岩土辅导之脆性断裂与疲劳破坏问题研究(2)

　　2.提高疲劳性能的措施——消除应力集中

　　(1)钢材选用

　　我国规范对钢材选用采取规定钢号和保证项目的办法。考虑的因素有: (1)是否焊接结构; (2)是否承受动力荷载; (3)是否处于低温。

　　对于焊接结构,钢材质量要求得比非焊接结构严格。关于保证项目必须符合有关要求,。这里着重讨论钢号问题。(1)焊接构件的要求高于铆接构件：铆接重级工作制吊车梁,当计算温度高于-20℃时可以采用Q235沸腾钢,同样条件下的焊接吊车梁则必须采用Q235镇静钢〈或低合金钢〉。(2)重级工作制构件高于中轻级工作制构件，处于低温工作的构件要求高：对于处在低温的其他结构,材料也要求严格, 如50t以上的中级工作制焊接吊车梁,当计算温度高于-20℃时可以采用Q235沸腾钢,而当计算温度等于或低于-20℃时，则应该用Q235镇静钢。(3)承受动力荷载的构件要求高于承受静力荷载的构件。前者除荷载循环次数少,或荷载小,或非焊接结构外,都要求用镇静钢, 并保证冲击韧性;后者除在温度低达-30℃的情况外都可以用沸腾钢,且不论温度是否低于-30℃都不要求保证冲击韧性。

　　我国规范不足之处,是没有把焊接结构的选材和钢材厚度相联系。欧洲的一些钢材选用的规定,考虑因素多而细致。比如把应力状态分为三个等级,钢板厚度每差15mm为一个等级,气温分为> -10℃和-10至-30℃两级,还把构件的重要性分为两级。把这些级别综合起来,选定构件材料的质量等级。材料等级分为1d、B、c、D四级,以冲击试验的温度为准。转自环球网校edu24ol.com

　　(2)工艺措施

　　钢结构的焊缝必须严格控制质量。为此,国家标准钢结构工程施工及验收规范规定了焊缝质量检查的方法,分级标准和容许存在的缺陷。

　　焊缝的焊趾部位时常存在肉眼不能发现的咬边,深度约在0.25mm左右,并有焊渣从这里侵入。焊趾的咬边起着切口的效应,对疲劳寿命很不利。工艺措施的目的就在于消除切口,缓和应力集中,或是在表层形成压缩残余应力。目前采用的主要方法有打磨法,、TIG法和锤击法，其中打磨工艺比较简单,但效果不很理想，锤击法效果最好。

　　用砂轮打磨以除去焊趾咬边,可以改善横向受力时的疲劳性能。图4给出打磨的具体要求。左侧所示打磨虽然使几何形状的改变有所缓和,但未能消除切口这一隐患,因此是不正确而无效的。必须如右侧所示,不仅把切口完全除去,并且还要再磨去0.5mm除去侵入熔化金属的焊渣。当然,母材磨去深度d不应过大,不应超过2mm或板厚的5%,打磨时应避免使焊缝有效厚度受到削弱。此外，还应注意,打磨留下的痕纹应平行于受力方向而不是垂直于受力方向。

　　对接焊缝在焊跟、焊缝快陷及焊缝余高的焊趾等部位,具有严重的应力集中,它们是疲劳裂纹开展的根源。焊缝余高的大小对焊缝的疲劳强度也有很大影响。试验表明,焊缝余高的夹角愈小,则应力集中愈大,疲劳强庭愈低。因此 ,对直接承受重复荷载作用的对接焊缝连接,除了要进行无损检验,使其符合钢结构工程施工及验收规范外，还要对焊缝表明进行加工，磨去余高，以消除焊趾处的缺口效应。经过这些处理后,对接焊缝连接的疲劳性能将显著改善。但是没查出的微观裂纹以及规范容许的少量气孔、夹渣等还可能残存,它们也将是疲劳裂纹发展的起点，对接焊缝的耐疲劳性能,仍低于无应力集中的主体金属〈轨制边或刨边〉。这一点在钢结构设计规范规定的容许应力幅中都有反映。转自环 球 网 校edu24ol.com

　　纵向焊缝的焊波皱纹〈常发生在施焊时更换焊条处),垂直于力的作用方向,类似糟口, 对疲劳不利,也应加工磨平。

　　TIG法是使用钨极气体保护电弧( Tungsten-inert gas arc)使焊趾部位重新熔化。这种钨极弧不会在趾部产生咬边和焊渣侵入，只要重新熔化的深度足够,原有切口及悍渣都可以消除,并且还可以形成平缓的几何形状变化。采用这种方法在不同应力幅情况下疲劳强度都能提高。图6给出了带纵肋的16Mn钢板,焊缝绕肋板围焊时,用TIG法提高疲劳强度的情况。

　　锺击法是用带硬质圆头的风动工具撞击焊趾,或是啧射钢丸(直径0.5或lmm)来连续撞击焊趾。它的效果是金属的表层在冲击性的锤打作用下趋于向侧向扩张,从而产生残余压应力，使疲劳强度提高。

　　除上述三种方法外,还可以采用局部加热法,即在焊缝两旁用氧气加热,使加热处在冷却后产生残余拉应力,而焊趾处则产生残余压应力。给出了采用不同工艺措施处理后的效果对比。由图可见，单头锤击的效果最好。改善焊缝性能的工艺措施目前还在发展,一般规范对此还未作出规定。

　　此外，应严格遵守设计对制造所提出的技术工艺要求，例如尽量避免使材料出现应变硬化，因剪切、冲孔而造成的局部硬化区,要通过扩钻和刨边来除掉;要正确地选用焊接工艺,保证焊接质量,不在构件上任意起弧、打火和锤击,必要时可用热处理的方法消除重要构件中的焊接残余应力,重要部位的焊接,要由有经验的焊工操作,要严格执行质量检验制度等。

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