弧线， 称疲劳线。 疲劳线呈“贝壳状”或“海滩 状”，这是疲劳断裂的重要特征。

最后断裂区 随着裂纹的扩展，有效承载面积减小 ，应力增加，当应力超过材料的断裂强度时 ，即发生快速断裂。 此区同静载脆断断口，呈放射状。

疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌 一个疲 劳源

疲劳 条纹 疲 劳 裂 纹 扩 展 区

疲 劳 源 区

两个疲 劳源

微裂纹

断口特征

七、疲劳断裂的过程及机理  疲劳破坏的过程及机理  构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、

扩展和最后断裂的全过程。  三个阶段组成： 1 ）在应力集中处产生初 始疲劳裂纹；  2 ）裂纹稳定扩展；  3 ）结构断裂。  疲劳破坏是积累损伤的结果。 缺陷 →微观 裂纹 →宏观裂纹。

（

疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳 扩展、断裂。）  一、裂纹萌生及机理 常将 0.05~0.1mm 的裂纹定为疲劳裂纹 核。 引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均 匀塑性形变。 方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他 界面开裂。

1

、滑移带开裂 （ 1 ）驻留滑移带  在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑 移带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使 驻留滑移带加宽。 （ 2 ）挤出峰和挤入槽  滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后 移动，形成挤出峰和挤入槽。  循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变 深）。（柯垂耳 - 赫尔模型）。孪晶处也易出现 挤出峰和挤入槽。

2

、晶界处开裂 晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界  开裂。  3 、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，  各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出 现开裂。 只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续  长大。

 二、疲劳裂纹扩展过程及机理

1 、裂纹扩展的两个阶段 第一阶段 沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速 率仅 .1μm 数量级。 第二阶段 在 da/dN 的 II 区。 晶界的阻碍作用，使  扩展方向逐渐垂直于主  应力方向；扩展速率 μm 级；  可以穿晶扩展。 形成疲劳条纹（疲劳辉纹）。  一条辉纹就是一次循环的结果。 

2

、疲劳裂纹扩展模型 （ 1 ） Laird 塑性钝化模型  裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化” 该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。 材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带 越宽  裂纹扩展模型：塑性钝化模型。  裂纹反复锐化和钝化的过程。

（ 2

）再生核模型  疲劳裂纹的扩展是断续的。 主裂纹前方是弹塑性  交界点（三向拉应力区）  可形成新裂纹核。主裂纹  和裂纹核之间发生相向长  大、桥接，使主裂纹向前  扩展。 强度高的材料，可形  成解理裂纹。 返回

八、材料的疲劳曲线 ---- 循环次数 N 与疲劳极限 rN 或 rN 之间的关系曲线  － N 疲劳曲线

 疲劳曲线

 － N 疲劳曲线

AB 段 视为静应力强度的情况，使材料发生破坏 的最大应力值基本不变，或下降很小。 BC 段 应力疲劳或低周疲劳阶段，使材料发生破 坏的最大应力值将不断下降，材料出现塑性变形。 CD 段　机械零件的疲劳大多发生区，为有限寿 命疲劳阶段 　 D 点以后 无限寿命疲劳阶段，为一水平线：

　

CD 和 D 以后两段所代表的疲劳叫高周疲劳

总结：疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应 力循环次数之间的个关系曲线，它反映了 材料抵抗疲劳断裂的能力。通常分为有限 寿命区和无限寿命区，以循环基数为界， 利用疲劳曲线可以对只需要工作一定期限 的零件进行有限寿命设计，以期减小零件 尺寸和重量。

N （疲劳寿命）  应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿 命越高；  应力幅相同，作用的循环次数越多， 疲劳寿命越高。  应力循环次数

 fy  1  2 

b

0

1

N1

N2 2 3

4

5

6

NX105

焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他联 接形式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有 应力集中（如角焊缝的焊趾处），而且这些部位易 产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。  例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物， 疲劳裂纹往往就起源于这些缺陷处。因为有这些缺 陷存在，使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只 占整个疲劳过程中一个相当短的时间，主要的时间 是属于裂纹的扩展。 

九、影响焊接接头疲劳强度的因素 

焊接结构的疲劳强度 , 在很大程度上 决定于构件中的应力集中情况 , 不合理的接 头形式和焊接过程中产生的各种缺陷 ( 如未 焊透、咬边等 ) 是产生应力集中的主要原因。 除此之外，焊接结构自身的一些特点，如 接头性能的不均匀性，焊接残余应力等， 都对焊接结构疲劳强度有影响。

1

．应力集中和表面状态的影响  结构上几何不连续的部位都会产生不同程 度的应力集中，金属材料表面的缺口和内 部的缺陷也可造成应力集中。焊接接头本 身就是一个几何不连续体，不同的接头形 式和不同的焊缝形状，就有不同程度的应 力集中，其中具有角焊缝的接头应力集中 较为严重。



构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重 （即应力集中系数 K 愈大），疲劳强度降 低也愈大。不同材料或同一材料因组织和强 度不同，缺口的敏感性（或缺口效应）是不 相同的。高强度钢较低强度钢对缺口敏感， 即在具有同样的缺口情况下，高强度钢的疲 劳强度比低强度钢降低很多。焊接接头中， 承载焊缝的缺口效应比非承载焊缝强烈，而 承载焊缝中又以垂直于焊缝轴线方向的载荷 对缺口最敏感。

（ 1 ）焊缝表面机械加工的影响。未经机械 加工低碳钢及低合金锰钢对接接头的疲劳强度， 见下图。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，见图 111 。  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 集中严重得多，所以在这种情况下焊缝表面的机 械加工是毫无意义的。 

图 111 ： 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 111 ： 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。  不同的接头形式对于疲劳强度的影响是各不相同 的。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和过 渡圆弧半径 对疲劳强度的影响，见图 111 ， T 形 和十字形接头。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，由于在焊缝向基本 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 十字形接头的疲劳强度远低于对接接头。

