Fractura de fatiga y fractura frágil de estructuras soldadas

1. Falla de fatiga de estructuras soldadas

Una gran cantidad de datos estadísticos muestra que más del 80% de las fallas estructurales en la ingeniería son causadas por la fatiga. El informe de investigación presentado por la Oficina Nacional de Normas del Departamento de Comercio de EE. UU. Al Congreso de EE. UU. Afirma que Estados Unidos paga un costo de $119 mil millones anuales por fracturas y prevención. equivalente al 4% de la producción económica nacional total. Las estadísticas muestran que la gran mayoría de las fracturas son causadas por fatiga.

Varios puentes en los Estados Unidos han experimentado grietas por fractura por fatiga en el dedo del pie de soldadura cerca del final de la soldadura, como se muestra en las Figuras 2-53. Hay una alta concentración de tensión en la ubicación de la grieta que se muestra en el diagrama. Bajo carga, el desplazamiento plano de la placa de banda se concentra a una altura relativamente estrecha y no soportada de la placa de banda, es decir, la altura de la placa de banda desde la placa de ala hasta la parte inferior de la nervadura de refuerzo (en el área sombreada), lo que hace que la placa de banda se agriete en esa ubicación.

La fatiga se define como el daño a los componentes estructurales causado por la iniciación y la propagación lenta de grietas causadas por tensiones repetidas. El proceso de fractura por fatiga generalmente pasa por tres etapas: iniciación de grietas, propagación estable y propagación inestable.

(1) Características de la superficie de fractura de fatiga

Al realizar un análisis macroscópico de la fractura por fatiga, la superficie de la fractura generalmente se divide en tres zonas, que corresponden a las etapas de formación, propagación y fractura instantánea de las grietas por fatiga, a saber, la zona de la fuente de fatiga, zona de propagación por fatiga, y zona de propagación instantánea, como se muestra en las Figuras 2-54.

La zona de la fuente de fatiga es el registro real dejado por el proceso de formación de grietas de fatiga en la superficie de la fractura. Debido al pequeño tamaño del área de la fuente de fatiga, es difícil distinguir macroscópicamente las características de la sección transversal del área de la fuente de fatiga. Las fuentes de fatiga generalmente ocurren en la superficie, pero si hay defectos dentro del componente, como inclusiones frágiles, también pueden ocurrir dentro del componente. A veces hay más de una fuente de fatiga, pero hay dos o incluso más. Para la fatiga de ciclo bajo, debido a su mayor amplitud de deformación, a menudo hay varias fuentes de fatiga ubicadas en diferentes posiciones en la superficie de la fractura.

(2) Factores que afectan la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas

Los factores que afectan la resistencia a la fatiga del material base, como la concentración de tensión, el tamaño de la sección transversal, la condición de la superficie, las condiciones de carga, etc., también tienen un impacto en la estructura soldada. Además, algunas características de la estructura de soldadura en sí, como los cambios en el rendimiento de la Junta cerca del área de la costura, la tensión residual de soldadura, etc., también pueden tener un impacto en la fatiga de la soldadura.

(1) La influencia de la concentración de tensión en estructuras soldadas. Debido a las diferentes concentraciones de estrés en la articulación, tienen diversos grados de efectos adversos sobre la resistencia a la fatiga de la articulación.

(2) La investigación experimental sobre la influencia de los cambios en las propiedades metálicas cerca de la zona de costura muestra que la soldadura de acero de bajo carbono bajo la energía de línea de uso común. La resistencia a la fatiga de la zona afectada por el calor es bastante similar a la del metal base, Y las propiedades mecánicas del metal en la zona de costura cercana tienen un impacto relativamente pequeño en la resistencia a la fatiga de la articulación.

(3) La influencia de la tensión residual en la resistencia a la fatiga estructural depende del estado de distribución de la tensión residual. En áreas con alto estrés de trabajo, como las áreas de concentración de tensión y el borde exterior de los componentes doblados, el estrés residual es la tracción, lo que reduce la resistencia a la fatiga; Por el contrario, si hay tensión residual de compresión en ese lugar, la resistencia a la fatiga aumentará. Además, la influencia del estrés residual en la resistencia a la fatiga también está relacionada con factores como el grado de concentración de estrés y el número de ciclo de estrés, especialmente cuanto mayor sea el coeficiente de concentración de estrés, cuanto más significativa sea la influencia del estrés residual.

(4) El impacto de los defectos de soldadura en la resistencia a la fatiga está relacionado con el tipo, el tamaño, la dirección y la ubicación de los defectos. Los defectos en escamas (como grietas, falta de fusión y penetración incompleta) tienen un mayor impacto que los defectos con esquinas redondeadas (como los poros); Los defectos superficiales tienen un mayor impacto que los defectos internos; los defectos ubicados en áreas de concentración de estrés tienen un mayor impacto que el mismo defecto en un campo de estrés uniforme; La influencia de los defectos escamosos perpendiculares a la dirección de la fuerza aplicada es mayor que en otras direcciones; Los defectos ubicados dentro del campo de tensión de tracción residual tienen un impacto mayor que los de la tensión de compresión residualZona.

(3) Medidas para mejorar la fuerza de la fatiga

1. reducir la concentración de estrés en los componentes

La concentración de tensión en la estructura es el factor principal para reducir la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas, y generalmente se toman las siguientes medidas.

(1) Reducir la concentración de estrés con una estructura de componente razonable para mejorar la resistencia a la fatiga.

(2) Elija razonablemente la forma de la articulación e intente usar articulaciones a tope con factores de baja concentración de tensión, con una transición suave en la forma de la costura de soldadura. La soldadura continua es más ventajosa que la soldadura intermitente para cargas de vibración, y la soldadura de filete debe usarse lo menos posible.

