鋼結構疲勞破壞
吊車梁為典型的直接承受動力重復荷載的構件,鋼結構疲勞破壞是焊接吊車梁破壞的主要原因。
根據斷裂力學理論,鋼結構疲勞破壞是裂紋在重復或交變荷載作用下的不斷開展,最后達到臨界尺寸而出現的斷裂。一般地說,鋼結構疲勞破壞經歷三個階段:裂紋的形成,裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。對于鋼結構,實際上只有后兩個階段,因為鋼材內部總會存在細小的缺陷,這些缺陷就起著裂紋的作用。對焊接構件,裂源往往出現在焊縫趾處,因為該處常有焊渣侵入。有的焊接構件鋼結構疲勞破壞起源于焊縫內部缺陷,如氣孔、欠焊、夾渣等。通過試驗發現,鋼結構疲勞強度與應力幅有關,但應力集中是鋼結構疲勞破壞最關鍵的因素。
2.2 鋼結構疲勞破壞的影響因素
鋼結構疲勞破壞是一個裂紋逐漸擴展的過程,造成鋼結構疲勞破壞的因素很多,也有很大的隨機性,其主要影響因素有以下幾方面。
1)材料。裂紋始于鋼材內部的缺陷,鋼材的熔煉及軋制過程決定了鋼材的力學和化學性能。鋼材中的硫、磷等雜質含量高,將影響鋼材的力學性能及焊接接頭的裂紋敏感性,使吊車梁在加工焊接時出現裂紋或引起應力集中。
2)設計。應力集中是鋼結構疲勞破壞的最主要原因,而應力集中在很大程度上是由節點構造決定的。設計中一些不利的節點或末考慮的不利因素是造成吊車梁鋼結構疲勞破壞的主要原因。
3)施工。鋼材及其焊縫存在的一些缺陷會直接導致應力的集中,而鋼結構疲勞破壞往往就起源于這些缺陷,故吊車梁在施工過程中對焊縫形式的選擇、施焊工藝、質量和焊后處理等都將直接影響焊接吊車梁的鋼結構疲勞壽命。
4)維護。生產過程中隨意加大吊車吊重、增加吊車的使用頻率,或者隨意在吊車梁上加焊桿件,特別是在吊車梁下翼緣施焊,都將嚴重影響吊車梁的使用壽命。
5)環境。空氣中有氧且往往有一定的濕度,對鋼材有腐蝕作用,鋼材中的小裂紋在腐蝕介質作用下會隨時間而擴展,這種鋼結構疲勞被稱為腐蝕鋼結構疲勞。
3 防止鋼結構疲勞破壞的措施
由于焊接吊車梁的破壞主要是鋼結構疲勞破壞,鋼結構疲勞破壞與應力幅有關,應力集中是鋼結構疲勞破壞最主要的原因。因此,要防止鋼結構疲勞破壞,提高鋼結構疲勞強度,就應采取措施減少或緩解應力集中。
3.1 鋼材的選擇
圖4為構件在兩個不同應力幅Acii和Au2作用下的鋼結構疲勞壽命曲線ABC和ADE。從圖中可以看出,如果將初始裂紋尺寸al減小到a1/2,則構件的荷載循環次數將增加ANi,這個增加是很可觀的,因為裂紋在尺寸很小的時候擴展速率很低。圖中C點和E點為對應于同一裂紋尺寸n:,應力幅由A盯,降低至△口。,荷載循環歡數增加ANz。在曲線ABC上,B點為低韌性材料裂紋緩慢擴展區的終止點;C點為高韌性材料裂紋緩慢擴展區的終止點;由B到C,荷載循環次數增加△N。。
由此可知,減小初始裂紋尺寸,降低構件所承受的應力(應力幅)和采用高韌性的材料,都將增加荷載的循環次數,延長構件的鋼結構疲勞壽命。