图 111 过渡角和过渡圆弧半径对对接接头疲劳强度的影响



开 I 形坡口用角焊缝连接的十字形接头，其 疲劳强度和应力循环特性系数的关系，见下图。 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与板厚之比小于 0.6-0.7 时，一般断于焊缝；当大于 0.7 时，一 般断于母材。图 1212 中的实线代表的疲劳强度 是按断裂在母材计算的，虚线是按断裂在焊缝计 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，故最多亦不能超过断裂在此处的疲 劳强度。提高 T 形和十字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字形接头的疲劳强 度图，见下图。

图 111 ： 开 I 形坡口的十字形接头的 疲劳强度 1— 低合金锰钢 2— 低碳钢

图 121 开坡口焊透的十字形接头的疲劳强度 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，见

下图。试验证明搭接接头的疲劳强度是很低的。

 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% （图 a ）  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 然是很低的，只达到基本金属的 40% （图 b ）  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，但是效果不大。 （图 c ）

图 122 低碳钢搭接接头的疲劳强度对比







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（图 d ）。 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 倍，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（图 e ）。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（图 f ）。



表面状态粗糙相当于存在很多微缺口， 这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。 表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材 料的强度水平越高，表面状态的影响也越 大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲 劳强度是不利的。

 



2 ．焊接残余应力的影响 焊接结构的残余应力对疲劳强度是有影响的。焊接残余应 力的存在，改变了平均应力 σm 的大小，而应力幅 σa 却 没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力 有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利 影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。对于 塑性材料，当循环特征 r﹤1 时，材料是先屈服后才疲劳 破坏，这时残余应力已不发生影响。 由于焊接残余应力在结构上是拉应力与压应力同时存在。 如果能调整到压残余应力位于材料表面或应力集中区则是 十分有利的，如果材料表面或应力集中区存在的是残余拉 应力，则极为不利，应设法消除。



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 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，疲劳试验采用三种应力循环特征系数， -1 ， 0+0.3 ，试验结果见下图。 从图中可以看出，在交变载荷下（ -1 ）消除 内应力试样的疲劳强度接近 130MPa ，而未消除 内应力的仅为 75MPa 。在脉动载荷下（ 0 ），两 组试样的疲劳强度相同，为 185MPa

图 111 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



而当 0.3 应力循环下，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。



为了单独弄清焊接残余应力对疲劳强度的影响 ，曾采用不同的焊接次序，来获得不同的焊接残 余应力分布的试样，作对比试验，见下图。 这是两组带有纵向和横向焊道的试样：第一组试 样图 a 是先焊纵向焊缝 1 ，后焊横向焊缝 2 ；第 二组试样图 b 是先焊横向焊缝 1 ，后焊纵向焊缝 2 。从图上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。这个试验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。

图 1221 焊接残余应力将对疲劳强度的影响

3

．焊接缺陷的影响  焊接缺陷对疲劳强度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 向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于 残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力 场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如 焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中 的影响大。

焊接缺陷对焊接接头的疲劳强度产生重大的 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缺陷的比在残余压应力区 内的影响大；  位于应力集中区的缺陷（如焊趾裂纹）比在 均匀应力区中同样缺陷的影响大。  咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下的影响 ，见下图， A 组的影响大， B 组的影响小。 

）外观缺欠——咬边、焊瘤、凹坑、未熔合、 未焊透、余高、弧坑未填满、表面气孔飞溅及裂 纹等。  2 ）内部缺欠——气孔、夹渣、偏析、裂纹、剩 余应力、焊缝和 HAZ 组织粗化、析出脆 化、 HAZ 软化等。  3 ）焊后缺欠——在焊后热处理或服役中产生的 缺欠，包括裂纹、热疲劳脆化、析出脆化、时效 脆化、晶间腐蚀、孔蚀、应力腐蚀开裂、异种钢 接头熔合区脆化等。 1

图 111 咬边在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响

图 111

未焊透在不同位置、载荷作用下对疲劳强度的影响



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，见下图，由图中可以看出 ，随着未焊透的增加，疲劳强度迅速下降 ，并且以 1Cr18Ni9Ti 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。

图 111 未焊透百分比对疲劳强度的影响 1— 机械化氩弧焊 2 — 埋弧焊 3— 机械化氩弧焊 4— 机械化氩弧焊 5— 低碳钢埋弧焊

4. 零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对 其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响 。 σ /MPa 材料 表面状态 σ /MPa b

-1

光滑

656

280

有刀痕

654

145

40Cr （淬火＋ 光滑 200℃ 回火） 有刀痕

1947

780

1922

300

45 钢（正火）

问答题   



 

1 、试述焊接接头形式对疲劳极限的影响。 焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，将对接头的疲劳 极限产生程度不同的不利影响。 ⑴ 对接接头  对接接头从焊缝至母材的形状变化不大，应力集中比其 它接头要小，所以在所有的接头形式中具有最高的疲劳极限。但是过 大的余高会增加应力集中，使疲劳极限下降。 ⑵T 形接头  这种接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变 化，应力集中系数比对接接头的应力集中系数高，因此其疲劳极限远 低于对接接头。 提高 T 形接头疲劳极限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。 ⑶ 搭接接头  这是一种疲劳极限最低的接头形式，特别是在原来对接 接头的基础上，增加盖板来进行“加强”，其结果适得其反，这种盖板 非但没有起到“加强”作用，反而使原来疲劳极限较高的对接接头被大 大地削弱了。

2 、试述焊接缺陷对疲劳极限的影响。  焊接缺陷对焊接接头的疲劳极限产生重大的不利影响，这 种不利影响与焊接缺陷的种类、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、点状夹渣）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的影响比其它方向大。 位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余应力区内的大 ；位于应力集中区内的缺陷（如焊趾裂纹）的影响比在均 匀应力区中同样缺陷影响大。咬边和未焊透在不同位置、 不同载荷下对接头疲劳极限的影响，见图 38 ，其中 A 组 的影响最大， B 组的影响较小。

       

3 ．如何减少焊接接头的应力集中？ 答：减少焊接接头应力集中的措施是： （ 1 ）尽量采用对接接头，对接接头的余高值不应太 大，焊趾处应尽量圆滑过渡。 （ 2 ） T 型接头（十字接头）应该开坡口，采用深熔焊， 以保证焊透。 （ 3 ）减少或消除焊接缺陷，如裂纹、未焊透、咬边等。 （ 4 ）不同厚度钢板对接时，对厚板应进行削薄处理。 （ 5 ）焊缝之间不应过分密集，以保证有最小的距离。 （ 6 ）焊缝应尽量避免出现在结构的转弯处。

