寒冷地區低溫環境下鋼結構冷脆危害研究，鋼結構在零下多少度強度受影響?
Research ofHarm ofthe Brittle Fracture in Steel Structure in Low-temperature Environment in Cold Area
今天在瀏覽網站時發現，有人在問："鋼結構在零下多少度強度受影響?" 現在我們就這個問題，來研究一下。鋼結構在低溫環境下的強度發生明顯的降低 其實就是發生了冷脆現像發生了脆斷，鋼結構發生脆斷的兩個至關重要的因素是環境溫度和鋼材厚度,隨著溫度的下降和厚度的增加,鋼材也隨之變脆。 本文首先分析低溫脆性和鋼材脆韌轉變的影響因素,然后采用三點彎曲試驗和低溫沖擊韌性試驗分析鋼材脆性斷裂從發生、發展到斷裂的機理。 實驗驗證了鋼材脆斷與溫度和厚度的分布規律,有針對性的提出了預防冷脆危害的方法。
Two utter important factors that causes brittle fracture in steel structure are environmental temperature and thickness of steel. As temperature drops and thickness increases, the steel becomes more brittle. This report firstly analyze the influential factors of brittleness in low temperature and steel brittle ductile transition process. Then it uses three point bending flexural test and low temperature impact toughness test to derive the mechanism of how the brittle fracture happens. The experiment shows the distribution pattern of brittle fracture against temperature and thickness. In addition, it brings outseveral measures to prevent damage caused by brittle fracture in low temperature. Keywords: low-temperature environment;steel structure;brittle fracture;precaution.
鋼結構是建筑結構類型之一。 它主要由鋼板和各種型鋼等鋼材(或主要由鋼制材料組成)制成的柱、梁、桁架等構件組成的結構,通常在工廠中制作成部件或構件, 再運到現場采用焊接、螺栓(或高強螺栓)或鉚釘安裝。與其它材料的結構相比,鋼結構因其自 重較輕、強度高、抗震性能優越、韌性及塑性好、水密性和氣密性較好、節能效果好、可跨越更大的跨度,工廠化裝配程度高,結構性能優良,且施工周期短,在各類廠房、體育場館、高層建筑等工業與民用建筑領域得到廣泛應用。
我國幅員遼闊, 針對寒冷氣候的分區劃分有嚴寒地區(包括黑龍江省西北部, 內蒙古自 治區東北部、新疆北部、西藏北部、青海等地區)、寒冷地區(包括華北大部、遼寧南部、陜西大部、甘肅中東部等地區)、夏熱冬冷地區(包括華南北部、四川盆地東部、貴州等地區),冬季低溫嚴寒地區分布較廣, 隨著社會的發展, 鋼結構在負溫甚至極低溫環境下工作越來越普遍,低溫對鋼結構的影響也逐漸顯現出來。 上個世紀30年代以來,世界上多次發生鋼構件因低溫導致脆斷的事故,人們逐步認識到低溫對鋼結構的力學性能產生影響。
1 鋼材低溫冷脆機理
鋼材低溫冷脆是指低溫狀態下鋼材由韌性演化為脆性直至發生突然破壞的現象。
鋼材的許多力學性能與溫度的變化直接相關。 鋼結構發生脆性破壞時的名義應力隨溫度的下降而降低, 鋼材的塑性減小, 脆性增加,鋼結構的性能也產生相應變化,溫度降到某一臨界值以下時, 鋼材的沖擊韌性下降很快, 導致脆性斷
裂 [1] 。
研究顯示,不會產生低溫脆性的是有著面心立方晶格結構的奧氏體,奧氏體向鐵素體轉化是伴隨溫度降低發生的,進一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,晶格的類型對其也有影響,具體解釋為:
