摘要 在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)等許多工業(yè)領(lǐng)域其零部件受交變載荷的作用，在服役 期內(nèi)構(gòu)件常常發(fā)生疲勞破壞。而結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的地方往往是比較薄弱的焊接 接頭。本文介紹了改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的超聲沖擊方法，并比較了q 2 3 5 和 q 3 4 5 焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的疲勞強(qiáng)度。 對(duì)于q 2 3 5 ，在l x l o7 循環(huán)周次下由焊態(tài)的2 1 1 m p a 提高到超聲沖擊態(tài)的 3 3 0 m p a ，提高了5 6 ，在l x l 0 9 循環(huán)周次下由焊態(tài)的8 2 m p a 提高到了2 2 4 m p a ， 提高了1 7 3 ；對(duì)于q 3 4 5 ，在l x l 07 循環(huán)周次下由焊態(tài)的2 2 5 m p a 提高到超聲沖擊 態(tài)的3 8 3 m p a ，提高了7 0 0 0 ，在l x l 0 9 循環(huán)周次下由焊態(tài)的8 9 m p a 提高到了 2 2 6 m p a ，提高了1 5 4 。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議對(duì)于普通焊態(tài)接頭，以l x l 0 7 作為 設(shè)計(jì)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，循環(huán)周次低于l x l 07 時(shí)s - n 曲線斜率采用m = 3 進(jìn)行設(shè)計(jì)，循 環(huán)周次高于l x l 07 時(shí)s - n 曲線斜率采用m = 5 進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于超聲沖擊強(qiáng)化接頭， 在整個(gè)疲勞壽命區(qū)間都采用m = 1 0 的斜率進(jìn)行壽命設(shè)計(jì)。 分析了超聲沖擊改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)超聲沖擊主要通過(guò)在焊 趾區(qū)形成的表層壓應(yīng)力、表層形變硬化和塑性變形、增加了接頭處過(guò)渡半徑等幾 個(gè)方面影響焊接接頭疲勞行為的。 對(duì)q 2 3 5 和q 3 4 5 鋼焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的疲勞試樣斷口進(jìn)行了觀察分析發(fā) 現(xiàn)：表面型疲勞裂紋源是主要的疲勞裂紋萌生方式；超聲沖擊處理態(tài)的一些試樣 中的裂紋起源于超聲沖擊的振動(dòng)擠壓作用造成的表層或次表層微裂紋，有著與焊 態(tài)不同的斷裂模式。 最后初步探討了q 3 4 5 在焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的雙周疲勞強(qiáng)度，無(wú)論雙周載 荷按外包絡(luò)線表征還是只按低周載荷部分計(jì)算而忽略高周成分，只要最大應(yīng)力值 小于材料的屈服強(qiáng)度，沖擊處理試件的疲勞強(qiáng)度總是高于焊態(tài)試件的疲勞強(qiáng)度， 疲勞強(qiáng)度高出的程度隨著載荷應(yīng)力水平的增加而減小。 關(guān)鍵詞：超聲沖擊殘余應(yīng)力屈服強(qiáng)度雙周疲勞 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lf i e l do fs h i pa n dm a r i n ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，m a n yo fi t sp a r t s a n dc o m p o n e n t sa r ea f f e c t e db ya l t e r n a t i n g1 0 a d t h ef a t i g u ef a i l u r eo f t e no c c u r si n s e r v i c ee n l i s t m e n t h o w e v e r , f a t i g u ef a i l u r eo r e no c c u r si nu n s u b s t a n t i a lw e l d e d j o i n t s mp a p e ri n t r o d u c e sa nu l t r a s o n i cp e e n i n gm e t h o dt oi m p r o v et h ef a t i g u e s t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t s ，a n dc o m p a r et h ef a t i g u es t r e n g t ho fq 2 3 5a n dq 3 4 5i n t r e a t e da n da s - w e l d e d f o rq 2 3 5 ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c hh a sb e e ne n h a n c e df r o m2 11 m p at o 3 3 0 m p ai nl x l o 7 c y c l et i m e s i ti n c r e a s e s5 6 1 1 1 ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c hh a s b e e ne n h a n c e df r o m8 2 m p at o2 2 4 m p ai nl x l o c y c l et i m e s i ti n c r e a s e s1 7 3 f o r q 3 4 5 ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c hh a sb e e ne n h a n c e df r o m2 2 5 m p at o3 8 3 m p ai n lxlo 7c y c l et i m e s ，i ti n c r e a s e s7 0 t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c h h a sb e e ne n h a n c e d f r o m8 9 m p at o2 2 6 m p ai nlx l0 c y c l et i m e s i ti n c r e a s e s15 4 b a s e do nt h et e s t r e s u l t s ，t h ep a p e rs u g g e s t su s i n gl x lo 7 c y c l et i m e s a sa t u r n i n gp o 缸i nt h ed e s i g nf o r a s w e l d e dj o i n t s w h e nt h ec y c l et i m e si sl e s st h a nl x l 07 ，y o u db e t t e ru s em = 3t o d e s i g ns ns l o p eo fc u r v e 。