4

．试比较焊接结构的疲劳断裂和脆性断裂有何 不同？  答：焊接结构的疲劳断裂和脆性断裂从性质到形 态都不一样，两者断裂时的变形都很小，但疲劳 断裂需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次 加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩 展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。此外， 脆断受温度的影响特别明显，随着温度的降低， 脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的 影响比较小。

5

．为什么重要的焊接结构上两条焊缝不 能靠得太近？  答：焊后在焊缝附近将出现残余拉应力， 离开焊缝区其值迅速减小，所以在焊缝附 近的峰值或残余应力有助于脆断的发生。 当结构上有两条焊缝时，如果两条  焊缝间距小于两条焊缝拉应力区宽度之和 ，则残余拉应力发生叠加，造成结构低应 力破坏。

焊接结构疲劳失效的原因  焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：

① 客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不 低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却 远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形 式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头 的疲劳而过早失效的一个主要的因素；② 早期的 焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗 疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完 善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊 接接头；

③

工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性 能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往 照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形 式；④ 焊接结构日益广泛，而在设计和制 造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量 化，导致焊接结构的设计载荷越来越大； ⑤ 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势 ，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高 ，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相 对滞后。

提高焊接结构疲劳性能方法的研究意义 

疲劳事故的频繁发生在一定程度上制 约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些 场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑 焊接结构能否适用于承受动载的工程实际 ，故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外 有关专家和工程技术人员，尤其是国际焊 接学会疲劳专业委员会的普遍关注。



在大量疲劳试验与工程实践的基础上，焊接 结构抗疲劳设计规范不断出台，如英国桥梁疲劳 设计规范 BS5400 、欧洲钢结构协会的疲劳设计 规范、日本的钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及 高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊 接钢结构的疲劳设计规范 IIW.DOC-639-8l 以及我 国的钢结构设计规范 GB-17-88 。世界各主要造 船及海洋资源开发国家，都在船舶及海洋工程结 构的设计建造和检验入级规范中对焊接结构的疲 劳强度作出了规定和要求。



由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中 和残余拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低 于基本金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强 度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳 性能，关系着焊接结构能否安全使用。因此为了 保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的 焊接结构时，设计规范规定以焊接接头的疲劳强 度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属 的疲劳强度，显然这造成极大浪费。即使如此， 在接头处局部应力集中作用下，仍然会发生整体 结构的过早疲劳失效。



为了使焊接结构很好地满足工程上对其提出 的承受动载的要求，能够采取的措施主要有两点。 一方面，增加对焊接结构抗疲劳性能的了解，精 心设计结构形式及接头形式，使所设计的焊接结 构更合理，具有更高的疲劳强度；同时提高和严 格控制焊接质量，防止和减少焊接缺陷的产生； 另一方面，直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱 点，在焊接结构制造过程中、完成后以及使用过 程中采取有效的工艺措施，提高接头的疲劳强度 ，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命。



由上面讨论知道，应力集中是降低焊 接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有 当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺 完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊 接接头和结构具有较高的疲劳强度。

十、焊接接头疲劳强度的改善  应从根本上考虑，尽可能消除裂纹源和减

少应力集中。概括起来不外三方面：  1 ）从设计开始就尽量做到接头构造合理， 降低缺口效应；  2 ）加强制造、施工的质量管理，防止或减 少焊接缺欠的产生；  3 ）必要的焊后改善措施和服役期间的质量 管理。

1 、降低应力集中 疲劳裂纹源于焊接接头和结构上的应 力集中点，应力集中是降低焊接接头和结 构疲劳强度的主要原因。因此，消除或降 低应力集中的一切手段，都可以提高结构 的疲劳强度。通常采用的方法是：  （ 1 ）采用合理的结构形式，图 121 是几 种设计方案的正误比较。

 焊接结构构造要合理，能均匀、连续、平

顺地传力，避免构件截面剧烈变化。必要 时用圆弧过渡（图 8 ）。

图 8 桁架节 点



要尽量选用刚度均匀的方案，焊缝连 接处构件的不均匀刚度 , 导致焊缝的变形和 应力分布不均 , 必然影响连接的疲劳性能。 例如图 10 所示工字形牛腿与钢柱用角焊缝 的连接 , 牛腿端部有弯矩 M 和剪力 V 用。 在图 10a 中 , 由于柱翼缘变形 , 牛腿端部截 面不能保持平面变形 , 牛腿翼缘的应力也就 不可能均匀分布。如果在牛腿翼缘端部柱子 腹板上设置横向加劲肋（图 10b) , 便能改善 应力分布 , 提高连接的疲劳性能。

图 10 构件刚度对疲劳性能的影响



角焊缝（图 11 ）在角焊缝的焊跟和焊 趾处 , 有严重的应力集中 , 裂纹从这里开后 , 向焊缝内部或主体金属扩展。侧面角焊缝 因两端应力集中严重 , 疲劳破坏从端部开始 。

图 11 角焊缝的疲劳破坏位置

T 形连接可以用角焊缝 , 用部分熔透或 全熔透的 K 型焊缝构成。前二者疲强度很低。 全熔透的 K 型焊缝（图 14 ）的性能与对接 焊缝的相同 , 在经过加工 , 无损检验后 , 疲劳 强度较高 , 宜用于直接承受动力荷载的 T 形 连接。  不论对接焊缝或角焊缝 , 它们的疲劳强 度都比母材的为低，在动力荷载作用时比较 危险。因此 , 对直接承受动力荷载的焊缝连 接 , 必须进行疲劳计算。 

图 14 全熔透的 K 型焊缝

2 ）尽量采用应力集中系数小的接头，如对接 接头。采用复合结构把角焊缝改为对接焊缝的实 例，见图 121 、图 1212 。  在对接焊缝中，应当保证基本金属与焊缝之间平 缓过渡，机械打磨过渡区是可采用的方法，但应 注意打磨方向应是顺着力线传递方向，因为垂直 力线方向打磨往往取得相反的效果。此外，在对 接焊缝中应保证在连接件的截面没有改变时进行 力的传递。对接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强 度，但如果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷， 则疲劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝， 这是应当引起注意的。 （



