123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

98_3-4   Pevnost na únavu

Všeobecné problémy

Řada šetření a škodových případů ukázala, že i při čistě tlakovém střídavém namáhání mohou vzniknout únavové trhliny. Tento jev je připisován tahovým vnitřním pnutím vnášených svařováním. Nové výzkumy však ukázaly, že u zušlechtěných jemnozrnných ocelí je určující pro vznik trhlin spíše pokles tvrdosti a pevnosti v tepelně ovlivněném pásmu.

Problémy vyhodnocování víceosého kmitavého namáhání nejsou doposud plně vyřešeny. Byly vyšetřovány různé kombinace normálního a smykového namáhání. Pokud obě složky namáhání kmitají ve fázi, mohou být podle dosavadních teorií pevnosti od Mise nebo Tresca uspokojivě vystiženy. Při nezávislém kmitání obou složek namáhání nemůže tento postup vést k nekonzervativnímu hodnocení životnosti. Zde se navrhuje Miner-souhrn na úrovni 0,35. Výsledky zkoušek korespondují ve značné míře s doporučeními IIW.
V dalším článku jsou porovnávány zkušenosti s rozdílnými hypotézami akumulace škod. Hodnoty škod zde mohou kolísat v širokém rozsahu. Významným parametrem se jeví plnost souboru namáhání a poloha namáhání ve vztahu k bodu diskontinuity Wöhlerovy křivky.
V jedné francouzské práci byl proveden souhrnný účet škod na bázi lomové mechaniky a byl porovnáván s hodnotami získanými experimentálně. Při kolektivním namáhání je třeba rozlišovat mezi výpočetně stanovenými ekvivalenty napětí a maximálním namáháním v kolektivu. Určitá nejistota při početním stanovení životnosti spočívá v hodnotách vysokých výkyvů napětí, které však nastávají zřídka.
V další práci, která se zabývá těmito efekty, je navrhováno modifikované ekvivalentní namáhání.

Komplikované výpočetní postupy pro určování výpočtové životnosti svařovaných dílů nedovolují provést statistické výpočty v uzavřené formě. Zde se osvědčily tzv. Monte-Carlo-metody. Všechny vstupující parametry kolísají ve vhodné formě. Ze značného počtu rovnic se pak určí výpočtové životnosti, které jsou ve statistickém rozložení. Z analýzy těchto rozložení lze usuzovat na pravděpodobnost přežití dílů. Tento postup byl použit pro analýzu přípustnosti dálkového potrubí s trhlinou.

Lokální koncepce

Pro hodnocení pevnosti svarových spojů na únavu bývají v předpisech stále více upřednostňovány lokální koncepce. Při praktickém použití zde však může dojít částečně k nejistotám s ohledem na rozložení na prvky a na určení lokálních parametrů namáhání. V článku je vyšetřována pevnost na únavu podélných a příčných výztuh. K tomu byl proměřen přechodový rádius spoje zkušebního kusu a podroben analýze jemnějších konečných prvků. Početně zjištěné hodnoty souhlasí s experimentálními hodnotami v rámci obvyklého rozptylu.

Mezi lokální koncepce se počítají koncepce lomové mechaniky, koncepce nejvýše namáhaných materiálových prvků, koncepce strukturního pnutí a proces s náhradním vrubem. Pro ocel jsou tyto postupy již dobře propracované, pro hliník je potřeba další práce.
V další práci jsou tyto koncepce přizpůsobeny pro hliníkové svarové spoje a porovnány s experimentálně zjištěnou životností. Ukazuje se, že v oblasti vysokých kmitočtů je možno tyto postupy použít s přijatelnou přesností. V jednotlivých případech dochází k vysokému nadhodnocení nebo podhodnocení životnosti. Důvody tohoto jevu nejsou zatím dostatečně objasněny. Při koncepci strukturního napětí existují dva zdroje možné nejistoty, jeden je ve vztahu k rozkladu na prvky a druhý ve vztahu k rozumné extrapolaci nárůstu napětí v přechodu spoje.
V další práci je určován bod X1, od kterého již nemá mikrogeometrie přechodu spoje žádný vliv a bod X2, od kterého již nemá makrogeometrie přechodu spoje již žádný vliv na hladinu napětí. Tyto oba body závisejí na okrajových podmínkách svarového spoje. Porovnávají se s obvyklými extrapolovanými body, přičemž je navržen nový způsob extrapolace.

