فشل التعب وكسر هش الهياكل الملحومة

1. فشل التعب من الهياكل الملحومة

كمية كبيرة من البيانات الإحصائية تبين أن أكثر من الأعطال الهيكلية في الهندسة سببها الإرهاق. تقرير البحث المقدم من المكتب الوطني للمعايير التابع لإدارة التجارة الأمريكية إلى الكونغرس الأمريكي ينص على أن الولايات المتحدة تدفع تكلفة قدرها مليار دولار سنويًا للكسور والوقاية منها ، أي ما يعادل في إجمالي الناتج الاقتصادي الوطني. تشير الإحصاءات إلى أن الغالبية العظمى من الكسور ناتجة عن التعب.

شهدت عدة جسور في الولايات المتحدة تشققات في كسر التعب عند إصبع اللحام بالقرب من نهاية اللحام ، كما هو موضح في الأرقام 2-53. هناك تركيز ضغط عالٍ في موقع الكراك الموضح في الرسم البياني. تحت الحمل ، يتركز إزاحة الطائرة للوحة الويب على ارتفاع ضيق نسبيًا وغير مدعوم من لوحة الويب ، أي ، ارتفاع لوحة الويب من لوحة الجناح إلى أسفل الضلع المقوي (في المنطقة المظللة) ، مما يتسبب في تشقق لوحة الويب في هذا الموقع.

يُعرَّف الإرهاق بأنه تلف للمكونات الهيكلية بسبب بدء التشغيل وبطء انتشار الشقوق الناجمة عن الضغوط المتكررة. عادة ما تمر عملية كسر التعب بثلاث مراحل: بدء التشقق ، والانتشار المستقر ، والانتشار غير المستقر.

(1) خصائص سطح كسر التعب

عند إجراء تحليل ماكروسكوبي لكسر التعب ، ينقسم سطح الكسر عمومًا إلى ثلاث مناطق ، والتي تتوافق مع مراحل التشكيل والانتشار والكسر الفوري لشقوق التعب ، وهي منطقة مصدر التعب ، منطقة انتشار التعب ، ومنطقة الانتشار الفوري ، كما هو موضح في الأشكال 2-54.

منطقة مصدر التعب هي السجل الحقيقي الذي تركته عملية تشكيل شقوق التعب على سطح الكسر. نظرًا لصغر حجم منطقة مصدر التعب ، من الصعب التمييز بين خصائص المقطع العرضي لمنطقة مصدر التعب مجهريًا. تحدث مصادر التعب بشكل عام على السطح ، ولكن إذا كانت هناك عيوب داخل المكون ، مثل شوائب هشة ، فيمكن أن تحدث أيضًا داخل المكون. في بعض الأحيان هناك أكثر من مصدر واحد للتعب ، ولكن هناك اثنين أو أكثر. لإرهاق الدورة المنخفضة ، بسبب سعة الضغط الأكبر ، غالبًا ما يكون هناك العديد من مصادر التعب الموجودة في مواقع مختلفة على سطح الكسر.

(2) العوامل التي تؤثر على قوة التعب من الهياكل الملحومة

العوامل التي تؤثر على قوة تعب المادة الأساسية ، مثل تركيز الإجهاد ، وحجم المقطع العرضي ، وحالة السطح ، وظروف التحميل ، وما إلى ذلك ، لها أيضًا تأثير على الهيكل الملحوم. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون لبعض خصائص هيكل اللحام نفسه ، مثل التغييرات في أداء المفصل بالقرب من منطقة التماس ، والضغط المتبقي للحام ، وما إلى ذلك ، تأثير على تعب اللحام.

(1) تأثير تركيز الإجهاد في الهياكل الملحومة. بسبب تركيزات الإجهاد المختلفة في المفصل ، لديهم درجات مختلفة من الآثار الضارة على قوة التعب في المفصل.

(2) يظهر البحث التجريبي حول تأثير التغيرات في خصائص المعادن بالقرب من منطقة التماس أن لحام الفولاذ منخفض الكربون تحت طاقة خط شائعة الاستخدام. تشبه قوة التعب في المنطقة المتأثرة بالحرارة تمامًا قوة المعدن الأساسي ، والخواص الميكانيكية للمعدن في منطقة التماس القريبة لها تأثير صغير نسبيًا على قوة تعب المفصل.