减小断面突变，当板厚或板宽相差悬 殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结 构上的尖角或拐角处应作成圆弧状，其曲 率半径越大越好。



在对接焊缝中，应当保证基本金属与 焊缝之间平缓过渡，机械打磨过渡区是可采 用的方法，但应注意打磨方向应是顺着力线 传递方向，因为垂直力线方向打磨往往取得 相反的效果。此外，在对接焊缝中应保证在 连接件的截面没有改变时进行力的传递。对 接焊缝虽然一般具有较高的疲劳强度，但如 果焊缝质量不高其中存有严重的缺陷，则疲 劳强度值将下降很多，甚至低于搭接焊缝， 这是应当引起注意的。

3 ）当采用角焊缝时，需采取综合措施 ，如机械加工焊缝端部、合理选择角接板 形状、焊缝根部保证熔透等来提高接头的 疲劳强度，因为采取这些措施可以降低应 力集中，并消除残余应力的不利影响。试 验证明，采用综合处理后，低碳钢接头处 的疲劳强度能提高 3-13 倍，对低碳合金钢 的效果更加显著。

（

4 ）开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集 中处；可以提高接头的疲劳强度，  见图 。 （

5 ）用表面机械加工的方法，消除焊缝 及其附近的各种刻槽，可以降低构件中的 应力集中程度。但是这种表面机械加工的 方法成本高，因此只有在真正有益和确实 能加工到的地方，才适合采用这种方法。

（

只能单面施焊的对接焊缝，在重要结 构上不允许在背面放置永久性垫板；避免 采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有 较高的应力集中。

6 ）采用电弧整形的方法来代替机械加 工，使焊缝与母材之间平滑过渡。  这种方法是用钨极氩弧焊在焊接接头的过 渡区重熔一次，使焊缝与母材之间  平滑过渡，同时减少该部位的微小非金属 夹杂物，因而可使接头部位的疲劳  强度提高，见下图 。采用氩弧整形方法， 提高焊接接头疲劳强度的效  果，见表 。 （



由表 1-3 可知，对于低碳钢和低合金 钢，其疲劳强度提高的程度和机械加工的 效果相似。对于高强度钢，用电弧整形法 就具有更重要的意义，因为高强度钢对应 力集中比较敏感，采用电弧整形法对提高 疲劳强度的效果更好。

7 ）正确的焊缝形状和良好的焊缝内外 质量  ① 对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后 最好能刨（或磨）平而不留余高；  ②T 形接头最好采用带凹度表面的角焊缝， 不用有凸度的角焊缝；  ③ 焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过 渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔， 以降低该处的应力集中。 （



任何焊接缺陷都有不同程度的应力集 中，尤其是片状焊接缺陷如裂纹、未焊透 、未熔合和咬边等对疲劳强度影响最大。 因此，在结构设计上要保证每条焊缝易于 施焊、以减少焊接缺陷，同时发现超标的 缺陷必须清除。

8 ）钢材选用  我国规范对钢材选用采取规定钢号和保证项目的 办法。考虑的因素有 : (1) 是否焊接结构； (2) 是否承受动力荷载； (3) 是否处于低温。  对于焊接结构 , 钢材质量要求得比非焊接结构严格。 关于保证项目必须符合有关要求 , 。这里着重讨论 钢号问题。（ 1 ）焊接构件的要求高于铆接构件 ：铆接重级工作制吊车梁 , 当计算温度高于－ 20℃ 时可以采用 Q235 沸腾钢 , 同样条件下的焊 接吊车梁则必须采用 Q235 镇静钢〈或低合金 钢〉 （

 。（ 2 ）重级工作制构件高于中轻级工作制构件

，处于低温工作的构件要求高：对于处在低温的 其他结构 , 材料也要求严格 , 如 50t 以上的中级工 作制焊接吊车梁 , 当计算温度高于－ 20℃ 时可以 采用 Q235 沸腾钢 , 而当计算温度等于或低于－ 20℃ 时，则应该用 Q235 镇静钢。（ 3 ）承受动 力荷载的构件要求高于承受静力荷载的构件。前 者除荷载循环次数少 , 或荷载小 , 或非焊接结构外 , 都要求用镇静钢 , 并保证冲击韧性；后者除在温度 低达－ 30℃ 的情况外都可以用沸腾钢 , 且不论温 度是否低于－ 30℃ 都不要求保证冲击韧性。



我国规范不足之处 , 是没有把焊接结构 的选材和钢材厚度相联系。欧洲的一些钢 材选用的规定 , 考虑因素多而细致。比如把 应力状态分为三个等级 , 钢板厚度每差 15mm 为一个等级 , 气温分为 > － 10℃ 和 － 10 至－ 30℃ 两级 , 还把构件的重要性 分为两级。把这些级别综合起来 , 选定构件 材料的质量等级。材料等级分为 1d 、 B 、 c 、 D 四级 , 以冲击试验的温度为准。

2

、进行焊后消除应力热处理  残余压应力可提高疲劳强度，而拉应 力降低疲劳强度。因此，若能调整构件表 面或应力集中处存在残余压应力，就能提 高疲劳强度。例如，通过调整施焊顺序、 局部加热等都有可能获得有利于提高疲劳 强度的残余应力场。



消除接头应力集中处的应力可以提高 接头的疲劳强度，但是用焊后消除应力的 退火方法不一定都能提高构件的疲劳强度。 一般情况下，在循环应力较小或应力循环 系数较低，应力集中较高时，利用焊后整 体或局部消除应力的热处理将取得较好的 效果。

3

．改善材料的组织和性能  1 ）提高母材金属和焊缝金属的疲劳抗力还应从 材料内在质量考虑。应提高材料的冶金质量、减 少钢中夹杂物。重要构件可采用真空熔炼、真空 除气、甚至电渣重熔等冶炼工艺的材料，以保证 纯度；在室温下细化晶粒钢可提高疲劳寿命；通 过热处理可以获得最佳的组织状态，在提高（或 保证）强度同时，也能提高其塑性和韧性。回火 马氏体、低碳马氏体（一般都有自回火效应）和 下贝氏体等组织都具有较高抗疲劳能力。

