Guasto alla fatica e frattura fragile di strutture saldate

1. Guasto alla fatica delle strutture saldate

Una grande quantità di dati diagnostici mostra che oltre il 80% dei guasti strutturali nell'ingegneria sono causati dalla fatica. Il rapporto di ricerca inviato dal National Bureau of Standards del dipartimento del commercio degli stati uniti agli stati uniti che gli stati uniti pagano un costo di $119 miliardi all'anno per la frattura e la prevenzione, equivalente al 4% della produzione economica nazionale totale. Le statistiche mostrano che la vasta maggior parte delle fratture sono causate dalla fatica.

Diversi ponti negli stati uniti hanno subito crepe di frattura da fatica nella punta di saldatura vicino alla fine della saldatura, come mostrato nelle figure 2-53. C' è un'elevata concentrazione di stress nella posizione delle crepe indicata nel diagramma. Sotto carico, lo spostamento del piano della piastra web è concentrato ad un'altezza relativa e non supportata della piastra web, che è, l'altezza della piastra del nastro dalla piastra dell'ala al fondo della nervatura di rinforzo (nell'area ombreggiata), facendo sì che la piastra del web si rompa in quella posizione.

La fatica è definita come il danno ai componenti strutturali causati dall'iniziazione e dalla lenta propagazione delle crepe causati da stress ripetuti. Il processo di frattura della fatica di solito passa attraverso tre fasi: iniziazione di crepe, propagazione stabile e propagazione non stabile.

(1) caratteristiche della superficie della frattura della fatica

Quando si esegue l'analisi macroscopica della frattura della fatica, la superficie della frattura è divisa in tre zone, che corrisponde alla formazione, alla propagazione e alle fasi di frattura istantanea delle crepe della fatica, vale a dire la zona della sorgente di fatica, zona di propagazione della fatica e zona di propagazione istantanea, come mostrato in figure 2-54.

La zona della sorgente di fatica è il record reale lasciato dal processo di formazione delle crepe di fatica sulla superficie della frattura. A causa delle piccole dimensioni dell'area della sorgente di fatica, è difficile separare le caratteristiche trasversali dell'area della sorgente di fatica macroscoal. Le fonti di fatica si presentano in generale sulla superficie, ma se ci sono difetti all'interno del componente, come le inclusione fragili, possono anche essere presenti all'interno del componente. A volte c' è più di una fonte di fatica, ma ce ne sono due o anche di più. Per l'affaticamento del ciclo basso, a causa della sua maggiore ampiezza del ceppo, ci sono spesso diverse fonti di fatica che si trovano in diverse posizioni sulla superficie della frattura.

(2) fattori che riflettono la resistenza alla fatica delle strutture saldate

I fattori che cambiano la resistenza alla fatica del materiale di base, come la concentrazione di stress, le dimensioni trasversali, le condizioni di superficie, le condizioni di carico, ecc., hanno anche un impatto sulla struttura saldata. In aggiunta, alcune caratteristiche della struttura di saldatura stessa, come i cambiamenti nelle prestazioni del giunto vicino alla zona di cucitura, lo stress residuo di saldatura, ecc., possono anche avere un impatto sulla fatica della saldatura.

(1) l'influenza della concentrazione di stress nelle strutture saldate. A causa di diverse condizioni di stress all'articolazione, hanno diversi gradi di effetti negativi sulla forza di fatica dell'articolazione.

(2) la ricerca sperimentale sull'influenza dei cambiamenti nelle proprietà metalliche vicino alla zona di cucitura mostra che la saldatura di acciaio a basso tenore di carbonio sotto l'energia di linea comunemente utilizzata. La resistenza alla fatica della zona colpita dal calore è abbastanza simile a quella del metallo di base, E le proprietà meccaniche del metallo nella zona di cucitura vicina hanno un impatto abbastanza piccolo sulla resistenza alla fatica dell'articolazione.

(3) l'influenza dello stress residuo sulla resistenza alla fatica strutturale dipende dallo stato di distribuzione dello stress residuo. In aree con alto stress da lavoro, come le aree di concentrazione dello stress e il bordo esterno dei componenti piegati, lo stress residuo è la trazione, che riduce la resistenza alla fatica; se c' è stress residuo compressivo in quella posizione, la resistenza alla fatica sarà aumentata. In aggiunta, l'influenza dello stress residuo sulla forza della fatica è anche legata a fattori come il grado di concentrazione di stress e il numero del ciclo di stress, In particolare il coefficiente di concentrazione di stress, più significativo l'influenza dello stress residuo.

(4) l'impatto dei difetti di saldatura sulla resistenza alla fatica è legato al tipo, alle dimensioni, alla direzione e alla posizione dei difetti. I difetti in scaglie (come crepe, mancanza di fusione e penetrazione non completa) hanno un impatto maggiore rispetto ai difetti con angoli arrotondati (come i pori); I difetti nelle aree di concentrazione dello stress hanno un impatto maggiore rispetto allo stesso difetto in un campo antistress uniforme; L'influenza dei difetti traballanti la direzione della forza applicata è maggiore rispetto ad altre direzioni;Zona.

(3) misure per migliorare la resistenza alla fatica

1. Ridurre la concentrazione di stress nei componenti

La concentrazione di stress nella struttura è il fattore principale per ridurre la resistenza alla fatica delle strutture saldate e le misure di seguito sono prese in generale.

(1) riduce la concentrazione di stress con una struttura di componenti ragionevoli per migliorare la resistenza alla fatica.