w h e nt h ec y c l et i m e si sm o r et h a nlx lo7 ，y o u db e t t e ru s e m = 5t od e s i g ns - ns l o p eo fc u r v e f o rt h eu l t r a s o n i cp e e n i n gs t r e n g t hw e l d e dj o i n t s ， y o u db e t t e ru s em = l ot od e s i g ns ns l o p eo fc u r v ei nt h ew h o l er a n g eo ff a t i g u el i f e t l l i sp a p e ra n a l y s i st h em e c h a n i s mo fi m p r o v i n gt h ef a t i g u es t r e n g t ho fw e l d e d j o i n t si na nu l t r a s o n i cp e e n i n gm e t h o d t h e r ew e r es e v e r a la s p e c t sw h i c hh a da n i m p o r t a n ti m p a c to nf a t i g u eb e h a v i o r ，s u c ha ss u r f a c ec o m p r e s s i v es t r e s sw h i c hi s f o r m e di nt o ez o n e ，s u r f a c ed e f o r m a t i o nh a r d e n i n ga n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n , i n c r e a s i n g t r a n s i t i o nr a d i u so f j o i n t f o rq 2 3 5a n dq 3 4 5s t e e li na s w e l d e da n du l t r a s o n i cp e e n i n gs t a t e , t h e o b s e r v a t i o no ff a t i g u ef r a c t u r et e l l st h a ts u r f a c ef a t i g u ec r a c ks o u r c ei st h em a i nm o d e o ff a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o n s o m es p e c i m e n sw h oa r ei nu l t r a s o n i cp e e n i n gs t a t e , c r a c k o r i g i n a t ef r o ms u r f a c eo rs u b - s u r f a c em i c r o c r a c k sc a u s e db yc o m p r e s s i o no ft h e u l t r a s o n i cv i b r a t i o n t h ef r a c t u r em o d ei sd i f f e r e n tf r o mw h i c ho fa s - w e l d e ds t a t e f i n a l l y , t h ep a p e rp r e l i m i n a r i l ys t u d i e st h ec o m b i n e df a t i g u es t r e n g t ho fq 3 4 5i n a s w e l d e da n du l t r a s o n i cp e e n i n gs t a t e w h e t h e rc o m b i n e d1 0 a di sc h a r a c t e r i z e db y o u t s o u r c i n g c u r v e so ro n l yb yl o w c y c l el o a dw h e ni g n o r i n gt h eh i g h - c y c l e c o m p o n e n t s ，a sl o n ga st h em a x i m u ms t r e s sv a l u ei sl e s s t h a nt h em a t e r i a ly i e l d s t r e n g t h , t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft r e a t e ds p e c i m e ni sa l w a y sh i g h e rt h a nt h a to f 船一w e l d e ds p e c i m e n , t h ed e g r e em a yi n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fl o a d i n gs t r e s s l e v e l k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cp e e n i n g r e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s s ：y i e l ds t r e n g t h ； c o m b i n e df a t i g u e 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得丞湟太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：襄義承簽字r 期：磯。甲年6 月z 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解丞洼太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞洼太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名： 襄孓談 簽字同期：。7 年月2 日 導(dǎo)師簽名： 孑碣 一期；1 年月鈔日 第一章緒論 1 1 選題背景及意義 第一章緒論 目前焊接已經(jīng)成為工程結(jié)構(gòu)上的最主要連接方法，焊接結(jié)構(gòu)重量占鋼鐵總產(chǎn) 量5 0 以上。然而，焊接結(jié)構(gòu)的斷裂事故卻頻繁發(fā)生，其中8 0 - - - 9 0 為疲勞失 劃啦】。這些疲勞失效頻繁地發(fā)生在鐵路公路橋梁、發(fā)電站管道和海洋工程結(jié)構(gòu)、 高速客車車體和轉(zhuǎn)向架以及水輪機(jī)葉片的焊接部位，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò) 分析發(fā)現(xiàn)：上述焊接部位疲勞斷裂是在經(jīng)過(guò)1 0 。7 周次循環(huán)載荷作用之后發(fā)生的【3 】o 然而，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為在此壽命區(qū)間內(nèi)疲勞斷裂是不會(huì)發(fā)生的，因?yàn)樗堰M(jìn)入無(wú)限 壽命區(qū)間。鑒于常規(guī)疲勞理論和事實(shí)之間的矛盾出現(xiàn)，研究在長(zhǎng)壽命區(qū)間焊接接 頭的疲勞斷裂行為就極具理論和應(yīng)用價(jià)值。 傳統(tǒng)的疲勞理論認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力循環(huán)周次達(dá)到5 1 0 6 次之后s - n 曲線將出現(xiàn)水 平段，該水平段對(duì)應(yīng)的數(shù)值即為材料的疲勞極限。限于試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展水平，上 述理論一直被作為結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)中最重要的參考。2 0 世紀(jì)8 0 年代開(kāi)始，日本的 研究者率先發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼在超高循環(huán)周次下【4 j ( 1 0 8 次應(yīng)力循環(huán)) 疲勞極限消失的 現(xiàn)象。