35 試述應力集中對結構靜載強度的影響。
各種焊接接頭都有不同程度的應力集中，當母材具有足夠的塑性時，結構在靜開車破壞之前就有顯著的塑性變形，應力集中對其強度無影響。
例如，側面搭接接頭在加載時，如果母材和焊縫金屬都有較好的塑性，其切應力的分布是不均勻的，見圖29。繼續加載，焊縫的兩端點達到屈服點σs，則該處應力停止上升，而焊縫中段各點的應力因尚未達到σs，故應力隨加載繼續上升，到達屈服點的區域逐漸擴大，應力分布曲線變平，最后各點都達到σs。如再加載，直至使焊縫全長同時達到強度極限，最后導致破壞。
36 什么是工作焊縫？什么是聯系焊縫？
焊接結構上的焊縫，根據其載荷的傳遞情況，可分為兩種：一種焊縫與被連接的元件是串聯的，承擔著傳遞全部載荷的作用，一旦斷裂，結構就立即失效，這種焊縫稱為工作焊縫，見圖30a、圖30b，其應力稱為工作應力。另一種焊縫與被連接的元件是并聯的，僅傳遞很小的載荷，主要起元件之間相互聯系的作用，焊縫一旦斷裂，結構不會立即失效，這種焊縫稱為聯系焊縫，見圖30c、圖30d，其應力稱為聯系應力。設計時，不需計算聯系焊縫的強度，只計算工作焊縫的強度。
37 舉例說明對接接頭愛拉（壓）時的靜載強度計算。
全焊透對接接頭的各種受力情況 見圖31。圖中F為接頭所受的拉（壓）力，Q為切力，M1為平面內彎矩， M2為垂平面彎矩。
受拉時的強度計算公式為
F
σt＝ ─── ≤〔σ′t 〕
Lδ1
F
受壓時的強度計算公式為 σα＝ ─── ≤〔σ′α 〕
Lδ1
式中 F——接頭所受的拉力或壓力（N）；
L——焊縫長度（cm）；
δ1——接頭中較薄板的厚度（cm）；
σ——接頭受拉（σt） 或受壓（σα）時焊縫中所承受的應力（N/cm2）㈠
〔σ′t 〕——焊縫受拉時的許用應力（N/cm2）
〔σ′α 〕——焊縫受壓時的許用應力（N/cm2）
計算例題 兩塊板厚為5mm、寬為500mm的鋼板對接焊在一起，兩端受28400N的拉力，材料為Q235-A鋼，試校核其焊縫強度。
解：查表得〔σ′t 〕=14200 N/cm2。
根據已知條件，在上述公式中，F=28400N，L=500mm=50cm，δ1=5mm=0.5cm，代入計算為
F 28400
σt＝ ─── ＝ ───── ＝ 1136N/cm2＜14200N/cm2
Lδ1 50×0.5
∴ 該對接接頭焊縫強度滿足要求，結構工作安全。
38 舉例說明對接接頭受剪切時的靜載強度計算。
受剪切時的強度計算公式為
Q
τ= ─── ≤〔τ′〕
Lδ1
式中 Q——接頭所受的切力（N）；
L——焊縫長度（cm）；
δ1——接頭中較薄板的厚度（cm）；
τ——接頭焊縫中所承受的切應力（N/cm2）；
〔τ′〕——焊縫許用切應力（N/cm2）
計算例題 兩塊板厚為10mm的鋼板對接焊，焊縫受29300N的拉力，材料為Q235-A鋼，試設計焊縫的長度（鋼板寬度）。
解：查表得〔τ′〕=9800 N/cm2。
根據已知條件，在上述公式中，Q=29300N，δ1=10mm=1cm，代入計算為
Q 28400
L≥ ────── ＝ ────── ＝ 2.99cm = 29.9mm
δ1〔τ′〕 1×9800
取L = 30mm。即當焊縫長度（板寬）為30mm時，該對接接頭焊縫強度能滿足要求。
39 舉例說明對接接頭受彎矩時的靜載強度計算。
受水平板面內彎矩的強度計算公式為
6M1
σ= ──── ≤〔σ′t 〕
δ1 L2
受垂直板面內彎矩的強度計算公式為
6M2
σ= ──── ≤〔σ′t 〕
δ12 L
式中 M1——水平板面內彎矩（N/cm2）；
M2——垂直板面彎矩（N/cm2）；
