溶接構造物の疲労障害と脆性破壊

1.溶接された構造の疲労の失敗

大量の統計データは、エンジニアリングの構造的障害の80% 以上が疲労によって引き起こされていることを示しています。 米国商務省の全米標準局が米国議会に提出した研究報告書は、米国が骨折と予防のために年間1,190億ドルの費用を支払うと述べています。国の総経済生産高の4% に相当します。 統計は、骨折の大部分が疲労によって引き起こされることを示しています。

図2〜53に示すように、米国のいくつかの橋では、溶接の端近くの溶接つま先で疲労破壊亀裂が発生しています。 図に示す亀裂位置には高い応力集中が存在する。 荷重の下で、ウェブプレートの平面変位は、ウェブプレートの比較的狭くて支持されていない高さに集中します。ウィングプレートから補強リブの底 (日陰の領域) までのウェブプレートの高さで、その場所でウェブプレートにひびが入ります。

疲労は、繰り返しのストレスによって引き起こされる亀裂の開始と遅い伝播によって引き起こされる構造コンポーネントへの損傷として定義されます。 疲労破壊プロセスは通常、亀裂の開始、安定した伝播、不安定な伝播の3つの段階を経ます。

(1) 疲労破壊表面の特性

疲労破壊の巨視的分析を行う場合、破壊面は一般に3つのゾーンに分割され、疲労亀裂の形成、伝播、および瞬間的な破壊段階、つまり疲労源ゾーンに対応します。図2〜54に示すように、疲労伝播ゾーンおよび瞬間伝播ゾーン。

疲労源ゾーンは、破壊面の疲労亀裂の形成プロセスによって残された実際の記録です。 疲労源エリアのサイズが小さいため、疲労源エリアの断面特性を巨視的に区別することは困難です。 疲労源は一般に表面に発生しますが、脆い介在物などのコンポーネント内部に欠陥がある場合は、コンポーネント内部にも発生する可能性があります。 時には複数の疲労源がありますが、2つ以上あります。 低サイクル疲労の場合、ひずみ振幅が大きいため、破壊面の異なる位置にいくつかの疲労源があることがよくあります。

(2) 溶接構造の疲労強度に影響を与える要因

応力集中、断面サイズ、表面状態、荷重条件など、基材の疲労強度に影響を与える要因も、溶接構造に影響を与えます。 さらに、シーム領域近くのジョイントの性能の変化、溶接残留応力など、溶接構造自体のいくつかの特性も、溶接疲労に影響を与える可能性があります。

(1) 溶接構造における応力集中の影響。 関節の応力集中が異なるため、関節の疲労強度にさまざまな程度の悪影響があります。

(2) シームゾーン付近の金属特性の変化の影響に関する実験的研究は、一般的に使用されるラインエネルギーの下での低炭素鋼の溶接を示しています。 熱の影響を受けたゾーンの疲労強度は、ベースメタルの疲労強度と非常に似ています。ニアシームゾーンの金属の機械的特性は、ジョイントの疲労強度に比較的小さな影響を与えます。

(3) 構造疲労強度に対する残留応力の影響は、残留応力の分布状態に依存する。 応力集中領域や曲がった部品の外縁など、作業応力の高い領域では、残留応力が引張力であり、疲労強度が低下します。その位置に圧縮残留応力があると、疲労強度が増加する。 さらに、疲労強度に対する残留応力の影響は、応力集中度や応力サイクル数などの要因にも関連しており、特に応力集中係数が高いほど、より重要な残留応力の影響。

(4) 溶接欠陥の疲労強度への影響は、欠陥のタイプ、サイズ、方向、および位置に関連しています。 フレーク欠陥 (亀裂、融合の欠如、不完全な浸透など) は、角が丸い欠陥 (細孔など) よりも大きな影響があります。表面欠陥は内部欠陥よりも大きな影響を及ぼします。応力集中領域にある欠陥は、均一な応力場の同じ欠陥よりも大きな影響を及ぼします。 加えられた力の方向に垂直な薄片状の欠陥の影響は、他の方向よりも大きくなります。残留引張応力フィールド内にある欠陥は、残留圧縮応力よりも大きな影響を及ぼします。ゾーン。

(3) 疲労の強さを改善するための対策

1.コンポーネントのストレス集中を減らす

構造内の応力集中は、溶接構造の疲労強度を低下させる主な要因であり、一般的に以下の対策が講じられています。

(1) 合理的な成分構造で応力集中を減らし、疲労強度を向上させます。

(2) ジョイントフォームを合理的に選択し、溶接シームの形状がスムーズに変化する、低応力集中係数のバットジョイントを使用するようにしてください。 連続溶接は、振動荷重の断続溶接よりも有利であり、フィレット溶接はできるだけ使用しないでください。

