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。