高鋼第一次作業(yè)

1、高等鋼結(jié)構(gòu)原理斷裂與疲勞部分學(xué)生作業(yè)2014年11月9日1、 焊接鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)及其原因焊縫連接的缺點(diǎn)為：1) 鋼材的金相組織和機(jī)械性能發(fā)生變化，材質(zhì)變脆。2) 焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性增大，并降低壓桿穩(wěn)定承載力，同時(shí)殘余變形還會(huì)使構(gòu)件尺寸和形狀發(fā)生變化，矯正費(fèi)工。3) 焊接結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性，局部裂縫一經(jīng)產(chǎn)生便很容易擴(kuò)展到整體。其原因?yàn)椋?) 由于焊接時(shí)，高溫作用在焊縫附近形成熱影響區(qū)。2) 焊件在焊接過(guò)程中，熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、加工應(yīng)力等超過(guò)屈服極限，以致冷卻后焊件中留有未能消除的應(yīng)力。 這樣，焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應(yīng)力稱為殘余焊接應(yīng)力。焊接過(guò)程的不均勻溫度場(chǎng)以及由它引起的局

2、部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。3) 焊接工藝過(guò)程的影響。焊接過(guò)程易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣等各類缺陷。另外，焊接鋼結(jié)構(gòu)易開(kāi)裂、止裂性能差，而鉚接、栓接結(jié)構(gòu)中裂紋擴(kuò)展到孔洞邊緣處會(huì)終止，而且高強(qiáng)度鋼材對(duì)缺陷敏感。2、 影響焊接鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的主要因素及其效應(yīng)2.1 焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂破壞的原因焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂破壞事故時(shí)有發(fā)生，其原因主要有如下：1) 焊縫經(jīng)?；蚨嗷蛏俅嬖谝恍┤毕?，如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等，這些缺陷能夠成為斷裂的起源；2) 由于高溫作用在焊縫附近形成熱影響區(qū)，鋼材的金相組織和機(jī)械性能發(fā)生變化，材質(zhì)變脆；3) 焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力。雖然殘余應(yīng)力未必

3、是破壞的主要因素，但和其他因素結(jié)合在一起，可能導(dǎo)致開(kāi)裂；4) 焊接結(jié)構(gòu)的連接往往有較大剛性，當(dāng)出現(xiàn)3條相互垂直的焊縫時(shí)，材料的塑性變形就很難發(fā)展；5) 焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，一旦裂縫開(kāi)裂，就有可能擴(kuò)展到整體。6) 應(yīng)變時(shí)效的影響使得材料韌性降低，材料變脆。7) 化學(xué)成分、內(nèi)部組織、板的厚度、環(huán)境溫度、應(yīng)力集中、多向應(yīng)力、加載速率等也是接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂破壞的原因。2.2 影響焊接鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素影響結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素，從不同的角度出發(fā)可以有很多說(shuō)法，但直接的因素不外是裂紋尺寸、作用應(yīng)力的方式和大小以及材料的韌性。2.2.1裂紋根據(jù)斷裂力學(xué)，對(duì)脆性斷裂必須從結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著微小裂紋的情況出

4、發(fā)進(jìn)行分析，尖銳的裂紋使構(gòu)件受力時(shí)處于高度的應(yīng)力集中。裂紋隨應(yīng)力增加而擴(kuò)展起初是穩(wěn)定的擴(kuò)展，后來(lái)達(dá)到臨界狀態(tài)，出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)，當(dāng)板處于平面應(yīng)變條件下時(shí)，如果應(yīng)力強(qiáng)度因子則裂紋將迅速擴(kuò)展而造成斷裂。式中為板所受的拉應(yīng)力，如果構(gòu)件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，則應(yīng)包括在中；為裂紋尺寸，中心裂紋取寬度的一半，邊緣裂紋取全寬度；為系數(shù)，與裂紋形狀、板的寬度以及應(yīng)力集中有關(guān)；為斷裂韌性，是材料的固有特性，代表材料抵抗斷裂的能力，可由試驗(yàn)得到。2.2.2應(yīng)力分析脆性斷裂時(shí)，應(yīng)力應(yīng)是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，即應(yīng)把應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力等因素考慮進(jìn)去。如果構(gòu)件中有較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中和較大的殘余拉應(yīng)力，則容易引

