Vermoeidheidsfalen en broze breuk van gelaste structuren

1. Vermoeidheid falen van gelaste constructies

Uit een grote hoeveelheid statistische gegevens blijkt dat meer dan 80% van de structurele storingen in de techniek wordt veroorzaakt door vermoeidheid. Het onderzoeksrapport dat door het National Bureau of Standards van het Amerikaanse ministerie van Handel aan het Amerikaanse Congres is voorgelegd, stelt dat de Verenigde Staten jaarlijks 119 miljard dollar betalen voor fracturen en preventie, gelijk aan 4% van de totale nationale economische output. Statistieken tonen aan dat de overgrote meerderheid van fracturen wordt veroorzaakt door vermoeidheid.

Verschillende bruggen in de Verenigde Staten hebben last gehad van vermoeidheidsbreukscheuren aan de lasteen nabij het einde van de las, zoals weergegeven in figuren 2-53. Er is een hoge spanningsconcentratie op de scheurlocatie die in het diagram wordt weergegeven. Onder belasting is de vlakverplaatsing van de webplaat geconcentreerd op een relatief smalle en niet-ondersteunde hoogte van de webplaat, dat wil zeggen, de hoogte van de webplaat van de vleugelplaat tot de onderkant van de verstevigingsrib (in het gearceerde gebied), waardoor de webplaat op die locatie barst.

Vermoeidheid wordt gedefinieerd als de schade aan structurele componenten die wordt veroorzaakt door het initiëren en langzame voortplanting van scheuren veroorzaakt door herhaalde spanningen. Het vermoeidheidsbreukproces doorloopt gewoonlijk drie fasen: scheurinitiatie, stabiele voortplanting en onstabiele voortplanting.

(1) Kenmerken van het oppervlak van de vermoeidheidsbreuk

Bij het uitvoeren van macroscopische analyze van vermoeidheidsbreuk, wordt het breukoppervlak in het algemeen verdeeld in drie zones, die overeenkomen met de vorming, voortplanting en onmiddellijke breukstadia van vermoeidheidsscheuren, namelijk de vermoeidheidsbronzone, vermoeidheidsvoortplantingszone en momentane voortplantingszone, zoals weergegeven in figuren 2-54.

De vermoeidheidsbronzone is het echte record dat wordt achtergelaten door het vormingsproces van vermoeidheidsscheuren op het breukoppervlak. Vanwege de geringe omvang van het vermoeiingsbrongebied is het moeilijk om de dwarsdoorsnedekenmerken van het vermoeiingsbrongebied macroscopisch te onderscheiden. Vermoeidheidsbronnen komen over het algemeen voor op het oppervlak, maar als er defecten in de component zijn, zoals brosse insluitsels, kunnen ze ook in de component voorkomen. Soms is er meer dan één vermoeidheidsbron, maar er zijn er twee of zelfs meer. Voor vermoeidheid van de lage cyclus, vanwege de grotere reamplitude, zijn er vaak verschillende vermoeidheidsbronnen op verschillende posities op het breukoppervlak.

(2) Factoren die de vermoeiingssterkte van gelaste constructies beïnvloeden

De factoren die de vermoeiingssterkte van het basismateriaal beïnvloeden, zoals spanningsconcentratie, dwarsdoorsnede, oppervlakteconditie, laadomstandigheden, enz., Hebben ook invloed op de gelaste structuur. Bovendien kunnen sommige kenmerken van de lasstructuur zelf, zoals veranderingen in de prestaties van de verbinding nabij het naadgebied, restspanning lassen, enz., Ook invloed hebben op lasmoeheid.

(1) De invloed van spanningsconcentratie in gelaste constructies. Vanwege verschillende stressconcentraties bij het gewricht hebben ze in verschillende mate nadelige effecten op de vermoeiingssterkte van het gewricht.

(2) Experimenteel onderzoek naar de invloed van veranderingen in metaaleigenschappen nabij de naadzone toont aan dat lassen van koolstofarm staal onder veelgebruikte lijnenergie. De vermoeiingssterkte van de door hitte aangetaste zone is vrij gelijkaardig aan die van het basismetaal, en de mechanische eigenschappen van het metaal in de nabije naadzone hebben een relatief kleine invloed op de vermoeiingssterkte van het gewricht.