(1)從微觀上看, 位錯在晶體點陣中運動時所受到的阻力影響低溫脆性,鋼材的屈服強度與阻力的增大呈正相關,位錯運動是造成鋼材塑性變形的主因。 就對稱性低的金屬來說,隨著溫度的降低, 位錯運動的點陣阻力增大, 從而降低了
原子熱激活能力,材料的屈服強度增大。
(2)從宏觀上看, 鋼材的屈服和斷裂與溫度有關,對稱度低的金屬更是如此。 通常鋼材的斷裂強度與溫度之間呈負相關的關系,屈服強度與溫度之間呈正相關的關系。 在脆韌轉變溫度以下, 鋼材的屈服強度大于斷裂強度, 受力時鋼材
尚未發生屈服就脆斷了[2] 。
鋼材脆韌轉變的影響因素:
(1)顯微組織的影響: 晶粒的大小與裂紋產生有一定的相關性,材料韌性因細化晶粒使基體變形更加均勻而得到提高,裂紋的擴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的塞積也不會很大,能防止裂紋的生成, 可以通過細化晶粒來提高鋼材的強度、塑性和韌性;
(2)化學成分的影響: 用來提高鋼材強度和硬度的合金元素或雜質會增強鋼材的脆性,使韌性和塑性變差, 例如鋼材的冷脆性會隨著錳、磷含量的增加而明顯增大,另外鋼材的時效敏感性和冷脆性會隨著碳含量的增加而增加,進而降低
鋼材的可塑性及抗沖擊性;
(3)晶體結構的影響: 對稱性低的體心立方和密排六方鋼材具有較高的轉變溫度, 塑性較差,顯現脆斷趨勢;
(4)溫度的影響: 溫度會影響晶體中雜質原子的熱激活擴散過程,釘扎位錯原子氣團降低了鋼材的塑性;
(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: 鋼材的強度會跟著溫度的降低有所增大, 韌性出現下降, 呈現低溫冷脆(見圖 1)。 韌脆轉變溫度是鋼材由延性破壞演進到脆性破壞的上限溫度。 實踐中會采取措施使鋼材的最低允許工作溫度高于韌脆轉
變溫度的上限進而避免低溫脆性破壞。
2 脆性斷裂的特征
為了保證結構的安全, 設計時要考慮在低溫狀態下結構力學性能的變化規律,鋼材脆性斷裂有以下特征:
(1)脆斷時產生的應力會大大低于材料的屈服極限,這通常歸于低應力破壞范疇;
(2)材料脆斷溫度常常與材料的韌脆轉變溫度接近;
(3)脆斷發生沒有征兆,開裂迅速;
(4)構件的應力集中位置是脆斷發生的裂紋源。
我們采用實驗室試驗來探究鋼材脆性斷裂從發生、發展到斷裂的機理。
2.1 實驗一:三點彎曲試驗
(1)鋼材樣本選用試驗選用由鞍鋼生產,目前在建筑行業廣泛使用的 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)進行試驗。
(2)試驗方法
用無水乙醇作冷卻介質, 冷卻劑為液氮。 使用低溫酒精溫度計測溫。 試件在冷卻介質中保溫 15 min。 試驗的溫度點為 20C、 0C、 - 20C、 -40C和- 60C。 依照《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法》GB/T2358-94,采用直三點彎曲試樣進行試驗。
實驗試件寬度為:H= 2B,B—試件的厚度,跨矩為:L=8B。 試件加載示意圖見圖(圖 3)。
(3)試驗結果
從室溫開始, 選了五個試驗溫度, 鋼材在室溫的環境下韌性良好, 沒有出現脆性破壞, 隨著溫度的降低試件發生脆斷的可能性增加(見圖4)。
圖4揭示了鋼材脆斷發生的分布情況, 發生脆斷的試件比例用分數表示(分母代表總試件數,分子代表發生脆斷的試件數)。說到這里我們可以從圖中看出回答本文一開始的問題了，鋼結構在零下30度左右其強度就受影響了。
2.2 實驗二:低溫沖擊韌性試驗
(1)鋼材樣本選用
試驗選用由鞍鋼生產,目前在建筑行業廣泛使用的 Q235系列鋼板,60~150 mm厚。 試驗應測量并且記錄縱向沖擊功,試件2(見圖 5)V字型缺口方向與鋼材軋制方向一致。
(2)試驗方法
實驗設備采用 ZBC3000 擺錘式沖擊試驗機。 用酒精和液氮的混合液做冷卻介質,在試樣冷卻至規定溫度、在保溫箱中冷卻保溫一段時間后再進行沖擊試驗, 計量工具采用溫度計( 量程:-80~50℃,最小分度值:1℃)
[3] 。
(3)實驗結果
沖擊功的數值與溫度呈現正相關性,鋼材明顯呈低溫脆性; 沖擊韌性與板厚呈負相關, 板厚越低,低溫脆性越明顯(見圖 6)。
