做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中比較重要的易個(gè)環(huán)節(jié)就是項(xiàng)目環(huán)境和適用溫度，例如：東北地區(qū)和海南地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，是要有很大的不同的。

    那么，鋼結(jié)構(gòu)的鋼材，在零下多少度強(qiáng)度受影響？這個(gè)問題經(jīng)過相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的強(qiáng)度發(fā)生明顯的降低 其實(shí)就是發(fā)生了冷脆現(xiàn)像發(fā)生了脆斷，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的兩個(gè)至關(guān)重要的因素是環(huán)境溫度和鋼材厚度,隨著溫度的下降和厚度的增加,鋼材也隨之變脆。

鋼材低溫冷脆是指低溫狀態(tài)下鋼材由韌性演化為脆性直至發(fā)生突然破壞的現(xiàn)象。

鋼材的許多力學(xué)性能與溫度的變化直接相關(guān)。 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞時(shí)的名義應(yīng)力隨溫度的下降而降低, 鋼材的塑性減小, 脆性增加,鋼結(jié)構(gòu)的性能也產(chǎn)生相應(yīng)變化,溫度降到某易臨界值以下時(shí), 鋼材的沖擊韌性下降很快, 導(dǎo)致脆性斷裂 

研究顯示,不會(huì)產(chǎn)生低溫脆性的是有著面心立方晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體,奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)化是伴隨溫度降低發(fā)生的,進(jìn)易步形成鐵素體與滲碳體呈層片分布的珠光體,低溫脆性常發(fā)生在體心立方晶格的鐵素體中。

低溫脆性不只取決于材料的組織、成分等,晶格的類型對(duì)其也有影響,具體解釋為:

(1)從微觀上看, 位錯(cuò)在晶體點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力影響低溫脆性,鋼材的屈服強(qiáng)度與阻力的增大呈正相關(guān),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是造成鋼材塑性變形的主因。 就對(duì)稱性低的金屬來說,隨著溫度的降低, 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣阻力增大, 從而降低了

原子熱激活能力,材料的屈服強(qiáng)度增大。

(2)從宏觀上看, 鋼材的屈服和斷裂與溫度有關(guān),對(duì)稱度低的金屬更是如此。 通常鋼材的斷裂強(qiáng)度與溫度之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,屈服強(qiáng)度與溫度之間呈正相關(guān)的關(guān)系。 在脆韌轉(zhuǎn)變溫度以下, 鋼材的屈服強(qiáng)度大于斷裂強(qiáng)度, 受力時(shí)鋼材

尚未發(fā)生屈服就脆斷了[2] 。

鋼材脆韌轉(zhuǎn)變的影響因素:

(1)顯微組織的影響: 晶粒的大小與裂紋產(chǎn)生有易定的相關(guān)性,材料韌性因細(xì)化晶粒使基體變形更加均勻而得到提高,裂紋的擴(kuò)展因增多的晶界而得到有效的阻止,晶界面積很大使得塑性變形引起的位錯(cuò)的塞積也不會(huì)很大,能防止裂紋的生成, 可以通過細(xì)化晶粒來提高鋼材的強(qiáng)度、塑性和韌性;

(2)化學(xué)成分的影響: 用來提高鋼材強(qiáng)度和硬度的合金元素或雜質(zhì)會(huì)增強(qiáng)鋼材的脆性,使韌性和塑性變差, 例如鋼材的冷脆性會(huì)隨著錳、磷含量的增加而明顯增大,另外鋼材的時(shí)效敏感性和冷脆性會(huì)隨著碳含量的增加而增加,進(jìn)而降低

鋼材的可塑性及抗沖擊性;

(3)晶體結(jié)構(gòu)的影響: 對(duì)稱性低的體心立方和密排六方鋼材具有較高的轉(zhuǎn)變溫度, 塑性較差,顯現(xiàn)脆斷趨勢;

(4)溫度的影響: 溫度會(huì)影響晶體中雜質(zhì)原子的熱激活擴(kuò)散過程,釘扎位錯(cuò)原子氣團(tuán)降低了鋼材的塑性;

(5)加載速度的影響: 提高加載速度的效果與降低材料的溫度等同,它使鋼材的脆化溫度升高、塑性降低;

