脆性斷裂與疲勞破壞問題.doc

脆性斷裂與疲勞破壞問題一、 脆性斷裂鋼材或鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂是指應(yīng)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(jié)構(gòu)尤其是焊接結(jié)構(gòu),由于鋼材、加工制造、焊接等質(zhì)量和構(gòu)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(dāng)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(yù)兆而突然發(fā)生,破壞。鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂破壞事故往往是多種不利因素綜合影響的結(jié)果,主要是以下幾方面: (1 ) 鋼材質(zhì)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；較厚的鋼材輥軋次數(shù)較少，材質(zhì)差、韌性低，可能存在較多的冶金缺陷。(2) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件構(gòu)造不合理：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當(dāng)?shù)仁箲?yīng)力集中嚴重。(3) 制造安裝質(zhì)量差：焊接、安裝工藝不合理,焊縫交錯,焊接缺陷大,殘余應(yīng)力嚴重；冷加工引起的應(yīng)變硬化和隨后出現(xiàn)的應(yīng)變時效使鋼材變脆。(4) 結(jié)構(gòu)受有較大動力荷載或反復(fù)荷載作用：但荷載在結(jié)構(gòu)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(dāng)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。這種性質(zhì)稱為低溫冷脆。不同的鋼種,向脆性轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。同時可見,鋼材由塑性破壞到脆性破壞的轉(zhuǎn)變是在一個溫度區(qū)間內(nèi)完成的,此溫度區(qū)T1T2稱為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)。在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi),曲線的轉(zhuǎn)折點最陡點所對應(yīng)的溫度T0稱為轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的脆斷設(shè)計溫度,即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。這一脆斷設(shè)計溫度是根據(jù)大量使用經(jīng)驗和實驗資料統(tǒng)計分析確定的。對于一般鋼結(jié)構(gòu),取對應(yīng)于Cv=2.07公斤-米,的溫度。為了保證鋼結(jié)構(gòu)的安全使用,應(yīng)保證其使用溫度高于T1。 圖1 沖擊能量與溫度的關(guān)系二、疲勞破壞1. 疲勞破壞的概念 鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，其應(yīng)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(xiàn)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(fù)荷載作用下的脆性破壞。鋼材的疲勞破壞是經(jīng)過長時間的發(fā)展過程才出現(xiàn)的，其破壞過程可分為三個階段：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(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的。應(yīng)力集中可以使個別晶粒很快出現(xiàn)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(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時必須考慮鋼材的疲勞問題。反復(fù)作用的荷載值不隨時間變化，則在所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅將保持常量，稱為常幅疲勞。若反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力隨時間隨機變化，則稱為變幅疲勞。其循環(huán)應(yīng)力譜如圖2和圖3所示。反復(fù)荷載引起的應(yīng)力循環(huán)形式有同號應(yīng)力循環(huán)和異號應(yīng)力循環(huán)兩種類型。循環(huán)中絕對值最小的峰值應(yīng)力與絕對值最大的峰值之比稱為應(yīng)力循環(huán)特征值，當(dāng)為拉應(yīng)力時，或取正號；當(dāng)為壓應(yīng)力時，或取負號。如圖1所示，當(dāng)時為異號應(yīng)力循環(huán)，當(dāng)時為同號應(yīng)力循環(huán)，時表示靜力荷載。最大應(yīng)力和最小應(yīng)力符號相反而其絕對值相等，即時（圖1a），稱為對稱循環(huán)。當(dāng)最大應(yīng)力為拉應(yīng)力而最小應(yīng)力為零時，（圖19-5c），稱為脈沖循環(huán)。對于軋制鋼材和非焊接結(jié)構(gòu)，值越小疲勞強度越低，反之則越高。但對于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊縫附近存在著很大的焊接殘余應(yīng)力峰值，應(yīng)力循環(huán)特征值并不代表疲勞裂縫出現(xiàn)處的應(yīng)力狀態(tài)，實際的應(yīng)力循環(huán)是從殘余應(yīng)力開始，變動一個應(yīng)力幅（此處為最大拉應(yīng)力，為最小應(yīng)力，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負值）。因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能直接與應(yīng)力幅有關(guān)而與應(yīng)力循環(huán)特征值的關(guān)系不是非常密切。圖2 常幅應(yīng)力循環(huán)的譜a) b) c) d) e) f)圖3 變幅應(yīng)力循環(huán)的譜試驗結(jié)果證明,影響鋼材疲勞強度的主要因素是應(yīng)力集中、作用的應(yīng)力幅和應(yīng)力的循環(huán)次數(shù),而與鋼材的靜力強度無關(guān)（但與鋼材的質(zhì)量有關(guān)）。應(yīng)力集中對疲勞強度影響最大，應(yīng)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(yīng)力集中的因素,如焊接結(jié)構(gòu)及其附近主體金屬中的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及易產(chǎn)生缺陷的焊縫趾和焊縫端部；非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽；鋼材內(nèi)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(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力,尤其是后者對疲勞強度影響更大。根據(jù)試驗研究結(jié)果,可將構(gòu)件和連接形式按應(yīng)力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類為基本無應(yīng)力集中影響的無連接處的主體金屬,第8類則為應(yīng)力集中最嚴重的角焊縫。2提高疲勞性能的措施消除應(yīng)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。考慮的因素有: (1)是否焊接結(jié)構(gòu)； (2)是否承受動力荷載； (3)是否處于低溫。對于焊接結(jié)構(gòu),鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結(jié)構(gòu)嚴格。關(guān)于保證項目必須符合有關(guān)要求,。這里著重討論鋼號問題。