Awaria zmęczeniowa i kruche pęknięcie konstrukcji spawanych

1. Zmęczenie awarii konstrukcji spawanych

Duża ilość danych statystycznych pokazuje, że ponad 80% awarii konstrukcyjnych w inżynierii jest spowodowanych zmęcze niem. Raport z badań przedłożony Kongresowi USA przez National Bureau of Standards Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych stwierdza, że Stany Zjednoczone płacą rocznie 119 miliardów dolarów za złamanie i zapobieganie, co odpowiada 4% całkowitej krajowej produkcji gospodarczej. Statystyki pokazują, że zdecydowana większość złamań jest spowodowana zmęcze niem.

Kilka mostów w Stanach Zjednoczonych doświadczyło pęknięć zmęczeniowych na palcu spoiny w pobliżu końca spoiny, jak pokazano na rysunkach 2-53. W miejscu pęknięcia pokazanym na schemacie występuje duże stężenie naprężeń. Pod obciążeniem, płaskie przemieszczenie płyty wstęgi jest skoncentrowane na stosunkowo wąskiej i nieobsługiwanej wysokości płyty wstęgi, to znaczy, wysokość płytki wstęgi od płyty skrzydłowej do dna żebra wzmacniającego (w obszarze zacienionym), powodując pękanie płytki sieciowej w tym miejscu.

Zmęczenie definiuje się jako uszkodzenie elementów konstrukcyjnych spowodowane inicjacją i powolnym rozprzestrzenianiem się pęknięć spowodowanych powtarzającymi się naprężeniami. Proces pękania zmęczeniowego zwykle przebiega w trzech etapach: inicjacja pęknięć, stabilna propagacja i niestabilna propagacja.

(1) Charakterystyka powierzchni złamania zmęczeniowego

Podczas przeprowadzania analizy makroskopowej złamania zmęczeniowego powierzchnia pęknięcia jest ogólnie podzielona na trzy strefy, które odpowiadają tworzeniu, propagacji i chwilowym etapom pękania pęknięć zmęczeniowych, a mianowicie strefie źródła zmęczenia, strefa propagacji zmęczenia i strefa chwilowej propagacji, jak pokazano na rysunkach 2-54.

Strefa źródła zmęczenia jest prawdziwym zapisem pozostawionym przez proces powstawania pęknięć zmęczeniowych na powierzchni pęknięcia. Ze względu na niewielkie rozmiary powierzchni źródła zmęczeniowego trudno jest rozróżnić charakterystykę przekroju poprzecznego obszaru źródła zmęczeniowego makroskopowo. Źródła zmęczenia zwykle występują na powierzchni, ale jeśli wewnątrz komponentu występują defekty, takie jak kruche wtrącenia, mogą również wystąpić wewnątrz komponentu. Czasami istnieje więcej niż jedno źródło zmęczenia, ale są dwa lub nawet więcej. W przypadku zmęczenia w niskim cyklu, ze względu na większą amplitudę odkształcenia, często istnieje kilka źródeł zmęczenia zlokalizowanych w różnych pozycjach na powierzchni pęknięcia.

(2) Czynniki wpływające na wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji spawanych

Czynniki wpływające na wytrzymałość zmęczeniową materiału podstawowego, takie jak koncentracja naprężeń, rozmiar przekroju, stan powierzchni, warunki obciążenia itp., Również mają wpływ na spawaną konstrukcję. Ponadto niektóre cechy samej konstrukcji spawalniczej, takie jak zmiany w wydajności złącza w pobliżu obszaru szwu, naprężenia szczątkowe spawania itp., Mogą również mieć wpływ na zmęczenie spawania.

(1) Wpływ koncentracji naprężeń w konstrukcjach spawanych. Ze względu na różne stężenia naprężeń w stawie mają one różny stopień niekorzystnego wpływu na wytrzymałość zmęczeniową stawu.

(2) Badania eksperymentalne nad wpływem zmian właściwości metalu w pobliżu strefy szwu pokazują, że spawanie stali niskowęglowej pod powszechnie stosowaną energią linii. Wytrzymałość zmęczeniowa strefy wpływu ciepła jest dość podobna do wytrzymałości metalu nieszlachetnego, a właściwości mechaniczne metalu w strefie bliskiego szwu mają stosunkowo niewielki wpływ na wytrzymałość zmęczeniową stawu.