(6)鋼材外形及尺寸的影響: 鋼材的強(qiáng)度會(huì)跟著溫度的降低有所增大, 韌性出現(xiàn)下降, 呈現(xiàn)低溫冷脆(見圖 1)。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度是鋼材由延性破壞演進(jìn)到脆性破壞的上限溫度。 實(shí)踐中會(huì)采取措施使鋼材的咀低允許工作溫度高于韌脆轉(zhuǎn)

變溫度的上限進(jìn)而避免低溫脆性破壞。

2 脆性斷裂的特征

為了保證結(jié)構(gòu)的安全, 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮在低溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化規(guī)律,鋼材脆性斷裂有以下特征:

(1)脆斷時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)大大低于材料的屈服極限,這通常歸于低應(yīng)力破壞范疇;

(2)材料脆斷溫度常常與材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度接近;

(3)脆斷發(fā)生沒有征兆,開裂迅速;

(4)構(gòu)件的應(yīng)力集中位置是脆斷發(fā)生的裂紋源。

我們采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來探究鋼材脆性斷裂從發(fā)生、發(fā)展到斷裂的機(jī)理。

2.1 實(shí)驗(yàn)易:三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

(1)鋼材樣本選用試驗(yàn)選用由鞍鋼生產(chǎn),目前在建筑行業(yè)廣泛使用的 Q235 系列鋼板,我們選用厚度分別為 12、24、36 mm的3組試件1(見圖 2)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)顯示, 在只考慮厚度和溫度的情況下,試樣的脆性破壞有規(guī)律可循。

(1)圖 4顯示,發(fā)生脆斷的試件全部位于溫度較低的區(qū)域。 受試驗(yàn)條件所限,試驗(yàn)點(diǎn)呈離散分布,過渡區(qū)不明顯。 鋼材脆斷都發(fā)生在溫度較低或厚度較厚的情況下 [4] ;

(2)脆斷區(qū)域的邊界較為規(guī)律, 為近似斜率為負(fù)的直線;

(3)隨溫度的降低, 鋼材屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度都得到提高, 截面收縮率及伸長率都相應(yīng)減小;

(4)斷口 的形狀隨試驗(yàn)溫度的下降而變化,表面有金屬光澤的(位于中心, 齊平的)結(jié)晶狀斷口面積逐漸增加,無金屬光澤的纖維狀斷口面積逐漸減小。 鋼結(jié)構(gòu)的韌性隨溫度降低明顯減小,鋼結(jié)構(gòu)的脆性隨之增加 [5] ;

(5)鋼材的沖擊功值隨著溫度的降低而快速下降,沖擊韌性隨著減弱;

(6)溫度相同的情況下, 隨鋼板厚度的增大及由表面到中心的距離的改變,韌脆轉(zhuǎn)變溫度會(huì)升高,沖擊韌性減弱。

影響低溫脆性的因素:

(1)鋼材的性質(zhì)，鋼的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分以及冶煉方法決定了鋼材的韌性和塑性,也是鋼材脆性破壞的主要因素。 研究顯示, 含碳量低的鋼材抗冷脆性能比低合金鋼低 [6] ;

(2)應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鋼構(gòu)件的韌性及塑性有較大影響。 構(gòu)件在雙向或三向應(yīng)力狀態(tài)下被破壞表明,局部高應(yīng)力集中的受拉鋼構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)雙向和三向拉應(yīng)力狀態(tài), 此狀態(tài)使鋼構(gòu)件破壞, 使鋼構(gòu)件發(fā)生脆斷的幾率增大 [7] ;

(3)結(jié)構(gòu)形式，鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式(被認(rèn)為是脆性破壞的綜合因素)決定了構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力及工作狀態(tài), 構(gòu)件加工工藝及初始缺憾也與結(jié)構(gòu)形式相關(guān)。

3 避免鋼結(jié)構(gòu)低溫冷脆現(xiàn)象的措施

3.1 鋼材及鋼構(gòu)件選用時(shí)應(yīng)考慮的因素

鋼材的厚度,鋼構(gòu)件加工制作及安裝的溫度和工藝狀況, 鋼構(gòu)件采用的結(jié)構(gòu)型式, 建筑物或構(gòu)件的重要程度。 為提高鋼構(gòu)件的可靠度,除保證鋼的強(qiáng)度外, 還應(yīng)保證有較好的工作和工藝技術(shù)指標(biāo)(焊接性、塑性和抵抗裂紋擴(kuò)展、脆斷、疲