（1）焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：鉚接重級工作制吊車梁,當(dāng)計算溫度高于20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(gòu)件高于中輕級工作制構(gòu)件，處于低溫工作的構(gòu)件要求高：對于處在低溫的其他結(jié)構(gòu),材料也要求嚴格, 如50t以上的中級工作制焊接吊車梁,當(dāng)計算溫度高于20時可以采用Q235沸騰鋼,而當(dāng)計算溫度等于或低于20時，則應(yīng)該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動力荷載的構(gòu)件要求高于承受靜力荷載的構(gòu)件。前者除荷載循環(huán)次數(shù)少,或荷載小,或非焊接結(jié)構(gòu)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的情況外都可以用沸騰鋼,且不論溫度是否低于30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(jié)構(gòu)的選材和鋼材厚度相聯(lián)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(yīng)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 10和10至30兩級,還把構(gòu)件的重要性分為兩級。把這些級別綜合起來,選定構(gòu)件材料的質(zhì)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(jié)構(gòu)的焊縫必須嚴格控制質(zhì)量。為此,國家標準鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范規(guī)定了焊縫質(zhì)量檢查的方法,分級標準和容許存在的缺陷。焊縫的焊趾部位時常存在肉眼不能發(fā)現(xiàn)的咬邊,深度約在0.25mm左右,并有焊渣從這里侵入。焊趾的咬邊起著切口的效應(yīng),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(yīng)力集中,或是在表層形成壓縮殘余應(yīng)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(cè)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(cè)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(dāng)然,母材磨去深度d不應(yīng)過大,不應(yīng)超過2mm或板厚的5%,打磨時應(yīng)避免使焊縫有效厚度受到削弱。此外，還應(yīng)注意,打磨留下的痕紋應(yīng)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(yīng)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(yīng)力集中愈大,疲勞強庭愈低。因此 ,對直接承受重復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)。經(jīng)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(yīng)力集中的主體金屬軌制邊或刨邊。這一點在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力幅中都有反映。 縱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(yīng)加工磨平。 圖5 對接焊縫的疲勞破壞位置TIG法是使用鎢極氣體保護電弧( Tungsten-inert gas arc)使焊趾部位重新熔化。這種鎢極弧不會在趾部產(chǎn)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(yīng)力幅情況下疲勞強度都能提高。圖6給出了帶縱肋的16Mn鋼板,焊縫繞肋板圍焊時,用TIG法提高疲勞強度的情況。鍾擊法是用帶硬質(zhì)圓頭的風(fēng)動工具撞擊焊趾,或是嘖射鋼丸(直徑0.5或lmm)來連續(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(cè)向擴張,從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)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(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,而焊趾處則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)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(yīng)嚴格遵守設(shè)計對制造所提出的技術(shù)工藝要求，例如盡量避免使材料出現(xiàn)應(yīng)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(zhì)量,不在構(gòu)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(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力,重要部位的焊接,要由有經(jīng)驗的焊工操作,要嚴格執(zhí)行質(zhì)量檢驗制度等。（3）構(gòu)造措施疲勞計算之所以要把構(gòu)件連接分為8類,原因在于應(yīng)力集中的程度不同。應(yīng)力集中在焊接結(jié)構(gòu)中因焊接缺陷而產(chǎn)生，也因構(gòu)造形式而引起。焊接缺陷必須通過控制施工質(zhì)量和采取工藝措施|來消除,而構(gòu)造形狀改變則可以通過構(gòu)造措施使之緩和。圖8 桁架節(jié)點承受反復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu),其構(gòu)造應(yīng)注意選用應(yīng)力集中不嚴重的方案。比如一塊受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(gòu)造要合理，能均勻、連續(xù)、平順地傳力，避免構(gòu)件截面劇烈變化。必要時用圓弧過渡（圖8）。當(dāng)必須采用應(yīng)力集中比較嚴重的方案時,應(yīng)盡量把應(yīng)力集中部位放在低應(yīng)力區(qū)。當(dāng)焊接I形截面梁采用雙層翼緣板時,經(jīng)常采用圖9所示的外層翼緣緣截斷的構(gòu)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(dāng)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點處按第7類連接計算疲勞不滿足要求,則需把板適當(dāng)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(nèi)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(gòu)件的不均勻剛度,導(dǎo)致焊縫的變形和應(yīng)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(yīng)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(shè)置橫向加勁肋（圖10b) ,便能改善應(yīng)力分布,提高連接的疲勞性能。圖10 構(gòu)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(yīng)力集中,裂紋從這里開后,向焊縫內(nèi)部或主體金屬擴展。側(cè)面角焊縫因兩端應(yīng)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關(guān),愈小,角焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)愈小圖12 ) ,則疲勞強度愈高。由于角焊縫傳力曲折,應(yīng)力集中嚴重,為改善耐疲勞性能,角焊縫表面應(yīng)加工成直線或凹形,焊腳尺寸比例應(yīng)保持正面角焊縫為l:l.5(長邊順內(nèi)力方向) ,側(cè)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(yīng)盡量避免采用角焊縫。當(dāng)必須采用角焊縫時,要進行疲勞驗算。圖12 與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)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(gòu)成。前二者疲強度很低