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(qiáng)度或屈服強(qiáng)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(kuò)展而發(fā)生的，當(dāng)裂紋緩慢擴(kuò)展到一定程度后, 斷裂即以極高速度擴(kuò)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(yán)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(yán)重。(3) 制造安裝質(zhì)量差：焊接、安裝工藝不合理,焊縫交錯(cuò),焊接缺陷大,殘余應(yīng)力嚴(yán)重；冷加工引起的應(yīng)變硬化和隨后出現(xiàn)的應(yīng)變時(shí)效使鋼材變脆。(4) 結(jié)構(gòu)受有較大動(dòng)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(shí)（如吊車行進(jìn)時(shí)由于軌縫處高差而造成對(duì)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(diǎn)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(shí)作用時(shí),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(huì)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(yàn)。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)榇嘈云茐摹Ｍ瑫r(shí)可見,鋼材由塑性破壞到脆性破壞的轉(zhuǎn)變是在一個(gè)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(diǎn)最陡點(diǎn)所對(duì)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(jì)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(jì)溫度是根據(jù)大量使用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析確定的。對(duì)于一般鋼結(jié)構(gòu),取對(duì)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(dá)到抗拉強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過程才出現(xiàn)的，其破壞過程可分為三個(gè)階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)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(gè)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(qiáng)度。對(duì)于承受連續(xù)反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮鋼材的疲勞問題。反復(fù)作用的荷載值不隨時(shí)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(shí)間隨機(jī)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(hào)應(yīng)力循環(huán)和異號(hào)應(yīng)力循環(huán)兩種類型。循環(huán)中絕對(duì)值最小的峰值應(yīng)力與絕對(duì)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(shí)，或取正號(hào)；當(dāng)為壓應(yīng)力時(shí)，或取負(fù)號(hào)。如圖1所示，當(dāng)時(shí)為異號(hào)應(yīng)力循環(huán)，當(dāng)時(shí)為同號(hào)應(yīng)力循環(huán)，時(shí)表示靜力荷載。最大應(yīng)力和最小應(yīng)力符號(hào)相反而其絕對(duì)值相等，即時(shí)（圖1a），稱為對(duì)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(shí)，（圖19-5c），稱為脈沖循環(huán)。對(duì)于軋制鋼材和非焊接結(jié)構(gòu)，值越小疲勞強(qiáng)度越低，反之則越高。但對(duì)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(shí)際的應(yīng)力循環(huán)是從殘余應(yīng)力開始，變動(dòng)一個(gè)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(fù)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(yàn)結(jié)果證明,影響鋼材疲勞強(qiáng)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(qiáng)度無關(guān)（但與鋼材的質(zhì)量有關(guān)）。應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)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(duì)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(shí)還有熱軋和焊接時(shí)產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力,尤其是后者對(duì)疲勞強(qiáng)度影響更大。根據(jù)試驗(yàn)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(yán)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(guó)規(guī)范對(duì)鋼材選用采取規(guī)定鋼號(hào)和保證項(xiàng)目的辦法?？紤]的因素有: (1)是否焊接結(jié)構(gòu)； (2)是否承受動(dòng)力荷載； (3)是否處于低溫。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu),鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結(jié)構(gòu)嚴(yán)格。關(guān)于保證項(xiàng)目必須符合有關(guān)要求,。這里著重討論鋼號(hào)問題。（1）焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：鉚接重級(jí)工作制吊車梁,當(dāng)計(jì)算溫度高于20時(shí)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(jí)工作制構(gòu)件高于中輕級(jí)工作制構(gòu)件，處于低溫工作的構(gòu)件要求高：對(duì)于處在低溫的其他結(jié)構(gòu),材料也要求嚴(yán)格, 如50t以上的中級(jí)工作制焊接吊車梁,當(dāng)計(jì)算溫度高于20時(shí)可以采用Q235沸騰鋼,而當(dāng)計(jì)算溫度等于或低于20時(shí)，則應(yīng)該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動(dòng)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(dá)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(guó)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(xì)致。