2

）强度、塑性和韧性应合理配合。  强度是材料抵抗断裂的能力，但高强度材料 对缺口敏感。塑性的主要作用是通过塑性变形， 可吸收变形功、削减应力峰值，使高应力重新分 布。同时，也使缺口和裂纹尖端得以钝化，裂纹 的扩展得到缓和甚至停止。塑性能保证强度作用 充分发挥。所以对于高强度钢和超高强度钢，设 法提高一点塑性和韧性，将显著改善其抗疲劳能 力。

4

、改善材料的力学性能  表面强化处理，用小轮挤压或用锤头锤击 焊缝表面及过渡区，或用小钢丸喷射（即 喷丸处理）焊缝区，都可以提高接头的疲 劳强度。因为材料经过这种处理后，不但 形成有利的表面压应力，而且使材料局部 加工硬化，因而可以提高疲劳强度。

5

、特殊保护措施 介质往往对材料的疲劳 强度有影响，因此，采用一定的保护涂层 是有利的。例如在应力集中处涂上加填料 的塑料层，这是一种比较实用的改进方法 。

6

、正确使用  不在主要结构上任意焊接附加的零件 , 不任意悬挂重物 , 不任意超负荷使用结构 , 要注意检查维护 , 及时油漆防锈，避免任何 撞击和机械损伤 , 原设计在室温工作的结 构 , 在冬季停产检修时要注意保暖等

十一、提高焊接接头疲劳强度的具体工艺  以下的具体工艺方法可以在一定程度上提

高接头的疲劳强度

但许多经验指明，在缺口附近表面形成剩 余压应力，对改善疲劳强度是有利的。现有一些 工艺方法的就是基于压应力对疲劳过程的抑制作 用，而进行调整剩余应力。  1 ）预超载法。具有严重缺口的焊接接头的疲劳 强度几乎不受拉伸预应力的影响，而存承受压缩 应力时却有很大提高。实际中，只要施以拉伸载 荷便可在缺口顶端得到所希望的压应力。在弹性 卸载后，缺口剩余应力的符号总是与加载时的符 号相反。在结构验收时用一个加大的载荷，就自 然地达到预超载的目的。 

2

）局部加热法与局部挤压法。两者相似，借助 局部集中的加热作用或挤压作用，引起缺口附近 屈服而产生剩余压应力。其效果稍好于预超载法 ，但不如喷丸法。  3 ）表面压缩法。包括锤击法和喷丸法，是冷加 工方法是能在缺口顶端横向变形受到拘束时借助 局部集中的表面压力引起屈服而产生剩余压应力 的方法。锤击和喷丸还有消除微小缺口、改善缺 口几何形状和冷作和硬化作用。如图 和图 所示， 锤击和喷丸能很好地改善疲劳强度。喷丸法对于 高强钢具有突出的效果，甚至可与熔修相比拟。

4

）射水激冷法。加热缺口区域并随即射水 激冷，被激表面将硬化而产生剩余压应力。 曾采用此法成功地防止对接管道内部产生 疲劳裂纹。具体方法是管道外部采用感应  加热，管内部用循环水冷却，在管道内产 生压缩应力。

 5 ） UIT

法。即超声波冲击法（ ultrasonic impact treatment ）。原是 20 世纪 70 年代前苏联发明的 方法，当时的目的在于解决军舰制造中的焊接变形 与应力问题。经过多年的研究，现今应用于改善接 头疲劳强度上，收到令人瞩目的效果，如图 所示 ，已可与 熔修法相比拟。主要是利用超声波的高 频振荡冲击焊趾部位，不但形成剩余压应  力，且可有消除微小缺口的效应。不但可应用于车 间，也可方便地在工地上应用。没有噪声是很大的 优点。

 二、焊趾加工修整  1 ）机械加工法。对焊缝表面进行机械加工，消除

余高，可彻底消除焊趾部位的应力集中。有时也 可只对焊趾局部加工处理，也能大幅度改善疲劳 强度。  2 ）磨削法。用磨盘或砂轮对焊趾进行局部打磨， 可消除微小缺口，降低其缺口效应。通过磨削或 多或少也会使缺口部位产生剩余压应力，并使表 面硬化，而带来一定的好处。对于严重影响疲劳 强度的重要焊缝缺口进行磨削是必不可少的常规 做法。



用砂轮打磨以除去焊趾咬边 , 可以改善横向受 力时的疲劳性能。图 4 给出打磨的具体要求。左 侧所示打磨虽然使几何形状的改变有所缓和 , 但 未能消除切口这一隐患 , 因此是不正确而无效的。 必须如右侧所示 , 不仅把切口完全除去 , 并且还要 再磨去 0.5mm 除去侵入熔化金属的焊渣。当然 , 母材磨去深度 d 不应过大 , 不应超过 2mm 或板厚 的 5%, 打磨时应避免使焊缝有效厚度受到削弱。 此外，还应注意 , 打磨留下的痕纹应平行于受力 方向而不是垂直于受力方向。

图 4 打磨咬边



对接焊缝（图 5 ）在焊跟、焊缝快陷及焊缝余高 的焊趾等部位 , 具有严重的应力集中 , 它们是疲劳裂 纹开展的根源。焊缝余高的大小对焊缝的疲劳强度 也有很大影响。试验表明 , 焊缝余高的夹角愈小 , 则 应力集中愈大 , 疲劳强庭愈低。因此 , 对直接承受重 复荷载作用的对接焊缝连接 , 除了要进行无损检验 , 使其符合钢结构工程施工及验收规范外，还要对焊 缝表明进行加工，磨去余高，以消除焊趾处的缺口 效应。经过这些处理后 , 对接焊缝连接的疲劳性能将 显著改善。但是没查出的微观裂纹以及规范容许的 少量气孔、夹渣等还可能残存 , 它们也将是疲劳裂纹 发展的起点，对接焊缝的耐疲劳性能 , 仍低于无应力 集中的主体金属〈轨制边或刨边〉。这一点在钢结 构设计规范规定的容许应力幅中都有反映。



