一、焊接結構的疲勞破壞

大量統計資料表明，工程結構失效80%以上是由疲勞引起的。美國商業部國家標準局向美國國會提出的研究報告，美國每年因斷裂及防止斷裂要付1190 億美元的代價，相當國民經濟總產值4 % ，而統計資料表明，絕大多數的斷裂是由疲勞所引起的。

美國有幾座橋梁的疲勞斷裂紋發生在靠近焊縫端部的焊趾部位，如圖2 一53 所示，在圖示的裂紋部位有較高的應力集中。在載荷作用下，腹板平面位移集中在一個比較狹窄而沒有支撐的腹板高度上，也就是翼板至加強肋底部的腹板高度上（劃陰影線區域），從而使該處腹板開裂。

疲勞定義為重復應力所引起的裂紋起始和緩慢擴展，從而產生的結構部件的損傷。疲勞斷裂過程通常經歷裂紋萌生、穩定擴展和失穩擴展三個階段。

（一）疲勞斷口的特征

在進行疲勞斷口的宏觀分析時，一般把斷口分成三個區，這三個區與疲勞裂紋的形成、擴展和瞬時斷裂三個階段相對應，分別稱為疲勞源區、疲勞擴展區和瞬時擴展區，如圖2 一54 所示。

疲勞源區是疲勞裂紋的形成過程在斷口上留下的真實記錄。由于疲勞源區一般很小，所以宏觀仁難以分辨疲勞源區的斷面特征。疲勞源一般總是發生在表面，但如果構件內部存在缺陷，如脆性夾雜物等，也可在構件內部發生。疲勞源數目有時不止一個，而有兩個甚至兩個以上，對于低周疲勞，則于其應變幅值較大，斷口上常有幾個位于不同位置的疲勞源。

疲勞裂紋擴展區是疲勞斷口上最重要的特征區域。其宏觀形貌特征常呈現為貝殼狀或海灘波紋狀條紋，而且條紋推進線一般是從裂紋源開始向四周推進，呈弧形線條，而且垂直于疲勞裂紋的擴展方向。其微觀特征是疲勞裂紋，又稱疲勞輝紋，每一貝殼花紋內有干萬條。它通常是明暗交替的有規則相互平行的條紋，一般每一條紋代表一次載荷循環。疲勞條紋的間距在 0.1- 0.4 Уm 之間一般來說，面心立方金屬（如鋁及鋁合金、不銹鋼）的疲勞條紋比較清晰、明顯。體心立方金屬及密排六方結構金屬的疲勞條紋遠不如前者明顯，如鋼的疲勞條紋短而不連續，輪廓不明顯。

另外，從宏觀上看一些構件，尤其是薄板件，其斷口上并無明顯的貝殼狀花紋，卻有明顯的疲勞臺階。在一個獨立的疲勞區內，兩個疲勞源向前擴展相遇就形成一疲勞臺階，因此疲勞臺階也是疲勞裂紋擴展區的一個特征。

瞬時破斷區（或稱最終破斷區）是疲勞裂紋擴展到臨界尺寸之后發生的快速破斷。它的特征與靜載拉伸斷口中快速破壞的放射區及剪切唇相同，但有時僅僅出現剪切唇而無放射區。對于非常脆的材料，此區為結晶狀的脆性斷口。

（二）影響焊接結構疲勞強度的因素

影響母材疲勞強度的因素（如應力集中、截面尺寸、表面狀態、加載情況等），同樣對焊接結構也有影響。除此之外，焊接結構本身的一些特點，如接頭部位近縫區性能的變化，焊接殘余應力等也可能對焊接疲勞產生影響。

( l ）應力集中的影響 焊接結構中，在接頭部位由于具有不同的應力集中，它們對接頭的疲勞強度產生不同程度的不利影響。

( 2 ）近縫區金屬性能變化的影響 試驗研究表明，在常用線能量下低碳鋼的焊接。熱影響區 和基本體金屬的疲勞強度相當接近，其近縫區金屬機械性能變化對接頭的疲勞強度影響較小。

（3）殘余應力的影響 殘余應力對結構疲勞強度的影響，取決于殘余應力的分布狀態。在工作應力較高的區域，如應力集中處，受彎曲構件的外緣，殘余應力是拉伸的，則它降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應力，則提高疲勞強度。另外殘余應力對疲勞強度的影響，還與應力集中程度、應力循環次數等因素有關，特別是應力集中系數越高，殘余應力影響越顯著。

