脆性斷裂與疲勞破壞問題

1、建設(shè)工程教育網(wǎng)（）報名咨詢電話：01082326699免費熱線：4008105999咨詢時間：全天24小時服務(wù)（周六、周日及節(jié)假日不休息）1脆性斷裂與疲勞破壞問題脆性斷裂與疲勞破壞問題一、一、脆性斷裂脆性斷裂鋼材或鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂是指應(yīng)力低于鋼材抗拉強度或屈服強度情況下發(fā)生突然斷裂的破壞。鋼結(jié)構(gòu)尤其是焊接結(jié)構(gòu)由于鋼材、加工制造、焊接等質(zhì)量和構(gòu)造上的原因往往存在類似于裂紋性的缺陷。脆性斷裂大多是因這些缺陷發(fā)展以致裂紋失穩(wěn)擴展而發(fā)生的，當裂

2、紋緩慢擴展到一定程度后斷裂即以極高速度擴展脆斷前無任何預(yù)兆而突然發(fā)生破壞。鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂破壞事故往往是多種不利因素綜合影響的結(jié)果主要是以下幾方面:(1)鋼材質(zhì)量差、厚度大：鋼材質(zhì)量差、厚度大：鋼材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過高晶粒較粗夾雜物等冶金缺陷嚴重韌性差等；較厚的鋼材輥軋次數(shù)較少，材質(zhì)差、韌性低，可能存在較多的冶金缺陷。(2)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件構(gòu)造不合理：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件構(gòu)造不合理：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當?shù)仁箲?yīng)力集中嚴重。(3)

3、制造安裝質(zhì)量差：制造安裝質(zhì)量差：焊接、安裝工藝不合理焊縫交錯焊接缺陷大殘余應(yīng)力嚴重；冷加工引起的應(yīng)變硬化和隨后出現(xiàn)的應(yīng)變時效使鋼材變脆。(4)結(jié)構(gòu)受有較大動力荷載或反復(fù)荷載作用：結(jié)構(gòu)受有較大動力荷載或反復(fù)荷載作用：但荷載在結(jié)構(gòu)上作用速度很快時（如吊車行進時由于軌縫處高差而造成對吊車梁的沖擊作用和地震作用等），材料的應(yīng)力應(yīng)變特性就要發(fā)生很大的改變。隨著加荷速度增大屈服點將提高而韌性降低。特別是和缺陷、應(yīng)力集中、低溫等因素同時作用時材料的脆

4、性將顯著增加。（5）在較低環(huán)境溫度下工作：）在較低環(huán)境溫度下工作：當溫度從常溫開始下降肘材料的缺口韌性將隨之降低材料逐漸變脆。這種性質(zhì)稱為低溫冷脆低溫冷脆。不同的鋼種向脆性轉(zhuǎn)化的溫度并不相同。同一種材料也會由于缺口形狀的尖銳程度不同而在不同溫度下發(fā)生脆性斷裂。所以這里所說的“低溫“并沒有困定的界限。為了確定缺口韌性隨溫度變化的關(guān)系目前都采用沖擊韌性試驗。圖1為碳素鋼恰貝V形缺口試件沖擊能量與溫度的關(guān)系曲線。顯而易見隨著溫度的降低Cv能量

5、值迅下降材料將由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹Ｍ瑫r可見鋼材由塑性破壞到脆性破壞的轉(zhuǎn)變是在一個溫度區(qū)間內(nèi)完成的此溫度區(qū)T1－T2稱為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)。在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)曲線的轉(zhuǎn)折點〈最陡點〉所對應(yīng)的溫度T0稱為轉(zhuǎn)變溫度。如果把低于T0的完全脆性破壞的最高溫度Tl作為鋼結(jié)構(gòu)的脆斷設(shè)計溫度即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。這一脆斷設(shè)計溫度是根據(jù)大量使用經(jīng)驗和實驗資料統(tǒng)計分析確定的。對于一般鋼結(jié)構(gòu)取對應(yīng)于Cv=2.07公斤米的溫度。為了保證鋼結(jié)構(gòu)的安全使用應(yīng)保證其

6、使用溫度高于T1。建設(shè)工程教育網(wǎng)（）報名咨詢電話：01082326699免費熱線：4008105999咨詢時間：全天24小時服務(wù)（周六、周日及節(jié)假日不休息）3圖3變幅應(yīng)力循環(huán)的譜試驗結(jié)果證明影響鋼材疲勞強度的主要因素是應(yīng)力集中、作用的應(yīng)力幅和應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)而與鋼材的靜力強度無關(guān)（但與鋼材的質(zhì)量有關(guān)）。應(yīng)力集中對疲勞強度影響最大，應(yīng)力集中以截面幾何形狀突然改變處最為明顯。但對沒有截面改變的鋼材也存在著微觀裂紋引起的應(yīng)力集中的因素如焊接結(jié)構(gòu)

7、及其附近主體金屬中的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及易產(chǎn)生缺陷的焊縫趾和焊縫端部；非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽；鋼材內(nèi)部的偏析、非金屬夾雜；制造過程中剪切、沖孔、切割等同時還有熱軋和焊接時產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力尤其是后者對疲勞強度影響更大。根據(jù)試驗研究結(jié)果可將構(gòu)件和連接形式按應(yīng)力集中的影響程度應(yīng)力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類為基本無應(yīng)力集中影響的無連接處的主體金屬第8類則為應(yīng)力集中最嚴重的角焊縫。2提高疲勞性能的措施提高疲勞性能的措施——消除

8、應(yīng)力集中消除應(yīng)力集中（1）鋼材選用）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。考慮的因素有考慮的因素有:(1)是否焊是否焊接結(jié)構(gòu)；接結(jié)構(gòu)；(2)是否承受動力荷載；是否承受動力荷載；(3)是否處于低溫。是否處于低溫。對于焊接結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結(jié)構(gòu)嚴格。關(guān)于保證項目必須符合有關(guān)要求。這里著重討論鋼號問題。（1）焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：鉚接重級工作制吊車梁當計算溫度高于－20℃時可以采用Q

9、235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(gòu)件高于中輕級工作制構(gòu)件，處重級工作制構(gòu)件高于中輕級工作制構(gòu)件，處于低溫工作的構(gòu)件要求高：于低溫工作的構(gòu)件要求高：對于處在低溫的其他結(jié)構(gòu)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(yīng)該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動力荷載的構(gòu)件要求高于承承受動力荷載的構(gòu)件要求高于承

10、受靜力荷載的構(gòu)件。受靜力荷載的構(gòu)件。前者除荷載循環(huán)次數(shù)少或荷載小或非焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)件的重要性分為兩級。把這些級別綜合起來選