寒冷地区低温环境下钢结构冷脆危害研究
钢材低温冷脆机理
钢材低温冷脆是指低温状态下钢材由韧性演化为脆性直至发生突然破坏的现象。
钢材的许多力学性能与温度的变化直接相关。钢结构发生脆性破坏时的名义应力随温度的下降而降低,钢材的塑性减小, 脆性增加,钢结构的性能也产生相应变化,温度降到某一临界值以下时,钢材的冲击韧性下降很快,导致脆性断裂。
研究显示,不会产生低温脆性的是有着面心立方晶格结构的奥氏体,奥氏体向铁素体转化是伴随温度降低发生的,进一步形成铁素体与渗碳体呈层片分布的珠光体,低温脆性常发生在体心立方晶格的铁素体中。
低温脆性不只取决于材料的组织、成分等,晶格的类型对其也有影响,具体解释为:(1)从微观上看,位错在晶体点阵中运动时所受到的阻力影响低温脆性,钢材的屈服强度与阻力的增大呈正相关,位错运动是造成钢材塑性变形的主因。就对称性低的金属来说,随着温度的降低,位错运动的点阵阻力增大,从而降低了原子热激活能力,材料的屈服强度增大。
(2)从宏观上看,钢材的屈服和断裂与温度有关,对称度低的金属更是如此。通常钢材的断裂强度与温度之间呈负相关的关系,屈服强度与温度之间呈正相关的关系。在脆韧转变温度以下,钢材的屈服强度大于断裂强度,受力时钢材尚未发生屈服就脆断了。
钢材脆韧转变的影响因素:(1)显微组织的影响:晶粒的大小与裂纹产生有一定的相关性,材料韧性因细化晶粒使基体变形更加均匀而得到提高,裂纹的扩展因增多的晶界而得到有效的阻止,晶界面积很大使得塑性变形引起的位错的塞积也不会很大,能防止裂纹的生成,可以通过细化晶粒来提高钢材的强度、 塑性和韧性;
(2)化学成分的影响:用来提高钢材强度和硬度的合金元素或杂质会增强钢材的脆性,使韧性和塑性变差,例如钢材的冷脆性会随着锰、磷含量的增加而明显增大,另外钢材的时效敏感性和冷脆性会随着碳含量的增加而增加,进而降低钢材的可塑性及抗冲击性;
(3)晶体结构的影响:对称性低的体心立方和密排六方钢材具有较高的转变温度,塑性较差,显现脆断趋势;
(4)温度的影响:温度会影响晶体中杂质原子的热激活扩散过程,钉扎位错原子气团降低了钢材的塑性;
(5)加载速度的影响:提高加载速度的效果与降低材料的温度等同,它使钢材的脆化温度升高、塑性降低;
(6)钢材外形及尺寸的影响:钢材的强度会跟着温度的降低有所增大,韧性出现下降,呈现低温冷脆(见图1)。韧脆转变温度是钢材由延性破坏演进到脆性破坏的上限温度。实践中会采取措施使钢材的最低允许工作温度高于韧脆转变温度的上限进而避免低温脆性破坏。
影响低温脆性的因素
(1)钢材的性质钢的晶体结构、化学组分以及冶炼方法决定了钢材的韧性和塑性,也是钢材脆性破坏的主要因素。研究显示, 含碳量低的钢材抗冷脆性能比低合金钢低;
(2)应力状态
应力状态对钢构件的韧性及塑性有较大影响。构件在双向或三向应力状态下被破坏表明, 局部高应力集中的受拉钢构件会出现双向和三向拉应力状态, 此状态使钢构件破坏, 使钢构件发生脆断的几率增大;
(3)结构形式
钢构件的结构形式(被认为是脆性破坏的综合因素)决定了构件的实际应力及工作状态,构件加工工艺及初始缺憾也与结构形式相关。
避免钢结构低温冷脆现象的措施
钢材及钢构件选用时应考虑的因素
钢材的厚度,钢构件加工制作及安装的温度和工艺状况,钢构件采用的结构型式,建筑物或构件的重要程度。为提高钢构件的可靠度,除保证钢的强度外, 还应保证有较好的工作和工艺技术指标(焊接性、塑性和抵抗裂纹扩展、脆断、疲劳等性能)。
选择钢构件结构型式应遵循的原则
钢材选用较薄的板材;最大限度地减少应力集中(因加工工艺和结构型式引起);尽量降低应力集中区局部塑性变形(由焊接热影响引起);确保完整的构件组合截面。沿厚度方向的应力因厚度的增加渐渐增大, 使该位置三向受拉并逐渐向平面应变状态演变, 钢构件发生脆断的可能性提高了,对应力集中的钢构件(低碳钢和低合金),其厚度不应大于40mm。
制作、加工和安装应考虑下列因素
温度处于零下状态焊接钢结构时,应设临时保暖防护措施。焊接时要防止雨、雪掉落在焊缝上。随时清理现场及钢构件上的冰雪,注意防滑保护措施;负温下放样应考虑钢材的收缩,钢结构的切割、刨铣的尺寸应预设不小于2mm的收缩缝隙。
作业地点温度低于-15°(低合金结构钢)或20°(普通碳素结构钢)时不允许进行冲、剪作业, 工作地点温度低于-20°(低合金结构钢)或-16° (普通碳素结构钢)时不允许进行冷弯曲和矫正;
构件的组依照工艺由里而外进行。温度处于零下状态组拼时焊缝须考虑收缩值。常温下 组拼时点焊缝为50mm一道,温度在零下时焊缝延长一倍。9mm(厚)以上的钢板应分层由上而下依次堆焊,一条焊缝应一次性焊完以防温度降得过低,再次焊接应先热处理,消除焊缝缺陷后再继续焊接。厚板(管)材零温下焊接时应预热, 对采用中等热输入焊接的常用结构钢材,预热温度应满足规范要求 。