(3) Wpływ naprężenia szczątkowego na wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji zależy od stanu dystrybucji naprężeń szczątkowych. W obszarach o wysokim naprężeniu roboczym, takich jak obszary koncentracji naprężeń i zewnętrzna krawędź wygiętych elementów, naprężenie szczątkowe jest rozciągliwe, co zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową; Przeciwnie, jeśli w tym miejscu występuje naprężenie szczątkowe ściskające, wytrzymałość zmęczeniowa zostanie zwiększona. Ponadto wpływ naprężeń szczątkowych na wytrzymałość zmęczeniową jest również związany z czynnikami takimi jak stopień koncentracji naprężeń i liczba cykli naprężeń, zwłaszcza im wyższy współczynnik koncentracji naprężeń, tym bardziej znaczący wpływ stresu szczątkowego.

(4) Wpływ defektów spawalniczych na wytrzymałość zmęczeniową jest związany z rodzajem, rozmiarem, kierunkiem i lokalizacją wad. Wady płatków (takie jak pęknięcia, brak fuzji i niepełna penetracja) mają większy wpływ niż defekty z zaokrąglonymi narożnikami (takie jak pory); Wady powierzchniowe mają większy wpływ niż wady wewnętrzne; wady zlokalizowane w obszarach koncentracji naprężeń mają większy wpływ niż ta sama wada w jednolitym polu naprężeń; Wpływ defektów łuszczących się prostopadle do kierunku przyłożonej siły jest większy niż w innych kierunkach; Wady znajdujące się w obrębie szczątkowego pola naprężenia rozciągającego mają większy wpływ niż w szczątkowym naprężeniu ściskającymStrefa.

(3) Środki mające na celu poprawę wytrzymałości zmęczeniowej

1. Zmniejsz koncentrację stresu w komponentach

Koncentracja naprężeń w strukturze jest głównym czynnikiem zmniejszającym wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji spawanych i ogólnie podejmowane są następujące środki.

(1) Zmniejsz koncentrację naprężeń dzięki rozsądnej strukturze składowej, aby poprawić wytrzymałość zmęczeniową.

(2) Rozsądnie wybierz formę spoiny i spróbuj zastosować połączenia doczołowe o niskich współczynnikach koncentracji naprężeń, z płynnym przejściem w kształcie szwu spoiny. Spawanie ciągłe jest bardziej korzystne niż spawanie przerywane w przypadku obciążeń wibracyjnych, a spawanie filetowe powinno być stosowane w jak najmniejszym stopniu.

(3) Przy stosowaniu spoin filetowych należy podjąć kompleksowe środki, takie jak obróbka końca spoiny, rozsądny wybór kształtu płyty łączącej filet, i zapewnienie, że korzeń spoiny jest w pełni penetrowany.

(4) Zastosowanie metod obróbki powierzchni w celu wyeliminowania różnych rowków w pobliżu szwu spoiny i zmniejszenia koncentracji naprężeń w połączeniu

2. środki procesowe w celu poprawy wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji spawanych

(1) W procesie należy wybrać prawidłowe specyfikacje spawania, aby zapewnić, że szew spoiny jest dobrze uformowany i nie ma żadnych wad wewnątrz ani na zewnątrz.

(2) Kształtowanie łuku spawalniczego TIG może znacznie poprawić wytrzymałość zmęczeniową połączeń spawanych.

(3) Dostosuj stres szczątkowy. Istnieją dwa rodzaje metod: ogólna obróbka struktur i komponentów, w tym ogólna metoda wyżarzania lub wstępnego rozciągania przeciążeniowego; Lokalna obróbka obszaru połączenia obejmuje stosowanie metod takich jak ogrzewanie, walcowanie, i lokalna eksplozja w celu wygenerowania naprężenia szczątkowego w punkcie koncentracji naprężenia stawu.

(4) Poprawa właściwości mechanicznych materiałów poprzez obróbkę wzmacniającą powierzchnię może zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową połączeń poprzez zastosowanie wytłaczania małych kół lub lekkie stukanie w powierzchnię spoiny i strefę przejściową za pomocą młotka, lub natryskiwanie obszaru spoiny małymi stalowymi kulkami.

3. przyjęcie specjalnych środków ochronnych

Zastosowanie specjalnych powłok z tworzyw sztucznych w celu poprawy wydajności zmęczeniowej połączeń spawanych jest nową technologią o znaczących efektach.