L ——焊縫長度（cm）；
δ1——接頭中較薄板的厚度（cm）；
σ——接頭受彎矩作用時焊縫中所承受的應力（N/cm2）；
〔σ′t 〕——焊縫受彎時的許用應力（N/cm2）。
計算例題 兩塊厚度相同鋼板的對接接頭，材料為16MnR鋼，鋼板寬度為30mm，受垂直板面彎矩300000N·cm，試計算焊縫所需的厚度（板厚）。
解：查表得〔σ′t 〕=20100 N/cm2。
根據已知條件，在上述公式中，M2=300000N·cm，L=300mm=30cm，代入計算為
取δ1=18mm，即當焊縫厚度(板厚)為18mm時，該對接接頭焊縫強度能滿足要求。
40 舉例說明搭接接頭受拉（壓）時的靜載強度計算。
各種搭接接頭的受力情況，見圖32。
三種焊縫的計算公式為
⑴正面搭接焊縫受拉（壓）的計算公式為
F
τ= ──── ≤〔τ′〕
1.4KL
⑵側面搭接焊縫受拉(壓)的計算公式為
F
τ= ──── ≤〔τ′〕
1.4KL
⑶聯合搭接焊縫受拉(壓)的計算公式為
F
τ= ──── ≤〔τ′〕
0.7KΣL
式中 F——搭接接頭受的拉（壓）力（N）；
K——焊腳尺寸（cm）；
L——焊縫長度（cm）；
ΣL——正、側面焊縫總長（cm）；
τ——搭接接頭角焊縫受的切應力（N/cm2）；
〔τ′〕——焊縫金屬許用切應力（N/cm2）；
計算例題 將100mm×10mm的角鋼用角焊縫搭接在一塊鋼板上見圖33。受拉伸時要求與角鋼等強度，試計算接頭的合理尺寸K和L應該是多少？
解：從材料手冊查得角鋼斷面積S＝19.2cm2；許用應力〔σ〕＝16000 N/cm2，焊縫許用應力〔τ′〕＝10000 N/cm2。
角鋼的允許載荷為
〔F〕＝S〔σ〕＝19.2×16000＝307200N
假定接頭上各段焊縫中的切應力都達到焊縫許用切應力值，即て＝〔τ′〕。若取K＝10mm，采用手弧焊，則所需的焊縫總長為
〔F〕 307200
ΣL ＝ ─────── ＝ ───────── ＝43.9cm
0.7K〔て′〕 0.7×1×10000
角鋼一端的正面角焊縫L3＝100mm，則兩側焊縫總長度為339mm。根據材料手冊查得角鋼的拉力作用線位置e＝28.2mm，按杠桿原理，則側面角焊縫L2應承受全部側面角焊縫載荷的28.3%。
28.3
∴ L2 ＝ 339 × ─── ＝ 96mm
100
另外一側的側面角焊縫長度L1應該為
100-28.3
L1 ＝ 339 × ────── ＝ 243mm
100
取L1＝250mm，L2＝100mm。
41 舉例說明搭接接頭受彎矩時的靜載強度計算。
搭接接頭受彎矩的情況，見圖34a。計算公式為
式中 M——作用在接頭上的外加彎矩（N/cm2）；
K——焊腳尺寸（cm）；
H——搭接板寬度（cm）；
〔τ′〕——焊腳的許用切應力（N/cm2））。
計算例題 由三面焊縫組成的懸臂搭接接頭（圖34），當焊縫總長為500mm，K＝10mm時，在梁的端頭作用一彎矩M＝2800000N·cm，試驗計算接頭是否安全？已知焊縫作用切應力〔τ′〕＝10000 N/cm2。
42 舉例說明搭接接頭受偏心載荷時的靜載強度計算。
如果搭接接頭承受的載荷是垂直X軸方向的偏心載荷F見圖35， 此時焊縫中既有由彎矩M＝FL引起的切應力τM(由來1公式計算),又是有由切力Q＝F引起的切應力τQ為
計算例題 一偏心受載的搭接接頭（圖35），已知焊縫長h＝400mm，l0＝100mm，焊腳尺寸K＝10mm，外加載荷F＝30000N，梁長L＝100cm，試校核焊縫強度。焊縫的許用切應力〔τ′〕＝10000N/cm2。
解：分別計算τM 、τQ：
