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文檔簡介
結構鋼的低溫冷脆及斷裂機理概述-物理學導讀:晶粒細化有助于提高材料抗低溫脆斷的能力。脆性斷裂機理,結構鋼的低溫冷脆及斷裂機理概述。關鍵詞:冷脆轉變,脆性斷裂機理,低溫脆斷1.前言鋼的低溫脆性斷裂是鋼結構最危險的破壞形式之一,原因是斷裂瞬間發(fā)生,斷裂時無明顯的塑性變形,而且構件破壞時其承載能力很低。實際項目中鋼結構,如壓力容器、船舶、橋梁等,由于低溫脆性造成的脆斷事故時有發(fā)生,造成巨大損失【1】。
2.低溫冷脆特點及其影響因素
當溫度降低到某一程度時,金屬材料的沖擊吸收能量明顯下降并引起脆性破壞的現象稱為冷脆。
金屬的低溫脆斷具有下列特點【2】:
斷裂時所承受的工作應力低。
脆性斷裂時,裂紋的擴展速度極快,且脆斷之前無任何預兆。
材料脆斷溫度通常接近材料的韌脆轉變溫度。,脆性斷裂機理。
(4)脆斷常起源于構件自身存在缺陷處。
脆性斷裂的宏觀斷口平齊,斷面收縮率小,外觀上無明顯的宏觀變形特征。
影響金屬冷脆的主要因素有下列幾個方面。
晶粒度當晶粒尺寸大于冷機晶粒尺寸時,結構會產生脆性斷裂。因此,晶粒細化有助于提高材料抗低溫脆斷的能力。
晶粒結構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,特別是項目上常用的中、低強度結構鋼有明顯的冷脆現象,而面心立方金屬及其合金一般沒有低溫脆性現象。,脆性斷裂機理。
形變速率提高形變速率使材料脆性增大韌脆轉變溫度升高。一般中、低強度鋼的韌脆轉變溫度對形變速率比擬敏感,而高強度鋼、超高強度鋼那么較小。
板厚板厚的增加,脆性轉變溫度提高【3】。
鋼的化學成分及組織當C變形;
裂紋的產生通常為鋼晶格間損傷的宏觀集中表現;
裂紋向整個構件界面的橫向開展。
3.2材料脆性斷裂理論
自二十世紀20年代開始,世界上很多學者致力于脆性破壞領域的研究,形成了很多理論流派。,脆性斷裂機理。
經典力學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象有關的影響因素;主要通過試驗研究金屬等多晶體材料在不同應變狀態(tài)下的破壞。
脆性斷裂的位錯理論晶體原無裂紋,在應力作用下,材料發(fā)生解理斷裂的理論,即位錯理論。位錯理論解釋了脆性裂紋的成核和長大問題。
能量理論該理論從能量儲存和釋放的觀點來解釋脆性破壞。不考慮裂紋的產生,而是在構件含有裂紋的前提下研究其開展,并認為裂紋的開展是由儲存在其周圍的勢能促成的。雖然在金屬結構設計中不答應裂紋的存在,但是能量理論及其最活潑的分支線性破壞力學,能成功地解決脆性破壞的有關問題,并在項目中應用。
4.低溫脆性斷裂的實驗伎倆極其評定指標
世界各國對結構材料的低溫脆性問題長期以來做了大量的研究工作,提出了不少低溫脆性評定指標和試驗辦法。
4.1低溫拉伸試驗
低溫拉伸試驗需要一個低溫環(huán)境,且在低溫下材料的性能發(fā)生變化.因此,與常溫拉伸試驗相比,除需要設計低溫箱外,其它儀器、設備及參數也需要重新設計選擇【6】。
由于斷面收縮率和延伸率對試樣溫度不敏感,國內外學術界普遍認為光滑試樣低溫拉伸的延性指標不能用于反映低溫韌性【7】。
4.2低溫沖擊實驗
沖擊實驗的實驗辦法有很多,在低溫時常使用夏比缺口沖擊試驗,特別是系列溫度沖擊實驗來評定材料的低溫脆性。
4.3韌脆轉變溫度
確定材料韌脆轉變溫度的規(guī)范較多,常用的有能量準那么法、斷口形貌準那么法、側膨脹值法等。,脆性斷裂機理。
(1)能量準那么法
以某一
固定能量來確定韌脆轉變溫度,在沖擊吸收能量一溫度曲線上平臺與下平臺區(qū)間規(guī)定百分數(n)所對應的溫度,用ETTn表示。一般取最大沖擊值的一半所對應的溫度,或取最大沖擊功與最小沖擊功的平均值所對應的沖擊溫度為韌脆冷脆轉變溫度,即ETT50。(2)斷口形貌準那么法一組在不同溫度下的沖擊試樣沖斷后,對斷口進行評定,在脆性斷面率一溫度曲線中規(guī)定脆性斷面率(n)所對應的溫度,稱為斷口面積轉化溫度,用FATTn表示。一般以沖擊試樣斷口上出現50%纖維狀斷口時的溫度FATT50作為冷脆轉變溫度。此種辦法的誤差較大,FATT主要反映沖擊斷裂時裂紋擴展過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、裂紋擴展功;沖擊值對缺口鋒利度敏感,而FATT對缺口鋒利度并不敏感[9]。FATT不能對裂紋擴展抗力以定量的評價,不同材料,當FATT溫度相同時,裂紋擴展功可能相差很大。
側膨脹值法在沖擊吸收能量一溫度曲線上平臺與下平臺區(qū)間某規(guī)定側膨脹值所對應的溫度,用LETT表示。,脆性斷裂機理。
4.4評定鋼材止裂韌性
日本焊接項目協(xié)會提出用Charpy-V實驗來評定鋼材止裂韌性問題。依據彈性斷裂力學而采用的斷裂力學實驗;用于評定材料斷裂韌性的指標有JIC、COD、KIc。J積分試驗法測得的材料的延性斷裂韌度,裂紋張開位移實驗測得的δC,可以用于材料韌性的相對評價。
平面應變條件的斷裂韌性指標KIc,可以直接用于設計計算。如果金屬材料中存在一定形狀、尺寸的缺陷,在外加應力作用下其應力場強度因子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變狀態(tài)下阻止外表裂紋啟裂的能力。
參考文獻:
【1】(蘇)柯舍列夫著;吳孝隆譯,工業(yè)金屬材料低溫機械性能手冊
【2】涂銘旌低溫脆斷規(guī)律及機理
【3】王曉麗淺談焊接因素對低合金結構鋼冷脆性的影響
【4】日本鋼鐵協(xié)會,日本金屬學會?鋼の強韌化》
【5】王元清鋼結構在低溫下脆性破壞的研究
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