纵向焊缝的焊波皱纹〈常发生在施焊 时更换焊条处 ), 垂直于力的作用方向 , 类似 糟口 , 对疲劳不利 , 也应加工磨平。

图 5 对接焊缝的疲劳破坏 位置

3

） TIG 熔修法。用钨极氩弧焊焊炬或等 离子弧焊炬对焊趾局部重熔，以改善对接 焊缝或角焊缝焊趾的外形，以及消除焊趾 区可能存在的微观缺口，可以显著地改善 疲劳强度。重熔形成的新焊道的质量以及 这一方法可能引起局部过度硬化问题，都 应给予注意。 TIG 熔修法在改善接头疲劳 强度上有显著的效果，特别是高强钢焊接 接头。



TIG 法是使用钨极气体保护电弧 ( Tungsten-inert gas arc) 使焊趾部位重新 熔化。这种钨极弧不会在趾部产生咬边和 焊渣侵入，只要重新熔化的深度足够 , 原有 切口及悍渣都可以消除 , 并且还可以形成平 缓的几何形状变化。采用这种方法在不同 应力幅情况下疲劳强度都能提高。图 6 给 出了带纵肋的 16Mn 钢板 , 焊缝绕肋板围焊 时 , 用 TIG 法提高疲劳强度的情况。

 锤击强化法和喷丸硬化法，所产生的冷作硬化作

用在改善疲劳强度上虽并不很明显，但消除微小 缺口和改善缺口几何形状的作用，则不能忽视， 对改善疲劳强度颇有好处。焊趾加工所采用的方 法不仅有改善几何形状、消除微小缺口的效果， 实际上也或多或少有一些调整剩余应力的效应。 其实， UIT 在一定程度上也有修整焊趾的作用。 由于在高应力循环时有可能使各种方法所获得的 剩余压应力重新分布，而消除其有利的效果。这 时采用机械加工方法和 TIG 重熔法将更为有利。

图 6 TIG 法提高疲劳强度 对比

图 7 工艺措施效果



总之，合理设计（选材与构造设 计）、正确制造（工艺措施合理）、正确 使用是提高结构疲劳性能的有效方法。

试比较脆性断裂和疲劳断裂两者的不同点。  脆性断裂和疲劳断裂从性质到形式都一样。 两者比较，都是低应力破坏，断裂时的变形都很 小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需 要多次加载。结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂 纹的扩展则是缓展览品的，有时需要长达数年时 间。此外，脆性断裂受温度的影响特别显著，随 着温度的降低，脆性断裂的危险性迅速增加，但 疲劳极限却受温度的影响比较小，因此疲劳断裂 和温度的变化关系也不大。

第四节 应力腐蚀失效的特征及断口分析 1 ）应力腐蚀失效的特征  应力腐蚀断裂是一种远低于金属屈服点的拉应力 与化学侵蚀共同作用的破坏过程。  纯金属对该类破坏的敏感性比不纯的金属低得多 ，而纯二元合金对该类破坏一般都是很敏感的。 裂纹常常产生大量的分叉，并在大致垂直于影响 它们产生和扩展的拉应力方向连续扩展。在这种 情况下，细小的裂纹会深深地扩展进焊件之中， 而表面又呈现出模糊不清的腐蚀迹象。因而，不 可能有即将断裂的宏观标志，具有更大的危害性 。 （

      

（ 2 ）应力腐蚀断裂断口的宏观分析 在应力腐蚀断口上通常可以辨认出裂纹源、裂纹慢速扩展 区和最终快速断裂区。断 裂源常发生在金属材料的表面，由于化学作用，往往在裂 纹源处形成腐蚀坑。一般情况 下，应力腐蚀裂纹是多源的。这些裂纹在扩展过程中发生 合并，形成台阶或放射状条纹 等形貌。裂纹扩展部分具有明显的放射条纹，其汇聚处为 裂纹源。应力腐蚀断裂断口宏 观形貌呈现脆性特征，由于化学介质的作用，在断口上可 以看到腐蚀特征和氧化现象， 断口表面有一定的颜色，通常呈现褐色或暗色。

3 ）应力腐蚀断裂断口的微观分析  应力腐蚀断裂方式可能是沿晶的，也可能是穿晶 的，由材料与腐蚀环境决定。通常  碳钢和低合金钢的应力腐蚀断口是沿晶开裂的， 裂纹沿着大致垂直于所施应力的晶界延  伸。应力腐蚀的断裂方式不仅与材料有密切关系 ，而且还与介质有关。例如在含 氯离子的  介质中，铬不锈钢呈现沿晶断裂，而奥氏体不锈 钢为穿晶断裂。应力腐蚀的显微断口还  具有“腐蚀坑”和“二次裂纹”的形貌。 （

第五节 其他类型失效的分析 1 ）氢损伤失效  氢损伤失效（氢脆）通常分为以下两大类。  ① 第一类氢损伤 氢脆的敏感性随应变速率的 增加而增加，造成裂纹或类裂纹的缺  陷，如气泡、白点等。这类破坏起因于体内 或从体外吸收的原子态氢在夹杂物或微裂纹  等不连续处偏聚并结合成分子态氢后，体积 增大产生巨大的内压力所致。 （

 ② 第二类氢损伤

氢脆的敏感性随应变速率 的增加而下降。此时金属体内并无裂纹  源，但在低于屈服点的静拉应力下工作一 段时间后出现裂纹，这些裂纹会慢慢扩展 ，到  临界尺寸后造成构件突然断裂。工程上所 说的氢脆多指这种类型的氢损伤，也称延 迟破坏。

 焊接时若焊条没有经过充分烘干，或烘干

后保管不当，或在潮湿气氛中焊接时，都  有可能在热影响区粗晶区或焊缝金属中产 生延迟裂纹或出现白点。氢脆断口的宏观 形貌比较光滑平整或类似于冰糖块状的沿 晶断裂，与应力腐蚀断口相比，氢脆断口 上的二次裂纹也较少。

