Échec de la fatigue et fracture fragile des structures soudées

1. échec de la fatigue des structures soudées

Une grande quantité de données statistiques montre que plus de 80% des défaillances structurelles en ingénierie sont causées par la fatigue. Le rapport de recherche soumis par le National Bureau of Standards du département américain du Commerce au Congrès américain indique que les États-Unis paient un coût de 119 milliards de dollars par an pour la fracture et la prévention, équivalent à 4% de la production économique nationale totale. Les statistiques montrent que la grande majorité des fractures sont causées par la fatigue.

Plusieurs ponts aux États-Unis ont subi des fissures de fracture par fatigue au niveau de l'orteil de soudure près de l'extrémité de la soudure, comme le montre les figures 2 à 53. Il y a une concentration de contrainte élevée à l'emplacement de la fissure montré dans le diagramme. Sous charge, le déplacement plan de la plaque de bande est concentré à une hauteur relativement étroite et non supportée de la plaque de bande, c'est-à-dire, la hauteur de la plaque de bande de la plaque d'aile au bas de la nervure de renforcement (dans la zone ombrée), provoquant la fissuration de la plaque de bande à cet endroit.

La fatigue est définie comme les dommages aux composants structurels causés par l'initiation et la lente propagation des fissures causées par des contraintes répétées. Le processus de fracture par fatigue passe généralement par trois étapes: l'initiation de fissure, la propagation stable et la propagation instable.

(1) Caractéristiques de la surface de fracture de fatigue

Lors de l'analyse macroscopique de la fracture de fatigue, la surface de fracture est généralement divisée en trois zones, qui correspondent aux stades de formation, de propagation et de fracture instantanée des fissures de fatigue, à savoir la zone source de fatigue, zone de propagation de la fatigue et zone de propagation instantanée, comme le montrent les figures 2 à 54.

La zone source de fatigue est le véritable record laissé par le processus de formation de fissures de fatigue sur la surface de fracture. En raison de la petite taille de la zone source de fatigue, il est difficile de distinguer macroscopiquement les caractéristiques transversales de la zone source de fatigue. Les sources de fatigue se produisent généralement à la surface, mais s'il y a des défauts à l'intérieur du composant, tels que des inclusions cassantes, ils peuvent également se produire à l'intérieur du composant. Parfois, il y a plus d'une source de fatigue, mais il y en a deux ou même plus. Pour une fatigue à faible cycle, en raison de sa plus grande amplitude de déformation, il existe souvent plusieurs sources de fatigue situées à différentes positions sur la surface de la fracture.

(2) Facteurs affectant la résistance à la fatigue des structures soudées

Les facteurs qui affectent la résistance à la fatigue du matériau de base, tels que la concentration de contraintes, la taille de la section transversale, l'état de la surface, les conditions de chargement, etc., ont également un impact sur la structure soudée. En outre, certaines caractéristiques de la structure de soudage elle-même, telles que les changements dans les performances du joint près de la zone de couture, la contrainte résiduelle de soudage, etc., peuvent également avoir un impact sur la fatigue du soudage.

(1) L'influence de la concentration de contrainte dans les structures soudées. En raison des différentes concentrations de stress au niveau de l'articulation, ils ont des degrés divers d'effets indésirables sur la résistance à la fatigue de l'articulation.

(2) La recherche expérimentale sur l'influence des changements dans les propriétés des métaux près de la zone de couture montre que le soudage de l'acier à faible teneur en carbone sous l'énergie de ligne couramment utilisée. La résistance à la fatigue de la zone affectée par la chaleur est assez similaire à celle du métal de base, et les propriétés mécaniques du métal dans la zone proche de la couture ont un impact relativement faible sur la résistance à la fatigue de l'articulation.

(3) L'influence de la contrainte résiduelle sur la résistance à la fatigue structurelle dépend de l'état de distribution de la contrainte résiduelle. Dans les zones présentant une contrainte de travail élevée, telles que les zones de concentration de contraintes et le bord extérieur des composants pliés, la contrainte résiduelle est la traction, ce qui réduit la résistance à la fatigue; Au contraire, s'il y a une contrainte résiduelle de compression à cet endroit, la résistance à la fatigue sera augmentée. En outre, l'influence de la contrainte résiduelle sur la résistance à la fatigue est également liée à des facteurs tels que le degré de concentration de contrainte et le nombre de cycles de contrainte, en particulier plus le coefficient de concentration de contrainte est élevé, plus l'influence du stress résiduel est significative.

(4) L'impact des défauts de soudage sur la résistance à la fatigue est lié au type, à la taille, à la direction et à l'emplacement des défauts. Les défauts de flocons (tels que les fissures, le manque de fusion et la pénétration incomplète) ont un impact plus important que les défauts avec des coins arrondis (tels que les pores); Les défauts de surface ont un impact plus important que les défauts internes; les défauts situés dans les zones de concentration de stress ont un impact plus important que le même défaut dans un champ de stress uniforme; L'influence des défauts squameux perpendiculaires à la direction de la force appliquée est plus grande que dans d'autres directions; Les défauts situés dans le champ de contrainte de traction résiduelle ont un impact plus important que ceux dans la contrainte de compression résiduelleZone.

(3) mesures pour améliorer la force de fatigue

1. réduire la concentration de stress dans les composants

La concentration de contraintes dans la structure est le principal facteur de réduction de la résistance à la fatigue des structures soudées, et les mesures suivantes sont généralement prises.

(1) réduire la concentration de contrainte avec une structure de composant raisonnable pour améliorer la résistance à la fatigue.