沖擊功-溫度曲線總體呈現S形,圖形劃分為上下平臺和轉變溫度區三部分(見圖 7)。 韌脆轉變溫度取最大、最小沖擊功(上、下平臺能)的算術平均值。
2.3 試驗結果分析
實驗顯示, 在只考慮厚度和溫度的情況下,試樣的脆性破壞有規律可循。
(1)圖 4顯示,發生脆斷的試件全部位于溫度較低的區域。 受試驗條件所限,試驗點呈離散分布,過渡區不明顯。 鋼材脆斷都發生在溫度較低或厚度較厚的情況下 [4] ;
(2)脆斷區域的邊界較為規律, 為近似斜率為負的直線;
(3)隨溫度的降低, 鋼材屈服強度和極限強度都得到提高, 截面收縮率及伸長率都相應減小;
(4)斷口 的形狀隨試驗溫度的下降而變化,表面有金屬光澤的(位于中心, 齊平的)結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。 鋼結構的韌性隨溫度降低明顯減小,鋼結構的脆性隨之增加 [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,韌脆轉變溫度會升高,沖擊韌性減弱。
影響低溫脆性的因素:
(1)鋼材的性質，鋼的晶體結構、化學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)應力狀態，應力狀態對鋼構件的韌性及塑性有較大影響。 構件在雙向或三向應力狀態下被破壞表明,局部高應力集中的受拉鋼構件會出現雙向和三向拉應力狀態, 此狀態使鋼構件破壞, 使鋼構件發生脆斷的幾率增大 [7] ;
(3)結構形式，鋼構件的結構形式(被認為是脆性破壞的綜合因素)決定了構件的實際應力及工作狀態, 構件加工工藝及初始缺憾也與結構形式相關。
3 避免鋼結構低溫冷脆現象的措施
3.1 鋼材及鋼構件選用時應考慮的因素
鋼材的厚度,鋼構件加工制作及安裝的溫度和工藝狀況, 鋼構件采用的結構型式, 建筑物或構件的重要程度。 為提高鋼構件的可靠度,除保證鋼的強度外, 還應保證有較好的工作和工藝技術指標(焊接性、塑性和抵抗裂紋擴展、脆斷、疲
勞等性能)。
3.2 選擇鋼構件結構型式應遵循的原則
鋼材選用較薄的板材;最大限度地減少應力集中(因加工工藝和結構型式引起);盡量降低應力集中區局部塑性變形(由焊接熱影響引起);確保完整的構件組合截面。
沿厚度方向的應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變狀態演變,鋼構件發生脆斷的可能性提高了,對應力集中的鋼構件(低碳鋼和低合金), 其厚度不應大于 40mm [8] 。
3.3 制作、加工和安裝應考慮下列因素
溫度處于零下狀態焊接鋼結構時,應設臨時保暖防護措施。 焊接時要防止雨、雪掉落在焊縫上。 隨時清理現場及鋼構件上的冰雪,注意防滑保護措施; 負溫下放樣應考慮鋼材的收縮, 鋼結構的切割、刨銑的尺寸應預設不小于 2 mm的收縮縫隙。
作業地點溫度低于-15°(低合金結構鋼)或-20°(普通碳素結構鋼)時不允許進行沖、剪作業,工作地點溫度低于-20°(低合金結構鋼)或-16°(普通碳素結構鋼)時不允許進行冷彎曲和矯正;
構件的組依照工藝由里而外進行。 溫度處于零下狀態組拼時焊縫須考慮收縮值。 常溫下組拼時點焊縫為 50 mm一道,溫度在零下時焊縫延長一倍。 9 mm(厚)以上的鋼板應分層由上而下依次堆焊,一條焊縫應一次性焊完以防溫度降
得過低, 再次焊接應先熱處理, 消除焊縫缺陷后再繼續焊接。 厚板(管)材零溫下焊接時應預熱,對采用中等熱輸入焊接的常用結構鋼材,預熱溫度應滿足規范要求 [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(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,二級焊縫最好安排在上午9點~下午4點之間施焊。
二氧化碳(氣體保護焊用),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象。 零下五度以下作業時,用石棉布對氣瓶進行保溫。
0℃以上的電渣焊和氣電立焊可不進行預熱;板厚大于60 mm時, 應對引弧區的母材進行預熱且不低于50°。
預熱方法和焊縫溫度控制應符合如下要求: 采用火焰、電或紅外加熱的方法進行焊接前預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 兩側實施預熱(預熱區域寬度取焊件焊接處板的 厚度的 一倍半且不小于 100