43 舉例說明T形接頭受平行于焊縫載荷時的靜載強度計算。
T形接頭及其受載荷的情況，見圖36a。
如果接頭開坡口并焊透，其強度按對接接頭計算，焊縫金屬截面等于母材截面（S＝δh）。
如果接頭開I形坡口，此時產生最大切應力的危險點在焊縫的最上端，該點同時作用有兩個切應力：一個是由M＝FL引起的τM；另一個是由Q＝F引起的τQ。τM、τQ的
44 什么是焊接結構的疲勞斷裂？
疲勞斷裂的過程由三個階段所組成：
1）在承受重復載荷的結構的應力集中部位產生疲勞裂紋（此時結構所受應力低于彈性極限）。
2）疲勞裂紋穩定擴展。
3）結構斷裂。
據統計，由于疲勞而失效的金屬結構，約占失效結構的90%。
焊接結構較其它結構（如鉚接結構）更容易產生疲勞斷裂，這是因為： 1）鉚接結構的疲勞裂紋發展遇到釘孔或板層間隔會受阻，焊接結構由于其整體性，一旦產生裂紋，裂紋擴展不受阻止，直至整個構件斷裂。 2）焊接連接不可避免地存在著產生應力集中的夾渣、氣孔、咬邊等缺陷。3）焊縫區存在著很大的殘余拉應力。幾個典型的焊接結構疲勞斷裂事例見圖37。
圖37a為直升飛機起落架的疲勞斷裂。裂紋從應力集中很高的角接板尖端開始，該機飛行著陸2118交后發生破壞，屬于低周疲勞。
圖37b為載重汽車底架縱梁的疲勞斷裂。該梁板厚5mm，承受反復的彎曲應力，在角鋼和縱梁的焊接處，因應力集中很高而產生疲勞裂紋而破壞，此時該車已運行30000km。
45 試述焊接接頭形式對疲勞極限的影響。
焊接結構中，在接頭部位由于具有不同的應力集中，將對接頭的疲勞極限產生程度不同的不利影響。
⑴對接接頭 對接接頭從焊縫至母材的形狀變化不大，應力集中比其它接頭要小，所以在所有的接頭形式中具有最高的疲勞極限。但是過大的余高會增加應力集中，使疲勞極限下降。
⑵T形接頭 這種接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應力集中系數比對接接頭的應力集中系數高，因此其疲勞極限遠低于對接接頭。
提高T形接頭疲勞極限的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區使之圓滑過渡。
⑶搭接接頭 這是一種疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎上，增加蓋板來進行“加強”，其結果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強”作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱了。
46 試述焊接缺陷對疲勞極限的影響。
焊接缺陷對焊接接頭的疲勞極限產生重大的不利影響，這種不利影響與焊接缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。
片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔、點狀夾渣）影響大。表面缺陷比內部缺陷影響大。與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向大。位于殘余拉應力區內的缺陷的影響比在殘余應力區內的大；位于應力集中區內的缺陷（如焊趾裂紋）的影響比在均勻應力區中同樣缺陷影響大。咬邊和未焊透在不同位置、不同載荷下對接頭疲勞極限的影響，見圖38，其中A組的影響最大，B組的影響較小。
47 如何選用合理的結構形式來提高接頭的疲勞極限？
選用應力集中較小的結構形式是提高疲勞極限的重要措施，幾種設計方案的正誤比較，見圖39。