但是使用常規(guī)疲勞試驗(yàn)機(jī)來(lái)完成超長(zhǎng)壽命試驗(yàn)幾乎是不現(xiàn)實(shí)的，一臺(tái)3 0 h z 的疲勞試驗(yàn)機(jī)完成1 0 9 次應(yīng)力循環(huán)需要一年時(shí)間。必須采用更高的頻率加載。近 年來(lái)，得益于國(guó)內(nèi)外的超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)迅速發(fā)展，進(jìn)行普通材料或焊接接頭超 長(zhǎng)壽命疲勞試驗(yàn)成為可能。一臺(tái)加載頻率為2 0 k h z 的超聲疲勞試驗(yàn)設(shè)備完成1 0 9 次應(yīng)力循環(huán)只需要1 4 個(gè)小時(shí)。此后日、法等國(guó)研究人員相繼進(jìn)行了一系列材料 的超長(zhǎng)壽命疲勞試驗(yàn)1 5 】，試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了1 0 億次循環(huán)區(qū)不存在疲勞極限，因 此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論在超高周次循環(huán)下不再適用。 然而在橋梁、海洋工程等典型的焊接結(jié)構(gòu)中，焊接接頭所承受的雙周疲勞載 荷的高頻循環(huán)載荷其循環(huán)次數(shù)通常在1 0 8 1 0 1 0 之間，甚至有的達(dá)到了1 0 ，因 此探索焊接結(jié)構(gòu)在高頻下的疲勞強(qiáng)度是眼下研究的熱點(diǎn)。由于超聲沖擊技術(shù)對(duì)于 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度、延長(zhǎng)其疲勞壽命有較明顯的效果，因此本文針對(duì)橋梁焊 接結(jié)構(gòu)常用的q 2 3 5 和q 3 4 5 鋼，使用超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究其焊接接頭在焊態(tài) 和超聲沖擊處理態(tài)超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為，探索傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范在 超長(zhǎng)壽命條件下使用的安全性和可靠性問(wèn)題，以及使用超聲沖擊改善焊接接頭疲 勞性能的可行性。 第一章緒論 1 2 超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù) 自人們開(kāi)展焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究工作以來(lái)，焊接疲勞積累的大量的試驗(yàn) 數(shù)據(jù)和理論模型，然而這些工作大都集中在低周疲勞與高周疲勞階段。而低周疲 勞的循環(huán)次數(shù)低于1 0 5 ，高周疲勞的循環(huán)次數(shù)介于1 0 5 1 0 7 之間。對(duì)于循環(huán)周次 超過(guò)1 0 8 以上的疲勞行為，幾乎沒(méi)有研究。造成這種局面的主要有三個(gè)原因： 1 ) 焊接疲勞試驗(yàn)需要較長(zhǎng)的時(shí)間和較高的費(fèi)用。由于循環(huán)載荷特征、外部 環(huán)境、溫度、焊接缺陷等因素導(dǎo)致了焊接疲勞數(shù)據(jù)的分散性( 尤其在高周疲勞階 段1 ，需要大量的試件來(lái)獲得疲勞壽命和了解疲勞機(jī)理： 2 ) 對(duì)于大量應(yīng)用的鐵系合金，在2 1 0 6 周次內(nèi)，隨著循環(huán)周次n 的增大， 其s n 曲線變得越來(lái)越平緩，似乎存在一個(gè)水平漸進(jìn)線，即傳統(tǒng)意義上的疲勞極 限。低于該極限，焊接結(jié)構(gòu)似乎不會(huì)發(fā)生疲勞失效； 3 ) 實(shí)際應(yīng)用中許多焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)疲勞壽命很少超過(guò)1 0 7 1 0 8 周次，以 2 1 0 6 周次以內(nèi)的疲勞數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)就夠用了。 超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)是指以超聲頻( 1 5 k 一2 2 k h z ) 的外加信號(hào)來(lái)激勵(lì)試件諧振， 在試件中產(chǎn)生諧振波，沿著試件長(zhǎng)度方向建立縱向位移、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，從而實(shí) 現(xiàn)超聲頻疲勞的加載。超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)在歐美各國(guó)得到迅速發(fā)展，研究領(lǐng)域也 逐漸拓寬，并且引起了尖端科技特別是航空航天界的高度重視。 超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)具有節(jié)省時(shí)間、快速獲取材料超高周疲勞性能的顯著優(yōu) 點(diǎn)，可以在一定的時(shí)間里完成較多的試驗(yàn)，很適合用來(lái)模擬雙周疲勞載荷中的高 頻【6 】o 1 3 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素 要想研究焊接接頭的疲勞性能，就必須對(duì)影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的諸多因素 有所了解。制造普通焊接結(jié)構(gòu)的時(shí)候，一般采用熔化焊接的方法，多數(shù)情況下需 要一定的填充金屬，故而在接頭部位留有余高，凹坑及各種焊接缺陷而造成嚴(yán)重 的應(yīng)力集中，同時(shí)還產(chǎn)生一定數(shù)值的焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭在應(yīng)力集中，焊趾 熔渣缺陷及焊接殘余拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重降低。下面就影響 焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的這幾個(gè)主要的因素進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 1 3 1 接頭形式 在焊接結(jié)構(gòu)常用的接頭形式中，對(duì)接接頭因其傳力線受到的干擾較小，故而 應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強(qiáng)度也優(yōu)于其他接頭形式。盡管未經(jīng)處理的對(duì)接接頭 2 第章緒論 疲勞強(qiáng)度與母材相比仍然差很多，但依然是是設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮采用的接頭形式。 對(duì)于具有余高的對(duì)接接頭，應(yīng)力集中發(fā)生在焊趾處。疲勞裂紋一般在接頭焊趾部 位的焊縫或熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，然后根據(jù)接頭的形狀特征，裂紋可向基體金屬擴(kuò)展， 也可以向焊縫金屬擴(kuò)展。 十字接頭或者t 形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中也有廣泛的應(yīng)用。這種接頭形式由于在 焊縫向基本金屬過(guò)渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng) 力集中系數(shù)高一些，因此十字或t 形接頭的疲勞強(qiáng)度低于對(duì)接接頭。