Výpočtová potřeba pro lokální koncepce, zde zejména pro koncepci strukturního pnutí, závisejí značně na jemnosti a komplexnosti modelování svarových spojů. Další článek srovnává různé způsoby modelování. Ukazuje se, že trojrozměrné prvky s dvaceti uzly mohou být nahrazeny skořepinovými prvky. Toto jednoduché rozkládání bylo potvrzeno experimentálním důkazem. Pevnost na únavu svarových spojů je závislá především na lokální geometrii a na vlastních pnutích v přechodu spoje. Novější studie ukázaly vliv mikrostruktur v místě vzniku trhlin na životnost. Tento vliv byl studován. Byly zhotoveny svařované zkušební vzorky s mikroefekty v přechodu spoje a porovnávací vzorky stejných geometrických rozměrů, ale vyrobené mechanickým opracováním. Oboje vzorky byly podrobeny zkouškám na únavu, výsledky byly porovnány a rozdíly v životnosti vysvětleny lomovou mechanikou. Svařované vzorky ukazují od začátku na větší délky mikrotrhlin než vzorky nesvařované.

Koncepce strukturního pnutí má přednost v jednoduchém rozdělení na prvky, které je přece jen spojeno s jistými nejistotami při určování napětí. Naproti tomu koncepce náhradních vrubů požaduje jemné a pozorné rozdělení na prvky, zabrání však nejistotám při určování napětí. Oba způsoby byly výpočtově a experimentálně porovnány pro typické svarové spoje. Výsledky potvrdily očekávání.
Další článek osvětluje detailně problémy spojené s výpočty strukturního napětí pomocí konečných prvků. Zejména se poukazuje na hospodárnost strukturovací techniky. Základní zkoušky pro zajištění lokální koncepce jsou obvykle zajištěny jednostupňovou zkouškou na únavu. Další práce srovnává výpočtové životnosti podle dvou lokáních koncepcí - podle koncepce strukturovaného napětí a podle koncepce lomové mechaniky - s experimentálními výsledky. Pro určování výpočtové životnosti jsou použity různé hypotézy akumulace škod, tj. různé modifikace Miner-pravidla. Bylo navrženo posunout zlomový bod Wöhlerovy křivky k vyšším kmitočtům namáhání. Je třeba k tomu poznamenat, že se to vztahuje jen na použité soubory namáhání a ostatní jim blízké parametry. To není problém lokálních koncepcí, ale generelní problém výpočtů na základě akumulace škod. Je zde řada otevřených otázek, které je třeba zpracovat v příštích letech.

Zpracování po dokončení svarů

Metody zpracování po dokončení svarů pro zlepšení jejich pevnosti na únavu mohou být rozděleny do dvou skupin. První se uspokojuje se zlepšením geometrických parametrů přechodu spoje. Druhá skupina reprezentuje způsoby, které zlepšují stav vnitřních pnutí v přechodu spoje a převádějí jej do stavu tlakových pnutí, což má za důsledek vyšší pevnost na únavu. V dalším článku jsou diskutovány příčné výztuhy, které byly přivařeny na nosné konstrukční díly. Ukazuje se, že větší přechodový rádius na přechodu svarového spoje přináší zlepšení pevnosti na únavu. Tento efekt je nezávislý na pevnosti materiálu.
Další článek referuje o výzkumech hliníkových T-spojů. Svarové spoje byly zpracovány novým natavením a kuličkováním. Experimentální výsledky ukazují rozdíly mezi nezpracovanými a zpracovanými spoji. Před časem byly vykonány srovnávací zkoušky na ocelích vysoké pevnosti. V dalším článku byla vyslovena pozoruhodná myšlenka, že opětovné natavení nezlepšuje nejen geometrii přechodu svarového spoje, ale že přivedeným teplem částečně snižuje tahová vnitřní pnutí. Tento dvojitý efekt je příčinou pozoruhodného zvýšení pevnosti na únavu.

Významné zvýšení pevnosti na únavu je možno docílit kováním ultrazvukem (Ultrasonic impact treatment, UTT). Tento způsob byl předveden v osmdesátých letech v tehdejším SSSR. Pomocí výzkumného programu se má nyní postavit na širší základnu.