(2) scegli in modo ragionevole la forma del giunto e prova a utilizzare i giunti di testa con fattori di concentrazione a basso stress, con una transizione liscia nella forma della cucitura di saldatura. La saldatura continua è più vantaggiosa rispetto alla saldatura intermittente per carichi vibranti e la saldatura di filetti dovrebbe essere utilizzata il meno possibile.

(3) quando si utilizzano le saldature di filetto, è necessario prendere misure complete, come lavorare l'estremità della saldatura, selezionare la forma della piastra di giunzione del filetto in modo ragionevole, E garantire che la radice della saldatura sia completamente penetrata.

(4) utilizzo di metodi di lavorazione superficiale per eliminare varie scanalature vicino alla cucitura di saldatura e ridurre la concentrazione di stress nel giunto

2. Misure di processo per migliorare la resistenza alla fatica delle strutture saldate

(1) le specifiche di saldatura corretta devono essere selezionate nel processo per garantire che la cucitura di saldatura sia ben formata e non vi siano difetti all'interno o all'esterno.

(2) la modellatura ad arco per saldatura TIG può migliorare in modo significativo la resistenza alla fatica dei giunti saldati.

(3) regolare lo stress residuo. Ci sono due tipi di metodi: trattamento generale di strutture e componenti, incluso ricottura generale o metodo di pre-allungamento del sovraccarico; E esplosione locale per generare stress residuo nel punto di concentrazione di stress dell'articolazione.

(4) migliorare le proprietà meccaniche dei materiali attraverso il trattamento di rafforzamento della superficie può aumentare la resistenza alla fatica dei giunti utilizzando l'estrusione di piccole ruote o toccando leggermente la superficie della saldatura e la zona di transizione con un martello, O spruzzare l'area di saldatura con piccole sfere d'acciaio.

3. Che adotta misure protettive speciali

L'uso di speciali rivestimenti in plastica per migliorare le prestazioni di fatica dei giunti saldati è una nuova tecnologia con effetti importanti.

2. Frattura fragile di strutture saldate

Dalla diffusa applicazione di strutture saldate, molti paesi hanno subito incidenti di fratture fragili di strutture saldate, con gravi e anche disastri. I risultati di un'indagine congiunta da parte della agenzia britannica dell'energia atomica e del consiglio tecnico delle nazioni unite indica che la maggior parte degli incidenti negativi occorsi nel 12700 i recipienti a pressione sotto produzione erano fratture fragili, con un tasso di incidente del 2.3 di 10 ~ 4; Tra i 100300 recipienti a pressione in servizio, Il tasso di incidente drammatico è 0.7x10 ~ 4, tasso di incidente 12.5x10 ~ 4 totale 13.2x1 a 4. L'esempio più tipico di molti incidenti gravi è il collasso del ponte Hesselt sul canale Albert in belgio il 14 marzo 1938.

(1) caratteristiche della frattura fragile

(1) la frattura fragile si verifica in generale quando lo stress non è superiore allo stress del design strutturale e non vi è nessuna deformazione plastica significativa e si estende a tutta la struttura, con gravi perdite.

(2) la frattura fragile inizia spesso dal punto di concentrazione di stress, come la presenza di difetti e saldature all'interno del componente.

(3) a basse temperature, le sezioni spesse e le alte temperature sono soggette a fratture fragili sotto il carico dinamico. Un gran numero di studi sugli incidenti di fratture fragili ha dimostrato che le motivi della saldatura le fratture fragili sono sfaccettate, ma le principali sono la selezione di materiali impropri, un design irragionevole, processi di produzione imperfetti, E tecniche di ispezione.

(2) fattori che colpiscono la frattura fragile dei metalli

1. L'influenza della temperatura sulla modalità di danno

Abbassare la temperatura trasforma la modalità di guasto dal guasto della plastica al guasto fragile. Questo perché, mentre la temperatura si riduce, aumenta il rischio di frattura della scollatura e il materiale sarà trasformato in una transizione da frattura duttile a fragile, vale a dire che la temperatura di transizione fragile del materiale aumenta.

2. L'influenza dello stato di stress

Gli oggetti creano diversi stress normali su diverse sezioni incrociate quando sono soggetti a carichi esterni oun e shear stress tesse, tra cui, c' è un massimo di stress normale da un livello massimo e massimo di resistenza al taglio. Oun Max e milwaumax e il suo rapporto ail Max/milwaumax è legato al metodo di caricamento. A = oun Max/milwaumax è chiamato il coefficiente di stato dello stress, che è legato al metodo di caricamento e alla forma della parte. Lo stato di stress aumentato è favorevole alla frattura duttile della plastica deLo stress da taglio per la formazione, mentre la riduzione del livello è vantaggiosa per la frattura fragile sotto lo stress normale.

3. L'impatto della velocità di carico

La ricerca ha dimostrato che l'aumento della velocità di carico può favorire il guasto fragile dei materiali, equivalente alla riduzione della temperatura. Va anche evidenziato che sotto la stessa velocità di carico, quando ci sono difetti nella struttura, la velocità di deformazione può avere un effetto negativo di raddoppio. Perché a questo punto, la concentrazione di stress riduce notevolmente la plasticità locale del materiale.

4. L'influenza dello stato del materiale

(1) l'influenza dello spessore della piastra è prima che le piastre spesse sono incline a formare uno stato di deformazione piana dello stress tridimensionale nella posizione dei difetti. Le piastre spesse hanno anche meno cicli di rotolamento, microstruttura sciolta e proprietà interne ed esterne irregolari.

(2) l'influenza della dimensione del grano ha un impatto significativo sulla temperatura di transizione fragile. Più fine il grano, più bassa la sua temperatura di transizione.

(3) l'influenza della composizione chimica su elementi come C, N, O, H, S, P in acciaio può aumentare la sua fragili.