脆性斷裂與疲勞破壞問題

1、建設(shè)工程教育網(wǎng)（）報(bào)名咨詢電話：01082326699免費(fèi)熱線：4008105999咨詢時(shí)間：全天24小時(shí)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(qiáng)度或屈服強(qiáng)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(kuò)展而發(fā)生的，當(dāng)裂

2、紋緩慢擴(kuò)展到一定程度后斷裂即以極高速度擴(kuò)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(yán)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(dāng)?shù)仁箲?yīng)力集中嚴(yán)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(cuò)焊接缺陷大殘余應(yīng)力嚴(yán)重；冷加工引起的應(yīng)變硬化和隨后出現(xiàn)的應(yīng)變時(shí)效使鋼材變脆。(4)結(jié)構(gòu)受有較大動(dòng)力荷載或反復(fù)荷載作用：結(jié)構(gòu)受有較大動(dòng)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(shí)（如吊車行進(jìn)時(shí)由于軌縫處高差而造成對(duì)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(diǎn)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(shí)作用時(shí)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(dāng)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(huì)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(yàn)。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?。同時(shí)可見鋼材由塑性破壞到脆性破壞的轉(zhuǎn)變是在一個(gè)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(diǎn)〈最陡點(diǎn)〉所對(duì)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(jì)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(jì)溫度是根據(jù)大量使用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析確定的。對(duì)于一般鋼結(jié)構(gòu)取對(duì)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(bào)名咨詢電話：01082326699免費(fèi)熱線：4008105999咨詢時(shí)間：全天24小時(shí)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(yàn)結(jié)果證明影響鋼材疲勞強(qiáng)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(qiáng)度無關(guān)（但與鋼材的質(zhì)量有關(guān)）。應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)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(duì)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(shí)還有熱軋和焊接時(shí)產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力尤其是后者對(duì)疲勞強(qiáng)度影響更大。根據(jù)試驗(yàn)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(yán)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(duì)鋼材選用采取規(guī)定鋼號(hào)和保證項(xiàng)目的辦法?？紤]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(dòng)力荷載；是否承受動(dòng)力荷載；(3)是否處于低溫。是否處于低溫。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結(jié)構(gòu)嚴(yán)格。關(guān)于保證項(xiàng)目必須符合有關(guān)要求。這里著重討論鋼號(hào)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(jí)工作制吊車梁當(dāng)計(jì)算溫度高于－20℃時(shí)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(jí)工作制構(gòu)件高于中輕級(jí)工作制構(gòu)件，處重級(jí)工作制構(gòu)件高于中輕級(jí)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(duì)于處在低溫的其他結(jié)構(gòu)材料也要求嚴(yán)格如50t以上的中級(jí)工作制焊接吊車梁當(dāng)計(jì)算溫度高于－20℃時(shí)可以采用Q235沸騰鋼而當(dāng)計(jì)算溫度等于或低于－20℃時(shí)，則應(yīng)該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件要求高于承承受動(dòng)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(dá)－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(xì)致。比如把應(yīng)力狀態(tài)分為三個(gè)等級(jí)鋼板厚度每差15mm為一個(gè)等級(jí)氣溫分為－10℃和－10至－30℃兩級(jí)還把構(gòu)件的重要性分為兩級(jí)。把這些級(jí)別綜合起來選