48 如何利用電弧整形的方法來提高接頭的疲勞極限？
電弧整形的方法，是用鎢極氬弧在焊接接頭焊縫與母材之間的過渡區重熔一次，使焊縫與基本金屬能平滑地過渡，同時減少該部位的微小非金屬夾雜物，使接頭部位的疲勞極限得以提高，見圖40。電弧整形提高接頭疲勞極限的效果，見表10。
表10 電弧整形后焊接接頭疲勞極限提高的效果
|
接頭形式 |
鋼 種 （MPa級） |
試件截面 （1mm） |
循環特性 |
2×106次循環下的 疲勞強度極限（MPa） |
疲勞極限 提高（%） |
與基本材料 相比 | |
|
原始狀態 |
整形后 | ||||||
|
對接 |
σs=340 σs=450 σs=674 |
70×12 |
－1 |
80 115 80 |
120 158 150 |
50 35 90 |
－ － － |
|
對接 |
低碳鋼 低合金鋼 |
7×2.5 |
0 |
52 64 |
116 181 |
120 280 |
0.96 0.86 |
|
接頭形式 |
鋼 種 （MPa級） |
試件截面（1mm） |
循環特性 |
2×106次循環下的 疲勞強度極限（MPa） |
疲勞極限提高（%） |
與基本材料相比 | |
|
原始狀態 |
整形后 | ||||||
|
對接 |
HT60 σs=534 |
25×25 |
－ |
185 |
250 |
34 |
0.67 |
|
搭接并具有加 長的端面焊縫 |
低合金鋼 |
－ |
0 |
86 |
101 |
30 |
－ |
|
周邊焊的加強 板橫加強肋板 的連接 |
σs=312 σs=341 |
70×12 70×12 |
－1 －1 |
95 50 |
150 90 |
60 80 |
－ － |
|
橫加強肋板的 連接縱加強 肋板的連接 |
|
80×12 80×12 |
0.3 0.3 |
188 137 |
219 158 |
16 15 |
－ － |
49 提高焊接接頭疲勞極限的常用方法有哪些?
常用提高焊接接頭疲勞極限的方法，見表11。
表11 常用提高焊接接頭疲勞極限的方法
|
方 法 |
技術說明 |
適用范圍及優點 |
缺 點 | |
|
改善 幾何 形狀 方法 |
電弧氣刨后補焊法
砂輪修磨法
鉆孔法
錐形砂輪磨光法
TIG重熔法 |
用碳弧氣刨吹掉熔化金屬后再補焊 用100cm直徑砂輪，60～150級硅砂 孔徑一般為12～25mm
用錐形砂輪打磨焊趾磨去基材0.5mm。用30～200級硅砂輪分3次連續磨光。 用TIG焊不填充焊絲重熔焊趾，能消除6mm深的缺陷。 |
適用于有很大的內部缺陷
適用于對接焊縫余高，快速、容易 適用于側面節點板和個別有裂紋的細節 費用低，不要求特別的設備。 適用于角焊縫 這是打磨法中最有效的方法
適用于在車間制造的小機械部件和橫向焊縫 對高強鋼，當裂紋起始壽命較大時，改善效果更大 |
費用高，焊補可能產生新的缺陷
不能磨掉所有缺陷
僅用于穿透裂紋，延長其疲勞壽命
消耗多，耗用高，難于確保質量 要求焊縫表面清潔，引起焊縫表面硬化 |
|
殘余 應力 方法 |
射水冷卻法
點加熱法
多絲錘擊法
噴丸錘擊法
單點錘擊法
局部加壓法
初始超載法
熱應力消除法 |
將焊縫加熱至500℃保持3min，然后射水使表面快速冷卻
在距焊縫一定位置加熱至280℃，引起局部屈服 用～ф2鋼絲組成束狀錘頭，對焊趾表面進行冷作加工，壓縮空氣壓力為500～100kMa 噴鐵 或玻璃 對焊趾表面進行冷作加工 用直徑6～12mm球形錘頭對焊趾進行冷加工，可用電錘或氣壓錘。 在距焊縫一定位置局部加壓至屈服（2～3倍壓應力） 用拉伸法預先加載使焊縫區局部屈服 在爐內加熱至600℃，緩冷24h以上，加熱速度為每10mm板厚1h |
