Trwałość zmęczeniowa złączy spawanych elementów konstrukcyjnych Prof. dr hab. inŝ. Tadeusz ŁAGODA Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Wydział Mechaniczny Politechnika Opolska
Maurzyce (1928)
P b) P NapręŜenia osiowe σ max napręŝenia nominalne σ max NapręŜenia obwodowe NapręŜenia poprzeczne NapręŜenia promieniowe P P
Promień w dnie karbu złącza spawanego dąŝy do zera. W związku z tym napręŝenia dąŝą do nieskończoności Griffith zajął się następującym problemem: obliczenia teoretyczne wykazały, Ŝe napręŝenie w wierzchołku ostro zakończonego pęknięcia zbliŝa się do nieskończoności. Zgodnie z tym, kaŝda konstrukcja zawierająca pękniecie(złącze spawane) powinna ulec uszkodzeniu, niezaleŝnie od wielkości pęknięcia czy wielkości obciąŝenia.
J. Martinsson, Fatigue Assessment of Complex Welded Steel Structures
ObciąŜenie Geometria Wytrzymałość zmęczeniowa Materiał Sposób wykonania spoiny
σ a τ a m σ = 3 m σ = 5 m τ = 5 σ af τ af N f cykle 5*10 6 10 8 Eurocode 3
NapręŜenia nominalne
www.twi.co.uk - World Centre for Materials Joining Technology
www.twi.co.uk - World Centre for Materials Joining Technology
Japan Society of Steel Construction (JSSC), 1993, Fatigue Design Recommendation for Steel Structures
Hiroyuki YOKOTA and Kengo ANAMI- Local stress approach for fatigue assessment of welded joint
www.twi.co.uk - World Centre for Materials Joining Technology BS 7608
http://www.fatiguecalculator.com/ - BS 7608 "Code of practice for Fatigue design and assessment of steel structures".
m = 3 Comparison of JSSC Fatigue Design Recommendations for Steel Structures to IIW and AASHTO Recommendations MIKI s Steel Structures and Bridges Engineering Laboratory, Tokyo Institute of Technology
FAT m = 5 m = 3
FAT
FAT stal stop aluminium 112 45 40 36 36 12 71 22 50 20 125 50
N m FAT 6 FAT f = 2 10 = 2 10 2 σ σan m 6
θ ρ t 500 σ an MPa S355N S355M S690Q S960Q 100 σ = 1078 ( ) an N f 0,155 FAT 90 50 N f, cykle 1000 10000 100000 1000000 10000000
θ ρ t 100 500 σ an MPa S355N S355M S690Q S960Q σ = 5279 ( ) an N f t 0,317 50 FAT 71 N f, cykle 10000 100000 1000000 10000000
m = 5
Hot Spot Hobbacher A., Fatigue design of welded joints and components
Promień fikcyjny
Hobbacher A., Fatigue design of welded joints and components
Θ ρ
ρf = ρ + s ρ* gdzie: ρ promień rzeczywisty ρ* - promień charakterystyczny s współczynnik wieloosiowości
ρf = s ρ* ρ *, mm 0.5 0.4 Staliwom i satlowe złącza spawane 0.3 Stale austenityczne 0.2 0.1 stopy Al, Cu, Mg Stale 100 200 300 400 500 600 700 R p0.2, MPa
Rozciąganie (HMH) ρf = 1,00 mm Stal (złącze spawane) ρfb = 1,16 mm ρft = 0,4 mm Stop aluminium (złącze spawane) ρfb = 0,29 mm ρft = 0,1 mm
ZŁĄCZE SPAWANE JAKO KARB ZŁOśONY K s wpływ struktury K w wpływ geometrii Spoiwo Strefa wpływu ciepła ρ 0 to σ Materiał rodzimy Przykład karbu złoŝonego 42
Karby geometryczne F Płaszczyzna odkształceń Płaszczyzna napręŝeń σ y, ε y σ z ε x a y z Część samolotu jako przykład przedstawiający kilka typów karbów geometrycznych. x F Stan napręŝenia i odkształcenia na powierzchni karbu obrączkowego przy rozciąganiu 43
Karby strukturalne (struktura i napręŝenia własne) a) b) Karb strukturalny przedstawiony jako: a) zmiana struktury stali na wskutek hartowania i odpuszczania w temperaturze 550 C, b) powierzchnia naborowanej stali narzędziowej 44
PRZEGLĄD METOD LOKALNYCH W UJĘCIU OCENY TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ ELEMENTÓW Z KARBEM 1. Teoretyczny współczynnik działania karbu K t 2. Zmęczeniowy współczynnik działania karbu K f 3. Xiao i Yamada złącze spawane K t = K W K S P.Biłous praca doktorska 45