對(duì)于焊縫承 受工作應(yīng)力的十字接頭，分開(kāi)坡口焊透與不開(kāi)坡口兩種情況。不開(kāi)坡口未焊透的 十字接頭，斷裂一般發(fā)生在焊趾處，更有可能發(fā)生在焊根部位。開(kāi)坡口焊透的十 字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處【_ ”。 1 3 2 焊趾區(qū)幾何形狀 相同類型的焊接接頭，其疲勞強(qiáng)度仍在很大范圍內(nèi)變化。這是因?yàn)橛幸涣械?因素影響著疲勞強(qiáng)度。由于應(yīng)力集中系數(shù)的不同，焊接接頭的焊趾幾何形狀對(duì)疲 勞強(qiáng)度的影響最大，并且母材強(qiáng)度級(jí)別越高，這種影響就越明顯。影響焊接接頭 焊趾區(qū)應(yīng)力集中程度的幾何形狀參數(shù)主要有以下兩個(gè)方面 1 ) 焊趾過(guò)渡半徑的影響 研究表明，焊趾區(qū)過(guò)渡半徑對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度具有重要的影響。隨著過(guò) 渡半徑的增加( 過(guò)渡角0 保持不變) ，其疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)的增加。 2 ) 過(guò)渡角的影響 過(guò)渡角的增加，其疲勞強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)的增加。 1 3 3 母材靜強(qiáng)度對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影g 向1 7 1 對(duì)于原始焊接接頭來(lái)說(shuō)，鋼材的接頭疲勞強(qiáng)度與母材本身的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有關(guān) 系。這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式。 這是由于在焊趾部位距離表面0 5 m m 左右處一般存有熔渣等缺陷，該缺陷 較尖銳，相當(dāng)于疲勞裂紋提前萌生，因而接頭在一定應(yīng)力幅下的疲勞壽命，主要 由疲勞裂紋擴(kuò)展階段決定。也就是說(shuō)，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度與母材的靜強(qiáng)度關(guān)系 不大，而主要是由接頭的幾何外形造成的應(yīng)力集中程度所決定。 1 3 4 焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響 當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)中焊縫附近存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)大大降低接頭的疲勞強(qiáng)度：存 在殘余壓縮應(yīng)力的時(shí)候，會(huì)使得焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和壽命增加。 第一章緒論 1 4 疲勞破壞形式及斷裂的微觀機(jī)理【8 】 材料的疲勞破壞可以以多種形式表現(xiàn)，最常見(jiàn)的有以下幾種。疲勞破壞如按 受力方式不同，可分為彎曲疲勞、拉壓疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞和復(fù)合載荷疲勞。如按載 荷與時(shí)間的關(guān)系確定與否，疲勞破壞可分為定常疲勞( 載荷與時(shí)間有確定的函數(shù) 關(guān)系) 和隨機(jī)疲勞( 隨機(jī)載荷作用下的疲勞) 。但是按疲勞破壞前材料所經(jīng)歷的 循環(huán)周次來(lái)劃分疲勞破壞的形式是目前研究工作的主要方向，按此方式疲勞破壞 可分為p 一1 1 】： 1 ) 低周疲勞：疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)低于1 0 4 - 1 0 5 ，又稱低循環(huán)疲勞。其特 點(diǎn)是作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)，應(yīng)力和應(yīng)變成非線性關(guān)系。 表征材料低周疲勞性能的有應(yīng)變一壽命( e - n ) 曲線和循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線，疲 勞試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)應(yīng)變幅來(lái)控制，故低周疲勞又稱應(yīng)變疲勞： 2 ) 高周疲勞：疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)高于1 0 5 以上，又稱高循環(huán)疲勞。其特 點(diǎn)是作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，材料處于宏觀彈性變形狀態(tài)， 應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系，表征材料高周疲勞性能的是應(yīng)力一壽命曲線( s n 曲 線) 。高周疲勞試驗(yàn)通過(guò)應(yīng)力幅來(lái)控制，故高周疲勞又稱應(yīng)力疲勞。因?yàn)楦咧芷?勞是各種機(jī)械中最常見(jiàn)的疲勞破壞形式，故又簡(jiǎn)稱疲勞； 3 ) 超高周疲勞：傳統(tǒng)意義上的疲勞研究，受試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)備以及載荷 頻率的限制，高周疲勞研究范圍常限制在1 0 7 以內(nèi)。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展， 各種動(dòng)力機(jī)械的構(gòu)件在服役期實(shí)際承受的疲勞循環(huán)次數(shù)已遠(yuǎn)高于1 0 7 周。因此有 關(guān)材料在l o7 周次以上超長(zhǎng)壽命的疲勞行為研究開(kāi)始引起人們的重視，為此將循 環(huán)破壞在1 0 5 1 0 7 周次范圍內(nèi)的疲勞稱為高周疲勞，而將循環(huán)破壞次數(shù)在1 0 7 周 次以上的疲勞稱為超高周疲勞。在超高周疲勞范圍內(nèi)，循環(huán)應(yīng)力幅遠(yuǎn)低于材料的 屈服強(qiáng)度。傳統(tǒng)疲勞研究認(rèn)為材料在1 07 周次附近存在一個(gè)疲勞極限，構(gòu)件載荷 應(yīng)力幅低于該疲勞極限的時(shí)候，材料有無(wú)限壽命。近三十年來(lái)，隨著對(duì)材料超高 周疲勞性能研究的發(fā)展，已有許多研究成果顯示，材料在1 07 周次以上超高周疲 勞階段仍然發(fā)生疲勞斷裂。由于材料在1 07 循環(huán)周次以上的超高周疲勞行為涉及 超長(zhǎng)壽命條件下服役構(gòu)件的安全性，因此材料超高周疲勞性能的研究工作開(kāi)始受 到工程界的廣泛重視，特別是在歐美等工程技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)。 許多研究表明在常規(guī)高周疲勞( h c f ) 范圍內(nèi)( 1 0 6 1 07 循環(huán)周次) 疲勞裂 紋在試樣表面萌生，而在超高周疲勞( u h c f ) 范圍內(nèi)，疲勞裂紋在試樣內(nèi)部缺 陷處萌生，即材料存在疲勞裂紋表面萌生和內(nèi)部萌生兩種機(jī)l j t t ：z , 1 3 l 。