5、起構(gòu)件的脆性斷裂。構(gòu)件中的應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力則與構(gòu)件的構(gòu)造細(xì)節(jié)和焊縫位置、施焊工藝等有關(guān)。幾何形狀和尺寸的突然變化造成的應(yīng)力集中，使局部應(yīng)力增高，不僅如此，在出現(xiàn)應(yīng)力高峰的同時(shí)還出現(xiàn)雙軸同號(hào)應(yīng)力狀態(tài)，甚至三軸同號(hào)應(yīng)力狀態(tài)，后者對(duì)脆性破壞最為危險(xiǎn)。施焊過(guò)程造成構(gòu)件內(nèi)在殘余應(yīng)力，其中收縮受到約束的構(gòu)件中存在的反作用拉應(yīng)力最為不利，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免焊縫過(guò)于集中、構(gòu)件截面的突然變化以及在施焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重約束應(yīng)力的構(gòu)造等。2.2.3材料的韌性為了防止斷裂，結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)根據(jù)其所處條件具備一定的韌性。衡量韌性的準(zhǔn)則，目前大多采用沖擊韌性試驗(yàn)，影響材料韌性的因素除了化學(xué)成分、冶煉方法、軋制工藝、焊接工藝等之外，

6、鋼板厚度、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度和加荷速率等有明顯影響。3、 可采取哪些措施來(lái)改善焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能？應(yīng)力集中、焊接接頭焊趾處的焊接缺陷以及焊接殘余應(yīng)力的組合作用，造成了焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞幅度大幅度地低于母材的疲勞強(qiáng)度。所以焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度多取決于接頭的疲勞性能，改善焊接鋼結(jié)構(gòu)接頭的疲勞性能應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工階段予以考慮。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何降低應(yīng)力集中的構(gòu)造處理措施都有助于改善焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能。1) 焊接構(gòu)件傳力路線走直線，盡量避免力線在傳遞過(guò)程中發(fā)生強(qiáng)烈的彎折，從而影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能，如避免采用直角板，采用圓弧板代替；2) 注意接頭形式的選擇，應(yīng)盡量選擇應(yīng)力集中系數(shù)小的接頭形式：如對(duì)

7、接接頭，T型接頭，避免多根桿件連接在一塊節(jié)點(diǎn)板上的形式；3) 焊縫布局應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)，使缺口效應(yīng)盡量分散，跨中，支座處盡量避免焊接；4) 合理選材，隨著鋼材強(qiáng)度提高，其斷裂韌性和可焊性都有不同程度下降，選材時(shí)不宜選用比實(shí)際所需強(qiáng)度更高的材料，特別不應(yīng)單純追求強(qiáng)度指標(biāo)，而忽視了其他性能；5) 對(duì)特別危險(xiǎn)部位采用螺栓接頭。在施工過(guò)程中，不良的施焊會(huì)導(dǎo)致焊趾部位存在有大量不同類型的缺陷，這些不同類型的缺陷導(dǎo)致疲勞裂紋早期開(kāi)裂和使母材的疲勞強(qiáng)度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類：面狀缺陷(如裂紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不問(wèn)的，同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞

8、強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關(guān)。因此，使用較大電流焊接，合理設(shè)計(jì)坡口，保持坡口清潔等方法來(lái)避免未焊透和未熔合等缺陷，嚴(yán)格控制焊縫形狀，焊縫應(yīng)與母材平滑過(guò)渡。除了上述注意以外，國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者也提出了不少適用的方法，常用的有：打磨法。打磨法主要是用砂輪來(lái)打磨焊接接頭來(lái)減小焊趾部位的應(yīng)力集中程度。但是用砂輪打磨焊接結(jié)構(gòu)的焊趾時(shí)，很可能會(huì)在焊趾部位留下較深的劃痕。這些劃痕雖然不會(huì)很深，但非常尖銳，很可能會(huì)在很大程度上影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。尤其是與應(yīng)力方向垂直的劃痕對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響更為嚴(yán)重。實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，而且存在焊縫交叉，這就給整個(gè)焊接接頭的打磨增加了相當(dāng)大的難度，而且在實(shí)際

9、應(yīng)用過(guò)程中還會(huì)要求打磨的效率。TIG熔修法。TIG即非熔化極氣體保護(hù)焊，是利用外加氣體作為保護(hù)介質(zhì)的一種電弧焊方法，其優(yōu)點(diǎn)是電弧和熔池可見(jiàn)性好，操作方便，沒(méi)有熔渣或很少熔渣，無(wú)需焊后清渣。TIG焊接所得到的焊接接頭通常外形良好，在焊趾上沒(méi)有熔渣楔塊，疲勞強(qiáng)度較高。于是人們利用這一現(xiàn)象對(duì)已經(jīng)焊接好的焊縫再進(jìn)行TIG熔修，來(lái)消除熔渣楔塊，使焊縫部位能夠平滑地過(guò)渡，減小應(yīng)力集中，從而提高焊接鋼結(jié)構(gòu)焊縫處的疲勞強(qiáng)度。錘擊法。錘擊法屬于一種冷加工的方法。這種方法是用頂端裝有半球的氣錘敲打焊趾區(qū)域來(lái)改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能。其作用是在焊趾表面形成壓縮應(yīng)力，并且可以改善缺口的敏銳度，因而可以降低由于焊接造成的