(3) フィレット溶接を使用する場合、溶接の端を機械加工し、フィレットジョイントプレートの形状を合理的に選択するなど、包括的な対策を講じる必要があります。そして溶接の根が完全に突き刺されることを保障します。

(4) 表面加工方法を使用して、溶接シーム近くのさまざまな溝を除去し、ジョイントの応力集中を減らす

2.溶接構造の疲労強度を改善するためのプロセス対策

(1) 溶接シームが適切に形成され、内部または外部に欠陥がないことを保証するために、プロセスで正しい溶接仕様を選択する必要があります。

(2) TIG溶接アーク成形は、溶接継手の疲労強度を大幅に向上させることができます。

(3) 残留応力を調整する。 方法には2つのタイプがあります。構造とコンポーネントの全体的な処理には、全体的なアニーリングまたは過負荷前ストレッチ法が含まれます。関節領域の局所的な処理には、加熱、圧延、ジョイントの応力集中点で残留応力を発生させる局所的な爆発。

(4) 表面強化処理による材料の機械的特性を改善することで、小さなホイール押し出しを使用したり、溶接面とトランジションゾーンをハンマーで軽く叩いたりすることで、ジョイントの疲労強度を高めることができます。または溶接部に小さなスチールボールを吹き付けます。

3.特別な保護対策を採用する

溶接継手の疲労性能を改善するための特殊なプラスチックコーティングの使用は、大きな効果を持つ新しい技術です。

2.溶接された構造の脆い破壊

溶接構造の普及以来、多くの国が溶接構造の脆性破壊事故を経験しており、深刻な、さらには壊滅的な結果をもたらしています。 英国原子力機関と国連技術委員会による共同調査の結果は、製造中の12700の圧力容器で発生した壊滅的な事故の大部分が脆弱な骨折であったことを示しています。2.3 × 10 ~ 4の事故率を使って; 100300の稼働中の圧力容器の中で、 壊滅的な事故率は0.7 × 10〜4、傷害事故率12.5 × 10〜4合計13.2 × 1〜4です。多くの重大な事故の最も典型的な例は、1938年3月14日にベルギーのアルベール運河にあるヘッセルト橋の崩壊です。

(1) 脆性破壊の特性

(1) 脆性破壊は、一般に、応力が構造設計応力よりも高くなく、大きな塑性変形がない場合に発生し、構造全体に広がり、深刻な損失をもたらします。

(2) 脆性破壊は、コンポーネント内の欠陥や溶接の存在など、応力集中の点から始まることがよくあります。

(3) 低温では、厚い部分と高いひずみ速度は、動的荷重下で脆性破壊を起こしやすい。 脆性破壊事故に関する多くの研究は、脆性破壊を溶接する理由は多面的であることを示していますが、主なものは不適切な材料選択、不合理な設計、不完全な製造プロセスです。そして点検技術。

(2) 金属の脆性破壊に影響を与える要因

1.損傷のモードに対する温度の影響

温度を下げると、故障モードがプラスチックの故障から脆い故障に変わります。 これは、温度が下がると、開裂破壊のリスクが高まり、材料が延性破壊から脆性破壊への転移、つまり材料の脆性転移温度が上昇するためです。

2.ストレス状態の影響

オブジェクトは、外部荷重 б およびせん断応力 т を受けると、異なる断面で異なる通常応力を生成します。それらの中には、最大通常応力 б Maxおよび最大せん断応力 т Maxがあります。б Maxと т Maxとその比率 б Max/ т Maxは、ロード方法に関連しています。 A = б Max/ т Maxは応力状態係数と呼ばれ、荷重法と部品の形状に関連しています。 Б 増加したストレス状態は、プラスチックの延性破壊を助長しますde形成せん断応力、 б それを減らすことは、通常の応力下での脆性破壊に有益です。

3.ローディングの速度の影響

研究によると、負荷速度を上げると、材料の脆性破壊が促進される可能性があり、これは温度を下げることと同等です。 同じローディング率の下で、構造に欠陥があるとき、ひずみ率は倍増のマイナスの効果を持つことができることも指摘されるべきです。 この時点で、応力集中は材料の局所可塑性を大幅に低下させるためです。

4.材料ステータスの影響

(1) 板厚の影響は、まず、厚い板が欠陥位置に三次元応力の平面ひずみ状態を形成しやすいことである。 さらに、厚いプレートは、ローリングサイクルが少なく、微細構造が緩く、内部と外部の特性が不均一です。

(2) 粒度の影響は、脆性転移温度に大きな影響を及ぼす。 穀物が細かいほど、その転移温度は低くなります。

(3) 鋼中のC、N、O、H、S、Pなどの元素に対する化学組成の影響は、その脆性を高める可能性があります。