比如把應(yīng)力狀態(tài)分為三個(gè)等級(jí),鋼板厚度每差15mm為一個(gè)等級(jí),氣溫分為 10和10至30兩級(jí),還把構(gòu)件的重要性分為兩級(jí)。把這些級(jí)別綜合起來,選定構(gòu)件材料的質(zhì)量等級(jí)。材料等級(jí)分為1d、B、c、D四級(jí),以沖擊試驗(yàn)的溫度為準(zhǔn)。（2）工藝措施鋼結(jié)構(gòu)的焊縫必須嚴(yán)格控制質(zhì)量。為此,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定了焊縫質(zhì)量檢查的方法,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和容許存在的缺陷。焊縫的焊趾部位時(shí)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(duì)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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(duì)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(yán)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(duì)焊縫的疲勞強(qiáng)度也有很大影響。試驗(yàn)表明,焊縫余高的夾角愈小,則應(yīng)力集中愈大,疲勞強(qiáng)庭愈低。因此 ,對(duì)直接承受重復(fù)荷載作用的對(duì)接焊縫連接,除了要進(jìn)行無損檢驗(yàn),使其符合鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范外，還要對(duì)焊縫表明進(jìn)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(duì)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(diǎn)，對(duì)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(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)更換焊條處),垂直于力的作用方向,類似糟口, 對(duì)疲勞不利,也應(yīng)加工磨平。 圖5 對(duì)接焊縫的疲勞破壞位置TIG法是使用鎢極氣體保護(hù)電弧( Tungsten-inert gas arc)使焊趾部位重新熔化。這種鎢極弧不會(huì)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(qiáng)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(shí),用TIG法提高疲勞強(qiáng)度的情況。鍾擊法是用帶硬質(zhì)圓頭的風(fēng)動(dòng)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(kuò)張,從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)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(duì)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(duì)此還未作出規(guī)定。 圖6 TIG法提高疲勞強(qiáng)度 圖7 工藝措施效果對(duì)比 此外，應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)對(duì)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(kuò)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(shí)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(yàn)的焊工操作,要嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量檢驗(yàn)制度等。（3）構(gòu)造措施疲勞計(jì)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(diǎn)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(yán)重的方案。比如一塊受軸力的板需要拼接時(shí),能用對(duì)接焊縫解決就不用拼接板加角焊縫的辦法。因?yàn)橛闷唇影宓姆桨笇儆诘?類,而用對(duì)接焊縫的方案重至少可以達(dá)到第3類。在必要的時(shí)候還可以把對(duì)接焊縫的余高磨去,則進(jìn)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(shí)用圓弧過渡（圖8）。當(dāng)必須采用應(yīng)力集中比較嚴(yán)重的方案時(shí),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(shí),經(jīng)常采用圖9所示的外層翼緣緣截?cái)嗟臉?gòu)造方式。因?yàn)楹?jiǎn)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?cái)?。圖所示的梁,按照抵抗彎矩的需要,外層翼緣在A點(diǎn)就可以截?cái)?。但是如果A點(diǎn)處按第7類連接計(jì)算疲勞不滿足要求,則需把板適當(dāng)延長(zhǎng), 延至疲勞計(jì)算不控制梁的截面尺寸處,如圖所示的B點(diǎn)。外層翼緣延長(zhǎng)雖然多用一些材料,但比起梁的內(nèi)層翼緣板全長(zhǎng)都增大只寸還是節(jié)省。需要延長(zhǎng)的只是受拉翼緣的飯,受壓翼緣并不需要延長(zhǎng)。圖9 外層翼緣板的延長(zhǎng)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(duì)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(yán)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(kuò)展。側(cè)面角焊縫因兩端應(yīng)力集中嚴(yán)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(qiáng)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(qiáng)度愈高。由于角焊縫傳力曲折,應(yīng)力集中嚴(yán)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(zhǎng)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(qiáng)度仍較低,規(guī)范規(guī)定為8類。因此,直接承受動(dòng)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(shí),要進(jìn)行疲勞驗(yàn)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(qiáng)度很低