有關(guān)疲勞裂 紋內(nèi)部萌生機(jī)制對(duì)應(yīng)的疲勞壽命( s n ) 曲線的形態(tài)存在爭(zhēng)議，m u r a k a m i 1 4 】和 n i s h i j i m a 、k a n a z a w a | 1 5 等人認(rèn)為材料在l o7 循環(huán)周次附近有一個(gè)表面疲勞萌生極 4 第一章緒論 限，稱為表面疲勞極限，應(yīng)力幅低于表面疲勞極限，表面萌生機(jī)制對(duì)疲勞破壞不 再起作用，疲勞破壞將以疲勞裂紋內(nèi)部萌生方式產(chǎn)生，并認(rèn)為疲勞裂紋內(nèi)部萌生 機(jī)制對(duì)應(yīng)的s n 曲線在一定低的應(yīng)力幅時(shí)會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)疲勞極限，即內(nèi)部疲勞極 限。但m u r a k a m i 又對(duì)此作了一些變動(dòng)，認(rèn)為疲勞裂紋內(nèi)部萌生機(jī)制對(duì)應(yīng)的s - n 曲線沒(méi)有疲勞極限，將隨應(yīng)力幅的下降連續(xù)下降。b a t h i a s m 】的工作也提出了同樣 的觀點(diǎn)，認(rèn)為超高周疲勞裂紋在內(nèi)部萌生，其s n 曲線沒(méi)有疲勞極限和無(wú)限壽命。 疲勞斷裂往往發(fā)生在承受交變或波動(dòng)應(yīng)變的構(gòu)件中。一般來(lái)說(shuō)對(duì)應(yīng)于該應(yīng)變 的最大應(yīng)力要低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于材料的屈服點(diǎn)，因此斷裂往往是無(wú) 明顯塑性變形的低應(yīng)力斷裂。疲勞斷裂一般由三個(gè)階段所組成：即疲勞裂紋的形 成；裂紋擴(kuò)展；殘余截面不能再承受施加載荷時(shí)構(gòu)件發(fā)生斷裂?？梢哉f(shuō)，這三個(gè) 階段之間沒(méi)有嚴(yán)格界限，例如疲勞裂紋“產(chǎn)生”階段的定義就帶有一定的不確定 性，這主要是因?yàn)椴煌芯款I(lǐng)域采用不同的裂紋檢測(cè)技術(shù)引起的。從研究疲勞機(jī) 制出發(fā)，有人采用電子顯微鏡，把裂紋長(zhǎng)到1 0 4 m ( 1 0 0l am ) 之前定義為裂紋產(chǎn) 生階段，但從工程實(shí)用角度出發(fā)，則又可以把以低倍顯微鏡( x1 0 ) 看到之前的 裂紋定義為裂紋產(chǎn)生階段。同樣“殘余截面不能再承受施加載荷 一般也根據(jù)結(jié) 構(gòu)的類型而定。因此在實(shí)際工程中預(yù)測(cè)材料疲勞壽命是很復(fù)雜的。在研究疲勞問(wèn) 題中，傳統(tǒng)的方法是以造成疲勞裂紋產(chǎn)生和形成失效的裂紋擴(kuò)展所需的整體應(yīng)力 循環(huán)次數(shù)來(lái)表達(dá)的，過(guò)去經(jīng)常認(rèn)為疲勞壽命主要決定于裂紋產(chǎn)生，而造成失效的 疲勞裂紋擴(kuò)展只占疲勞壽命的很少部分。但是隨著裂紋檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)裂 紋的增大和擴(kuò)展是決定疲勞壽命的主要因素。如果仔細(xì)地分析疲勞斷口，可以看 到在疲勞核心周圍，存在著以疲勞核心為交點(diǎn)的非常光滑、非常細(xì)潔、貝紋線不 明顯的狹小區(qū)域。這是由于疲勞裂紋在該區(qū)擴(kuò)展速度很慢以及裂紋反復(fù)張開(kāi)和閉 合而使斷面磨光的緣故。這個(gè)區(qū)域從本質(zhì)上看已屬于疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。對(duì)于材料 的疲勞破壞來(lái)說(shuō)，可以把典型的疲勞失效斷裂表面分成三個(gè)區(qū)域：疲勞核心區(qū)、 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破壞區(qū)。它們分別表征著疲勞壽命中的三個(gè)過(guò)程【1 。7 1 9 】。 第一階段：對(duì)應(yīng)于裂紋產(chǎn)生，第一區(qū)域不大，最多為2 5 個(gè)晶粒范圍。在 每個(gè)晶粒中，其斷裂表面是沿著一定晶面進(jìn)行的( 注意不要與解理面相混淆) ， 即當(dāng)疲勞裂紋的核心一旦在試樣表面滑移帶或缺陷處晶界上形成后，立即沿滑移 帶的主滑移面向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，此滑移面的走向大致與正應(yīng)力呈4 5 度交角。當(dāng) 裂紋遇到晶界時(shí)，其位向稍有偏離，但就裂紋的宏觀平面的總體來(lái)說(shuō)，仍保持與 應(yīng)力方向的滑移面擴(kuò)展，在某些情況下，第一階段的表面很難辨認(rèn)。 第二階段：裂紋依第一階段方式擴(kuò)展一定距離后將改變方向，沿與正應(yīng)力相 垂直的方向擴(kuò)展，此時(shí)正應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展將產(chǎn)生重大影響。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是 疲勞失效斷口上最重要的特征區(qū)域。 5 第一章緒論 第三階段：為最后斷裂階段，它是由超載造成的，斷口可能是脆性的，也可 以是延性的，也可以二者兼而有之。 1 5 本文研究?jī)?nèi)容 第一章為緒論，主要介紹了超生沖擊提高焊接接頭疲勞壽命的研究背景和意 義，影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素，并按照循環(huán)周次依次介紹了低周、高周、超 高周疲勞，和疲勞斷裂的微觀機(jī)理。 第二章主要介紹了試件制備，疲勞性能測(cè)試方法，并對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理，并根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)現(xiàn)行的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了修正。 第三章詳細(xì)分析了超聲沖擊改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的機(jī)理。從表面殘余應(yīng) 力、沖擊處理區(qū)表層形變硬化和塑性變形、焊趾區(qū)幾何形狀等幾個(gè)方面進(jìn)行了探 討。 第四章介紹了結(jié)構(gòu)材料的疲勞失效特征和疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展，并通過(guò)斷 口形貌觀察，分析了夾雜物和微小裂紋等影響疲勞壽命的因素，并對(duì)比了焊態(tài)和 超聲沖擊態(tài)下的斷裂模式。 第五章簡(jiǎn)單介紹了q 3 4 5 在焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的雙周疲勞強(qiáng)度，將所獲得 的各組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到不同最大應(yīng)力值下的焊態(tài)和超聲沖擊處理試 件所分別對(duì)應(yīng)的雙周疲勞應(yīng)力循環(huán)周次之間的關(guān)系曲線( 5 0 存活率下的洲曲 線) 。 第六章總結(jié)全文，得出結(jié)論。 6 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 2 1 超聲沖擊法的應(yīng)用背景 一般較重要的焊接構(gòu)件都采用高強(qiáng)度鋼制造，隨著鋼材抗拉強(qiáng)度的提高，其 疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)增大。研究表明，對(duì)于焊后不做加工處理的高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)焊縫而 言，由于在焊趾處應(yīng)力集中等因素的作用下，其疲勞強(qiáng)度并不隨抗拉強(qiáng)度的提高 而增大，故無(wú)法體現(xiàn)出使用高強(qiáng)度鋼的優(yōu)越性。