Nedokonalosti svarů

Hodnocení nedokonalostí svarových spojů ve vztahu k pevnosti na únavu je stávajícími pravidly dobře pokryto. Současně však jejich experimentální ověřování vzbuzuje zvláštní zájem. V jednom článku jsou hodnoceny tupé spoje s různými nedokonalostmi a výsledky jsou diskutovány. Problémem při tenkých plechách jsou velké nelinearity při zatížení.
V dalším článku je popisována simulace vlivu nedokonalostí tupých spojů na pevnost na únavu spojů tenkých hliníkových plechů. Spoje byly svařeny způsoby MIG a laserově, přičemž byly záměrně vytvořeny nedokonalosti. S výsledky výzkumu pevnosti na únavu a existujícími poznatky právě o WIG-svařování vznikl návrh na včlenění nedokonalostí svarových spojů do skupin hodnocení hliníkových spojů v oblasti tenkých plechů.

V dalším článku je studováno chování pevnosti na únavu obvodových spojů dálkových potrubí s nedokonalostmi. Mimořádný význam zde má krátkodobé kmitavé namáhání. Potrubí, která mají být položena v územích ohrožených zemětřesením, musí dostatečně odolávat nízkocyklickému kmitavému namáhání. Zkoušené svarové spoje obsahovaly spojové chyby, póry, nedostatky v průvaru a trhliny. Zkoušky byly vykonány s kontrolou průtažnosti. Použití výpočtu dává ve srovnání s experimentálními výsledky konzervativní hodnocení.

Vrubové případy a konstrukční části

Konstrukce z tenkých plechů, jaké jsou obvyklé v automobilovém průmyslu, přinášejí zvláštní problémy. Je obtížné určit skutečná napětí a stav napětí, vnitřní pnutí a nahodile rozptýlené nepravidelnosti ztěžují hodnocení. Z tohoto důvodu se k určení životnosti používají zkoušky jednotlivých dílů. V další práci jsou takové díly modelovány a analyzovány pomocí konečných prvků a výsledky jsou srovnávány s experimentálně zjištěnými životnostmi.

Existující předpisy pro hodnocení obvodových spojů na potrubích, které mají být použity na podmořských dílech se jeví jako příliš konzervativní. Platí to zejména pro dobře provedené svarové spoje, které byly svařeny pouze z jedné strany. Aby se osvětlil tento problém byly realizovány únavové zkoušky na velkých rourách a na malých laboratorních vzorkách se stejnou tloušťkou stěny. Výsledkem bylo zjištění, že pevnost na únavu leží u rour výše než u malých vzorků. Tento rozdíl byl přisouzen zakřivení povrchu roury.

Při oboustranném T-styku jsou provařené K-svary styků překryty koutovými svary s plánovanou kořenovou spárou. Toto kořenové otupení při různých tloušťkách stěny kolísá. Teoretické výpočty jsou srovnávány s experimentálními hodnotami. Na závěr byl určen teoretický výpočtový vliv tloušťky. Při tloušťkách stěny nad 50 mm je možno přijmout exponent vlivu tloušťky v hodnotě 1/7.

Pevnost na únavu svarových spojů závisí z určité části na stavu vnitřních pnutí. Článek popisuje způsob jak vnést do svarového spoje tlaková vnitřní pnutí. Používají se speciální elektrody, při kterých ve svarovém kovu začíná přeměna z austenitu na martenzit při 180 oC a končí při normální teplotě. Při této přeměně se zvětšuje objem materiálu. Tímto způsobem se zavedou tlaková vnitřní pnutí, která vedou ke zdvojnásobení pevnosti na únavu.

Další práce srovnává pevnost na únavu 5 mm a 25 mm tlustých hliníkových plechů svařených tupými svary. Ukázalo se, že pevnost na únavu obou druhů je stejná, pokud nejsou vady v průvaru. U plechu o tloušťce 5 mm vzniká nebezpečí úhlové deformace, která může pevnost na únavu výrazně snížit.Při opravách svařovaných dílů je třeba zachovat geometrické poměry a stav napětí.