2. kruche pęknięcie konstrukcji spawanych

Od czasu powszechnego stosowania konstrukcji spawanych, wiele krajów doświadczyło kruchych wypadków pękania konstrukcji spawanych, z poważnymi, a nawet katastrofalnymi konsekwencjami. Wyniki wspólnego dochodzenia brytyjskiej Agencji Energii Atomowej i Komitetu Technicznego ONZ wskazują, że większość katastrofalnych wypadków, które miały miejsce w 12700 zbiornikach ciśnieniowych w trakcie produkcji, to kruche pęknięcia, ze wskaźnikiem wypadków 2,3 × 10 ~ 4; Wśród 100300 eksploatowanych zbiorników ciśnieniowych, Wskaźnik katastrofalnych wypadków wynosi 0,7 × 10 ~ 4, wskaźnik wypadków 12,5 × 10 ~ 4 Razem 13,2 × 1 do 4. Najbardziej typowym przykładem wielu poważnych wypadków jest zawalenie się mostu Hesselt na kanale Alberta w Belgii 14 marca 1938 roku.

(1) Charakterystyka kruchego złamania

(1) Pęknięcie kruche występuje zwykle, gdy naprężenie nie jest wyższe niż naprężenie konstrukcyjne i nie ma znaczącego odkształcenia plastycznego i rozciąga się na całą konstrukcję, powodując poważne straty.

(2) Kruche pęknięcie często zaczyna się od punktu koncentracji naprężeń, takiego jak obecność defektów i spoin w elemencie.

(3) W niskich temperaturach grube sekcje i wysokie współczynniki odkształcania są podatne na kruche pękanie pod obciążeniem dynamicznym. Duża liczba badań dotyczących wypadków kruchego pęknięcia wykazała, że przyczyny spawania kruchego pęknięcia są wielopłaszczyznowe, ale główne z nich to niewłaściwy dobór materiału, nieuzasadniony projekt, niedoskonałe procesy produkcyjne, i techniki inspekcji.

(2) Czynniki wpływające na kruche pękanie metali

1. wpływ temperatury na tryb uszkodzenia

Obniżenie temperatury zmieni tryb awarii z awarii plastiku na awarię kruchą. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze spadkiem temperatury wzrasta ryzyko pęknięcia rozszczepiającego, a materiał przechodzi od pękania ciągliwego do kruchego, to znaczy wzrasta temperatura kruchego przejścia materiału.

2. wpływ stanu stresu

Obiekty generują różne normalne naprężenia na różnych przekrojach, gdy są poddawane obciążeniom zewnętrznym б I naprężenie ścinające т, Wśród nich jest maksymalne normalne naprężenie б Max i maksymalne naprężenie ścinające т Max. б Max i т Max i jego stosunek б Max/ т Max jest powiązany z metodą ładowania. A = б Max/ т Max nazywany jest współczynnikiem stanu naprężenia, który jest związany z metodą ładowania i kształtem części. Б Zwiększony stan naprężenia sprzyja plastycznemu pękaniu plastiku deFormacyjne naprężenie ścinające, podczas gdy б Zmniejszenie jest korzystne dla kruchego pękania przy normalnym naprężeniu.

3. wpływ prędkości załadunku

Badania wykazały, że zwiększenie prędkości ładowania może sprzyjać kruchej awarii materiałów, co jest równoważne obniżeniu temperatury. Należy również podkreślić, że przy tej samej szybkości obciążenia, gdy występują defekty w strukturze, szybkość odkształcenia może mieć negatywny wpływ na podwojenie. Ponieważ w tym momencie koncentracja naprężeń znacznie zmniejsza lokalną plastyczność materiału.

4. wpływ statusu materialnego

(1) Wpływ grubości płyty polega najpierw na tym, że grube płyty są podatne na tworzenie płaskiego stanu odkształcenia trójwymiarowego naprężenia w miejscu defektu. Ponadto grube płyty mają mniej cykli toczenia, luźną mikrostrukturę i nierówne właściwości wewnętrzne i zewnętrzne.

(2) Wpływ wielkości ziarna ma znaczący wpływ na temperaturę przejścia kruchego. Im drobniejsze ziarno, tym niższa jego temperatura przejścia.

(3) Wpływ składu chemicznego na pierwiastki takie jak C, N, O, H, S, P w stali może zwiększyć jej kruchość.