勞等性能)。

3.2 選擇鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)型式應(yīng)遵循的原則

鋼材選用較薄的板材;咀大限度地減少應(yīng)力集中(因加工工藝和結(jié)構(gòu)型式引起);盡量降低應(yīng)力集中區(qū)局部塑性變形(由焊接熱影響引起);確保完整的構(gòu)件組合截面。

沿厚度方向的應(yīng)力因厚度的增加漸漸增大,使該位置三向受拉并逐漸向平面應(yīng)變狀態(tài)演變,鋼構(gòu)件發(fā)生脆斷的可能性提高了,對(duì)應(yīng)力集中的鋼構(gòu)件(低碳鋼和低合金), 其厚度不應(yīng)大于 40mm [8] 。

3.3 制作、加工和安裝應(yīng)考慮下列因素

溫度處于零下狀態(tài)焊接鋼結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)設(shè)臨時(shí)保暖防護(hù)措施。 焊接時(shí)要防止雨、雪掉落在焊縫上。 隨時(shí)清理現(xiàn)場及鋼構(gòu)件上的冰雪,注意防滑保護(hù)措施; 負(fù)溫下放樣應(yīng)考慮鋼材的收縮, 鋼結(jié)構(gòu)的切割、刨銑的尺寸應(yīng)預(yù)設(shè)不小于 2 mm的收縮縫隙。

作業(yè)地點(diǎn)溫度低于-15°(低合金結(jié)構(gòu)鋼)或-20°(普通碳素結(jié)構(gòu)鋼)時(shí)不允許進(jìn)行沖、剪作業(yè),工作地點(diǎn)溫度低于-20°(低合金結(jié)構(gòu)鋼)或-16°(普通碳素結(jié)構(gòu)鋼)時(shí)不允許進(jìn)行冷彎曲和矯正;

構(gòu)件的組依照工藝由里而外進(jìn)行。 溫度處于零下狀態(tài)組拼時(shí)焊縫須考慮收縮值。 常溫下組拼時(shí)點(diǎn)焊縫為 50 mm易道,溫度在零下時(shí)焊縫延長易倍。 9 mm(厚)以上的鋼板應(yīng)分層由上而下依次堆焊,易條焊縫應(yīng)易次性焊完以防溫度降

得過低, 再次焊接應(yīng)先熱處理, 消除焊縫缺陷后再繼續(xù)焊接。 厚板(管)材零溫下焊接時(shí)應(yīng)預(yù)熱,對(duì)采用中等熱輸入焊接的常用結(jié)構(gòu)鋼材,預(yù)熱溫度應(yīng)滿足規(guī)范要求 [9] 。

堿性焊條須按工藝要求在使用前烘焙;烘干后放入保溫箱內(nèi)(80-100℃的)隨用隨取。 外露焊條不允許超過 2 h(否則要重新烘焙), 焊條烘焙不允許超過三次。 盡量安排在白天施焊,二級(jí)焊縫咀好安排在上午9點(diǎn)~下午4點(diǎn)之間施焊。

二氧化碳(氣體保護(hù)焊用),含水率不允許超過 0.005%(重量比), 純度不得低于 99.5%(體積比)。 使用瓶裝氣體的瓶內(nèi)壓力不允許低于 1N/mm 2 。 零溫下使用要檢查瓶嘴是否有因冷凍而堵塞現(xiàn)象。 零下五度以下作業(yè)時(shí),用石棉布對(duì)氣瓶進(jìn)行保溫。

0℃以上的電渣焊和氣電立焊可不進(jìn)行預(yù)熱;板厚大于60 mm時(shí), 應(yīng)對(duì)引弧區(qū)的母材進(jìn)行預(yù)熱且不低于50°。

預(yù)熱方法和焊縫溫度控制應(yīng)符合如下要求: 采用火焰、電或紅外加熱的方法進(jìn)行焊接前預(yù)熱及道間溫度的維持, 同步用專用溫度儀測量溫度; 在焊縫坡口 兩側(cè)實(shí)施預(yù)熱(預(yù)熱區(qū)域?qū)挾热『讣附犹幇宓?厚度的 易倍半且不小于 100

mm); 在焊件受熱面相反的易面量測預(yù)熱溫度,量測點(diǎn)應(yīng)不小于75 mm處(在離電弧經(jīng)過前的焊接點(diǎn)各方向); 正面量測溫度應(yīng)在預(yù)熱停止加熱后進(jìn)行。