Metody lomové mechaniky

Klasický důkaz pevnosti na únavu spočívá v katalogu konstrukčních detailů a v příslušných Wöhlerových křivkách. Tyto předpisy se dají jednoduše užívat, mají však svá omezení. Nemohou v jednotlivých případech zohlednit variace měřitelných parametrů. Rovněž se nedají zohlednit důsledky možných nedokonalostí po svaření. Konečně je také omezena bohatost konstrukčních možností na omezený počet tabulkových konstrukčních detailů. Zde se nabízejí možnosti lomové mechaniky. Je snaha postavit celý systém hodnocení pevnosti na únavu na základ lomové mechaniky, což ovšem přináší problém, že musí být jednotlivě určeny geometrické parametry a korekční funkce. Zde mohou být spojeny programy pro určování napětí pomocí konečných prvků přímo se simulacemi lomové mechaniky. Systém může být kalibrován na známé hodnoty pevnosti na únavu pro konstrukční detaily.
V dalším článku je tento směr dále rozvíjen. Přitom se jedná o teoretický výpočet Wöhlerových křivek růstu trhliny geometricky podobných vzorků s kořenovou spárou a bez ní. Výsledky jsou srovnávány s experimentálními daty z jiné práce. Pro lomovomechanický výpočet růstu trhliny byl pro vzorky s kořenovou spárou vyvinut model k výpočtu fiktivního začátku trhliny a pro vzorky se spárou model k výpočtu intenzifikačních faktorů napětí v lomovém průřezu.

Charakteristické hodnoty materiálu k výpočtu šíření trhliny pomocí metod lomové mechaniky kolísají pro určitou materiálovou skupinu jen v omezeném rozsahu. Proto mohou být stanoveny horní hranice očekávaného svazku rozptylu. Při přepracovávání britské normy PD6493:1991 byl nově zkoumán způsob šíření trhlin feritických a martenzitických ocelí na vzduchu a v mořské vodě. Do výzkumu byly později zařazeny i austenitické ocele. Na základě získaného datového materiálu byly doporučeny nové charakteristické hodnoty šíření trhlin pro ocel. Hodnoty leží přibližně o faktor 1,7 výše než dosud přijaté. V další práci je srovnáván způsob šíření trhlin v uhlíkové manganové oceli na vzduchu a v mořské vodě. Jak se očekávalo, ukázala se velká závislost na zkušební frekvenci, což je ostatně jiné měřítko pro dobu expozice v korosivním médiu. V zakalených oblastech tepelně ovlivněného pásma bylo pozorováno zrychlené šíření trhlin, které leží nad hodnotami, které jsou uvedeny ve stávajících předpisech.

Pevnost na únavu laserově svařovaných přeplátovaných spojů je hodnocena metodami lomové mechaniky. Spára mezi přeplátovanými plechy byla vzata jako nekonečně dlouhá trhlina, načež pak byly výpočetně určeny korekturní funkce lomové mechaniky. Následuje pak srovnání výpočtu šíření trhlin s experimentálními daty.

Je specielní úlohou spojit různá jednotlivá řešení podle lomové mechaniky a detaily do většího systému, který může být inženýsky použit. Tato práce byla provedena s výsledkem, že je nyní k dispozici ucelený dokument, podle kterého je možno hodnotit lomové chování elasticko-plastických materiálů a z nich vyrobených dílů. Zvláštní pozornost zaslouží v něm obsažený soubor korekturních funkcí lomové mechaniky pro velký počet konfigurací trhlin. Bohužel zde chybějí svarové spoje, které budou do příštího přepracování určitě začleněny.

Bylo představeno speciální analytické řešení pro spoje trub. Řešení bylo porovnáno s různými experimentálními hodnotami z literatury. Hodnocení vad lomovou mechanikou obsahuje Merkblatt DVS 2401. Dá se však použít jen tehdy, jestliže jsou známé lomovomechanické charakteristické hodnoty svařovaného materiálu. Aby se daly použít také na podobné svarové spoje litiny s granulárním grafitem GGG-40, probíhají průběžně lomovomachanické výzkumy v závislosti na stavu struktury a namáhání. Zjišťují se přitom nejen statické, ale i dynamické křivky odolnosti proti trlinám.

