天冷鋼材脆，冬季鋼材須知(寒冷地區(qū)低溫環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)冷脆危害研究)
鋼材低溫冷脆機(jī)理
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,溫度降到某一臨界值以下時(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)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(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(lái)說(shuō),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。
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)生有一定的相關(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(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度、 塑性和韌性;
(2)化學(xué)成分的影響:用來(lái)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(shì);
(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(guò)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(jiàn)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)采取措施使鋼材的最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。
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;
(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;
(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)。
避免鋼結(jié)構(gòu)低溫冷脆現(xiàn)象的措施
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)。
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;最大限度地減少應(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。
制作、加工和安裝應(yīng)考慮下列因素
溫度處于零下?tīng)顟B(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(chǎng)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2mm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?tīng)顟B(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50mm一道,溫度在零下時(shí)焊縫延長(zhǎng)一倍。9mm(厚)以上的鋼板應(yīng)分層由上而下依次堆焊,一條焊縫應(yīng)一次性焊完以防溫度降得過(guò)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 。
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(guò)2h(否則要重新烘焙),焊條烘焙不允許超過(guò)三次。盡量安排在白天施焊,二級(jí)焊縫最好安排在上午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(guò)0.005%(重量比),純度不得低于99.5%(體積比)。使用瓶裝氣體的瓶?jī)?nèi)壓力不允許低于1N/mm2 。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60mm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(cè)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『讣附犹幇宓暮穸鹊囊槐栋肭也恍∮?00mm);在焊件受熱面相反的一面量測(cè)預(yù)熱溫度, 量測(cè)點(diǎn)應(yīng)不小于75mm處(在離電弧經(jīng)過(guò)前的焊接點(diǎn)各方向);正面量測(cè)溫度應(yīng)在預(yù)熱停止加熱后進(jìn)行。
鋼材在作業(yè)過(guò)程中不得過(guò)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25mm時(shí),如果冷卻過(guò)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(wèn)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°角截面焊縫厚度最小,易導(dǎo)致開(kāi)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(kāi)裂。通過(guò)凹狀焊縫改用凸?fàn)詈缚p,能有效避免開(kāi)裂。應(yīng)力集中往往是鋼構(gòu)件外形尺寸突變?cè)斐傻木植繎?yīng)力的變大,易形成最為危險(xiǎn)的脆性破壞。施焊過(guò)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(guò)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(zhǎng)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。
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;
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。
總結(jié)
鋼材的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)說(shuō)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(lái)很大的麻煩。
實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果表明,脆性斷裂最容易發(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。
(文章來(lái)源:科技通報(bào) 作者:劉竹 版權(quán)歸原作者所有,圖片、文章如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們)
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