【焊接知识】焊接接头Ｓ⁃ Ｎ 曲线的特殊性
焊接接头的S-N曲线的特征完全不同于金属材料的S-N曲线的特征，认识到这一特殊性很重要。
3.3.1 母材的屈服强度对焊接接头疲劳强度的影响
英国焊接研究所的试验数据证明了母材本身的屈服强度对于焊接接头疲劳特性的影响不明显。图3-4给出了该图右上方所示的焊接接头的疲劳试验结果。试验过程中，焊接接头分别使用了不同屈服强度等级的结构钢作为母材：<350MPa，350～400MPa，400～550MPa，670～730MPa。从这些试验数据中可以看出，尽管母材的屈服强度从350MPa变化到730MPa，但是这些S-N曲线均分布在同一窄带之中。这些试验数据本身具有一定说服力，下面在力学层面上对这一现象给出解释。
首先，焊接母材的屈服强度从350MPa变化到了730MPa，它们的其他材料性能没有改变，例如杨氏模量、泊松比，这就意味着在应力与应变的拉伸图上，除了屈服强度有高低之分外曲线斜率没有改变。因此对给定的焊接接头来说，在疲劳载荷也给定的前提下，虽然母材屈服强度的指标改变了，但是并不改变它的名义应力或应力集中的分布，于是根据后面将要介绍的疲劳寿命的计算公式可以看出，因名义应力或应力集中分布不变，它的疲劳寿命或疲劳强度也不会改变。所以当仅考虑疲劳强度这个指标时，试图通过提高母材的屈服强度来提高其抗疲劳能力的目的将不可能达到。
3.3.2 焊接接头S-N曲线具有相同的斜率
关于焊接接头S-N曲线的特殊性，还有另外一个完全不同于金属材料S-N曲线的特征。图3-5的上方给出了两个同样金属材料的S-N曲线数据对比，一个是光滑试件，一个是有缺口的试件。试验结果表明它们的S-N曲线数据的斜率不同。然而这种现象并没有在焊接接头的疲劳试验中出现，大量的统计数据反而表明焊接接头的S-N曲线数据中至少在寿命区间内有趋于一致的S-N曲线斜率。图3-5下方给出了两个焊接接头的S-N曲线数据，虽然接头的几何形状完全不同但是斜率却相同。
在英国标准（BS 7608）、国际焊接学会（IIW）等标准中，给出了一批焊接接头的S-N曲线数据。它们的几何形状不一样，但是所有的S-N曲线却有相同的斜率。这也可以从计算焊接接头疲劳寿命数学公式中给出解释。例如IIW给出的疲劳寿命计算公式是：
由于不同的焊接接头有不同的常数值，因此式（3-1）给出的是一系列斜率相同且互相平行的S-N曲线族。关于这一点，后面还将看到这也是由裂纹扩展规律所决定的。另外，不同的熔焊方法对S-N曲线数据的影响也很小。
以上图文来自机械工业出版社出版的《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》。
目 录
前言
第1章 引论1
1.1 焊接结构抗疲劳设计过程中的认识误区1
1.2 编写本书的基本目的5
参考文献6
第2章 预备知识8
2.1 金属疲劳的基本原理8
2.2 焊接接头的基本术语10
2.3 焊接结构的疲劳载荷11
2.4 焊接接头工作应力的定义13
2.5 S-N曲线及其内涵16
2.6 Miner线性疲劳损伤累积基本理论及其内涵18
2.7 Paris裂纹扩展定律与寿命积分18
2.8 本章小结21
参考文献22
第3章 焊接结构疲劳强度问题的特殊性23
3.1 焊接接头的几何不连续性23
3.2 焊接接头的疲劳破坏模式24
3.3 焊接接头S-N曲线的特殊性26
3.3.1 母材的屈服强度对焊接接头疲劳强度的影响26
3.3.2 焊接接头S-N曲线具有相同的斜率27
3.4 焊接接头残余应力对疲劳寿命的影响28
3.5 本章小结33
参考文献33
第4章 焊接结构抗疲劳设计与评估的传统方法35
4.1 钢结构的抗疲劳设计与评估标准36
4.1.1 英国BS 7608标准的名义应力法36
4.1.2 国际焊接学会（IIW）的名义应力法40
4.2 铝结构的抗疲劳设计与评估标准42
