疲勞破壞
疲勞破壞的概念
鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，其應(yīng)力雖然沒有達(dá)到抗拉強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度時(shí)，也可能發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。鋼材在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。
鋼材的疲勞破壞是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過程才出現(xiàn)的，其破壞過程可分為三個(gè)階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)展、最后迅速斷裂而破壞。鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的。應(yīng)力集中可以使個(gè)別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化，從而大大降低鋼材的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于承受連續(xù)反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮鋼材的疲勞問題。
反復(fù)作用的荷載值不隨時(shí)間變化，則在所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅將保持常量，稱為常幅疲勞。若反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化，則稱為變幅疲勞。其循環(huán)應(yīng)力譜如圖2和圖3所示。
反復(fù)荷載引起的應(yīng)力循環(huán)形式有同號(hào)應(yīng)力循環(huán)和異號(hào)應(yīng)力循環(huán)兩種類型。循環(huán)中絕對(duì)值最小的峰值應(yīng)力與絕對(duì)值的峰值之比稱為應(yīng)力循環(huán)特征值，當(dāng)為拉應(yīng)力時(shí)，或取正號(hào);當(dāng)為壓應(yīng)力時(shí)，或取負(fù)號(hào)。如圖1所示，當(dāng)時(shí)為異號(hào)應(yīng)力循環(huán)，當(dāng)時(shí)為同號(hào)應(yīng)力循環(huán)，時(shí)表示靜力荷載。應(yīng)力和最小應(yīng)力符號(hào)相反而其絕對(duì)值相等，即時(shí)(圖1a)，稱為對(duì)稱循環(huán)。當(dāng)應(yīng)力為拉應(yīng)力而最小應(yīng)力為零時(shí)，稱為脈沖循環(huán)。
對(duì)于軋制鋼材和非焊接結(jié)構(gòu)，值越小疲勞強(qiáng)度越低，反之則越高。但對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊縫附近存在著很大的焊接殘余應(yīng)力峰值，應(yīng)力循環(huán)特征值并不代表疲勞裂縫出現(xiàn)處的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)際的應(yīng)力循環(huán)是從殘余應(yīng)力開始，變動(dòng)一個(gè)應(yīng)力幅(此處為拉應(yīng)力，為最小應(yīng)力，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值)。因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能直接與應(yīng)力幅有關(guān)而與應(yīng)力循環(huán)特征值的關(guān)系不是非常密切。
試驗(yàn)結(jié)果證明,影響鋼材疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力集中、作用的應(yīng)力幅和應(yīng)力的循環(huán)次數(shù),而與鋼材的靜力強(qiáng)度無(wú)關(guān)(但與鋼材的質(zhì)量有關(guān))。
應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度影響，應(yīng)力集中以截面幾何形狀突然改變處最為明顯。但對(duì)沒有截面改變的鋼材,也存在著微觀裂紋引起的應(yīng)力集中的因素,如焊接結(jié)構(gòu)及其附近主體金屬中的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及易產(chǎn)生缺陷的焊縫趾和焊縫端部;非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽;鋼材內(nèi)部的偏析、非金屬夾雜;制造過程中剪切、沖孔、切割等; 同時(shí)還有熱軋和焊接時(shí)產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力,尤其是后者對(duì)疲勞強(qiáng)度影響更大。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,可將構(gòu)件和連接形式按應(yīng)力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類為基本無(wú)應(yīng)力集中影響的無(wú)連接處的主體金屬,第8類則為應(yīng)力集中最嚴(yán)重的角焊縫
疲勞破壞的概念
鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，其應(yīng)力雖然沒有達(dá)到抗拉強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度時(shí)，也可能發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。鋼材在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。
鋼材的疲勞破壞是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過程才出現(xiàn)的，其破壞過程可分為三個(gè)階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)展、最后迅速斷裂而破壞。鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的。應(yīng)力集中可以使個(gè)別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化，從而大大降低鋼材的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于承受連續(xù)反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮鋼材的疲勞問題。
反復(fù)作用的荷載值不隨時(shí)間變化，則在所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅將保持常量，稱為常幅疲勞。若反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化，則稱為變幅疲勞。其循環(huán)應(yīng)力譜如圖2和圖3所示。
反復(fù)荷載引起的應(yīng)力循環(huán)形式有同號(hào)應(yīng)力循環(huán)和異號(hào)應(yīng)力循環(huán)兩種類型。循環(huán)中絕對(duì)值最小的峰值應(yīng)力與絕對(duì)值的峰值之比稱為應(yīng)力循環(huán)特征值，當(dāng)為拉應(yīng)力時(shí)，或取正號(hào);當(dāng)為壓應(yīng)力時(shí)，或取負(fù)號(hào)。如圖1所示，當(dāng)時(shí)為異號(hào)應(yīng)力循環(huán)，當(dāng)時(shí)為同號(hào)應(yīng)力循環(huán)，時(shí)表示靜力荷載。應(yīng)力和最小應(yīng)力符號(hào)相反而其絕對(duì)值相等，即時(shí)(圖1a)，稱為對(duì)稱循環(huán)。當(dāng)應(yīng)力為拉應(yīng)力而最小應(yīng)力為零時(shí)，稱為脈沖循環(huán)。
對(duì)于軋制鋼材和非焊接結(jié)構(gòu)，值越小疲勞強(qiáng)度越低，反之則越高。但對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊縫附近存在著很大的焊接殘余應(yīng)力峰值，應(yīng)力循環(huán)特征值并不代表疲勞裂縫出現(xiàn)處的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)際的應(yīng)力循環(huán)是從殘余應(yīng)力開始，變動(dòng)一個(gè)應(yīng)力幅(此處為拉應(yīng)力，為最小應(yīng)力，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值)。因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能直接與應(yīng)力幅有關(guān)而與應(yīng)力循環(huán)特征值的關(guān)系不是非常密切。
試驗(yàn)結(jié)果證明,影響鋼材疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力集中、作用的應(yīng)力幅和應(yīng)力的循環(huán)次數(shù),而與鋼材的靜力強(qiáng)度無(wú)關(guān)(但與鋼材的質(zhì)量有關(guān))。
應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度影響，應(yīng)力集中以截面幾何形狀突然改變處最為明顯。但對(duì)沒有截面改變的鋼材,也存在著微觀裂紋引起的應(yīng)力集中的因素,如焊接結(jié)構(gòu)及其附近主體金屬中的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及易產(chǎn)生缺陷的焊縫趾和焊縫端部;非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽;鋼材內(nèi)部的偏析、非金屬夾雜;制造過程中剪切、沖孔、切割等; 同時(shí)還有熱軋和焊接時(shí)產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力,尤其是后者對(duì)疲勞強(qiáng)度影響更大。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,可將構(gòu)件和連接形式按應(yīng)力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類為基本無(wú)應(yīng)力集中影響的無(wú)連接處的主體金屬,第8類則為應(yīng)力集中最嚴(yán)重的角焊縫