(3) يعتمد تأثير الضغط المتبقي على قوة التعب الهيكلي على حالة توزيع الإجهاد المتبقي. في المناطق ذات الضغط العالي للعمل ، مثل مناطق تركيز الإجهاد والحافة الخارجية للمكونات المنحنية ، يكون الإجهاد المتبقي هو الشد ، مما يقلل من قوة التعب ؛ على العكس من ذلك ، إذا كان هناك ضغط متبقي في هذا الموقع ، فسيتم زيادة قوة التعب. بالإضافة إلى ذلك ، يرتبط تأثير الإجهاد المتبقي على قوة التعب أيضًا بعوامل مثل درجة تركيز الإجهاد وعدد دورة الإجهاد ، خاصةً كلما ارتفع معامل تركيز الإجهاد ، كلما كان تأثير الإجهاد المتبقي أكثر أهمية.

(4) يرتبط تأثير عيوب اللحام على قوة التعب بنوع العيوب وحجمها واتجاهها وموقعها. عيوب التقشر (مثل الشقوق ، وعدم الانصهار ، والاختراق غير الكامل) لها تأثير أكبر من العيوب ذات الزوايا الدائرية (مثل المسام) ؛ عيوب السطح لها تأثير أكبر من العيوب الداخلية ؛ العيوب الموجودة في مناطق تركيز الإجهاد لها تأثير أكبر من نفس العيب في حقل الإجهاد الموحد ؛ تأثير العيوب القشرية عمودي على اتجاه القوة المطبقة أكبر من الاتجاهات الأخرى ؛ العيوب الموجودة في مجال إجهاد الشد المتبقي لها تأثير أكبر من تلك الموجودة في إجهاد الضغط المتبقيالمنطقة.

(3) تدابير لتحسين قوة التعب

1. تقليل تركيز التوتر في المكونات

إن تركيز التوتر في الهيكل هو العامل الرئيسي في تقليل قوة التعب في الهياكل الملحومة ، ويتم اتخاذ التدابير التالية بشكل عام.

(1) تقليل تركيز التوتر مع هيكل مكون معقول لتحسين قوة التعب.

(2) اختر شكل المفصل بشكل معقول وحاول استخدام مفاصل المؤخرة بعوامل تركيز منخفضة الإجهاد ، مع انتقال سلس في شكل التماس اللحام. اللحام المستمر أكثر فائدة من اللحام المتقطع لأحمال الاهتزاز ، ويجب استخدام لحام شرائح بأقل قدر ممكن.

(3) عند استخدام لحامات شرائح ، يجب اتخاذ تدابير شاملة ، مثل تشكيل نهاية اللحام ، واختيار شكل لوحة مفصل شرائح بشكل معقول ، وضمان اختراق جذر اللحام بالكامل.

(4) باستخدام طرق المعالجة السطحية للتخلص من الأخاديد المختلفة بالقرب من خط اللحام وتقليل تركيز التوتر في المفصل

2. تدابير عملية لتحسين قوة التعب من الهياكل الملحومة

(1) يجب اختيار مواصفات اللحام الصحيحة في العملية لضمان تشكيل خط اللحام بشكل جيد وعدم وجود عيوب في الداخل أو الخارج.

(2) تشكيل قوس اللحام TIG يمكن أن يحسن بشكل كبير من قوة التعب للمفاصل الملحومة.

(3) ضبط الإجهاد المتبقي. هناك نوعان من الطرق: المعالجة الشاملة للهياكل والمكونات ، بما في ذلك طريقة التمدد الكلي أو التحميل الزائد قبل التمدد ؛ تتضمن المعالجة المحلية لمنطقة المفصل استخدام طرق مثل التسخين ، والتدحرج ، والانفجار المحلي لتوليد الإجهاد المتبقي عند نقطة تركيز الإجهاد في المفصل.

(4) تحسين الخواص الميكانيكية للمواد من خلال معالجة تقوية السطح يمكن أن يزيد من قوة إجهاد المفاصل باستخدام بثق عجلة صغيرة أو النقر برفق على سطح اللحام ومنطقة الانتقال بمطرقة ، أو رش منطقة اللحام بالكرات الفولاذية الصغيرة.

3-اعتماد تدابير وقائية خاصة

يعد استخدام الطلاء البلاستيكي الخاص لتحسين أداء التعب في المفاصل الملحومة تقنية جديدة ذات تأثيرات كبيرة.