(3) De invloed van restspanning op de structurele vermoeiingssterkte hangt af van de distributietoestand van restspanning. In gebieden met hoge werkspanning, zoals stressconcentratiegebieden en de buitenrand van gebogen componenten, is restspanning treksterkte, wat de vermoeiingssterkte vermindert; Integendeel, als er op die locatie compressieve restspanning is, wordt de vermoeiingssterkte verhoogd. Bovendien is de invloed van restspanning op vermoeiingssterkte ook gerelateerd aan factoren zoals spanningsconcentratiegraad en stresscyclusgetal, vooral hoe hoger de spanningsconcentratiecoëfficiënt, hoe belangrijker de invloed van reststress.

(4) De impact van lasdefecten op de vermoeiingssterkte is gerelateerd aan het type, de grootte, de richting en de locatie van de defecten. Flake defecten (zoals scheuren, gebrek aan fusie en onvolledige penetratie) hebben een grotere impact dan defecten met afgeronde hoeken (zoals poriën); Oppervlaktedefecten hebben een grotere impact dan interne defecten; defecten in stressconcentratiegebieden hebben een grotere impact dan hetzelfde defect in een uniform spanningsveld; De invloed van schilferige defecten loodrecht op de richting van de uitgeoefende kracht is groter dan in andere richtingen; Defecten die zich binnen het resterende trekspanningsveld bevinden, hebben een grotere impact dan die in de residuele drukspanningZone.

(3) Maatregelen om de vermoeiingssterkte te verbeteren

1. Verminder stressconcentratie in componenten

De spanningsconcentratie in de structuur is de belangrijkste factor bij het verminderen van de vermoeiingssterkte van gelaste constructies, en de volgende maatregelen worden in het algemeen genomen.

(1) Verminder stressconcentratie met een redelijke componentstructuur om de vermoeiingssterkte te verbeteren.

(2) Kies redelijkerwijs de gewrichtsvorm en probeer stootverbindingen te gebruiken met factoren met lage stressconcentratie, met een soepele overgang in de vorm van de lasnaad. Continu lassen is voordeliger dan intermitterend lassen voor trillingsbelastingen, en filtellassen moet zo min mogelijk worden gebruikt.

(3) Bij het gebruik van filet lassen, moeten uitgebreide maatregelen worden genomen, zoals het bewerken van het uiteinde van de las, het redelijk selecteren van de vorm van de haatverbindingsplaat, en ervoor zorgen dat de wortel van de las volledig is gepenetreerd.

(4) Gebruik van oppervlaktebewerkingsmethoden om verschillende groeven nabij de lasnaad te elimineren en de spanningsconcentratie in de verbinding te verminderen

2. Procesmaatregelen om de vermoeiingssterkte van gelaste constructies te verbeteren

(1) De juiste lasspecificaties moeten tijdens het proces worden geselecteerd om ervoor te zorgen dat de lasnaad goed is gevormd en dat er geen defecten binnen of buiten zijn.

(2) TIG-lasboog-vormgeving kan de vermoeiingssterkte van gelaste verbindingen aanzienlijk verbeteren.

(3) Restspanning aanpassen. Er zijn twee soorten methoden: algehele behandeling van structuren en componenten, inclusief algehele uitgloei-of overbelastingsmethode; Lokale behandeling van het gewrichtsgebied omvat het gebruik van methoden zoals verwarming, rollen, en lokale explosie om restspanning te genereren op het stressconcentratiepunt van het gewricht.

(4) Het verbeteren van de mechanische eigenschappen van materialen door oppervlakteversterkende behandeling kan de vermoeiingssterkte van verbindingen verhogen door kleine wielextrusie te gebruiken of het lasoppervlak en de overgangszone lichtjes met een hamer te tikken, of het bespuiten van het lasgebied met kleine stalen ballen.

3. vaststelling van speciale beschermende maatregelen

Het gebruik van speciale plastic coatings om de vermoeidheidsprestaties van gelaste verbindingen te verbeteren, is een nieuwe technologie met aanzienlijke effecten.

