脆性斷裂與疲勞破壞問題

1、脆性斷裂與疲勞破壞問題一、脆性斷裂鋼材或鋼結構的脆性斷裂是指應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。鋼結構尤其是焊接結構，由于鋼材、加工制造、焊接等質量和構造上的原因 ，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，脆斷前無任何預兆而突然發(fā)生，破壞。鋼結構脆性斷裂破壞事故往往是多種不利因素綜合影響的結果，主要是以下幾方面：(1 )鋼材質量差、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；較厚的鋼材輻軋次數較少，材質差、韌性低，可能存在較多 的冶

2、金缺陷。(2)結構或構件構造不合理：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當等使應力集中嚴重。(3)制造安裝質量差：焊接、安裝工藝不合理，焊縫交錯，焊接缺陷大，殘余應力嚴重；冷加工引起的應變硬化和隨后出現的應變時效使鋼材變脆。(4)結構受有較大動力荷載或反復荷載作用：但荷載在結構上作用速度很快時(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)，材料的應力-應變特性就要發(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、應力集中、低溫等因素同時作用時，材料的脆性將顯著增加。(5)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。

3、這種性質稱為 低溫冷脆。不同的鋼種，向脆性轉化的溫度并不相同。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系曲線。顯而易見，隨著溫度的降低，Cv能量值迅下降，材料將由塑性破壞轉變?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變是在一個溫度區(qū)間內完成的 ，此溫度區(qū)T1T2稱為轉變溫度區(qū)。在轉變溫度區(qū)內，曲線的轉折點最陡點所對應的溫度T0稱為轉變溫度。如果把低于T0的完全脆性破壞的最高溫度Tl作為鋼結構的脆斷

4、設計溫度 ，即可保證鋼結構低溫工作的安全。這一脆斷設計溫度 是根據大量使用經驗和實驗資料統計分析確定的。對于一般鋼結構，取對應于Cv=2.07公斤-米，的溫度。為了保證鋼結構的安全使用，應保證其使用溫度高于 T1。飛益威副直 7a敝髓舞I斜朝建i圖i沖擊能量與溫度的關系7、疲勞破壞1.疲勞破壞的概念鋼材在連續(xù)反復荷載作用下，其應力雖然沒有達到抗拉強度，甚至還低于屈服強度 時，也可能發(fā)生突然破壞，這種現象稱為疲勞破壞。鋼材在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形, 是一種突然發(fā)生的 脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復荷載作用下的脆性破壞。鋼材的疲勞破壞是經過長時間的發(fā)展過程才出現的，其破壞過程可分為三個階段：

5、裂紋的形成、裂紋緩慢擴展、最后迅速斷裂而破壞。鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內部結構不 均勻和應力分布不均勻所引起的。應力集中可以使個別晶粒很快出現塑性變形及硬化， 從而 大大降低鋼材的疲勞強度。對于承受連續(xù)反復荷載的結構，設計時必須考慮鋼材的疲勞問題。反復作用的荷載值不隨時間變化， 則在所有應力循環(huán)內的應力幅將保持常量，稱為常幅疲勞。若反復荷載作用下，應力循環(huán)內的應力隨時間隨機變化，則稱為變幅疲勞。其循環(huán)應力譜如圖2和圖3所示。反復荷載引起的應力循環(huán)形式有同號應力循環(huán)和異號應力循環(huán)兩種類型。循環(huán)中絕對值最小的峰值應力 仃min與絕對值最大的峰值 仃max之比P =仃min /仃max稱為應力循

6、環(huán)特征值，當為 拉應力時，仃min或。max取正號；當為壓應力時，仃min或仃max取負號。如圖1所示，當P<0時為異號應力循環(huán)，當P>0時為同號應力循環(huán)，P=1時表示靜力荷載。最大應力和最小應力符號相反而其絕對值相等，即P = -1時（圖1a）,稱為對稱循環(huán)。當最大應力為拉應力而最小應力為零時，P=0 （圖19-5c）,稱為脈沖循環(huán)。對于軋制鋼材和非焊接結構，P值越小疲勞強度越低，反之則越高。但對于焊接結構，由于焊縫附近存在著很大的焊接殘余應力峰值，應力循環(huán)特征值P =<!min /Omax并不代表疲勞裂縫出現處的應力狀態(tài)，實際的應力循環(huán)是從殘余應力開始，變動一個應力幅仃=

7、0max -min （此處。max為最大拉應力, 值）。因此焊接結構的疲勞性能直接與應力幅 關系不是非常密切。仃min為最小應力，拉應力取正值，壓應力取負= CTmax -仃min有關而與應力循環(huán)特征值P的圖2常幅應力循環(huán)的譜a) P- b) " "0c) ："=0d) ；工0e) ! >0f)圖3變幅應力循環(huán)的譜試驗結果證明，影響鋼材疲勞強度的主要因素是應力集中、作用的應力幅和應力的循環(huán) 次數，而與鋼材的靜力強度無關（但與鋼材的質量有關）。應力集中對疲勞強度影響最大，應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