Konstrukce odolné proti zemětřesení

Pro konstrukce odolné proti zemětřesením mají zvláštní význam konstrukční detaily, spojení sloupů a nosníků. Byly činěny pokusy metodami lomové mechaniky nalézt vztah mezi úrovní namáhání, velikostí nepravidelností a požadovanou houževnatostí. Konstrukční detaily byly analyzovány pomocí konečných prvků. Výpočty podle lomové mechaniky sloužily pro optimalizaci provedení svarového spoje. Byl navržen postup pro kvalitativní hodnocení rizika. Tím má být uživatel postaven před skutečnost umět zhodnotit riziko lomu určitého konstrukčního detailu při zatížení zemětřesením.

Při hodnocení konstrukcí odolných proti zemětřesení jsou dva myšlenkové přístupy. Evropský přístup vychází ze znalostí, zejména z metod lomové mechaniky, a pokouší se je převést na specifické konstrukce vystavené zemětřesením. Naproti tomu americký přístup je spíše pragmatický. Zde se vyhodnocují čistě fenomenologické zkušenosti a převádějí se do doporučení. Zvláštními parametry jsou při tom houževnatost přídavného materiálu a tepelně ovlivněného pásma, tvárnost základního materiálu, převážná shoda základního a přídavného materiálu v mechanických vlastnostech, konstrukční detail spoje sloup-nosník, zejména tvar průniků, schopnost svářečů, nedokonalosti svarů, přesnost nedestruktivních zkoušek a parametry vlastního svaru.
V dalších článkách jsou systémově zpracované zkušenosti z mnoha škod způsobených zemětřesením v Japonsku a v Americe. Jestliže se vyjde z plastické deformační kapacity 100%, jsou podle konstrukčních detailů a formy svarového spoje formulovány srážky. Zůstatkové procento pak vyjadřuje upozornění na zůstatkovou kapacitu. Tímto způsobem je možno optimalizovat detaily a minimální deformační kapacitu. Kromě prací v IIW byla svářečskými organizacemi USA a Japonska organizována v říjnu 1998 mezinárodní konference na Havaji o odolnosti konstrukcí proti zemětřesení. V 26 referátech byly posouzeny všechny aspekty tohoto problému.

Trubkové konstrukce

Trubkové konstrukce nabízejí kromě výhod estetických i výrazné ekonomické. Platí to zejména, jestliže se spočítají udržovací náklady za delší dobu. Uzavřený dutý průřez u trubek přináší ve srovnání s otevřenými profily zřetelné usnadnění v ochraně proti korozi. V současné době se koncentruje zájem na přepracování stávajících předpisů pro hodnocení pevnosti na únavu trubkových konstrukcí. Spolupracují na tom různá národní a mezinárodní grémia pod zastřešením IIW. V současné době se aktualizují stávající předpisy. Zakončení prací se očekává v roce 1999.

V jedné německé práci byl vyšetřován trubkový uzel v K-tvaru metodou konečných prvků. Strukturní napětí a výpočtová životnost při kmitavém zatížení je určena pomocí Miner-pravidla. Ukazují se výrazné rozdíly mezi výpočtovou a pozorovanou životností. Není při tom jasné, čím jsou způsobeny. Mohou zde vzniknout dva zdroje nejistot:

  • Nejistoty z rozdělení na prvky a z určení strukturních napětí.
  • Nejistoty ze známých problémů výpočtu akumulace škod.

    Hliníkové materiály se v automobilovém průmyslu používají stále více. Typickým příkladem je použití hliníkového trubkového rámu. V článku je posuzována použitelnost různých výpočtových způsobů při hliníkových trubkových rámech. Srovnání výsledků ukazuje, že způsob strukturního napětí dává nejlepší výsledky.

    Různé

    Opravy únavových trhlin na lodích jsou nákladnou prací. Podle článku je možno tyto práce výrazně omezit laserovým svařováním. Tato metoda se může prosadit jako alternativa konvenčních metod obloukového svařování. Popsanou opravou je možno plně obnovit výpočtovou životnost lodě. Číslicová optimalizace se může uplatnit u konstrukčních parametrů dutých panelů lodních palub. Dále byly do výpočtu zavedeny konstrukční okrajové podmínky ve vztahu k namáhání, průhybu a vlastní frekvenci. Podobný způsob byl v dalším článku uplatněn na kuželovou střechu.

  • Zpět na Vývojové tendence



    logo welding.cz