鋼結(jié)構(gòu)脆斷原因分析

林 浩

河南大象建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司（450000）

近年來,鋼結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，許多國家發(fā)生過鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故。鋼結(jié)構(gòu)的脆斷一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生,并瞬時(shí)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，所以具有突發(fā)性不易預(yù)防等特點(diǎn)，其后果往往是十分嚴(yán)重的，甚至是災(zāi)難性的，所以它應(yīng)引起鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的高度重視。

研究表明，造成鋼結(jié)構(gòu)脆斷的原因主要是材料選用不當(dāng),設(shè)計(jì)不合理和制造工藝及檢驗(yàn)技術(shù)不完善等等。由此可見研究金屬材料的性質(zhì)和鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對(duì)防止脆斷來說是非常必要的。

1 金屬材料斷裂的形態(tài)特征

金屬材料的斷裂有不同的性質(zhì)。根據(jù)斷口的形態(tài)特征可分為延性斷裂和脆性斷裂。延性斷裂的斷口一般呈纖維狀，色澤灰暗，邊緣有剪切唇，斷口附近有宏觀的塑性變形。脆性斷裂的斷口平整，一般與主應(yīng)力垂直，沒有可以觀察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。

實(shí)際上金屬材料的斷裂由于受力狀態(tài)、材質(zhì)和介質(zhì)特點(diǎn)都比較復(fù)雜，常常不是單一的機(jī)制，而是具有多種機(jī)制的混合斷裂，即兩種或兩種以上斷裂機(jī)制相繼發(fā)生的結(jié)果。

2 影響金屬脆斷的主要因素

同一種材料在不同條件下可以顯示出不同的破壞形式。研究表明，最重要的影響因素是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度。例如溫度越低、加載速度越大，材料中三向應(yīng)力狀態(tài)越嚴(yán)重，則發(fā)生解理斷裂的傾向性越大。反之,在一定溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度下材料也可能呈延性破壞。

2.1 應(yīng)力狀態(tài)的影響

物體在受外載時(shí),不同的截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ。在主平面上作用有最大正應(yīng)力σmax，與主平面成45°的平面上作用有最大剪應(yīng)力 τmax。 σmax和 τmax及其比σmax/τmax與加載方式有關(guān)，例如桿件受單軸拉伸時(shí)，σmax作用在與載荷方向垂直的截面上；τmax作用在與中心軸垂直的截面上,而σmax則作用在與中心軸成45°角的截面上，并且τmax=σmax。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到剪斷抗力時(shí)，產(chǎn)生剪斷。當(dāng)正應(yīng)力達(dá)到正斷抗力時(shí)，產(chǎn)生正斷，斷口與σmax垂直。如果在σmax未達(dá)到正斷抗力前，τmax先達(dá)到屈服極限,則產(chǎn)生塑性變形,形成塑性斷裂。如果在τmax達(dá)到屈服極限前，σmax首先達(dá)到正斷抗力則發(fā)生脆性斷裂。因此斷裂的形式與加載形式即應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)關(guān)系可用力學(xué)狀態(tài)圖來表達(dá)（圖1）。圖1的水平軸代表σmax也可代表最大折合應(yīng)力σnmax。垂直軸代表τmax，Sor為正斷抗力，tr為剪切屈服限，tk為剪斷抗力。通過0點(diǎn)的一條直線即代表一種應(yīng)力狀態(tài)，其斜率則為τmax/σmax。直線1所代表的應(yīng)力狀態(tài)與tk相交，故產(chǎn)生延性斷裂；直線2所代表的應(yīng)力狀態(tài)先與Sor相交，故產(chǎn)生脆性斷裂。因此提高τmax/σmax值的加載方式或應(yīng)力狀態(tài)都有利于產(chǎn)生塑性變形，反之則有利于脆性斷裂。例如單軸拉伸時(shí)，τmax/σmax=1/2。而三軸拉伸時(shí),當(dāng)主應(yīng)力為σ1、σ2、σ3（σ1＞σ2＞σ3）且 σ3≠0 則 σmax=σ1，τmax=（σ1+σ3）/2,則 τmax/σmax=｛（σ1+σ3）/2｝/σ1=1/2 （1-σ3/σ1）＜1/2。 如按第二強(qiáng)度理論σmax=σnmax=σ1-μ（σ2+σ3），則 τmax/σmax=（σ1-σ3）/2/｛σ1-μ（σ2+σ3）｝可以看出都使τmax/σmax下降，脆性的危險(xiǎn)性加大了，當(dāng)σ1=σ2=σ3時(shí)，τmax/σmax=0，在圖上為橫軸，說明材料必然是脆斷。力學(xué)狀態(tài)圖可以用來解釋許多斷裂現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單軸或雙軸拉伸應(yīng)力下，呈現(xiàn)塑性,當(dāng)處于三軸拉伸應(yīng)力下，因不易發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)脆性。