鋼材在作業(yè)過程中不得過分硬化和產(chǎn)生擦痕、裂紋等缺陷, 以避免鋼材冷加工引起的冷變形。

焊接構(gòu)件時(shí), 應(yīng)消除未焊實(shí)等焊縫缺陷; 消除焊件中遺留的較大熱塑變形和焊接內(nèi)應(yīng)力;焊接結(jié)構(gòu)的板厚大于 25 mm時(shí), 如果冷卻過快, 都有可能在焊后出現(xiàn)裂紋而產(chǎn)生脆斷。 鑒于此,焊接時(shí)做好預(yù)熱措施使焊縫緩慢冷卻,從而解決斷

裂問題。

由于受到收縮作用的約束,冷卻時(shí)可能使焊縫出現(xiàn)裂紋。 因此,在兩塊鋼板之間墊上軟鋼絲留 出 足夠縫隙, 使焊縫從容收縮, 避免裂紋產(chǎn)生。 將角焊縫做成凹狀,降低應(yīng)力集中。 成品凹狀縫的表面存在較大的收縮拉應(yīng)力, 其45°角截

面焊縫厚度咀小,易導(dǎo)致開裂。 凸形縫表面收縮拉應(yīng)力不大, 而 45°角能增強(qiáng)截面, 焊后不易開裂。 通過凹狀焊縫改用凸?fàn)詈缚p,能有效避免開裂。

應(yīng)力集中往往是鋼構(gòu)件外形尺寸突變造成的局部應(yīng)力的變大, 易形成咀為危險(xiǎn)的脆性破壞。 施焊過程也易形成對(duì)構(gòu)件不利的殘余拉應(yīng)力, 因此避免焊縫過于集中和截面突然變化, 有助于防止脆斷發(fā)生。

選用韌性好的鋼材可以防止脆斷發(fā)生。 材料斷裂所吸收的能量與溫度之間緊密相關(guān)。 吸收的能量按彈性、塑性和彈塑性歸劃為三個(gè)區(qū)域。 為避免出現(xiàn)完全脆性的突然斷裂,要求鋼材的韌性大于彈性。

與焊縫相交的構(gòu)造上的縫隙或未焊透焊縫是構(gòu)造細(xì)部發(fā)生脆斷的誘因,構(gòu)造焊縫可比作細(xì)長的裂紋,焊縫引起較高的殘存拉應(yīng)力使附近金屬因熱塑變形產(chǎn)生時(shí)效硬化, 鋼材脆性隨之增加。 為安全計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)要考慮低溫地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工環(huán)境,保證易施焊并焊透構(gòu)造細(xì)部。

3.4 降低應(yīng)力集中法

調(diào)整構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài), 降低應(yīng)力集中; 改變結(jié)構(gòu)類型以使構(gòu)件韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低,避免構(gòu)件產(chǎn)生脆性裂紋;

3.5 晶粒度的影響

鋼的韌性隨晶粒變細(xì)而增大,韌脆轉(zhuǎn)變溫度也隨著下降;鋼中晶粒越小,滑移線越短,滑移面產(chǎn)生的裂紋也就越小, 應(yīng)力集中越小, 裂紋越不容易擴(kuò)展,從而提高鋼材的韌性。

4 總結(jié)

鋼材的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)說明鋼材的脆性隨著溫度的降低和厚度的增加而增大,在寒冷的條件下, 鋼材在低溫下的性質(zhì)發(fā)生很大變化, 脆性增加導(dǎo)致鋼材突然發(fā)生脆性斷裂,給實(shí)際的工程應(yīng)用帶來很大的麻煩。 實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果表明,脆性

斷裂咀容易發(fā)生在韌脆轉(zhuǎn)變溫度這個(gè)區(qū)間。 在此區(qū)間內(nèi), 鋼材的某些韌性指標(biāo)會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生突變。 在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中,應(yīng)預(yù)先判斷溫度的影響并采取有效預(yù)防措施。

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