4.3 专用结构的抗疲劳设计与评估44
4.4 基于热点应力的抗疲劳设计与评估47
4.5 传统方法的工程应用50
4.5.1 模块功能设计50
4.5.2 实施案例51
4.6 传统评估方法的工程应用局限性54
4.7 本章小结57
参考文献58
第5章 结构应力的定义及其内涵60
5.1 有限元方法的基础知识60
5.2 结构应力的定义与计算65
5.3 结构应力的力学解释与存在的试验证明70
5.4 本章小结74
参考文献74
第6章 主S-N曲线76
6.1 基于结构应力的K值评估76
6.1.1 无缺口效应的K值求解77
6.1.2 有缺口效应的K值求解79
6.2 特征深度与缺口应力强度放大因子80
6.2.1 特征深度80
6.2.2 缺口应力强度放大因子80
6.3 两阶段裂纹扩展模型82
6.4 等效结构应力及主S-N曲线计算公式83
6.5 ASME标准中焊接结构的疲劳寿命评估88
6.6 本章小结91
参考文献91
第7章 焊接接头抗疲劳设计与寿命评估92
7.1 EN15085的焊接接头设计完整性流程93
7.2 焊接接头疲劳载荷的获取95
7.3 获取焊接接头上疲劳载荷的子结构技术95
7.4 确定应力因数等级的两种技术99
7.4.1 基于名义应力计算应力因数的具体步骤99
7.4.2 基于结构应力计算应力因数的具体步骤102
7.4.3 随机载荷作用时应力状态的确认105
7.5 本章小结107
参考文献108
第8章 基于结构应力的虚拟疲劳试验技术109
8.1 应力集中与刚度不协调109
8.2 基于结构应力的虚拟疲劳试验技术平台113
8.3 虚拟疲劳试验的实例116
8.3.1 某轨道货车三轴焊接构架的虚拟疲劳试验116
8.3.2 某轨道客车转向架焊接构架的虚拟疲劳试验120
8.4 本章小结124
参考文献125
第9章 模态结构应力与频域结构应力127
9.1 模态结构应力的定义与计算127
9.1.1 模态的基础知识127
9.1.2 模态结构应力的计算公式130
9.1.3 模态结构应力的计算实例132
9.2 频域结构应力的定义与应用135
9.2.1 随机振动基础知识136
9.2.2 频域结构应力的推导及疲劳评估139
9.2.3 频域结构应力计算实例142
9.3 本章小结147
参考文献148
第10章 结构应力法的最新研究成果149
10.1 剩余寿命评估及等效初始裂纹替代法149
10.2 多轴疲劳问题的MLP法153
10.2.1 多轴应力状态153
10.2.2 PDMR方法155
10.2.3 MLP方法157
10.2.4 MLP方法的物理解释159
10.2.5 Sonsino和Kueppers的试验161
10.3 低周疲劳问题的结构应变法163
10.3.1 伪弹性应力与LCF数据的处理164
10.3.2 结构应变法与低周疲劳166
10.3.3 基于LCF测试数据的验证169
10.4 基于等效结构应变参数的统一方程171
10.4.1 结构应力与结构应变的比较171
10.4.2 主应变-寿命曲线172
10.5 本章小结174
参考文献175
第11章 结构应力法的工程应用案例177
11.1 SAE“疲劳挑战”案例177
11.1.1 基于结构应力的焊缝疲劳开裂位置预测177
11.1.2 基于主S-N曲线的焊缝疲劳寿命预测179
11.2 焊接吊架疲劳隐患成功治理案例182
11.2.1 应力集中的确认182
11.2.2 缓解应力集中的对策及有效性验证183
11.3 焊根疲劳开裂的成功治理案例186
11.3.1 结构应力的计算186
11.3.2 改进方案的疲劳强度评估187
11.4 焊缝疲劳开裂识别案例190
11.4.1 结构应力计算191
11.4.2 动应力测试192
11.5 本章小结193
参考文献194