不需知道裂紋起始位置，不需嚴格控制溫度
適用于大板
適用于中等嚴重的缺口
適用于平板和輕微缺口
適用于較嚴重的缺口，無損耗
適用于鋁合金
適用于薄板
適用于小構件的縱向角焊縫 |
高溫（500℃），限制冷卻位置。不適用于大接頭和小接頭。 過熱可能引起冷卻時的馬氏體變化 必須知道開裂位置，對橫向焊縫無效 引起較小的缺口，未建立質量控制技術
要求有操作經驗，僅適于水平位置 要求有操作經驗
不適用于很大結構
大構件常常不成功，冷卻速度慢 |
|
涂裝 方法 |
均分負載層 油漆 鍍鋅 陰極防護 |
塑料、油漆、釬焊、逐層涂裝
|
易檢查
適用于腐蝕環境 適用于發生應力腐蝕裂紋和裂紋擴展速率大于10－5mm周的嚴重腐蝕環境 |
表面清潔，易凝固開裂
費用高 費用高 |
50 什么是延性斷裂？什么是脆性斷裂？
根據金屬材料斷裂前塑性變形的大小，斷裂可分為延性斷裂和脆性斷裂兩種形式。
⑴延性斷裂 斷裂過程是：金屬材料在載荷作用下，首先產生彈性變形。當載荷繼續增加到某一數值，材料即發生屈服，產生塑性變形。繼續加大載荷，金屬將進一步變形，繼而發生微裂口或微空隙，這些微裂口或微空隙一經形成，便在隨后的加載過程中逐步匯合起來，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋發展到一定尺寸后，擴展而導致最后斷裂。
⑵脆性斷裂 在應力低于材料的設計應力和沒有顯著的塑性變形情況下，金屬結構發生瞬時、突然破壞的斷裂（裂紋擴展速度可高達1500～200m/s）稱為脆性斷裂。
脆性斷裂的裂口平整，與正應力垂直，沒有可以覺察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。
51 試述應力狀態對焊接結構產生脆性斷裂的影響。
當物體受外載時，在主平面上作用有最大正應力σmax（另一個與之相垂直的平面上作用有最小正應力σmin）與主平面成45°的平面上作用有最大切應力てmax。如果在てmax達到屈服點前，σmax先達到抗拉強度，則結構發生脆性斷裂；反之，如てmax先達到屈服點，則發生塑性變形及形成延性斷裂。
實驗證明，當材料處于單向或雙向拉應力作用下，呈現塑性；在三向拉應力作用下，呈現脆性。三向拉應力可能由三向載荷產生，但更多的情況下是由于幾何不連續性所引起。雖然此時整個結構處于單向、雙向拉應力狀態下，但其局部地區由于設計不佳、工藝不當或產生焊接缺陷（如裂紋），往往會出現形成局部三向應力狀態的缺口效應，見圖41。在三向拉應力的作用下，材料的屈服點較單向應力時提高，結果在缺口根部形成很高的局部應力而材料尚不發生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成為脆斷的發源地。因此，焊接結構的脆斷事故一般都起源于具有嚴重應力集中效應的缺口處。
52 試述溫度對焊接結構產生脆性斷裂的影響？什么是脆性轉變溫度？
如果把一組開有相同缺口的試樣在不同溫度下進行試驗，則隨著溫度的降低，其破壞方式會發生變化，即從塑性破壞變為脆性破壞，見圖42。當溫度降到某一臨界值時，將出現塑性到脆性斷裂的轉變，這個溫度稱之為脆性轉變溫度。脆性轉變溫度高，材料的脆性傾向嚴重。應當注意，同一材料采用不同試驗方法，將會得到不同的脆性轉變溫度值。
53 試述加載速度對焊接結構產生脆性斷裂的影響。
隨著加載速度的增加，材料的屈服點提高，因而促使材料向脆性轉變，其作用相當于降低溫度，使材料的脆性轉變溫度升高，見圖43。
