鋼的低溫脆性斷裂

鋼的低溫脆性斷裂

1.構(gòu)件的斷裂鋼的低溫脆性斷裂是鋼結(jié)構(gòu)最危險的破壞形式之一。因為斷裂發(fā)生在錯誤的立即，誤差中沒有明顯的變形變化，組件破壞時的承載能力非常低。實際工程中鋼結(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有發(fā)生,造成巨大損失。2.影響金屬冷脆的主要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(xiàn)象稱為冷脆。金屬的低溫脆斷具有以下特點:(2)脆性斷裂時,裂紋的擴展速度極快,且脆斷之前無任何預(yù)兆。(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方面。(1)晶粒度當晶粒尺寸大于冷機晶粒尺寸時,結(jié)構(gòu)會產(chǎn)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。(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有低溫脆性現(xiàn)象。(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、低強度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對形變速率比較敏感,而高強度鋼、超高強度鋼則較小。(4)板厚板厚的增加,脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。(5)鋼的化學(xué)成分及組織當C<0.25%熱軋?zhí)间摏_擊脆性轉(zhuǎn)變溫度TC的經(jīng)驗方程: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.保證鋼結(jié)構(gòu)的工作可靠性鋼具有強度高、塑性和韌性好等特點,這些特點保證了鋼結(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。3.1初始塑性變形鋼的脆性斷裂過程大致分為三個階段:(1)裂紋產(chǎn)生前的準備階段——主要為鋼晶格內(nèi)部的初始塑性變形;(2)裂紋的產(chǎn)生——通常為鋼晶格間損傷的宏觀集中表現(xiàn);3.2斷裂現(xiàn)象的影響因素自二十世紀20年代開始,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。(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基礎(chǔ)上,能解釋幾乎所有與脆性斷裂現(xiàn)象有關(guān)的影響因素;主要通過試驗研究金屬等多晶體材料在不同應(yīng)變狀態(tài)下的破壞。(2)脆性斷裂的位錯理論晶體原無裂紋,在應(yīng)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。(3)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(chǎn)生,而是在構(gòu)件含有裂紋的前提下研究其發(fā)展,并認為裂紋的發(fā)展是由儲存在其周圍的勢能促成的。雖然在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中不容許裂紋的存在,但是能量理論及其最活躍的分支———線性破壞力學(xué),能成功地解決脆性破壞的有關(guān)問題,并在工程中應(yīng)用。4.低溫脆弱性斷裂的實驗方法和評價指標世界各國對結(jié)構(gòu)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方法。4.1其它儀器、設(shè)備及參數(shù)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(shè)計低溫箱外,其它儀器、設(shè)備及參數(shù)也需要重新設(shè)計選擇。由于斷面收縮率和延伸率對試樣溫度不敏感,國內(nèi)外學(xué)術(shù)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。4.2材料的低溫脆性測定沖擊實驗的實驗方法有很多,在低溫時常使用夏比缺口沖擊(Charpynotchimpact)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韌脆冷脆轉(zhuǎn)變溫度ett50確定材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的標準較多,常用的有能量準則法、斷口形貌準則法、側(cè)膨脹值法等。(1)能量準則法(ETT)以某一固定能量來確定韌脆轉(zhuǎn)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(shù)(n)所對應(yīng)的溫度,用ETTn表示。一般取最大沖擊值的一半所對應(yīng)的溫度,或取最大沖擊功與最小沖擊功的平均值所對應(yīng)的沖擊溫度為韌脆冷脆轉(zhuǎn)變溫度,即ETT50。(2)斷口形貌準則法(FATT)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(放射區(qū))率一溫度曲線中規(guī)定脆性斷面率(n)所對應(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裂紋擴展過程中的斷口形貌在韌脆程度上的差別。缺口試樣沖擊值包括裂紋萌生功、裂紋擴展功;沖擊值對缺口尖銳度敏感,而FATT對缺口尖銳度并不敏感。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。(3)側(cè)膨脹值法(LETT)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(cè)膨脹值所對應(yīng)的溫度,用LETT表示。4.4材料的延性斷裂韌度日本焊接工程協(xié)會提出用Charpy-V實驗來評定鋼材止裂韌性問題。依據(jù)彈性斷裂力學(xué)而采用的斷裂力學(xué)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(COD)實驗測得的δC,可以用于材料韌性的相對評價。平面應(yīng)變條件的斷裂韌性指標KIc,可以直接用于設(shè)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(yīng)力作用下其應(yīng)力場強度因子KI低于材料的KIc