2. Broze breuk van gelaste structuren

Sinds de wijdverbreide toepassing van gelaste constructies hebben veel landen te maken gehad met brosse breukongevallen met gelaste constructies, met ernstige en zelfs catastrofale gevolgen. De resultaten van een gezamenlijk onderzoek door het Britse Atoomenergieagentschap en het Technisch Comité van de Verenigde Naties geven aan dat de meeste catastrofale ongevallen die plaatsvonden in 12700 drukvaten tijdens de productie brosse breuken waren, met een ongevallenpercentage van 2,3 × 10 ~ 4; Onder 100300 in-service drukvaten, Het aantal catastrofale ongevallen is 0,7 × 10 ~ 4, het aantal ongevallen met letsel 12,5 × 10 ~ 4 Totaal 13,2 × 1 tot 4. Het meest typische voorbeeld van veel ernstige ongevallen is het instorten van de Hesseltbrug aan het Albertkanaal in België op 14 maart 1938.

(1) Kenmerken van brosse breuk

(1) Broze breuk treedt over het algemeen op wanneer de spanning niet hoger is dan de structurele ontwerpspanning en er geen significante plastische vervorming is, en deze strekt zich uit tot de gehele structuur, wat resulteert in ernstige verliezen.

(2) Broze breuk begint vaak vanaf het punt van spanningsconcentratie, zoals de aanwezigheid van defecten en lassen in de component.

(3) Bij lage temperaturen zijn dikke secties en hoge reksnelheden gevoelig voor brosse breuken onder dynamische belasting. Een groot aantal studies over brosse breukongevallen hebben aangetoond dat de redenen voor het lassen van brosse breuk veelzijdig zijn, maar de belangrijkste zijn onjuiste materiaalselectie, onredelijk ontwerp, imperfecte productieprocessen, en inspectietechnieken.

(2) Factoren die de brosse breuk van metalen beïnvloeden

1. De invloed van temperatuur op de wijze van schade

Verlaging van de temperatuur zal de storingsmodus transformeren van plastic falen naar bros falen. Dit komt doordat naarmate de temperatuur daalt, het risico op splitsingsbreuk toeneemt en het materiaal een overgang van ductiele naar brosse breuk zal ondergaan, dat wil zeggen dat de brosse overgangstemperatuur van het materiaal toeneemt.

2. De invloed van de stresstoestand

Objecten genereren verschillende normale spanningen op verschillende dwarsdoorsneden wanneer ze worden blootgesteld aan externe belastingen. Funeer En schuifspanning т, Onder hen is er een maximale normale stressvrij Max en maximale schuifspanning т Max. zonder Max en т Max en zijn verhouding. Max/ т Max is gerelateerd aan de laadmethode. A = Max/ т Max wordt de spanningstoestandcoëfficiënt genoemd, die gerelateerd is aan de laadmethode en de vorm van het onderdeel. De verhoogde stresstoestand is bevorderlijk voor ductiele breuk van plastic deVorming afschuifspanning, terwijl de Het verminderen ervan gunstig is voor brosse fracturen onder normale stress.

3. de impact van laadsnelheid

Onderzoek heeft aangetoond dat het verhogen van de laadsnelheid bros falen van materialen kan bevorderen, wat overeenkomt met het verlagen van de temperatuur. Er moet ook op worden gewezen dat onder dezelfde laadsnelheid, wanneer er defecten in de structuur zijn, de reksnelheid een negatief effect van verdubbeling kan hebben. Omdat op dit punt de stressconcentratie de lokale plasticiteit van het materiaal aanzienlijk vermindert.

4. De invloed van de materiële status

(1) De invloed van de plaatdikte is eerst dat dikke platen vatbaar zijn voor het vormen van een vlakke rektoestand van driedimensionale spanning op de defectlocatie. Bovendien hebben dikke platen minder rolcycli, losse microstructuur en ongelijke interne en externe eigenschappen.

(2) De invloed van korrelgrootte heeft een aanzienlijke invloed op de brosse overgangstemperatuur. Hoe fijner het graan, hoe lager de overgangstemperatuur.

(3) De invloed van chemische samenstelling op elementen zoals C, N, O, H, S, P in staal kan de broosheid ervan vergroten.