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 焊接殘余應力對疲勞強度的影響

焊接殘余應力是焊接結構所特有的特征，因此，它對于焊接結構疲勞強度的影響是人們廣為關心的問題，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力的試樣與經過熱處理消除殘余應力后的試樣，進行疲勞試驗作對比。由于焊接殘余應力的產生往往伴隨著焊接熱循環引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應力的同時也恢復或部分地恢復了材料的性能，同時也由于試驗結果的分散性，因此對試驗結果就產生了不同的解釋，對焊接殘余應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次循環試驗結果，不同研究者得出了不同結論。有人發現：熱處理消除應力試樣的疲勞強度比焊態相同試樣的疲勞強度增加12.5%；另有人則發現焊態和熱處理的試樣的疲勞強度是一致的，即差異不大；但也有人發現采用熱處理消除殘余應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，直到前蘇聯一些學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對在不同應力循環特征下焊接殘余應力對接頭疲勞強度影響的研究。試驗采用14Mn2普通低合金結構鋼，試樣上有一條橫向對接焊縫，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力的熱處理，另一組未經熱處理。疲勞強度對比試驗采用三種應力循環特征系數r=-1, 0, +0.3。 在交變載荷下（r=-1），消除殘余應力試樣的疲勞強度接近130MPa，而未經消除殘余應力的僅為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，經熱處理消除殘余應力的試樣疲勞強度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣（270MPa）。產生這個現象的主要原因是：在r值較高時，例如在脈動載荷下（r=0），疲勞強度較高，在較高的拉應力作用下，殘余應力較快地得到釋放，因此殘余應力對疲勞強度的影響就減弱；當r增大到0.3時，殘余應力在載荷作用下，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力的同時又軟化了材質，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力和焊接熱循環所引起材質變化對疲勞強度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應力對接頭疲勞強度的影響與疲勞載荷的應力循環特性有關。即在循環特性值較低時，影響比較大。  

前面己指出，由于結構焊縫中存有達到材料屈服點的殘余應力，因此在常幅施加應力循環作用的接頭中，焊縫附近所承受的實際應力循環將是由材料的屈服點向下擺動，而不管其原始作用的循環特征如何。例如標稱應力循環為+S1到-S2，則其應力范圍應為S1+S2。但接頭中的實際應力循環范圍將是由Sy（屈服點的應力幅）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，它導致了一些設計規范以應力范圍代替了循環特征r。

此外，在試驗過程中，試件的尺寸大小、加載方式、應力循環比、載荷譜也對疲勞強度有很大的影響。