對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼的低溫冷脆及斷裂機(jī)理概述

1、對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼的低溫冷脆及斷裂機(jī)理概述導(dǎo)讀:晶粒細(xì)化有助于提高材料抗低溫脆斷的能力。脆性斷裂機(jī)理,結(jié)構(gòu)鋼的低溫冷脆及斷裂機(jī)理概述。 :冷脆轉(zhuǎn)變,脆性斷裂機(jī)理,低溫脆斷 1.前言 鋼的低溫脆性斷裂是鋼結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的破壞形式之一,原因是斷裂瞬間發(fā)生,斷裂時(shí)無(wú)明顯的塑性變形,而且構(gòu)件破壞時(shí)其承載能力很低。實(shí)際工程中鋼結(jié)構(gòu),如壓力容器、船舶、橋梁等,由于低溫脆性造成的脆斷事故時(shí)有發(fā)生,造成巨大損失1。2.低溫冷脆特點(diǎn)及其影響因素當(dāng)溫度降低到某一程度時(shí),金屬材料的沖擊吸收能量明顯下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象稱為冷脆。金屬的低溫脆斷具有以下特點(diǎn)2:(1)斷裂時(shí)所承受的工作應(yīng)力低。(2)脆性斷裂時(shí),裂紋的擴(kuò)展速度極快

2、,且脆斷之前無(wú)任何預(yù)兆。(3)材料脆斷溫度通常接近材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,脆性斷裂機(jī)理。(4)脆斷常起源于構(gòu)件自身存在缺陷處。(5)脆性斷裂的宏觀斷口平齊,斷面收縮率小,外觀上無(wú)明顯的宏觀變形特征。影響金屬冷脆的主要因素有以下幾個(gè)方面。(1)晶粒度 當(dāng)晶粒尺寸大于冷機(jī)晶粒尺寸時(shí),結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂。因此,晶粒細(xì)化有助于提高材料抗低溫脆斷的能力。(2)晶粒結(jié)構(gòu) 體心立方晶格金屬及其合金或某些密排六方晶格金屬及其合金,特別是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼有明顯的冷脆現(xiàn)象,而面心立方金屬及其合金一般沒(méi)有低溫脆性現(xiàn)象。,脆性斷裂機(jī)理。(3)形變速率 提高形變速率使材料脆性增大韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。一般中、低強(qiáng)

3、度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)形變速率比擬敏感,而高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼那么較小。(4)板厚 板厚的增加,脆性轉(zhuǎn)變溫度提高3。(5)鋼的化學(xué)成分及組織當(dāng)C0.25%熱軋?zhí)间摏_擊脆性轉(zhuǎn)變溫度TC的經(jīng)驗(yàn)方程4:(1)式中Nf為固溶的自由氮量(%);P為珠光體的百分比;Si為硅的重量百分比;d為晶粒尺寸(mm)。3.低溫脆性斷裂的過(guò)程及機(jī)理鋼具有強(qiáng)度高、塑性和韌性好等特點(diǎn),這些特點(diǎn)保證了鋼結(jié)構(gòu)具有較好的工作可靠性。但是在低溫的條件下,鋼的塑性和韌性降低,提高了鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的可能性。,脆性斷裂機(jī)理。3.1低溫脆性斷裂的過(guò)程鋼的脆性斷裂過(guò)程大致分為三個(gè)階段5:(1)裂紋產(chǎn)生前的準(zhǔn)備階段主要為鋼晶格內(nèi)部的初始塑性變

4、形;(2)裂紋的產(chǎn)生通常為鋼晶格間損傷的宏觀集中表現(xiàn);(3)裂紋向整個(gè)構(gòu)件界面的橫向開(kāi)展。3.2材料脆性斷裂理論自二十世紀(jì)20年代開(kāi)始,世界上很多學(xué)者致力于脆性破壞領(lǐng)域的研究,形成了很多理論流派。,脆性斷裂機(jī)理。(1)經(jīng)典力學(xué)理論 該理論是建立在塑性剪切和脆性斷裂的根底上,能解釋幾乎所有與脆性斷裂現(xiàn)象有關(guān)的影響因素;主要通過(guò)試驗(yàn)研究金屬等多晶體材料在不同應(yīng)變狀態(tài)下的破壞。(2)脆性斷裂的位錯(cuò)理論 晶體原無(wú)裂紋,在應(yīng)力作用下,材料發(fā)生解理斷裂的理論,即位錯(cuò)理論。位錯(cuò)理論解釋了脆性裂紋的成核和長(zhǎng)大問(wèn)題。(3)能量理論 該理論從能量?jī)?chǔ)存和釋放的觀點(diǎn)來(lái)解釋脆性破壞。不考慮裂紋的產(chǎn)生,而是在構(gòu)件含有裂紋