(3) Al usar soldaduras de filete, se deben tomar medidas integrales, como mecanizar el extremo de la soldadura, seleccionar la forma de la placa de unión de filete razonablemente, y asegurándose de que la raíz de la soldadura esté completamente penetrada.

(4) Usando métodos de mecanizado de superficie para eliminar varias ranuras cerca de la costura de soldadura y reducir la concentración de tensión en la Junta

2. Medidas de proceso para mejorar la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas

(1) Se deben seleccionar las especificaciones de soldadura correctas en el proceso para garantizar que la costura de soldadura esté bien formada y que no haya defectos dentro o fuera.

(2) La Conformación de arco de soldadura TIG puede mejorar significativamente la resistencia a la fatiga de las juntas soldadas.

(3) Ajustar el estrés residual. Hay dos tipos de métodos: tratamiento general de estructuras y componentes, incluido el recocido general o el método de preestiramiento por sobrecarga; El tratamiento local del área de la articulación implica el uso de métodos como calefacción, laminación, y explosión local para generar tensión residual en el punto de concentración de tensión de la articulación.

(4) La mejora de las propiedades mecánicas de los materiales a través del tratamiento de fortalecimiento de la superficie puede aumentar la resistencia a la fatiga de las articulaciones mediante la extrusión de ruedas pequeñas o golpeando ligeramente la superficie de soldadura y la zona de transición con un martillo, o rociar el área de soldadura con pequeñas bolas de acero.

3. Adopción DE MEDIDAS ESPECIALES DE PROTECCIÓN

El uso de recubrimientos plásticos especiales para mejorar el rendimiento de fatiga de las juntas soldadas es una nueva tecnología con efectos significativos.

2. Fractura quebradiza de estructuras soldadas

Desde la aplicación generalizada de estructuras soldadas, muchos países han experimentado accidentes de fracturas frágiles de estructuras soldadas, con consecuencias graves e incluso catastróficas. Los resultados de una investigación conjunta de la Agencia de Energía Atómica del Reino Unido y el Comité Técnico DE LAS Naciones Unidas indican que la mayoría de los accidentes catastróficos que ocurrieron en recipientes de 12700 presión en proceso de fabricación fueron fracturas frágiles. Con una tasa de accidentes de 2,3 × 10 ~ 4; Entre 100300 recipientes a presión en servicio, La tasa de accidentes catastróficos es de 0,7 × 10 ~ 4, la tasa de accidentes de lesiones 12,5 × 10 ~ 4 Total 13,2 × 1 a 4. El ejemplo más típico de muchos accidentes graves es el colapso del Puente Hesselt en el canal Albert en Bélgica el 14 de marzo de 1938.

(1) Características de la fractura frágil

(1) La fractura quebradiza generalmente ocurre cuando la tensión no es más alta que la tensión del diseño estructural y no hay deformación plástica significativa, y se extiende a toda la estructura, lo que resulta en pérdidas graves.

(2) La fractura quebradiza a menudo comienza desde el punto de concentración de estrés, como la presencia de defectos y soldaduras dentro del componente.

(3) A bajas temperaturas, las secciones gruesas y las altas tasas de deformación son propensas a fracturas frágiles bajo carga dinámica. Un gran número de estudios sobre accidentes de fractura frágil han demostrado que las razones para soldar la fractura frágil son multifacéticas, pero las principales son la selección de materiales inadecuada, diseño irrazonable, procesos de fabricación imperfectos, y técnicas de inspección.

(2) Factores que afectan la fractura frágil de metales

1. La influencia de la temperatura en el modo de daño

Bajar la temperatura transformará el modo de falla de plástico a Falla frágil. Esto se debe a que a medida que disminuye la temperatura, aumenta el riesgo de fractura por escisión y el material experimentará una transición de fractura dúctil a quebradiza, es decir, aumenta la temperatura de transición frágil del material.

2. La influencia del estado de estrés

Los objetos generan diferentes tensiones normales en diferentes secciones transversales cuando se someten a cargas externas б Y stress de cizallamiento. Entre ellos, hay una tensión normal máxima б Max y una tensión de cizallamiento máxima т Max. Se relaciona con el método de carga. A = б Max/ т Max se llama Coeficiente de estado de tensión, que está relacionado con el método de carga y la forma de la pieza. El aumento del estado de estrés es propicio para la fractura dúctil de plástico deFormación de esfuerzo cortante, mientras que б Reducir es beneficioso para la fractura frágil bajo estrés normal.

3. El impacto de la velocidad de carga

La investigación ha demostrado que el aumento de la velocidad de carga puede promover la falla frágil de los materiales, lo que equivale a reducir la temperatura. También debe señalarse que bajo la misma velocidad de carga, cuando hay defectos en la estructura, la velocidad de deformación puede tener un efecto negativo de duplicación. Porque en este punto, la concentración de tensión reduce en gran medida la plasticidad local del material.

4. La influencia del estado material

(1) La influencia del grosor de la placa es primero que las placas gruesas son propensas a formar un Estado de deformación plana de tensión tridimensional en la ubicación del defecto. Además, las placas gruesas tienen menos ciclos de rodadura, microestructura suelta y propiedades internas y externas desiguales.

(2) La influencia del tamaño del grano tiene un impacto significativo en la temperatura de transición frágil. Cuanto más fino sea el grano, menor será su temperatura de transición.

(3) La influencia de la composición química en elementos como C, N, O, H, S, P en el acero puede aumentar su fragilidad.