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殘余應力對疲勞壽命的影響

殘余應力對疲勞壽命的影響

由于焊接、鑄造等工藝引起的殘余應力在工程結構中大量存在,常規設計時,是以焊縫系數來綜合計入殘余應力及金相組織等的影響的。有關殘余應力對結構疲勞強度的影響已開始引起重視。從大量的實驗結果可以看到,殘余應力的影響不容忽略的。

殘余應力是這種影響可以從斷裂力學的理論中得到解釋。除了應力強度因子幅值ΔK外,平均應力等因素對疲勞裂紋的擴展也有影響。這種影響在不同循環特性(R=Kmin/Kmax)時,用Paris公式整理的da/dN--ΔK曲線。在同一ΔK值時,R值越大(平均應力越高),da/dN越大。因此,平均應力為壓應力時,疲勞裂紋擴展速度率將比平均應力為拉應力時低。這表明了壓縮殘余應力可以提高疲勞強度。

從上面的分析中看出,殘余應力改變了交變載荷的名義平均應力,從而改變了循環比R。在殘余應力和循環應力疊加后未達到材料的屈服強度時,可以這樣分析結構的疲勞強度,而一旦殘余應力和工作應力之和超過了材料的拉伸屈服強度,則結構中實際的應力循環又是另一種情況,由于材料已進入屈服,因此,實際的應力循環都是從拉伸屈服應力向下變化,而與名義循環比R無關,決定疲勞壽命的是循環幅。將從 σ2變到σ2-σ1σ2)。這是一個很重要的概念,因為,它說明一個原焊接狀態接頭的疲勞特征只用應力幅值即可表示出來。

理論分析與實驗結果都表明;殘余應力的存在嚴重影響了結構的疲勞強度,尤其是焊縫處高達屈服強度的拉伸殘余應力將大大降低焊接結構的疲勞強度。

振動時效技術能有效地降低殘余應力,穩定結構尺寸,已有大量的應用實例。從降低殘余應力這個作用來說,它也將提高結構疲勞強度,并且已經有了這方面試驗結果。

             不同狀態轉向梁側梁疲勞試驗結果

編  號

   試 件 狀 態

開裂壽命(次)

總壽命(次)

  1

    焊    態

  143,100

  456,000

  2

    熱 時 效

  158,000

  491,500

  3

   振 動 時 效

  362,000

  934,300

斷裂理論認為;疲勞破壞主要經歷疲勞裂紋萌生、穩態擴展、失穩擴展和斷裂。失穩擴展和斷裂是無法控制的瞬間過程。因此,疲勞壽命主要是裂紋萌生和穩態擴展兩個階段的壽命。

疲勞裂紋是一般成核于工程材料的微觀缺陷,或由于材料性能不均勻而在較低的循環應力下表面局部區域產生的滑移帶,疲勞裂紋萌生壽命包括微觀裂紋的成核與擴展兩個過程,是疲勞損傷的累積過程。

 振動時效是采用低應力降低高殘余應力的方法,施加的動應力較小,且循環周次一般不超過次,那么,根據線性累積損傷理論,如此的應力循環在整個疲勞損傷的累積過程中其影響是微乎其微的,其次,經振動時效后結構件“經受了低載荷鍛煉”,屬于多級載荷循環中的先低后高者,其累積損傷指數大于1,因而其壽命較長。

 綜上所述,振動時效技術在消除殘余應力的基礎上,能夠提高結構件的疲勞壽命。

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