巖土輔導(dǎo)之脆性斷裂與疲勞破壞問題研究(1)

　　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。轉(zhuǎn)自環(huán)球網(wǎng)校edu24ol.com

　　(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?。同時(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)T1-T2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。對于一般鋼結(jié)構(gòu),取對應(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。

　　疲勞破壞

　　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。轉(zhuǎn)自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　反復(fù)荷載引起的應(yīng)力循環(huán)形式有同號應(yīng)力循環(huán)和異號應(yīng)力循環(huán)兩種類型。循環(huán)中絕對值最小的峰值應(yīng)力與絕對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;當(dāng)為壓應(yīng)力時(shí)，或取負(fù)號。如圖1所示，當(dāng)時(shí)為異號應(yīng)力循環(huán)，當(dāng)時(shí)為同號應(yīng)力循環(huán)，時(shí)表示靜力荷載。最大應(yīng)力和最小應(yīng)力符號相反而其絕對值相等，即時(shí)(圖1a)，稱為對稱循環(huán)。當(dāng)最大應(yīng)力為拉應(yīng)力而最小應(yīng)力為零時(shí)，稱為脈沖循環(huán)。

　　對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。

　　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。

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