2. كسر هش للهياكل الملحومة

منذ تطبيق الهياكل الملحومة على نطاق واسع ، شهدت العديد من البلدان حوادث كسر هش للهياكل الملحومة ، مع عواقب خطيرة وحتى كارثية. نتائج التحقيق المشترك الذي أجرته وكالة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة واللجنة الفنية للأمم المتحدة تشير إلى أن غالبية الحوادث الكارثية التي وقعت في أوعية الضغط تحت التصنيع كانت كسور هشة ، بمعدل حوادث يبلغ ow × 10 ~ 4 ؛ بين أوعية الضغط أثناء الخدمة ، معدل الحوادث الكارثية هو ، × 10 ~ 4 ، ومعدل الإصابة في الحوادث ، × 10 ~ 4 ، إجمالي × 1 إلى 4. المثال الأكثر شيوعًا للعديد من الحوادث الخطيرة هو انهيار جسر هيسلت على قناة البرت في بلجيكا في 14 مارس ، ، ،.

(1) خصائص الكسر الهش

(1) يحدث الكسر الهش بشكل عام عندما لا يكون الإجهاد أعلى من إجهاد التصميم الهيكلي ولا يوجد تشوه بلاستيكي كبير ، ويمتد إلى الهيكل بأكمله ، مما يؤدي إلى خسائر فادحة.

(2) غالبًا ما يبدأ الكسر الهش من نقطة تركيز الإجهاد ، مثل وجود عيوب ولحامات داخل المكون.

(3) عند درجات حرارة منخفضة ، أقسام سميكة ومعدلات إجهاد عالية عرضة للكسر الهش تحت التحميل الديناميكي. أظهر عدد كبير من الدراسات حول حوادث الكسور الهشة أن أسباب كسر اللحام الهش متعددة الأوجه ، ولكن الأسباب الرئيسية هي اختيار المواد غير المناسب ، والتصميم غير المعقول ، وعمليات التصنيع غير الكاملة ، وتقنيات التفتيش.

(2) العوامل التي تؤثر على كسر المعادن الهش

1. تأثير درجة الحرارة على وضع الضرر

سيؤدي خفض درجة الحرارة إلى تحويل وضع الفشل من فشل البلاستيك إلى فشل هش. هذا لأنه مع انخفاض درجة الحرارة ، يزداد خطر كسر الانقسام ، وستخضع المادة للانتقال من الدكتايل إلى كسر هش ، أي تزيد درجة حرارة انتقال المادة الهشة.

2. تأثير حالة التوتر

تولد الأجسام ضغطًا عاديًا مختلفًا على مقاطع عرضية مختلفة عند تعرضها للأحمال الخارجية وإجهاد القص t ، من بينها ، يوجد أقصى حد للإجهاد الطبيعي بحد أقصى. كل من б Max و т Max ونسبتها Max/б Max مرتبطة بطريقة التحميل. يُطلق على A = б Max معامل حالة الإجهاد ، وهو مرتبط بطريقة التحميل وشكل الجزء. كما أن حالة الإجهاد المتزايدة تساعد على كسر الدكتايل من البلاستيكإجهاد تشكيل القص ، في حين أن تقليله مفيد للكسر الهش تحت الضغط الطبيعي.

3. تأثير سرعة التحميل

وقد أظهرت الأبحاث أن زيادة سرعة التحميل يمكن أن تعزز الفشل الهش للمواد ، وهو ما يعادل خفض درجة الحرارة. كما ينبغي الإشارة إلى أنه في ظل معدل التحميل نفسه ، عندما تكون هناك عيوب في الهيكل ، يمكن أن يكون لمعدل الإجهاد تأثير سلبي على المضاعفة. لأنه في هذه المرحلة ، يقلل تركيز الإجهاد بشكل كبير من اللدونة المحلية للمادة.

4. تأثير حالة المواد

(1) تأثير سمك اللوح هو أولاً أن الصفائح السميكة عرضة لتشكيل حالة سلالة مستوية من الإجهاد ثلاثي الأبعاد في موقع العيب. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الألواح السميكة على عدد أقل من دورات التدوير ، والبنية المجهرية الفضفاضة ، والخصائص الداخلية والخارجية غير المتكافئة.

(2) تأثير حجم الحبوب له تأثير كبير على درجة حرارة الانتقال الهش. كلما كانت الحبوب أكثر دقة ، انخفضت درجة حرارة انتقالها.

(3) تأثير التركيب الكيميائي على عناصر مثل C ، N ، O ، H ، S ، P في الفولاذ يمكن أن يزيد من هشاشته.