8、力集中的因素，如焊接結構及其附近主體金屬中的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及易產生缺陷的焊縫趾和焊縫端部；非焊接結構的孔洞、 刻槽；鋼材內部的偏析、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 接時產生的熱殘余應力，尤其是后者對疲勞強度影響更大。根據試驗研究結果，可將構件和連接形式按應力集中的影響程度 由低到高分為8類。第一類為基本無應力集中影響的無連接處 的主體金屬，第8類則為應力集中最嚴重的角焊縫。2 .提高疲勞性能的措施一一消除應力集中 （1）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?？紤]的因素有：（1）是否焊接結構；（2）是否承受動力荷載；（3）是否處于低溫。

9、對于焊接結構，鋼材質量要求得比非焊接結構嚴格。關于保證項目必須符合有關要求,。這里著重討論鋼號問題。（1）焊接構件的要求高于釧接構件：釧接重級工作制吊車梁，當計算溫度高于-20c時可以采用 Q235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）重級工作制構件高于中輕級工作制構件，處于 低溫工作的構件要求高：對于處在低溫的其他結構，材料也要求嚴格，如50t以上的中級工作制焊接吊車梁，當計算溫度高于一20c時可以采用 Q235沸騰鋼，而當計算溫度等于 或低于20c時，則應該用 Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動力荷載的構件要求高于承受靜力 荷載的構件。前者除荷載循環(huán)次數少，或

10、荷載小，或非焊接結構外，都要求用鎮(zhèn)靜鋼，并保 證沖擊韌性；后者除在溫度低達-30 c的情況外都可以用沸騰鋼，且不論溫度是否低于 -30 C都不要求保證沖擊韌性。我國規(guī)范不足之處，是沒有把焊接結構的選材和鋼材厚度相聯系。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 10C和10至30c兩級，還把構件的重要性分為兩級。 把這些 級別綜合起來，選定構件材料的質量等級。材料等級分為1d、B、c、D四級，以沖擊試驗的溫度為準。（2）工藝措施鋼結構的焊縫必須嚴格控制質量。為此，國家標準鋼結構工程施工及驗收規(guī)范規(guī)定了焊縫質量檢查的方法，分級

11、標準和容許存在的缺陷。，深度約在0.25mm左右，并有焊渣焊縫的焊趾部位時常存在肉眼不能發(fā)現的咬邊從這里侵入。焊趾的咬邊起著切口的效應，對疲勞壽命很不利。工藝措施的目的就在于消除切口 ，緩和應力集中，或是在表層形成壓縮殘余應力。目前采用的主要方法有打磨 法,、TIG法和錘擊法，其中打磨工藝比較簡單，但效果不很理想，錘擊法效果最好。用砂輪打磨以除去焊趾咬邊 ，可以改善橫向受力時的疲勞性能。圖4給出打磨的具體要求。左側所示打磨雖然使幾何形狀的改變有所緩和，但未能消除切口這一隱患，因此是不正確而無效的。必須如右側所示，不僅把切口完全除去，并且還要再磨去0.5mm除去 侵入熔化金屬的焊渣。當然,母材磨

12、去深度d不應過大，不應超過2mm或板厚的5%,打磨 時應避免使焊縫有效厚度受到削弱。此外，還應注意，打磨留下的痕紋應平行于受力方向而不是垂直于受力方向。圖4打磨咬邊對接焊縫（圖5）在焊跟、焊縫快陷及焊縫余高的焊趾等部位，具有嚴重的應力集中它們是疲勞裂紋開展的根源。焊縫余高的大小對焊縫的疲勞強度也有很大影響。試驗表明,焊縫余高的夾角愈小，則應力集中愈大，疲勞強庭愈低。因此，對直接承受重復荷載作 用的對接焊縫連接，除了要進行無損檢驗，使其符合鋼結構工程施工及驗收規(guī)范外，還要對焊縫表明進行加工，磨去余高，以消除焊趾處的缺口效應。經過這些處理后，對接焊縫連接的疲勞性能將顯著改善。但是沒查出的微觀裂紋以

13、及規(guī)范容許的少量氣孔、夾渣等還可能殘存，它們也將是疲勞裂紋發(fā)展的起點，對接焊縫的耐疲勞性能，仍低于無應力集中的主體金屬軌制邊或刨邊。這一點在鋼結構設計規(guī)范規(guī)定的容許應力幅中都有 反映?？v向焊縫的焊波皺紋常發(fā)生在施焊時更換焊條處，垂直于力的作用方向，類似糟口對疲勞不利，也應加工磨平。圖5對接焊縫的疲勞破壞位置TIG法是使用鴇極氣體保護電弧（Tungsten-inert gas arc）使焊趾部位重新熔化。這種鴇極弧不會在趾部產生咬邊和焊渣侵入，只要重新熔化的深度足夠，原有切口及悍渣都可以消除，并且還可以形成平緩的幾何形狀變化。采用這種方法在不同應力幅情況下疲勞強度都能提高。圖 6給出了帶縱肋的1