mm); 在焊件受熱面相反的一面量測預熱溫度,量測點應不小于75 mm處(在離電弧經過前的焊接點各方向); 正面量測溫度應在預熱停止加熱后進行。
鋼材在作業過程中不得過分硬化和產生擦痕、裂紋等缺陷, 以避免鋼材冷加工引起的冷變形。
焊接構件時, 應消除未焊實等焊縫缺陷; 消除焊件中遺留的較大熱塑變形和焊接內應力;焊接結構的板厚大于 25 mm時, 如果冷卻過快, 都有可能在焊后出現裂紋而產生脆斷。 鑒于此,焊接時做好預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,冷卻時可能使焊縫出現裂紋。 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, 避免裂紋產生。 將角焊縫做成凹狀,降低應力集中。 成品凹狀縫的表面存在較大的收縮拉應力, 其45°角截
面焊縫厚度最小,易導致開裂。 凸形縫表面收縮拉應力不大, 而 45°角能增強截面, 焊后不易開裂。 通過凹狀焊縫改用凸狀焊縫,能有效避免開裂。
應力集中往往是鋼構件外形尺寸突變造成的局部應力的變大, 易形成最為危險的脆性破壞。 施焊過程也易形成對構件不利的殘余拉應力, 因此避免焊縫過于集中和截面突然變化, 有助于防止脆斷發生。
選用韌性好的鋼材可以防止脆斷發生。 材料斷裂所吸收的能量與溫度之間緊密相關。 吸收的能量按彈性、塑性和彈塑性歸劃為三個區域。 為避免出現完全脆性的突然斷裂,要求鋼材的韌性大于彈性。
與焊縫相交的構造上的縫隙或未焊透焊縫是構造細部發生脆斷的誘因,構造焊縫可比作細長的裂紋,焊縫引起較高的殘存拉應力使附近金屬因熱塑變形產生時效硬化, 鋼材脆性隨之增加。 為安全計,設計時要考慮低溫地區鋼結構的施工環境,保證易施焊并焊透構造細部。
3.4 降低應力集中法
調整構件的應力狀態, 降低應力集中; 改變結構類型以使構件韌脆轉變溫度降低,避免構件產生脆性裂紋;
3.5 晶粒度的影響
鋼的韌性隨晶粒變細而增大,韌脆轉變溫度也隨著下降;鋼中晶粒越小,滑移線越短,滑移面產生的裂紋也就越小, 應力集中越小, 裂紋越不容易擴展,從而提高鋼材的韌性。
4 總結
鋼材的三點彎曲試驗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發生很大變化, 脆性增加導致鋼材突然發生脆性斷裂,給實際的工程應用帶來很大的麻煩。 實驗和研究結果表明,脆性
斷裂最容易發生在韌脆轉變溫度這個區間。 在此區間內, 鋼材的某些韌性指標會隨著溫度的變化發生突變。 在實際生產作業中,應預先判斷溫度的影響并采取有效預防措施。
參考文獻:
[1] 王子瑜. 結構鋼的低溫冷脆及斷裂機理概述[J]. 科技信息,2010,18:166.
[2] 裴家明, 謝劍. 超低溫環境下鋼的力學性能研究[R]. 第20 屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅰ 冊), 2011:383-386.
[3] 蘇仁權,王萬禎. 低溫下高強鋼缺口板斷裂試驗[J].低溫工程,2011,5:23-26.
[4] 類維生, 楊慶祥, 姚枚. 結構鋼冷脆的解理特征應力理論 — —Ⅰ 解理特征應力概念及結構鋼解理斷裂行為分析[J].鋼鐵研究學報,1997,3:32-36.
[5] 張玉玲,潘際炎. 低溫對鋼材及其構件性能影響研究綜述[J].中國鐵道科學,2003,24(2) :89-96.
[6] 葉衛江,張有渝.影響金屬低溫韌性的因素淺析[J].天然氣與石油,1997,1:32-36.
[7] 束德林主編. 金屬力學性能[M]. 北京: 機械工業出版社,1990.
[8] 劉渠, 劉忠明, 劉影學. 鋼結構脆性斷裂對工程危害及防治[J]. 低溫建筑技術,1999,1:74-75.
[9] GB/T 2358-94, 金屬材料裂紋尖端張開位移試驗辦法[S].
關鍵詞: 鋼材性能,化學成份,機械性能,力學性能,物理性能,結構鋼,鋼結構,冷脆,開裂,裂紋,斷裂,低溫環境,脆斷,碳鋼
(本平臺"常州精密鋼管博客網"的部分圖文來自網絡轉載，轉載目的在于傳遞更多技術信息。我們尊重原創，版權歸原作者所有，若未能找到作者和出處望請諒解，敬請聯系主編微信號：steel_tube，進行刪除或付稿費，多謝!)