巖土輔導之脆性斷裂與疲勞破壞問題研究(2)

　　2.提高疲勞性能的措施——消除應力集中

　　(1)鋼材選用

　　我國規(guī)范對鋼材選用采取規(guī)定鋼號和保證項目的辦法?？紤]的因素有: (1)是否焊接結構; (2)是否承受動力荷載; (3)是否處于低溫。

　　對于焊接結構,鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結構嚴格。關于保證項目必須符合有關要求,。這里著重討論鋼號問題。(1)焊接構件的要求高于鉚接構件：鉚接重級工作制吊車梁,當計算溫度高于-20℃時可以采用Q235沸騰鋼,同樣條件下的焊接吊車梁則必須采用Q235鎮(zhèn)靜鋼〈或低合金鋼〉。(2)重級工作制構件高于中輕級工作制構件，處于低溫工作的構件要求高：對于處在低溫的其他結構,材料也要求嚴格, 如50t以上的中級工作制焊接吊車梁,當計算溫度高于-20℃時可以采用Q235沸騰鋼,而當計算溫度等于或低于-20℃時，則應該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。(3)承受動力荷載的構件要求高于承受靜力荷載的構件。前者除荷載循環(huán)次數(shù)少,或荷載小,或非焊接結構外,都要求用鎮(zhèn)靜鋼, 并保證沖擊韌性;后者除在溫度低達-30℃的情況外都可以用沸騰鋼,且不論溫度是否低于-30℃都不要求保證沖擊韌性。

　　我國規(guī)范不足之處,是沒有把焊接結構的選材和鋼材厚度相聯(lián)系。歐洲的一些鋼材選用的規(guī)定,考慮因素多而細致。比如把應力狀態(tài)分為三個等級,鋼板厚度每差15mm為一個等級,氣溫分為> -10℃和-10至-30℃兩級,還把構件的重要性分為兩級。把這些級別綜合起來,選定構件材料的質(zhì)量等級。材料等級分為1d、B、c、D四級,以沖擊試驗的溫度為準。轉自環(huán)球網(wǎng)校edu24ol.com

　　(2)工藝措施

　　鋼結構的焊縫必須嚴格控制質(zhì)量。為此,國家標準鋼結構工程施工及驗收規(guī)范規(guī)定了焊縫質(zhì)量檢查的方法,分級標準和容許存在的缺陷。

　　焊縫的焊趾部位時常存在肉眼不能發(fā)現(xiàn)的咬邊,深度約在0.25mm左右,并有焊渣從這里侵入。焊趾的咬邊起著切口的效應,對疲勞壽命很不利。工藝措施的目的就在于消除切口,緩和應力集中,或是在表層形成壓縮殘余應力。目前采用的主要方法有打磨法,、TIG法和錘擊法，其中打磨工藝比較簡單,但效果不很理想，錘擊法效果最好。

　　用砂輪打磨以除去焊趾咬邊,可以改善橫向受力時的疲勞性能。圖4給出打磨的具體要求。左側所示打磨雖然使幾何形狀的改變有所緩和,但未能消除切口這一隱患,因此是不正確而無效的。必須如右側所示,不僅把切口完全除去,并且還要再磨去0.5mm除去侵入熔化金屬的焊渣。當然,母材磨去深度d不應過大,不應超過2mm或板厚的5%,打磨時應避免使焊縫有效厚度受到削弱。此外，還應注意,打磨留下的痕紋應平行于受力方向而不是垂直于受力方向。

　　對接焊縫在焊跟、焊縫快陷及焊縫余高的焊趾等部位,具有嚴重的應力集中,它們是疲勞裂紋開展的根源。焊縫余高的大小對焊縫的疲勞強度也有很大影響。試驗表明,焊縫余高的夾角愈小,則應力集中愈大,疲勞強庭愈低。因此 ,對直接承受重復荷載作用的對接焊縫連接,除了要進行無損檢驗,使其符合鋼結構工程施工及驗收規(guī)范外，還要對焊縫表明進行加工，磨去余高，以消除焊趾處的缺口效應。經(jīng)過這些處理后,對接焊縫連接的疲勞性能將顯著改善。但是沒查出的微觀裂紋以及規(guī)范容許的少量氣孔、夾渣等還可能殘存,它們也將是疲勞裂紋發(fā)展的起點，對接焊縫的耐疲勞性能,仍低于無應力集中的主體金屬〈軌制邊或刨邊〉。這一點在鋼結構設計規(guī)范規(guī)定的容許應力幅中都有反映。轉自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　縱向焊縫的焊波皺紋〈常發(fā)生在施焊時更換焊條處),垂直于力的作用方向,類似糟口, 對疲勞不利,也應加工磨平。

　　TIG法是使用鎢極氣體保護電弧( Tungsten-inert gas arc)使焊趾部位重新熔化。這種鎢極弧不會在趾部產(chǎn)生咬邊和焊渣侵入，只要重新熔化的深度足夠,原有切口及悍渣都可以消除,并且還可以形成平緩的幾何形狀變化。采用這種方法在不同應力幅情況下疲勞強度都能提高。圖6給出了帶縱肋的16Mn鋼板,焊縫繞肋板圍焊時,用TIG法提高疲勞強度的情況。

　　鍾擊法是用帶硬質(zhì)圓頭的風動工具撞擊焊趾,或是嘖射鋼丸(直徑0.5或lmm)來連續(xù)撞擊焊趾。它的效果是金屬的表層在沖擊性的錘打作用下趨于向側向擴張,從而產(chǎn)生殘余壓應力，使疲勞強度提高。

　　除上述三種方法外,還可以采用局部加熱法,即在焊縫兩旁用氧氣加熱,使加熱處在冷卻后產(chǎn)生殘余拉應力,而焊趾處則產(chǎn)生殘余壓應力。給出了采用不同工藝措施處理后的效果對比。由圖可見，單頭錘擊的效果最好。改善焊縫性能的工藝措施目前還在發(fā)展,一般規(guī)范對此還未作出規(guī)定。

　　此外，應嚴格遵守設計對制造所提出的技術工藝要求，例如盡量避免使材料出現(xiàn)應變硬化，因剪切、沖孔而造成的局部硬化區(qū),要通過擴鉆和刨邊來除掉;要正確地選用焊接工藝,保證焊接質(zhì)量,不在構件上任意起弧、打火和錘擊,必要時可用熱處理的方法消除重要構件中的焊接殘余應力,重要部位的焊接,要由有經(jīng)驗的焊工操作,要嚴格執(zhí)行質(zhì)量檢驗制度等。

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