碱性焊条须按工艺要求在使用前烘焙;烘干后放入保温箱内(80-100℃的)随用随取。外露焊条不允许超过2h(否则要重新烘焙),焊条烘焙不允许超过三次。尽量安排在白天施焊,二级焊缝最好安排在上午9点~下午4点之间施焊。
二氧化碳(气体保护焊用),含水率不允许超过0.005%(重量比),纯度不得低于99.5%(体积比)。使用瓶装气体的瓶内压力不允许低于1N/mm2 。零温下使用要检查瓶嘴是否有因冷冻而堵塞现象。零下五度以下作业时,用石棉布对气瓶进行保温。
0℃以上的电渣焊和气电立焊可不进行预热;板厚大于60mm时,应对引弧区的母材进行预热且不低于50°。
预热方法和焊缝温度控制应符合如下要求:采用火焰、电或红外加热的方法进行焊接前预热及道间温度的维持,同步用专用温度仪测量温度;在焊缝坡口两侧实施预热(预热区域宽度取焊件焊接处板的厚度的一倍半且不小于100mm);在焊件受热面相反的一面量测预热温度, 量测点应不小于75mm处(在离电弧经过前的焊接点各方向);正面量测温度应在预热停止加热后进行。
钢材在作业过程中不得过分硬化和产生擦痕、裂纹等缺陷,以避免钢材冷加工引起的冷变形。
焊接构件时,应消除未焊实等焊缝缺陷; 消除焊件中遗留的较大热塑变形和焊接内应力;焊接结构的板厚大于25mm时,如果冷却过快,都有可能在焊后出现裂纹而产生脆断。鉴于此,焊接时做好预热措施使焊缝缓慢冷却,从而解决断裂问题。
由于受到收缩作用的约束,冷却时可能使焊缝出现裂纹。因此,在两块钢板之间垫上软钢丝留出足够缝隙,使焊缝从容收缩,避免裂纹产生。将角焊缝做成凹状,降低应力集中。成品凹状缝的表面存在较大的收缩拉应力,其45°角截面焊缝厚度最小,易导致开裂。
凸形缝表面收缩拉应力不大,而45°角能增强截面,焊后不易开裂。通过凹状焊缝改用凸状焊缝,能有效避免开裂。应力集中往往是钢构件外形尺寸突变造成的局部应力的变大,易形成最为危险的脆性破坏。施焊过程也易形成对构件不利的残余拉应力,因此避免焊缝过于集中和截面突然变化,有助于防止脆断发生。
选用韧性好的钢材可以防止脆断发生。材料断裂所吸收的能量与温度之间紧密相关。吸 收的能量按弹性、塑性和弹塑性归划为三个区域。为避免出现完全脆性的突然断裂,要求钢材的韧性大于弹性。
与焊缝相交的构造上的缝隙或未焊透焊缝是构造细部发生脆断的诱因,构造焊缝可比作细长的裂纹,焊缝引起较高的残存拉应力使附近金属因热塑变形产生时效硬化,钢材脆性随之增加。为安全计,设计时要考虑低温地区钢结构的施工环境,保证易施焊并焊透构造细部。
降低应力集中法
调整构件的应力状态,降低应力集中;改变结构类型以使构件韧脆转变温度降低,避免构件产生脆性裂纹;
晶粒度的影响
钢的韧性随晶粒变细而增大,韧脆转变温度也随着下降;钢中晶粒越小,滑移线越短,滑移面产生的裂纹也就越小,应力集中越小,裂纹越不容易扩展,从而提高钢材的韧性。
总结
钢材的三点弯曲试验说明钢材的脆性随着温度的降低和厚度的增加而增大,在寒冷的条件下,钢材在低温下的性质发生很大变化,脆性增加导致钢材突然发生脆性断裂,给实际的工程应用带来很大的麻烦。
实验和研究结果表明,脆性断裂最容易发生在韧脆转变温度这个区间。在此区间内, 钢材的某些韧性指标会随着温度的变化发生突变。在实际生产作业中,应预先判断温度的影响并采取有效预防措施。
(文章来源:科技通报 作者:刘竹 版权归原作者所有,图片、文章如有侵权,请联系我们)
参考文献
[1] 王子瑜.结构钢的低温冷脆及断裂机理概述[J].科技信息,2010,18:166.
[2] 裴家明,谢剑. 超低温环境下钢的力学性能研究[R].第 20 届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册),2011:383-386.
[3] 苏仁权,王万祯. 低温下高强钢缺口板断裂试验[J].低温工程,2011,5:23-26.
[4] 类维生,杨庆祥,姚枚. 结构钢冷脆的解理特征应力理论——Ⅰ解理特征应力概念及结构钢解理断裂行为分 析[J].钢铁研究学报,1997,3:32-36.
[5] 张玉玲,潘际炎. 低温对钢材及其构件性能影响研究综述[J].中国铁道科学,2003,24(2) :89-96.
[6] 叶卫江,张有渝.影响金属低温韧性的因素浅析[J].天然气与石油,1997,1:32-36.
[7] 束德林主编. 金属力学性能[M]. 北京: 机械工业出版 社,1990.
[8] 刘渠,刘忠明,刘影学. 钢结构脆性断裂对工程危害及防治[J]. 低温建筑技术,1999,1:74-75.
[9] GB/T 2358-94,金属材料裂纹尖端张开位移试验办法 [S].
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