圖1 力學(xué)狀態(tài)圖

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中三軸應(yīng)力可能由三軸載荷產(chǎn)生，但更多的情況是由于結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)性引起的。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)處于單軸、雙軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下,但其局部地區(qū)由于設(shè)計(jì)不佳，工藝不當(dāng)，往往形成局部三軸應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)。構(gòu)件受均勻拉伸應(yīng)力時(shí),其中一個(gè)缺口根部出現(xiàn)高值的應(yīng)力和應(yīng)變集中，缺口越深、越尖，其局部應(yīng)力和應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

在受力過程中，缺口根部材料的伸長(zhǎng)，必然要引起此處材料沿寬度和厚度方向的收縮。但由于缺口尖端以外的材料受到應(yīng)力較小，它們將引起較小的橫向收縮。由于橫向收縮不均，缺口根部橫向收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生橫向和厚度方向的拉伸應(yīng)力σx和σz。也就是說在缺口根部產(chǎn)生三軸拉應(yīng)力。

在三軸拉伸時(shí),最大應(yīng)力就超出單軸拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，形成很高的局部應(yīng)力而材料尚不發(fā)生屈服,結(jié)果降低了材料的塑性，使該處材料變脆。

這說明了為什么脆斷事故一般都起源于具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口處,而在試驗(yàn)中也只有引入這樣的缺口才能產(chǎn)生脆性行為。

2.2 溫度的影響

如果把一組開有相同缺口的試樣在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn),就會(huì)看到隨著溫度的降低，它們的破壞方式會(huì)發(fā)生變化，即從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐摹＿@是因?yàn)殡S著溫度的降低，發(fā)生解理斷裂的危險(xiǎn)性增大，材料的剪切屈服限增大，而正斷抗力相對(duì)不變（圖2）。對(duì)于一定的加載方式（應(yīng)力狀態(tài)），當(dāng)溫度降至某一臨界值時(shí)，將出現(xiàn)延性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。這個(gè)溫度稱之為轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變溫度隨最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力之比值的降低而提高。帶缺口的試樣的比值比光滑試樣低，拉伸試樣的比值比扭轉(zhuǎn)試樣低，因此轉(zhuǎn)變溫度前者比后者高。

圖2 溫度tT和S0T的影響

由于解理斷裂通常發(fā)生在體心立方和密集六方點(diǎn)陣金屬（如A不銹鋼），可以在很低溫度下工作而不發(fā)生脆性斷裂。

2.3 加載速度的影響

加載速度對(duì)材料破壞的影響已由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，即提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當(dāng)于降低溫度。原因是鋼的剪切屈服限不僅取決于溫度，而且取決于加載速率，或者說還取決于應(yīng)變速率。隨著應(yīng)變速率的提高，tr提高而Sor基本不變（圖 3）。

圖3 應(yīng)變速率 對(duì)tT和S0T的影響

應(yīng)當(dāng)指出，在同樣加載速率下，當(dāng)結(jié)構(gòu)速率比無缺口結(jié)構(gòu)高很多，從而大大降低了材料的局部塑性。這也說明了為什么結(jié)構(gòu)鋼一旦開始脆性斷裂，就很容易產(chǎn)生擴(kuò)展現(xiàn)象。當(dāng)缺口根部小范圍金屬材料發(fā)生斷裂時(shí),則在新裂紋前端的材料立即突然受到高應(yīng)力和高應(yīng)變載荷，換句話說，一旦缺口根部開裂，就有高的應(yīng)變速率，而不管其原始加載條件是動(dòng)載的還是靜載的，此時(shí)隨著裂紋加速擴(kuò)展，應(yīng)變速率更急劇增加，致使結(jié)構(gòu)最后破壞。延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度與應(yīng)變速率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 延性—脆性轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)變率的關(guān)系

2.4 材料狀態(tài)的影響

除了上述的應(yīng)力狀態(tài)、溫度、加載速度等外界條件對(duì)材料的斷裂形式有很重要的影響外，材料本身狀態(tài)對(duì)其延性—脆性轉(zhuǎn)變也有重要影響，了解和考慮這些影響，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)選材來說是非常重要的。

2.4.1 厚度的影響

厚度對(duì)脆性破壞的不利影響，由以下兩種因素來決定:

1）厚板在缺口處容易形成三軸拉應(yīng)力，因?yàn)檠睾穸确较虻氖湛s和變形受到較大的限制,形成所謂的平面應(yīng)變狀態(tài)；而當(dāng)板材比較薄時(shí),材料在厚度方向能比較自由地收縮，故厚度方向的應(yīng)力較小，接近于平面應(yīng)力狀態(tài)。如前所述，平面應(yīng)變的三軸應(yīng)力使材料變脆。

2）冶金因素，一般說來，生產(chǎn)薄板時(shí)壓延量大，扎制溫度較低，組織細(xì)密；相反，厚板扎制次數(shù)少，終扎溫度比較高，組織疏松，內(nèi)外層均勻性較差。

2.4.2 晶粒度影響

對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對(duì)鋼的脆性-延性轉(zhuǎn)變溫度有很大影響，即晶粒越細(xì)，其轉(zhuǎn)變溫度越低。

2.4.3 化學(xué)成分的影響

鋼中的 C、N、O、H、S、P 增加鋼的脆性。 另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量適當(dāng)則有助于減少鋼的脆性。

3 預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施

造成鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂的基本因素是:材料在工作條件下韌性不足，結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中（設(shè)計(jì)上的或工藝上的）和過大的拉應(yīng)力（工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力和溫度應(yīng)力）。如果能有效地解決其中一個(gè)因素中所存在的問題,則結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的可能性就能顯著降低。

3.1 正確選用材料

選用材料的基本原則是既要保證結(jié)構(gòu)的安全使用，又要考慮經(jīng)濟(jì)效益。一般地說，應(yīng)使所選用的鋼材和焊接用填充金屬保證在使用溫度具有合格的缺口韌性，其含義是:

1）在結(jié)構(gòu)工作條件下，焊縫、熱影響區(qū)、熔合線的最脆部位應(yīng)有足夠的抗開裂性能，母材應(yīng)具有一定的止裂性能。

2）隨著鋼材強(qiáng)度的提高，斷裂韌性和工藝性一般都有所下降。因此，不宜采用比實(shí)際需要強(qiáng)度更高的材料。特別不應(yīng)該單純追求強(qiáng)度指標(biāo)，忽視其它性能。

3.2 采用合理的鋼結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)有脆斷傾向的焊接鋼結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)原則:1）盡量減少結(jié)構(gòu)或焊接接頭部位的應(yīng)力集中。

①在一些構(gòu)件截面改變的地方，必須設(shè)計(jì)成平緩過渡，不要形成尖角。

②在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭。搭接接頭由于應(yīng)力集中系數(shù)大，應(yīng)盡量避免使用。

③不同厚度的構(gòu)件的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)盡可能采用圓滑過渡。

④避免和減少焊縫的缺陷,應(yīng)將焊縫設(shè)計(jì)布置在便于焊接和檢驗(yàn)的地方。

⑤避免焊縫的密集。

2）在滿足結(jié)構(gòu)的使用條件下，應(yīng)當(dāng)盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度，以期降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力的影響。

3）不采用過厚的截面，由于焊接可以連接很厚的截面，所以設(shè)計(jì)者在鋼結(jié)構(gòu)中常會(huì)選用比一般鉚接結(jié)構(gòu)厚得多的截面。但應(yīng)該注意，通過降低許用應(yīng)力值來減少脆斷的危險(xiǎn)性是不恰當(dāng)?shù)模驗(yàn)檫@樣做的結(jié)果將使用厚度過分增大，而增大厚度會(huì)提高鋼材的轉(zhuǎn)變溫度，降低其斷裂韌性值，反而容易引起脆斷。

4）對(duì)于附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì)，應(yīng)和主要焊縫一樣給予足夠重視,因?yàn)榇嘈粤鸭y一旦由這些不受到重視的接頭部位產(chǎn)生，就會(huì)擴(kuò)展到主要受力的元件中，使結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于一些次要部件亦應(yīng)該仔細(xì)考慮，精心設(shè)計(jì)，不要在受力構(gòu)件上隨意加焊附件。

5）減少和消除焊接殘余拉伸應(yīng)力的不利影響。在制定工藝過程中，應(yīng)當(dāng)考慮盡量減少焊接殘余應(yīng)力值，在必要時(shí)應(yīng)考慮消除應(yīng)力的熱處理。

4 總結(jié)

只要在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮了可能會(huì)引起鋼結(jié)構(gòu)脆斷的各種因素，設(shè)計(jì)時(shí)采用各種措施來預(yù)防，避免可能引起脆斷的可能性，就能有效地防患于未然，杜絕鋼結(jié)構(gòu)脆斷事故的發(fā)生，避免重大經(jīng)濟(jì)損失。