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焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響
焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征,因此,它對于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響是人們廣為關(guān)心的問題,為此人們進行了大量的試驗研究工作。試驗往往采用有焊接殘余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過熱處理消除殘余應(yīng)力后的試樣,進行疲勞試驗作對比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化,而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時也恢復(fù)或部分地恢復(fù)了材料的性能,同時也由于試驗結(jié)果的分散性,因此對試驗結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋,對焊接殘余應(yīng)力的影響也就有了不同的評價。
試舉早期和近期一些人所進行的研究工作為例,可清楚地說明這一問題,對具有余高的對接接頭進行的2×106次循環(huán)試驗結(jié)果,不同研究者得出了不同結(jié)論。有人發(fā)現(xiàn):熱處理消除應(yīng)力試樣的疲勞強度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強度增加12.5%;另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲勞強度是一致的,即差異不大;但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應(yīng)力后疲勞強度雖有增加,但增加值遠低于12.5%等等。對表面打磨的對接接頭試樣試驗結(jié)果也是如此,即有的試驗認為,熱處理后可提高疲勞強度17%,但也有的試驗結(jié)果說明,熱處理后疲勞強度沒有提高等。這個問題長期來使人困惑不解,直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進行了一系列試驗,才逐漸澄清了這一問題。
其中最值得提出的是Trufyakov對在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對接頭疲勞強度影響的研究。試驗采用14Mn2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼,試樣上有一條橫向?qū)雍缚p,并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進行了消除殘余應(yīng)力的熱處理,另一組未經(jīng)熱處理。疲勞強度對比試驗采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r=-1, 0, +0.3。 在交變載荷下(r=-1),消除殘余應(yīng)力試樣的疲勞強度接近130MPa,而未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的僅為75MPa,在脈動載荷下(r=0),兩組試樣的疲勞強度相同,均為185MPa。而當r=0.3時,經(jīng)熱處理消除殘余應(yīng)力的試樣疲勞強度為260MPa,反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的主要原因是:在r值較高時,例如在脈動載荷下(r=0),疲勞強度較高,在較高的拉應(yīng)力作用下,殘余應(yīng)力較快地得到釋放,因此殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響就減弱;當r增大到0.3時,殘余應(yīng)力在載荷作用下,進一步降低,實際上對疲勞強度已不起作用。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時又軟化了材質(zhì),因而使得疲勞強度在熱處理后反而下降。這一試驗比較好地說明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對疲勞強度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對接頭疲勞強度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時,影響比較大。
前面己指出,由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達到材料屈服點的殘余應(yīng)力,因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中,焊縫附近所承受的實際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點向下擺動,而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標稱應(yīng)力循環(huán)為+S1到-S2,則其應(yīng)力范圍應(yīng)為S1+S2。但接頭中的實際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由Sy(屈服點的應(yīng)力幅)到Sy-(S1+S2)。這一點在研究焊接接頭疲勞強度時是非常重要的,它導(dǎo)致了一些設(shè)計規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征r。
此外,在試驗過程中,試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對疲勞強度有很大的影響。
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