( 4 ）缺陷的影響 焊接缺陷對疲勞強度的影響與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透），比帶圓角的缺陷（如氣孔）影響大；表面缺陷比內部缺陷影響大；位于應力集中區的缺陷比在均勻應力場中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向大；位于殘余拉應力場內的缺陷比在殘余壓應力區的影響大。

（三）提高疲勞強度措施

1. 降低構件中的應力集中程度

結構中的應力集中是降低焊接結構疲勞強度的最主要因素，一般采取下列措施 。

（1）用合理的構件結構形式 減小應力集中，以提高疲勞強度。

（2）合理地選擇接頭形式 盡量采用應力集中系數小的對接接頭，焊縫形狀過渡平緩。振動載荷采用連續焊縫比斷續焊有利，盡量少采用角焊縫。

（3）當采用角焊縫時須采取綜合措施 如機械加工焊縫端部、合理選擇角接板形狀、保證燁縫根部焊透等。

（4）用表面機械加工的方法 消除焊縫及其附近的各種刻槽，來降低接頭應力集中程度

2. 提高焊接結構疲勞強度的工藝措施

（1）在工藝上應正確選擇焊接規范，保證焊縫良好成形和內外部沒有缺陷。

（2）TIG焊電弧整形，可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強度。

（3）調整殘余應力。其方法有兩類：結構和元件的整體處理，包括整體退火或超載預拉伸法；對接頭部位局部處理，即在接頭某部位采用加熱、輾壓、局部爆炸等方法，使接頭應力集中處產生殘余應力。

（4）改善材料的機械性能 表面強化處理，用小輪擠壓或用錘輕打焊縫表面及過渡區，或用小鋼丸噴射焊縫區部可提高接頭的疲勞強度。

3 ．采用特殊保護措施

采用特殊的塑料涂層，改善焊接接頭疲勞性能是一項新技術，其效果較顯著。

二、焊接結構的脆性斷裂

自從焊接結構廣泛應用以來，許多國家都發生過焊接結構的脆性斷裂事故，其后果是嚴重的，甚至是災難性的。英國原子能局和聯合國技術委員會聯合調查的結果表明：12700 臺制造中的壓力容器發生的災難性事故，大部分為脆性斷裂，事故率為 2.3×10~4 ；在 100300 臺在役壓力容器中，災難性事故率為 0.7× 10~4，損傷性事故率 12.5×10~4 合計 13.2×1O~4。在許多嚴重的事故中，最為典型的事例是 1938 年 3 月 14 日比利時 Albert 運河上Hesselt橋的斷塌事故。

（一）脆斷的特點

（1）脆斷一般都在應力不高于結構設計應力和沒有顯著塑性變形的情況下發生，并擴展到結構整體，損失嚴重。

（2）脆斷往往從應力集中處開始，如構件內存在有缺陷和焊縫處等。

（3）在低溫下，厚截面和高應變速度，即動載作用下，極易引起脆斷。大量脆斷事故研究友明，造成焊接脆斷的原因是多方面的，但主要的是材料選用不當，設計不合理、制造工藝以及檢驗技術不完善等。

（二）影響金屬脆性斷裂因素

1. 溫度對破壞方式的影響

降低溫度將使破壞方式由塑性破壞轉變為脆性破壞。這是因為隨著溫度的降低，發生解理斷裂的危險性增大，材料將出現由延性到脆性斷裂的轉變，即材料脆性轉變溫度升高。

2. 應力狀態的影響

物體在受外載時，在不同截面上產生不同的正應力б和剪切應力т，其中有一個最大的正應力бmax和最大的切應力тmax。бmax和тmax及其比бmax/тmax 與加載方法式有關。a=бmax/тmax 稱為應力狀態系數，與加載方式和零件形狀有關。б增大的應力狀態，有利于塑性變形切應力的韌性斷裂，而б減少則有利于正應力的脆性斷裂。

3. 加載速度的影響

研究表明提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當于降低溫度。還應指出，在同樣加載速率下，結構中有缺陷時，應變速率可呈加倍的不利影響。因為此時應力集中，大大降低了材料的局部塑性。

4. 材料狀態的影響

（1）板厚度的影響 首先厚板在缺陷處容易形成三向應力的平面應變狀態，另外厚板軋制次數少，組織疏松，內外性能不均。

（2）晶粒度的影響 晶粒度對脆性轉變溫度有很大的影響，晶粒越細，其轉變溫度降低。

（3）化學成分的影響 鋼中 C 、 N 、 O 、 H 、 S 、 P 等元素會增加鋼材的脆性

審核編輯：黃飛