ZMĘCZENIOWY WSPÓŁCZYNNIK DZIAŁANIA KARBU K f : Współczynnik K f interpretuje się poprzez porównanie napręŝeń w elementach gładkich z napręŝeniami w elementach z karbem. gdzie: σ sm σ not K f sm not - napręŝenie w elemencie gładkim; - napręŝenie w elemencie z karbem. = Najczęściej zmęczeniowy współczynnik działania karbu wyznacza się dla 2 10 6 cykli i jest zaleŝny od liczby cykli Nf σ σ Kf (Nf ) = σsm (Nf ) σnot (Nf ) C.M. Sonsino, F. Ellyin 46
MATERIAŁ Do badań zmęczeniowych została wybrana stal konstrukcyjna S355N - EN 10113-2:1998. a) b) Struktura stali S355N a) przy powiększeniu x200, b) przy powiększeniu x500 47
Badania literaturowe i własne Próbki o grubości blach 10 mm K t =2,06 - ROZCIĄGANIE- ŚCISKANIE Próbki o grubości blach 30 mm K t =2,82 - ZGINANIE WAHADŁOWE Geometria próbki ze spoiną czołową typu X 48
K t = 2,82; σ n = 0 ρ = 0,31 mm, t = 6,5mm Zginanie wahadłowe Geometria próbki z naciętym obustronnym karbem geometrycznym typu V 49
K t = 2,06; σ n = 0 R = 3mm, t = 12,25mm Rozciaganie-ściskanie Geometria płaskiej próbki z naciętym obustronnym karbem geometrycznym typu U 50
BADANIA EKSPERYMENTALNE: CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE logn f = A-m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami spawanymi z zeszlifowanym licem spoiny. 51
BADANIA EKSPERYMENTALNE: CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE K t = 2,06; log N f = A - m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami z obustronnym karbem geometrycznym typu U. 52
BADANIA TEORETYCZNE: CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE K t =2,06 logn f = A-m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami spawanymi ze spoiną czołową typu X poddanych cyklicznemu rozciąganiu-ściskaniu. 53
BADANIA EKSPERYMENTALNE: ZGINANIE WAHADŁOWE K t = 2,82; log N f = A - m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami z obustronnym karbem geometrycznym typu V obciąŝonych cyklicznym momentem gnącym. 54
BADANIA TEORETYCZNE: ZGINANIE WAHADŁOWE K t =2,82 logn f = A-m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami spawanymi ze spoiną czołową typu X obciąŝonych cyklicznym momentem gnącym 55
CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE : K gdzie: K S - wpływ zmiany struktury; K W - wpływ zmiany geometrii; α - wykładnik wpływu zmiany struktury; β - wykładnik wpływu zmiany geometrii. F ( N ) [ K ( N )] α [ K ( N )] β f = S f W f Wykładniki α i β wyznaczono numerycznie K K K F S W ( N f ) ( N f ) ( N ) f = A N = C N D = E N W rezultacie otrzymano ostateczną zaproponowaną zaleŝność dla cyklicznego rozciągania -ściskania B F K [ ] 0,396 K (N ) [ K (N ] 0, 952 F R (Nf ) = S R f W R f ) 56
ZGINANIE WAHADŁOWE: Analogicznie jak w przypadku cyklicznego rozciąganiaściskania otrzymano funkcję K F Z dla zginania K ( ) = ( ) F Nf KS Nf KW Nf [ ] α [ ( )] β gdzie: K S - wpływ zmiany struktury; K W - wpływ zmiany geometrii; α - wykładnik wpływu zmiany struktury; β - wykładnik wpływu zmiany geometrii. W rezultacie otrzymano ostateczną zaproponowaną zaleŝność dla zginania K [ ] 0,494 K (N ) [ K (N ] 1, 620 F Z(Nf ) = S Z f W Z f ) 57
CYKLICZNE ROZCIĄGANIE -ŚCISKANIE: Porównanie funkcji zmęczeniowego współczynnika działania karbu K F przebiegu z K F zaproponowanej przez Xiao Yamadę dla cyklicznego rozciągania -ściskania 58
ZGINANIE WAHADŁOWE: Porównanie funkcji zmęczeniowego współczynnika działania karbu K F przebiegu z K F zaproponowanej przez Xiao Yamadę dla wahadłowego zginania 59