(2) Choisissez raisonnablement la forme de l'articulation et essayez d'utiliser des joints de bout avec de faibles facteurs de concentration de stress, avec une transition en douceur dans la forme de la soudure. Le soudage continu est plus avantageux que le soudage intermittent pour les charges de vibration, et le soudage par filet doit être utilisé aussi peu que possible.

(3) Lors de l'utilisation de soudures à filet, des mesures complètes doivent être prises, telles que l'usinage de l'extrémité de la soudure, la sélection de la forme de la plaque de joint de filet raisonnablement, et en veillant à ce que la racine de la soudure soit entièrement pénétrée.

(4) Utilisation de méthodes d'usinage de surface pour éliminer diverses rainures près de la soudure et réduire la concentration de contraintes dans le joint

2. processus mesures pour améliorer la résistance à la fatigue des structures soudées

(1) Les spécifications de soudage correctes doivent être sélectionnées dans le processus pour s'assurer que le joint de soudure est bien formé et qu'il n'y a pas de défauts à l'intérieur ou à l'extérieur.

(2) La mise en forme à l'arc de soudage TIG peut améliorer considérablement la résistance à la fatigue des joints soudés.

(3) Ajustez la contrainte résiduelle. Il existe deux types de méthodes: le traitement global des structures et des composants, y compris la méthode globale de recuit ou de pré-étirement de surcharge; Le traitement local de la zone articulaire implique l'utilisation de méthodes telles que le chauffage, le laminage, et une explosion locale pour générer une contrainte résiduelle au point de concentration de contrainte de l'articulation.

(4) L'amélioration des propriétés mécaniques des matériaux grâce à un traitement de renforcement de surface peut augmenter la résistance à la fatigue des joints en utilisant l'extrusion de petites roues ou en tapotant légèrement la surface de soudure et la zone de transition avec un marteau, ou la pulvérisation de la zone de soudure avec de petites billes d'acier.

3. Adoption de mesures de protection spéciales

L'utilisation de revêtements plastiques spéciaux pour améliorer les performances de fatigue des joints soudés est une nouvelle technologie avec des effets importants.

2. fracture fragile des structures soudées

Depuis l'application généralisée des structures soudées, de nombreux pays ont connu des accidents de fracture fragile de structures soudées, avec des conséquences graves, voire catastrophiques. Les résultats d'une enquête conjointe menée par l'Agence britannique de l'énergie atomique et le Comité technique des Nations Unies indiquent que la majorité des accidents catastrophiques survenus dans des récipients à pression 12700 en cours de fabrication étaient des fractures fragiles, avec un taux d'accident de 2.3 × 10 ~ 4; Parmi 100300 récipients sous pression en service, Le taux d'accidents catastrophiques est de 0.7 × 10 ~ 4, le taux d'accidents avec blessures 12.5 × 10 ~ 4 13.2 total × 1 à 4. L'exemple le plus typique de nombreux accidents graves est l'effondrement du pont Hesselt sur le canal Albert en Belgique le 14 mars 1938.

(1) Caractéristiques de la fracture fragile

(1) La fracture fragile se produit généralement lorsque la contrainte n'est pas supérieure à la contrainte de conception structurelle et qu'il n'y a pas de déformation plastique significative, et elle s'étend à toute la structure, entraînant de graves pertes.

(2) La fracture fragile commence souvent à partir du point de concentration de contrainte, tel que la présence de défauts et de soudures dans le composant.

(3) À basse température, les sections épaisses et les taux de déformation élevés sont sujets à une fracture fragile sous charge dynamique. Un grand nombre d'études sur les accidents de fracture fragile ont montré que les raisons du soudage des fractures cassantes sont multiples, mais les principales sont une sélection incorrecte des matériaux, une conception déraisonnable, des processus de fabrication imparfaits, et techniques d'inspection.

(2) Facteurs affectant la fracture fragile des métaux

1. l'influence de la température sur le mode de dommages

L'abaissement de la température transformera le mode de défaillance du plastique en défaillance fragile. En effet, à mesure que la température diminue, le risque de fracture de clivage augmente et le matériau subira une transition d'une fracture ductile à une fracture fragile, c'est-à-dire que la température de transition fragile du matériau augmente.

2. L'influence de l'état de stress

Les objets génèrent différentes contraintes normales sur différentes sections transversales lorsqu'ils sont soumis à des charges externes. La méthode de chargement est liée à la méthode de chargement. A = б Max/.dll Max est appelé le coefficient d'état de contrainte, qui est lié à la méthode de chargement et à la forme de la pièce. Le stress accru est propice à la fracture ductile du plastique deFormation de contrainte de cisaillement, tandis que la réduction est bénéfique pour les fractures fragiles sous contrainte normale.

3. l'impact de la vitesse de chargement

La recherche a montré que l'augmentation de la vitesse de chargement peut favoriser une défaillance fragile des matériaux, ce qui équivaut à réduire la température. Il convient également de souligner que sous le même taux de chargement, lorsqu'il y a des défauts dans la structure, le taux de déformation peut avoir un effet négatif de doublement. Parce qu'à ce stade, la concentration de contraintes réduit considérablement la plasticité locale du matériau.

4. l'influence du statut matériel

(1) L'influence de l'épaisseur de la plaque est d'abord que les plaques épaisses ont tendance à former un état de déformation plane de contrainte tridimensionnelle à l'emplacement du défaut. De plus, les plaques épaisses ont moins de cycles de laminage, une microstructure lâche et des propriétés internes et externes inégales.

(2) L'influence de la taille des grains a un impact significatif sur la température de transition fragile. Plus le grain est fin, plus sa température de transition est basse.

(3) L'influence de la composition chimique sur des éléments tels que C, N, O, H, S, P dans l'acier peut augmenter sa fragilité.