焊接残余应力对疲劳强度的影响

 焊接残余应力对疲劳强度的影响

焊接残余应力是焊接结构所特有的特征，因此，它对于焊接结构疲劳强度的影响是人们广为关心的问题，为此人们进行了大量的试验研究工作。试验往往采用有焊接残余应力的试样与经过热处理消除残余应力后的试样，进行疲劳试验作对比。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，而热处理在消除残余应力的同时也恢复或部分地恢复了材料的性能，同时也由于试验结果的分散性，因此对试验结果就产生了不同的解释，对焊接残余应力的影响也就有了不同的评价。

试举早期和近期一些人所进行的研究工作为例，可清楚地说明这一问题，对具有余高的对接接头进行的2×106次循环试验结果，不同研究者得出了不同结论。有人发现：热处理消除应力试样的疲劳强度比焊态相同试样的疲劳强度增加12.5%；另有人则发现焊态和热处理的试样的疲劳强度是一致的，即差异不大；但也有人发现采用热处理消除残余应力后疲劳强度虽有增加，但增加值远低于12.5%等等。对表面打磨的对接接头试样试验结果也是如此，即有的试验认为，热处理后可提高疲劳强度17%，但也有的试验结果说明，热处理后疲劳强度没有提高等。这个问题长期来使人困惑不解，直到前苏联一些学者在交变载荷下进行了一系列试验，才逐渐澄清了这一问题。

其中最值得提出的是Trufyakov对在不同应力循环特征下焊接残余应力对接头疲劳强度影响的研究。试验采用14Mn2普通低合金结构钢，试样上有一条横向对接焊缝，并在正反两面堆焊纵向焊道各一条。一组试样焊后进行了消除残余应力的热处理，另一组未经热处理。疲劳强度对比试验采用三种应力循环特征系数r=-1, 0, +0.3。 在交变载荷下（r=-1），消除残余应力试样的疲劳强度接近130MPa，而未经消除残余应力的仅为75MPa，在脉动载荷下（r=0），两组试样的疲劳强度相同，均为185MPa。而当r=0.3时，经热处理消除残余应力的试样疲劳强度为260MPa，反而略低于未热处理的试样（270MPa）。产生这个现象的主要原因是：在r值较高时，例如在脉动载荷下（r=0），疲劳强度较高，在较高的拉应力作用下，残余应力较快地得到释放，因此残余应力对疲劳强度的影响就减弱；当r增大到0.3时，残余应力在载荷作用下，进一步降低，实际上对疲劳强度已不起作用。而热处理在消除残余应力的同时又软化了材质，因而使得疲劳强度在热处理后反而下降。这一试验比较好地说明了残余应力和焊接热循环所引起材质变化对疲劳强度的影响。从这里也可以看出焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性有关。即在循环特性值较低时，影响比较大。  

前面己指出，由于结构焊缝中存有达到材料屈服点的残余应力，因此在常幅施加应力循环作用的接头中，焊缝附近所承受的实际应力循环将是由材料的屈服点向下摆动，而不管其原始作用的循环特征如何。例如标称应力循环为+S1到-S2，则其应力范围应为S1+S2。但接头中的实际应力循环范围将是由Sy（屈服点的应力幅）到Sy-（S1+S2）。这一点在研究焊接接头疲劳强度时是非常重要的，它导致了一些设计规范以应力范围代替了循环特征r。

此外，在试验过程中，试件的尺寸大小、加载方式、应力循环比、载荷谱也对疲劳强度有很大的影响。

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