應當指出，在同樣加載速率下，當結構中有缺口時，應變速率可呈現出加倍的不利影響。因為此時有應力集中的影響，應變速率比無缺口高得多，從而大大地降低了材料的局部塑性。因此，結構鋼一旦開始脆性斷裂，就很容易產生擴展現象。當缺口根部小范圍金屬材料發生斷裂時，在新裂紋前端的材料立即突然受到高應力和高應變載荷，即一旦缺口根部開裂，就有高的應變速率，而不管其原始加載條件是動載還是靜載，此時隨著裂紋加速擴展，應變速率更急劇增加，致使結構最后破壞。
54 試述材料狀態對焊接結構產生脆性斷裂的影響。
⑴厚度的影響 厚板在缺口處容易形成三向拉應力，因此容易使材料變脆。曾經把厚度為45mm的鋼板，通過加工制成板厚分別為10、20、30、40mm的試件，研究不同板厚所造成不同應力狀態對脆性破壞的影響，發現在預制40mm長的裂紋和施加應力等于1/2屈服點的條件下，當厚度小于30mm時，發生脆斷的脆性轉變溫度隨板厚增加面直線上升；當板厚超過30mm時，脆性轉變溫度的增加較為緩慢。
⑵晶粒度的影響 低碳鋼和低合金鋼的晶粒越細，其脆性轉變溫度越低。
⑶化學成分的影響 鋼中的C、N、O、H、S、P等元素會增加鋼的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量適當，有助于減少鋼的脆性。
55、如何正確地測定材料的脆性轉變溫度？
材料的脆性轉變溫度通常用沖擊試驗進行測定，試驗方法是在不同溫度下對一系列試件進行沖擊試驗，試件采用V形缺口。實踐證明，隨著溫度上升，打斷試件所需的沖擊吸收功也顯著上升，材料沖擊韌度和溫度的關系見圖44。圖中鎖眼V形的缺口根部為圓形孔。
從圖44可知，沖擊韌度只是在一定溫度區間內逐漸變化，并沒有一個確定的脆性溫度值，通常是取某一固定沖擊韌度、例如20J/cm2、41J/cm2時的溫度作為脆性轉變溫度，有的標準取對應最大沖擊韌度時一半的溫度作為脆性轉變溫度。對低合金高強鋼，常取沖擊韌度為34.3～51J/cm2時對應的溫度為脆性轉變溫度值。
56 試述預防焊接結構脆性斷裂的措施。
⑴盡量減少焊接接頭部位的應力集中1）在一些構件截面改變的地方，必須設計成平滑過渡，不要形成尖角，以防產生應力集中，見圖45。
2）盡量采用應力集中系數較小的對接接頭見圖46，圖中a為應力集中系數較大的搭接接頭，應盡量避免。
3）不同厚度構件的對接接頭應盡可能地采用圓滑過渡見圖47。其中以a形式為最好，b其次，c最差，因而焊縫部位仍有相當大的應力集中。
4）避免和減少焊縫的缺陷，應將焊縫布置在便于焊接和檢驗的地方，一些不易施焊的焊縫部位，見圖48。
5）避免焊縫密集，兩條焊縫間應保證有最小距離，見圖49。
⑵減少結構剛度 在滿足結構的使用條件下，應當盡量減少結構的剛度，以降低應力集中和附加應力的影響，在容器上開緩和槽減少剛性的實例，見圖50。
⑶重視次要焊縫的設計 對于附件或不受力焊縫，應和主要焊縫一樣給予足夠重視，因為脆性裂紋一旦由這些不受到重視的接頭部位產生，就會擴展到主要受力元件中，使結構破壞。因此，不要在受力構件上隨意加焊附件，見圖51。圖51a中所示的支架被焊接到受力構件上，焊縫質量不易保證，極易產生裂紋，圖51b中的方案采用了卡箍就避免上述缺點，有助于防止脆斷。
57 試比較脆性斷裂和疲勞斷裂兩者的不同點。
脆性斷裂和疲勞斷裂從性質到形式都一樣。兩者比較，都是低應力破壞，斷裂時的變形都很小，但疲勞需要多次加載，而脆性斷裂一般不需要多次加載。結構脆斷是瞬時完成的，而疲勞裂紋的擴展則是緩展覽品的，有時需要長達數年時間。此外，脆性斷裂受溫度的影響特別顯著，隨著溫度的降低，脆性斷裂的危險性迅速增加，但疲勞極限卻受溫度的影響比較小，因此疲勞斷裂和溫度的變化關系也不大。