10、應(yīng)力集中程度，并大大提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。這種方法成本低、效果好，加工方便，所以是當(dāng)前使用比較多的方法，但這種方法人力勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效果不夠穩(wěn)定，而且伴隨敲擊會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。4、應(yīng)變時(shí)效的要義4.1定義鋼的應(yīng)變時(shí)效定義為在塑性變形時(shí)或變形后，固溶狀態(tài)的間隙溶質(zhì)（C、N）與位錯(cuò)交互作用，釘扎位錯(cuò)阻止變形，導(dǎo)致強(qiáng)度提高，韌性下降的力學(xué)冶金現(xiàn)象。由于可以導(dǎo)致鋼材塑性急劇下降，脆性增加，所以常常需要防止其發(fā)生。最常見(jiàn)的是變形后的時(shí)效，叫做靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效；而變形和時(shí)效同時(shí)發(fā)生的過(guò)程，則叫做動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效?，F(xiàn)在一般認(rèn)為：應(yīng)變時(shí)效主要是由于金屬固溶體中的間隙溶質(zhì)原子（如鋼中的C、N）向位錯(cuò)偏聚并使之釘扎而造

11、成的。由于在應(yīng)變時(shí)效時(shí)并無(wú)第二相的析出，也不會(huì)有C、N化合物的聚集長(zhǎng)大，所以隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)化效應(yīng)不會(huì)消失，這是應(yīng)變時(shí)效與淬火時(shí)效的本質(zhì)區(qū)別。4.2影響因素應(yīng)變時(shí)效與鋼材成分、冶煉方法、塑性應(yīng)變量的大小及溫度條件等因素有關(guān)。鋼材的含碳量愈低，愈容易發(fā)生應(yīng)變時(shí)效。合金元素對(duì)鋼材的應(yīng)變時(shí)效也有一定的影響，加入適量的鎳能顯著降低應(yīng)變時(shí)效傾向。鋼中加一定量的V，可抑制應(yīng)變時(shí)效效應(yīng)。當(dāng)鋼中Si、Mn大量溶于固溶體中時(shí)，兩者都有阻礙應(yīng)變時(shí)效的作用。溶解于鐵素體的Mn從0.04%增至0.28%，使自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度的增高（Y）遞降。因存在于鐵素體中的Mn對(duì)C和N的親和力大于Fe，而對(duì)C和N有親和力的元

12、素，都可能降低應(yīng)變時(shí)效。應(yīng)變時(shí)效激活能的測(cè)試表明，純Fe的應(yīng)變時(shí)效激活能為18kcal/mol，含1.2%Mn鋼中為26kcal/mol?？梢?jiàn)隨著Mn含量增加，應(yīng)變時(shí)效激活能升高。沸騰鋼的時(shí)效現(xiàn)象最嚴(yán)重，不宜用作冷塑性成形和焊接施工的重要結(jié)構(gòu)與設(shè)備，如鍋爐、容器、船舶、橋梁等。冷加工塑性變形的應(yīng)變量愈大，應(yīng)變時(shí)效愈顯著。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)塑性變形后的殘余應(yīng)變量超過(guò)10%后，應(yīng)變時(shí)效程度不再增加。出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)效最明顯的時(shí)間與溫度條件有關(guān)。在溫度小于300時(shí)，溫度愈高，出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)效的時(shí)間就愈短，甚至在不到1h即出現(xiàn)最大的應(yīng)變時(shí)效量；當(dāng)溫度大于300后，應(yīng)變時(shí)效將逐漸減弱以至消失。4.3應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)顯