2 ）腐蚀疲劳失效  腐蚀疲劳是重复或交变应力与腐蚀环境共同作用 产生的破坏过程。当表面钝化层遭  到破坏时，金属发生整体或局部腐蚀，常常在表 面形成半圆形的坑蚀并在坑底产生裂  纹。由于不断受到介质的腐蚀，裂纹外宽内窄， 呈楔形，内部或表面往往充满腐蚀产  物。这类裂纹成群出现，平行向内扩展，裂纹尖 端很少分叉或不分叉。 （

      

腐蚀疲劳断口从宏观和微观来看与一般疲劳有相似之处， 其宏观特点稍明显，可以 出现海滩状或贝壳状痕迹，但有时也被腐蚀产物覆盖。在 微观上也出现疲劳条带和脆性 的“二次裂纹”特点。 此外，焊接结构的失效形式还有韧性断裂失效、高温失效 、腐蚀失效、磨损失效、 液体冲蚀失效、微振磨蚀失效、液体金属致脆失效等。一 般来说，必须检查断口并把焊 件工作条件与取得的有关性能的数据进行比较，才能确定 一种失效的类型，从而找出科 学的解决办法。

典型焊接失效分析  水泥回转窑筒体开裂事故分析  （脆性断裂失效）

 



（ 1 ）筒体失效过程 某厂利用磷氮复合肥生产线排出的废渣为原料，采用筒体 为 4m×45m 、全长为 150m 的湿法水泥回转窑生产水泥。 该窑用 6 个桥墩支撑，窑 体总质量 900 多吨，如图 所示。该窑于 1987 年底投产 ， 1991 年 7 月 1 日首次在进料端 桥墩之间挂链板端的 筒体外部发现无数处小裂纹，料浆向外渗漏。从此以后， 筒体外部就不断地出现裂纹，并且裂纹出现的部位，也由 桥墩之问逐渐扩大到 和 桥墩之间的筒体上。由于没有搞清 楚裂纹的性质，未能有效地控制裂纹的产生。新更换的部 分筒体，也在运行了三个多月后，又开始不断地出现裂纹。 因此，有必要对该回转窑筒体裂纹进行详尽的失效分析。

（ 2

）失效分析的方法和结果  通过对回转窑筒体裂纹的现场调查，对从更换下 来的筒体上截取典型裂纹试样进行  成分分析、金相分析、裂纹断口扫描电镜分析， 并对筒体进行了受力分析和计算，综合  判断裂纹的性质和失效原因，以期为该回转窑筒 体裂纹的修复、重新设计和制造等项工  程提供必要的技术依据。

 

     

1 ）断口宏观和微观分析结果 宏观分析结果表明，裂纹多在挂链板和筒体之间的角焊缝 附近、筒体环焊缝以及工艺焊缝附近产生。大多数裂纹沿 周向扩展，个别裂纹沿筒体长度方向扩展。筒体裂纹的 宏观断口特征为： ① 从筒体外部看到的裂纹，在其断口上只有个别点相连； ② 断口上无延性变形痕迹，为脆性断口； ③ 断口上有大量的腐蚀产物； ④ 断口沿板厚方向的中部，有许多“平面台阶”或“二次纹” 。 扫描电镜观察结果表明：所有试样均为沿晶开裂的脆性断 口，断口上有许多空洞和“二次裂纹”。

2

）母材金属化学成分和料浆成分  筒体母材金属的化学成分分析结果为： c% 0.17 ， Si%0.51 ， Mn%0.63 ， S0.02%,P 0.018% ，母材金属为低碳钢。  该厂所用料浆主要由复合肥渣、黏土、 铁粉和水等构成。料浆的 PH 值为 6.8-8.2  复合肥生产过程和磷矿本身带入，料浆的 主要成分及其所含离子见下表：

 金相观察结果表明，筒体母材金属的内表面上有

大量深浅不一的腐蚀坑。  从横截面上看，筒体内壁表面凹凸不平，局部腐 蚀坑较深。裂纹沿铁素体晶界和珠  光体相向母材金属中扩展。母材金属中心带状组 织明显，裂纹沿带状组织扩展一定距离  后，继续转向沿母材金属厚度方向扩展。这一扩 展结果，将在裂纹主断口上形成“平  面台阶”或“二次裂纹”。

（ 3

）筒体受力分析和计算  回转窑静止时，筒体受到的主要应力如下。  ① 窑体自重产生的应力。  ② 回转窑中心线偏离（相当于桥墩支点下沉或上 升）引起的附加应力。  ③ 筒体制造时，切割、卷圆、焊接、装配等工序 使其局部产生的残余应力。  ④ 支撑托轮通过带轮产生的应力。  ⑤ 温度应力。  ⑥ 颈缩温度应力：由于带轮和其下方的筒体温差 较大，带轮的刚性大，当带轮和筒

 体之间的间隙较小时，致使筒体中产生颈

缩温度应力。  ⑦ 挂链板热胀冷缩在筒体中产生的应力。  回转窑运转时，上述 种应力叠加后，对筒 体的某一点来说，受到一个大小和方向  随时间变化的循环应力的作用，筒体所受 叠加弯矩图如图 所示。

           

（ 4 ）失效模式分析 综合母材金属和物料成分分析结果以及宏观断口、扫描电镜及光学金相的观察结 果，可以确认该回转窑筒体脆性开裂是由腐蚀造成的。 该厂所用的复合肥渣中，含有复合肥生产过程中磷矿粉硝酸分解和中间反应物氮化 时带入的大量 、 离子，磷矿粉也带入了少量的 、 、 等离子。当 矿渣制成料浆后，矿渣中的离子溶解到水中，使料浆具有一定的腐蚀性。料浆进入窑内 后，通过耐火砖之间的缝隙、耐火砖与挂链板之间的缝隙、耐火砖或耐火水泥本身的孔 隙等逐渐渗入，使料浆与筒体内壁接触。低碳钢筒体材质对含有 、 、 、 、 等离子的料浆具有腐蚀敏感性，故产生腐蚀开裂。低碳钢筒体母材金属，在 含有大量 、 和少量 、 、 等离子的介质中，主要发生沿晶腐蚀开 裂。由于珠光体和铁素体晶粒边界腐蚀时不产生变形，筒体裂纹断口为沿晶开裂的脆性 断口，并形成大量的“二次裂纹”和空洞。