因此，盡管超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼等高 強(qiáng)度鋼材本身的強(qiáng)度和使用壽命大幅度提高，但在具體的鋼結(jié)構(gòu)上焊接接頭的質(zhì) 量和性能才是制約結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命的主要因素。只有對(duì)焊縫進(jìn)行加工處理，才能 根本改善其性能，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。 研究和實(shí)踐表明，疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式，尤其是一些承受動(dòng) 載嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，焊接接頭一般為薄弱的環(huán)節(jié)。而焊接接頭的 疲勞破壞一般起裂于它的焊趾部位。因此如果能改善焊趾處疲勞裂紋的起裂性 能，將有效地提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。相關(guān)傳統(tǒng)方法如鎢極亞弧焊熔修法、機(jī) 械打磨法、爆炸法、噴丸法、過(guò)載法、局部壓延法、局部加熱法以及錘擊法，這 些方法有的仍停留在試驗(yàn)室階段，有的勞動(dòng)強(qiáng)度大，且生產(chǎn)效率不高。傳統(tǒng)的焊 后熱處理對(duì)于超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼鋼材的現(xiàn)實(shí)意義比較大。目前應(yīng)用較多的是普通錘 擊法、t i g 熔修法和噴丸法。普通錘擊法噪聲大、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、可控性 差且效果很不穩(wěn)定。況且t i g 熔修法施工工藝復(fù)雜，操作不當(dāng)反而會(huì)造成副作 用。噴丸法是實(shí)際應(yīng)用較多的一種，但存在噪聲大、設(shè)備龐大、耗電量大等不利 于節(jié)能、不能方便地移動(dòng)作業(yè)、野外施工困難等缺點(diǎn)。由于丸粒反彈，還存在安 全防護(hù)問(wèn)題，且丸粒需要回收清型2 0 】。 筆者采用超聲沖擊的方法提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。該方法在國(guó)外已經(jīng) 廣泛采用，在國(guó)內(nèi)還是剛剛起步，其提高疲勞強(qiáng)度的機(jī)理與錘擊和噴丸基本一致。 都是通過(guò)改變焊縫表面的基本外形和調(diào)整焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)來(lái)改善疲勞性能的。由 于其執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧、可控性好、使用靈活方便、噪音小、效率高、適用性強(qiáng)、成 本低而且節(jié)能環(huán)保，超聲沖擊已初步顯示出其對(duì)于改善接頭疲勞性能的獨(dú)特優(yōu) 勢(shì)。 7 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 2 2 試件的制備 試驗(yàn)分別選用碳素結(jié)構(gòu)鋼q 2 3 5 和低合金結(jié)構(gòu)鋼q 3 4 5 作為接頭材料。其力 學(xué)性能如下表2 1 所示。 表2 - 1 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能 材料屈服強(qiáng)度抗竽強(qiáng)度延伸率( ) os m p aob m p a q 2 3 5 2 6 7 44 3 5 52 6 o 兩種材料的試件分成原始母材和超聲沖擊處理對(duì)比件，均為十字焊接接頭， 共四組。對(duì)于超聲沖擊試件，將超聲沖擊槍對(duì)準(zhǔn)試件焊趾部位且基本垂直于焊縫， 沖擊頭的沖擊針陣列沿焊縫方向排列。略施加一定的壓力，使其基本在執(zhí)行機(jī)構(gòu) ( 沖擊槍) 自重的條件下，進(jìn)行沖擊處理。 + 為了獲得較好的改善疲勞強(qiáng)度的效果，以0 5 m m i n 的處理速度，來(lái)回沖擊 處理4 次。沖擊處理過(guò)程中，沖擊槍在垂直于焊縫的方向做一定角度的擺動(dòng)，以 便使焊趾部位獲得更好的光滑過(guò)渡外形。各組試件幾何外形及尺寸見(jiàn)圖2 1 。 1 0 5 ( a ) 焊態(tài)接頭 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 1 0 5 h h ( b )超聲沖擊態(tài)接頭 圖2 - 1 試件幾何形狀與尺寸( m m ) 2 3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法 在自制的超聲疲勞試驗(yàn)裝置上完成。試驗(yàn)施加載荷為軸向拉壓對(duì)稱循環(huán)載 荷，應(yīng)力比r - 1 ，加載頻率約2 0 k h z 。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，采用水冷方式控制 試件溫度升高。 根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)制定的統(tǒng)計(jì)方法 2 1 對(duì)相應(yīng)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該方 法首先假設(shè)疲勞試驗(yàn)結(jié)果符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，然后用具有斜率m 且分別對(duì)應(yīng)k 倍正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的兩條標(biāo)稱s - n 曲線形成一數(shù)據(jù)分散帶( k 為特征值) ，指定的存 活概率為9 5 ，置信度為7 5 。 標(biāo)稱值通過(guò)下述過(guò)程計(jì)算： ( 1 ) 計(jì)算所有疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)力范圍6 以及循環(huán)次數(shù)n 以1 0 為底的對(duì) 數(shù)值。 ( 2 ) 采用冪函數(shù)模型回歸計(jì)算指數(shù)m 和常數(shù)l o g c 值： m l o g 仃+ l o g n = l o g c( 2 1 ) ( 3 ) 設(shè)c i 是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)值，利用所獲得的1 1 1 值，計(jì)算l o g c 的平均值c m 和標(biāo)準(zhǔn)方差s t d v ： yc ， c 用= 鱗( 2 2 ) s t d v = 9 ( 2 3 ) 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 ( 4 ) 計(jì)算特征值c k ： g = c m k s t d v 2 4 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表2 - 2q 2 3 5 焊態(tài)疲勞試驗(yàn)結(jié)果 表2 3q 2 3 5 超聲沖擊態(tài)疲勞試驗(yàn)結(jié)果 1 0 ( 2 4 ) 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 表2 - 4q 3 4 5 焊態(tài)疲勞試驗(yàn)結(jié)果 表2 - 5q 3 4 5 超聲沖擊態(tài)疲勞試驗(yàn)結(jié)果 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 2 5 s n 曲線 將兩組材料的試件分別進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)按處理狀態(tài)的不同分為焊 態(tài)和超聲沖擊處理態(tài)分別繪出其對(duì)應(yīng)的s - n 曲線。 