13、而易見(jiàn)，鋼材只有在發(fā)生了塑性變形之后才有可能產(chǎn)生時(shí)效現(xiàn)象。或者說(shuō)鋼材的塑性變形是發(fā)生應(yīng)變時(shí)效的前提。鋼材的應(yīng)變時(shí)效敏感性與沖擊韌性有密切的關(guān)系。發(fā)生應(yīng)變時(shí)效的鋼材，沖擊韌性明顯降低。因此，通常以鋼材應(yīng)變時(shí)效前后其沖擊韌性降低的百分比來(lái)衡量鋼材對(duì)應(yīng)變時(shí)效的敏感程度，稱為應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)。GB4160-84規(guī)定鋼材的應(yīng)變時(shí)效敏感性用夏比沖擊試驗(yàn)法測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)試樣為U型缺口試樣，協(xié)議條件也可采用V型缺口試樣；定義應(yīng)變時(shí)效沖擊功（U形缺口用表示，V形缺口用表示）為經(jīng)受規(guī)定應(yīng)變和人工時(shí)效后的沖擊功，單位為J或kgf·m；應(yīng)變時(shí)效沖擊韌性值（U形缺口用表示，V形缺口用表示）為應(yīng)變時(shí)效沖擊吸收功除

14、以試樣缺口底部處橫截面面積所得的商，單位為J/cm2或kgf·m/cm2；應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)定義C為鋼材經(jīng)應(yīng)變時(shí)效前后的沖擊功平均值之差與未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效的沖擊功平均值之比，即：式中為未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效的沖擊功的平均值； 為經(jīng)應(yīng)變時(shí)效后的沖擊功的平均值。GB4160-84規(guī)定，測(cè)定應(yīng)變時(shí)效敏感性的方法為：采用規(guī)定的拉伸樣坯，一般均采用拉伸應(yīng)變，也可采用壓縮應(yīng)變；一般低碳鋼的殘余應(yīng)變量為10%，低合金鋼為5%，用此種樣坯制出的沖擊試樣均勻加熱至250±10，保溫1h（人工時(shí)效），然后空冷至室溫，再作常溫沖擊試驗(yàn)。應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)和要求冷塑性成形的鋼材是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。碳

15、素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)一般要求不大于50%；低合金鋼的應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)一般在40%以下。4.4應(yīng)變時(shí)效對(duì)失效評(píng)定圖和斷裂評(píng)定的影響有人對(duì)應(yīng)變時(shí)效對(duì)失效評(píng)定圖和斷裂評(píng)定的影響作了研究得出如下結(jié)論：1) 應(yīng)變時(shí)效不僅使鋼的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，而且還使鋼的斷裂韌性顯著降低。應(yīng)變時(shí)效后鋼的屈服平臺(tái)變短，彈性模量E幾乎沒(méi)有變化。但再經(jīng)650*1h處理后，應(yīng)變時(shí)效后的熱軋態(tài)鋼的強(qiáng)度和斷裂韌性都基本上回復(fù)到原始狀態(tài)的水平。2) 應(yīng)變時(shí)效對(duì)失效評(píng)定圖（FAD）的影響不大，在實(shí)際斷裂評(píng)定時(shí)，可選取鋼在使用前的失效評(píng)定曲線的下包絡(luò)線進(jìn)行評(píng)定。但應(yīng)變時(shí)效可能導(dǎo)致斷裂韌性大大下降，對(duì)斷裂評(píng)定結(jié)果的影響較大。

16、3) 應(yīng)變時(shí)效后經(jīng)650*1h處理，可以基本消除應(yīng)變時(shí)效的影響。因此對(duì)于大變形的冷加工（如冷旋壓封頭等），應(yīng)在加工后進(jìn)行退火處理，以消除應(yīng)變時(shí)效致使材料脆化的現(xiàn)象。4) 從安全性考慮，在斷裂評(píng)定中應(yīng)盡量獲取材料在役時(shí)的實(shí)際斷裂韌性數(shù)據(jù)，并采用應(yīng)變時(shí)效前材料的屈眼應(yīng)力，以確保評(píng)定結(jié)果的安全性。5、何謂熱點(diǎn)應(yīng)力5.1熱點(diǎn)應(yīng)力的定義熱點(diǎn)應(yīng)力是指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力(或幾何應(yīng)力)指根據(jù)外載荷用簡(jiǎn)單(線彈性)力學(xué)公式以及類似的近似公式或有限元(劃分有限元網(wǎng)格時(shí)只模擬結(jié)構(gòu)整體尺寸，不反映局部細(xì)微尺寸變化，即不劃分局部缺口或裂紋的有限元網(wǎng)格)計(jì)算求得的結(jié)構(gòu)中的工作應(yīng)力，不包括焊縫形狀、裂紋、缺口等引起強(qiáng)烈局部應(yīng)力集中，只依賴于構(gòu)件接頭處的宏觀尺寸和載荷參量。焊接結(jié)構(gòu)中熱點(diǎn)一般在焊趾處，是疲勞裂紋的起源部位。5.2熱點(diǎn)應(yīng)力的組成熱點(diǎn)應(yīng)力由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