 除料浆使筒体发生腐蚀外，燃料中产生和释放出

的水蒸气、二氧化碳 、 硫化氢等气体，也  可以扩散进入耐火材料中，与料浆中的其他离子 一起构成对筒体的腐蚀。再者，回转窑  中的碱循环，使料浆中腐蚀性离子浓度不断增加 ，促进筒体的腐蚀开裂。根据回转窑构  造和筒体受力特点，筒体首先从内壁产生下列不 同形式的腐蚀开裂。

①

缝隙腐蚀 一方面，含有腐蚀性离子的料浆能通 过耐火砖之间或耐火砖与挂链板  之间的缝隙，或耐火材料中的孔隙扩散渗入，与 筒体内壁钢板接触。另一方面，当耐火  砖与筒体之间的缝隙足够小时，与钢板接触的含 有腐蚀性离子的料浆维持相对静止状  态，该处的筒体内壁便具备了产生缝隙腐蚀的条 件。

 在筒体内壁满足缝隙腐蚀条件处，筒体内壁发生

缝隙腐蚀。通过氧化还原反应，铁  素体晶界和珠光体组织被腐蚀。当铁素体晶界被 腐蚀贯通后，铁素体相脱落。在铁素体  脱落和珠光体溶解处形成了腐蚀坑。筒体内壁不 同部位的介质浓度、温度等不同，使筒  体内壁形成深浅不一的腐蚀坑和微裂纹。缝隙腐 蚀发生时，不需特定的应力条件，所  以，回转窑停窑和运转期间均可发生缝隙腐蚀。

②

应力腐蚀 回转窑静止时（如停窑检修期间）， 筒体中静拉伸力较大的部位，在  腐蚀介质和应力作用下，便发生应力腐蚀开裂。  停窑期间，筒体内壁总有一部分受拉应力。在运 行期间渗入到该处的介质和应力作  用下，该处筒体便发生应力腐蚀开裂。缝隙腐蚀 产生的腐蚀坑和微裂纹，或筒体中已有  的较大尺寸的裂纹，在停窑期间，其尖端的应力 强度因子大于临界应力强度因子  时，均可继续发生应力腐蚀开裂。

       

③ 腐蚀疲劳 回转窑运转时，对筒体内壁某一点来说，受到一个循环 应力的作用。 在腐蚀介质和循环应力的作用下，筒体便发生腐蚀裂纹开裂。 回转窑运转时，筒体母材金属发生腐蚀疲劳开裂。腐蚀疲劳开裂不存 在一个临界应 力强度因子。筒体内壁上的腐蚀坑或裂纹，均可在回转窑运行时发生 腐蚀疲劳扩展。金 属的腐蚀疲劳极限和腐蚀疲劳寿命受循环应力水平和应力幅、温度、 介质浓度、钢板厚 度等影响。 号桥墩之间和 号桥墩两侧的筒体中应力水平高，其腐蚀 疲劳寿命就 短。回转窑运转时，焊接残余应力和筒体中的应力叠加，在焊缝附近 形成一个循环应力 峰值和应力幅变化更大的区域，使位于高应力区的筒体焊缝附近发生 腐蚀疲劳开裂。

 总之，从筒体外部看到的裂纹，是缝隙腐

蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳在不同阶段相互  作用的结果。回转窑一年中约有 280 天处 于运转状态，运转时筒体中还形成较大的 温度  应力，所以，筒体上的裂纹在形成过程中 ，腐蚀疲劳的作用更大。

（ 5

）模拟验证  采用疲劳试验机，并利用该水泥分厂所用的料浆 为腐蚀介质，进行 Q345 钢的腐蚀  疲劳试验。对比空气和料浆中的试验结果， Q345 钢在料浆中的疲劳循环次数明显降低。  料浆温度的升高， 硝酸铵浓度的增大，试验频率 的降低，都使 Q345 钢的腐蚀疲劳寿  命降低。在料浆中，焊接接头易在焊趾处发生低 频低周腐蚀疲劳。说明该厂所用的料浆  的确对低碳钢具有腐蚀性，腐蚀疲劳使钢的寿命 明显降低。

 ② 筒体的制造和安装

筒体制造和安装时， 主要经过切割、卷圆、焊接和装配等程  序，焊接是其中的关键环节。由于筒体板 厚大，焊后接头处的残余应力也就大，使 筒体  附近产生大量裂纹。焊接时，焊接接头附 近产生残余应力是难以避免的。为了降低 焊接

 残余应力，宜选用低匹配、高韧性的焊接

材料，以降低焊缝周围的残余应力峰值。 通过  合理的接头设计，选用合适的焊接方法、 焊接工艺参数和焊接顺序。为了进一步降 低焊  接残余应力的影响，也可对焊接接头进行 焊后局部消除应力处理。

 窑内的物料成分和气氛

窑内的料浆和窑内的气氛 均可对筒体产生腐蚀。为了降  低料浆对筒体腐蚀开裂的影响，必须尽可能降低 复合肥中腐蚀性离子的浓度，即从复合  肥生产线中控制进入复合肥中的离子浓度。也可 通过在料浆中添加其他原料，在保证料  浆成分的前提下，降低料浆中腐蚀性离子的浓度。 为了降低窑内气氛的危害，应选用含  硫较低的煤。

 加防护涂层或使用复合钢板

为了隔离腐蚀 介质对筒体内壁造成的腐蚀，可在筒  体内壁增加防护涂层。这种涂层还必须耐 高温，所添加的涂层适合于大面积施工， 并与  筒体结合牢靠。用内侧为不锈钢的复合钢 板制造筒体，可以明显提高筒体的寿命， 但材  料的成本较大。

 定期调整回转窑的中心线

回转窑的中心线 偏移，会在筒体上产生很大的附加弯  矩。因此，为了避免中心线偏移造成的附 加应力，应定期测试回转窑的中心线，对 于中  心线弯曲处应尽早调整。