瑩 口 司 叵 櫻 r 落 一- r 一1 ，焊態(tài)s - n 曲線5 0 存活率 一1 # - - 1 ，超聲沖擊態(tài)s - n 曲線5 0 9 6 寺括 圖2 - 2q 2 3 5 焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)s - n 曲線 1 2 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 時(shí) a - 皇 o 司 匝 櫻 r 毯 凸一 = o q 匝 檄 文 翅 0 4 3 _ r = - i ，焊態(tài)s n 曲線5 0 存活率 i 卜l ，超聲沖擊態(tài)s 刊曲線5 0 存活 1 e 71 e 8 疲勞壽觥剛e 圖2 - 3 q 3 4 5 焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)s - n 曲線 疲勞壽命n c y c l e 圖2 _ 4 q 2 3 5 和0 3 4 5 焊態(tài)s - n 曲線 1 3 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 亂 至 o 司 回 糖 較 翅 活 活 圖2 - 50 2 3 5 和0 3 4 5 超聲沖擊態(tài)s - n 曲線 分別提取圖2 _ 2 - - 一2 5 中平均s - n 曲線在l x l 0 7 及l(fā) x l 0 9 循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng) 度，并將比較結(jié)果列于下表中。 表2 - 6q 2 3 5 鋼和q 3 4 5 鋼焊態(tài)與超聲沖擊態(tài)疲勞強(qiáng)度對(duì)比 由圖2 - 1 2 2 可以看出，q 2 3 5 和q 3 4 5 十字接頭的超聲沖擊態(tài)的疲勞強(qiáng)度 與焊態(tài)的疲勞強(qiáng)度相比大大提高了，高出的程度隨著載荷的增大而減小，二者呈 現(xiàn)相似的特征。由圖2 4 看出，經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，q 3 4 5 的疲勞強(qiáng)度都落在 了q 2 3 5 之上，至少說(shuō)明，隨著母材強(qiáng)度級(jí)別的提高，超聲沖擊處理的效果越明 1 4 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 顯。 從表2 - 6 可以看出：當(dāng)循環(huán)周次在l x l o7 條件下，q 2 3 5 十字焊接接頭焊態(tài)時(shí) 的疲勞強(qiáng)度是超聲沖擊態(tài)強(qiáng)度的6 3 9 ，q 3 4 5 十字焊接接頭焊態(tài)時(shí)的疲勞強(qiáng)度 是超聲沖擊態(tài)強(qiáng)度的5 8 7 。從圖2 - 1 2 - 4 看出，在超長(zhǎng)壽命區(qū)間焊接接頭，無(wú) 論是原始焊態(tài)還是超聲沖擊態(tài)其s n 曲線都一條連續(xù)下降的曲線，雖然超聲沖擊 態(tài)接頭強(qiáng)度相對(duì)提高，但是仍不改變其下降的趨勢(shì)。對(duì)于恒幅疲勞試驗(yàn)來(lái)說(shuō) 1 0 7 1 0 9 循環(huán)周次范圍內(nèi)不存在傳統(tǒng)疲勞概念上的水平平臺(tái)，載荷循環(huán)周次超過(guò) l o7 后依然發(fā)生疲勞斷裂。 表2 - 6 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：與l x l 0 7 循環(huán)周次對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度相比，q 2 3 5 焊態(tài)接頭 試件在1 1 0 9 循環(huán)周次條件的疲勞強(qiáng)度降幅為6 1 i ，而超聲沖擊態(tài)接頭1 1 0 9 循環(huán)周次的疲勞強(qiáng)度比1 1 07 循環(huán)周次對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度下降了的3 2 1 ；q 3 4 5 焊態(tài) 接頭l x l 0 9 強(qiáng)度相比l x l o7 循環(huán)周次疲勞強(qiáng)度降低了6 0 4 ，而經(jīng)超聲沖擊處理 的q 3 4 5 接頭其l x l 0 9 循環(huán)周次疲勞強(qiáng)度為l x l o 7 循環(huán)周次的疲勞強(qiáng)度的4 0 9 。 無(wú)論是q 2 3 5 還是q 3 4 5 ，經(jīng)過(guò)超聲沖擊過(guò)的焊接接頭在1 1 0 9 循環(huán)周次條件下的 疲勞強(qiáng)度相對(duì)于在1 1 0 7 循環(huán)周次疲勞強(qiáng)度的降幅都比焊態(tài)的小。就是說(shuō)超聲沖 擊能夠提高高周下的疲勞強(qiáng)度。由圖2 1 - 2 - 4 可見(jiàn)：接頭在高達(dá)l x l 0 8 的循環(huán)周 次下仍然會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，即使循環(huán)周次超過(guò)l x l 0 9 之后，隨著應(yīng)力水平的不斷 降低，s n 曲線仍有繼續(xù)延伸的趨勢(shì)。也就是說(shuō)：如果在更低的交變應(yīng)力水平作 用下，只要循環(huán)周次足夠長(zhǎng)，其仍然有發(fā)生疲勞斷裂的可能性。因此我們有充分 理由相信，使用l x l 0 7 循環(huán)周次下條件的疲勞極限去設(shè)計(jì)服役在超長(zhǎng)壽命區(qū)間的 焊接結(jié)構(gòu)件，即便該結(jié)構(gòu)只承受恒幅載荷的作用也是非常危險(xiǎn)的。 對(duì)焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到q 2 3 5 和q 3 4 5 接頭焊態(tài)與超 聲沖擊處理態(tài)十字接頭形式下存活率為9 5 、置信度為7 5 的標(biāo)稱s n 曲線參 數(shù)，將其列于表2 7 中。 1 5 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 表2 - 7 焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果 由上表可以看出，無(wú)論焊態(tài)還是超聲沖擊態(tài)下的m 值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 ，根據(jù)國(guó) 際焊接學(xué)會(huì)關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)曲線2 2 1 規(guī)定：焊態(tài)m = 5 、超聲沖擊態(tài)m = 1 0 。 2 6 s - n 曲線的修正 鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)曲線是在含有高值焊接殘余拉伸應(yīng)力厚 度為2 0 r a m 且含有e = 0 1 s t 錯(cuò)邊變形的足尺寸試件( 或雖使用小尺寸試件，但試 驗(yàn)是在應(yīng)力比i b 0 5 條件下進(jìn)行) 做出的，而本次超長(zhǎng)壽命疲勞試驗(yàn)條件為應(yīng) 力比r = - i ，而且構(gòu)件為基本不含錯(cuò)邊變形的薄板小尺寸試樣，因此需要對(duì)本次 試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力比、錯(cuò)邊變形以及板厚的修正。 