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    残余应力对疲劳寿命的影响

    残余应力对疲劳寿命的影响

    由于焊接、铸造等工艺引起的残余应力在工程结构中大量存在,常规设计时,是以焊缝系数来综合计入残余应力及金相组织等的影响的。有关残余应力对结构疲劳强度的影响已开始引起重视。从大量的实验结果可以看到,残余应力的影响不容忽略的。

    残余应力是这种影响可以从断裂力学的理论中得到解释。除了应力强度因子幅值ΔK外,平均应力等因素对疲劳裂纹的扩展也有影响。这种影响在不同循环特性(R=Kmin/Kmax)时,用Paris公式整理的da/dN--ΔK曲线。在同一ΔK值时,R值越大(平均应力越高),da/dN越大。因此,平均应力为压应力时,疲劳裂纹扩展速度率将比平均应力为拉应力时低。这表明了压缩残余应力可以提高疲劳强度。

    从上面的分析中看出,残余应力改变了交变载荷的名义平均应力,从而改变了循环比R。在残余应力和循环应力叠加后未达到材料的屈服强度时,可以这样分析结构的疲劳强度,而一旦残余应力和工作应力之和超过了材料的拉伸屈服强度,则结构中实际的应力循环又是另一种情况,由于材料已进入屈服,因此,实际的应力循环都是从拉伸屈服应力向下变化,而与名义循环比R无关,决定疲劳寿命的是循环幅。将从 σ2变到σ2-σ1σ2)。这是一个很重要的概念,因为,它说明一个原焊接状态接头的疲劳特征只用应力幅值即可表示出来。

    理论分析与实验结果都表明;残余应力的存在严重影响了结构的疲劳强度,尤其是焊缝处高达屈服强度的拉伸残余应力将大大降低焊接结构的疲劳强度。

    振动时效技术能有效地降低残余应力,稳定结构尺寸,已有大量的应用实例。从降低残余应力这个作用来说,它也将提高结构疲劳强度,并且已经有了这方面试验结果。

                 不同状态转向梁侧梁疲劳试验结果

    编  号

       试 件 状 态

    开裂寿命(次)

    总寿命(次)

      1

        焊    态

      143100

      456000

      2

        热 时 效

      158000

      491500

      3

       振 动 时 效

      362000

      934300

    断裂理论认为;疲劳破坏主要经历疲劳裂纹萌生、稳态扩展、失稳扩展和断裂。失稳扩展和断裂是无法控制的瞬间过程。因此,疲劳寿命主要是裂纹萌生和稳态扩展两个阶段的寿命。

    疲劳裂纹是一般成核于工程材料的微观缺陷,或由于材料性能不均匀而在较低的循环应力下表面局部区域产生的滑移带,疲劳裂纹萌生寿命包括微观裂纹的成核与扩展两个过程,是疲劳损伤的累积过程。

     振动时效是采用低应力降低高残余应力的方法,施加的动应力较小,且循环周次一般不超过次,那么,根据线性累积损伤理论,如此的应力循环在整个疲劳损伤的累积过程中其影响是微乎其微的,其次,经振动时效后结构件“经受了低载荷锻炼”,属于多级载荷循环中的先低后高者,其累积损伤指数大于1,因而其寿命较长。

     综上所述,振动时效技术在消除残余应力的基础上,能够提高结构件的疲劳寿命。