14、6Mn鋼板，焊縫繞肋板圍焊時，用TIG法提高 疲勞強度的情況。，或是嘖射鋼丸（直徑0.5或lmm）來連錘擊法是用帶硬質圓頭的風動工具撞擊焊趾，從而產生續(xù)撞擊焊趾。它的效果是金屬的表層在沖擊性的錘打作用下趨于向側向擴張 殘余壓應力，使疲勞強度提高。除上述三種方法外，還可以采用局部加熱法，即在焊縫兩旁用氧氣加熱，使加熱處在冷卻后產生殘余拉應力，而焊趾處則產生殘余壓應力。圖 7給出了采用不同工藝措施 處理后的效果對比。由圖可見，單頭錘擊的效果最好。改善焊縫性能的工藝措施目前還 在發(fā)展，一般規(guī)范對此還未作出規(guī)定。圖6 TIG法提高疲勞強度圖7工藝措施效果對比此外，應嚴格遵守設計對制造所提出的技術工藝要

15、求，例如盡量避免使材料出現應變硬化，因剪切、沖孔而造成的局部硬化區(qū)，要通過擴鉆和刨邊來除掉；要正確地選用焊接工藝，保證焊接質量，不在構件上任意起弧、 打火和錘擊，必要時可用熱處理的方法 消除重要構件中的焊接殘余應力，重要部位的焊接，要由有經驗的焊工操作，要嚴格執(zhí)行 質量檢驗制度等。(3)構造措施疲勞計算之所以要把構件連接分為 8類，原因在于應力集中的程度不同。應力集中在焊 接結構中因焊接缺陷而產生，也因構造形式而引起。焊接缺陷必須通過控制施工質量和采取 工藝措施床消除，而構造形狀改變則可以通過構造措施使之緩和。圖8桁架節(jié)點承受反復荷載彳用的結構，其構造應注意選用應力集中不嚴重的方案。比如一塊受

16、軸力的板需要拼接時，能用對接焊縫解決就不用拼接板加角焊縫的辦法。因為用拼接板 的方案屬于第6類，而用對接焊縫的方案重至少可以達到第3類。在必要的時候還可以把對接焊縫的余高磨去，則進一步上升為第 2類。構造要合理，能均勻、連續(xù)、平順地 傳力，避免構件截面劇烈變化。必要時用圓弧過渡(圖8)。當必須采用應力集中比較嚴重的方案時，應盡量把應力集中部位放在低應力區(qū)。當焊接I形截面梁采用雙層翼緣板時，經常采用圖9所示的外層翼緣緣截斷的構造方式。因為簡支梁的彎矩總是從中部逐漸向支座處減小，當彎矩減小到一定程度，外層翼緣板就可以截斷。圖所示的梁，按照抵抗彎矩的需要，外層翼緣在A點就可以截斷。但是如果 A 點處

17、按第7類連接計算疲勞不滿足要求，則需把板適當延長，延至疲勞計算不控制梁的 截面尺寸處，如圖所示的B點。外層翼緣延長雖然多用一些材料 ，但比起梁的內層翼緣板 全長都增大只寸還是節(jié)省。需要延長的只是受拉翼緣的飯，受壓翼緣并不需要延長。圖9外層翼緣板的延長要盡量選用剛度均勻的方案，焊縫連接處構件的不均勻剛度，導致焊縫的變形和應 力分布不均，必然影響連接的疲勞性能。例如圖10所示工字形牛腿與鋼柱用角焊縫的連接，牛腿端部有彎矩 M和剪力V用。在圖10a中，由于柱翼緣變形，牛腿端部截面不能保 持平面變形，牛腿翼緣的應力也就不可能均勻分布。如果在牛腿翼緣端部柱子腹板上設 置橫向加勁肋（圖10b），便能改善應

18、力分布，提高連接的疲勞性能。4Gtb)圖10構件剛度對疲勞性能的影響角焊縫（圖11）在角焊縫的焊跟和焊趾處，有嚴重的應力集中，裂紋從這里開后，向焊 縫內部或主體金屬擴展。側面角焊縫因兩端應力集中嚴重，疲勞破壞從端部開始。圖11角焊縫的疲勞破壞位置正面角焊縫的疲勞強度與焊趾處焊邊夾角有9關,8愈小，角焊縫的應力集中系數愈小圖12 ），則疲勞強度愈高。由于角焊縫傳力曲折，應力集中嚴重，為改善耐疲勞性能角焊縫表面應加工成直線或凹形，焊腳尺寸比例應保持正面角焊縫為1：1.5（長邊順內力方向），側面角焊縫為1:1 （圖13）。即使如此，角焊縫有效截面的疲勞強度仍較低，規(guī)范規(guī)定為8類。因此，直接承受動力荷載的連接，應盡量避免采用角焊縫。當必須采用角焊縫時 要進行疲勞驗算。圖12日與應力集中系數的關系圖13角焊縫的形狀圖14全熔透的K型焊縫T形連接可以用角焊縫，用部分熔透或全熔透的 K型焊縫構成。前二者