5、的前提下研究其開(kāi)展,并認(rèn)為裂紋的開(kāi)展是由儲(chǔ)存在其周圍的勢(shì)能促成的。雖然在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不容許裂紋的存在,但是能量理論及其最活潑的分支線性破壞力學(xué),能成功地解決脆性破壞的有關(guān)問(wèn)題,并在工程中應(yīng)用。4. 低溫脆性斷裂的實(shí)驗(yàn)手段極其評(píng)定指標(biāo)世界各國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的低溫脆性問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)做了大量的研究工作,提出了不少低溫脆性評(píng)定指標(biāo)和試驗(yàn)方法。4.1低溫拉伸試驗(yàn)低溫拉伸試驗(yàn)需要一個(gè)低溫環(huán)境,且在低溫下材料的性能發(fā)生變化.因此,與常溫拉伸試驗(yàn)相比,除需要設(shè)計(jì)低溫箱外,其它儀器、設(shè)備及參數(shù)也需要重新設(shè)計(jì)選擇6。由于斷面收縮率和延伸率對(duì)試樣溫度不敏感,國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為光滑試樣低溫拉伸的延性指標(biāo)不能用于反映低溫

6、韌性 7。4.2低溫沖擊實(shí)驗(yàn)沖擊實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法有很多,在低溫時(shí)常使用夏比缺口沖擊(Charpy notch impact)試驗(yàn),特別是系列溫度沖擊實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)定材料的低溫脆性。4.3韌脆轉(zhuǎn)變溫度確定材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的標(biāo)準(zhǔn)較多,常用的有能量準(zhǔn)那么法、斷口形貌準(zhǔn)那么法、側(cè)膨脹值法等。,脆性斷裂機(jī)理。(1) 能量準(zhǔn)那么法(ETT)以某一 固定能量來(lái)確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度,在沖擊吸收能量一溫度曲線上平臺(tái)與下平臺(tái)區(qū)間規(guī)定百分?jǐn)?shù)(n)所對(duì)應(yīng)的溫度,用ETTn表示。一般取最大沖擊值的一半所對(duì)應(yīng)的溫度,或取最大沖擊功與最小沖擊功的平均值所對(duì)應(yīng)的沖擊溫度為韌脆冷脆轉(zhuǎn)變溫度,即ETT50。 (2) 斷口形貌準(zhǔn)那么法(FAT

7、T) 一組在不同溫度下的沖擊試樣沖斷后,對(duì)斷口進(jìn)行評(píng)定,在脆性斷面(放射區(qū))率一溫度曲線中規(guī)定脆性斷面率(n)所對(duì)應(yīng)的溫度,稱為斷口面積轉(zhuǎn)化溫度,用FATTn表示。一般以沖擊試樣斷口上出現(xiàn)50%纖維狀斷口時(shí)的溫度FATT50作為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。此種方法的誤差較大,FATT主要反映沖擊斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的斷口形貌在韌脆程度上的差異。缺口試樣沖擊值包括裂紋萌生功、裂紋擴(kuò)展功;沖擊值對(duì)缺口鋒利度敏感,而FATT對(duì)缺口鋒利度并不敏感9。FATT不能對(duì)裂紋擴(kuò)展抗力以定量的評(píng)價(jià),不同材料,當(dāng)FATT溫度相同時(shí),裂紋擴(kuò)展功可能相差很大。(3)側(cè)膨脹值法(LETT)在沖擊吸收能量一溫度曲線上平臺(tái)與下平臺(tái)區(qū)間某

8、規(guī)定側(cè)膨脹值所對(duì)應(yīng)的溫度,用LETT表示。,脆性斷裂機(jī)理。4.4 評(píng)定鋼材止裂韌性日本焊接工程協(xié)會(huì)提出用Charpy-V實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)定鋼材止裂韌性問(wèn)題。依據(jù)彈性斷裂力學(xué)而采用的斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn);用于評(píng)定材料斷裂韌性的指標(biāo)有JIC、COD、KIc。J積分試驗(yàn)法測(cè)得的材料的延性斷裂韌度,裂紋張開(kāi)位移(COD)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的C,可以用于材料韌性的相對(duì)評(píng)價(jià)。平面應(yīng)變條件的斷裂韌性指標(biāo)KIc,可以直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算。如果金屬材料中存在一定形狀、尺寸的缺陷,在外加應(yīng)力作用下其應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI低于材料的KIc值,那么是平安的。金屬板材外表裂紋斷裂韌度KIe值,那么反映了金屬板材在線彈性平面應(yīng)變狀態(tài)下阻止外表裂紋啟裂的能力。1(蘇)柯舍列夫著;吳孝隆譯,工業(yè)金屬材料低溫機(jī)械性能手冊(cè)2涂銘旌低溫脆斷規(guī)律及機(jī)理3王曉麗淺談焊接因素對(duì)低合金結(jié)構(gòu)鋼冷脆性的影響4日本鋼鐵協(xié)會(huì),日本金屬學(xué)