具體修正方法如下： 對(duì)于應(yīng)力比的修正參考下列公式， f ( 尺) = - 0 4 r + 1 2 f ( r ) = l 因此本次試驗(yàn)的修正系數(shù)為1 6 。 一1 r o 5 ( 2 - 5 ) r 0 5 錯(cuò)邊變形修正也根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行：十 字焊接接頭所有疲勞壽命對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)為1 4 5 。 不同板厚對(duì)于疲勞壽命的影響，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了 相應(yīng)的修正公式，具體如下： r ，氣y f ( t ) = i 等i t 2 5 ( 2 6 ) , t e g ) 該公式對(duì)于板厚大于2 5 r a m 的焊接接頭，修正方法為用焊接接頭強(qiáng)度數(shù)值乘 以修正系數(shù)進(jìn)行折算。而對(duì)于板材厚度低于2 5 r a m 的焊接接頭出于保守或偏安全 1 6 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 的考慮不予以折減。本次試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)是在薄板條件下得到的，與2 5 r a m 左右厚 度試件相比，應(yīng)將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)除以該修正系數(shù)予以折減，而不是乘以該系數(shù)。 該公式中的厚度修正指數(shù)g 根據(jù)推薦標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于十字焊接接頭取0 3 。如果按上述 方法對(duì)利用標(biāo)準(zhǔn)厚度( 2 0 一- , 2 5 m m ) 設(shè)計(jì)強(qiáng)度對(duì)薄板疲勞強(qiáng)度進(jìn)行估算，一般可 能高估薄板真實(shí)具有的疲勞強(qiáng)度。有鑒于此，參考相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，板厚修正時(shí)十 字焊接接頭1 3 取0 2 。綜合以上因素，得到圖2 - 6 和2 7 。 8 0 0 4 0 0 2 0 0 1 0 0 0 一 一 r = - i ，燁念s n l i r 線5 0 行活率 r = - i 。趣小沖擊念s n 曲線5 0 存活率 r = 1 超壽沖矗i 念s n t t t l 線5 訂活卑 r = - 1 ，赳ir ：；沖t i 態(tài)s n 1 1 q 線, 9 5 和添率 10 71 0 8l o 1 0 0 疲勞壽命c(diǎn) y c l e 圖2 - 6q 2 3 5 超盧疲勞s - n 曲線 1 7 bd至、i】叵罐乏 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 8 0 0 4 0 0 2 0 0 厶 芝 e q 10 0 雌 罐 h 5 0 1 0 一 r 一1 燼叁s - n i l ! 線5 0 打 再率 r v - 1 。趣f ；沖，i f 叁s n 曲線5 0 釘活率 - r ：_ 1 超，申 d i 卷孓n 曲線5 彳活串 r 芻1 超出沖擊態(tài)s n 曲線9 5 行活攀 j i 板1 7 lol 0 810 9 1 0 伯 疲勞壽i 命c(diǎn) y c l e 圖2 - 70 3 4 5 超聲疲勞s n 曲線 從以上兩個(gè)圖中可知，在循環(huán)周次l x l 0 7 以上的超長(zhǎng)壽命區(qū)間，q 2 3 5 十字 接頭焊態(tài)疲勞試驗(yàn)特征s n 曲線( 修正應(yīng)力比、板厚和錯(cuò)邊) 結(jié)果幾乎完全落在 了f a t 5 6 級(jí)設(shè)計(jì)曲線以下，而q 3 4 5 十字接頭焊態(tài)修正曲線也位于f a t 7 1 級(jí)設(shè) 計(jì)曲線以下。因此，對(duì)于遵循國(guó)際焊接學(xué)會(huì)規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在超長(zhǎng)壽命區(qū)間使 用是偏于危險(xiǎn)的。而對(duì)于經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理焊趾部位后強(qiáng)化的焊縫，其特征s - n 曲線在大部分超長(zhǎng)壽命區(qū)間分別高于f a t 8 0 級(jí)和f a t l l 2 級(jí)設(shè)計(jì)曲線( l 1 0 8 次) ，再一次的驗(yàn)證了超聲沖擊對(duì)于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)焊接接頭疲勞 壽命，尤其是延長(zhǎng)接頭超長(zhǎng)循環(huán)周次疲勞壽命的顯著作用。 有鑒于上述情況對(duì)于傳統(tǒng)規(guī)范應(yīng)該進(jìn)行一些必要的修正，以適應(yīng)工作在超低 載荷超長(zhǎng)壽命條件下的結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)，對(duì)于超聲沖擊處理強(qiáng)化后的結(jié)構(gòu)也遵循該 第二章超長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞行為 修正方法。其內(nèi)容如下： 1 ) 對(duì)于焊態(tài)接頭恒振幅疲勞設(shè)計(jì)曲線，不再規(guī)定其疲勞極限，疲勞壽命超 過(guò)l x l 0 7 之后仍然繼續(xù)下降，疲勞設(shè)計(jì)曲線在l x l 07 之后轉(zhuǎn)折斜率定為m 尋5 ； 2 ) 利用修訂的恒幅疲勞設(shè)計(jì)曲線，重新分析超長(zhǎng)壽命區(qū)間相應(yīng)焊接接頭恒幅 設(shè)計(jì)s - n 曲線的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別 由圖2 5 、圖2 - 6 所示，根據(jù)該修正方法，q 2 3 5 十字接頭焊態(tài)特征s n 曲線 在l x l 0 7 之后完全位于新的f a t 5 6 級(jí)設(shè)計(jì)曲線之上，而q 3 4 5 十字接頭焊態(tài)特征 s n 曲線則位于新修訂的f a t 7 1 級(jí)曲線之上。對(duì)于超聲沖擊處理態(tài)焊接接頭恒 振幅疲勞設(shè)計(jì)曲線，規(guī)定其斜率為m - - 1 0 較為合適t 2 3 1 ，按原有疲勞設(shè)計(jì)曲線的設(shè) 計(jì)等級(jí)取m = 1 0 為新設(shè)計(jì)曲線斜率對(duì)應(yīng)值，曲線在整個(gè)疲勞壽命區(qū)間不發(fā)生轉(zhuǎn)折。 經(jīng)過(guò)修正可以看到q 2 3 5 十字接頭超聲沖擊態(tài)十字接頭特征s n 曲線完全位于新 的f a t 8 0 級(jí)曲線之上，而q 3 4 5 超聲沖擊態(tài)十字接頭特征s - n 曲線則完全位于 f a t l l 2 級(jí)曲線之上。因而根據(jù)不同的接頭處理狀態(tài)，使用不同的疲勞設(shè)計(jì)曲線 進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的鋼鐵材料焊接接頭超長(zhǎng)壽命的疲勞性能是比較可靠的。 2 7 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了超聲沖擊方法的應(yīng)用背景，按照疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到了 q 2 3 5 和q 3 4 5 在焊態(tài)和