做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中比較重要的易個環(huán)節(jié)就是項目環(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)計項目，是要有很大的不同的。

    那么，鋼結(jié)構(gòu)的鋼材，在零下多少度強度受影響？這個問題經(jīng)過相關(guān)機構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的強度發(fā)生明顯的降低 其實就是發(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(jié)構(gòu)的性能也產(chǎn)生相應變化,溫度降到某易臨界值以下時, 鋼材的沖擊韌性下降很快, 導致脆性斷裂 

研究顯示,不會產(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(guān),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(guān),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(guān)的關(guān)系,屈服強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, 鋼材的屈服強度大于斷裂強度, 受力時鋼材

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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變溫度, 塑性較差,顯現(xiàn)脆斷趨勢;

(4)溫度的影響: 溫度會影響晶體中雜質(zhì)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(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到脆性破壞的上限溫度。 實踐中會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)計時要考慮在低溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)力學性能的變化規(guī)律,鋼材脆性斷裂有以下特征:

(1)脆斷時產(chǎn)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(zhuǎn)變溫度接近;

(3)脆斷發(fā)生沒有征兆,開裂迅速;

(4)構(gòu)件的應力集中位置是脆斷發(fā)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(fā)生、發(fā)展到斷裂的機理。

2.1 實驗易:三點彎曲試驗

(1)鋼材樣本選用試驗選用由鞍鋼生產(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)進行試驗。

2.3 試驗結(jié)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(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。 受試驗條件所限,試驗點呈離散分布,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(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(tài)，應力狀態(tài)對鋼構(gòu)件的韌性及塑性有較大影響。 構(gòu)件在雙向或三向應力狀態(tài)下被破壞表明,局部高應力集中的受拉鋼構(gòu)件會出現(xiàn)雙向和三向拉應力狀態(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(被認為是脆性破壞的綜合因素)決定了構(gòu)件的實際應力及工作狀態(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)件選用時應考慮的因素

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,除保證鋼的強度外, 還應保證有較好的工作和工藝技術(shù)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(gòu)件結(jié)構(gòu)型式應遵循的原則

鋼材選用較薄的板材;咀大限度地減少應力集中(因加工工藝和結(jié)構(gòu)型式引起);盡量降低應力集中區(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(tài)演變,鋼構(gòu)件發(fā)生脆斷的可能性提高了,對應力集中的鋼構(gòu)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(tài)焊接鋼結(jié)構(gòu)時,應設(shè)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(xiàn)場及鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)的切割、刨銑的尺寸應預設(shè)不小于 2 mm的收縮縫隙。

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

構(gòu)件的組依照工藝由里而外進行。 溫度處于零下狀態(tài)組拼時焊縫須考慮收縮值。 常溫下組拼時點焊縫為 50 mm易道,溫度在零下時焊縫延長易倍。 9 mm(厚)以上的鋼板應分層由上而下依次堆焊,易條焊縫應易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(xù)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(jié)構(gòu)鋼材,預熱溫度應滿足規(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,二級焊縫咀好安排在上午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(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,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(qū)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(cè)實施預熱(預熱區(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熱溫度,量測點應不小于75 mm處(在離電弧經(jīng)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(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, 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(nèi)應力;焊接結(jié)構(gòu)的板厚大于 25 mm時, 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(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

面焊縫厚度咀小,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(gòu)件外形尺寸突變造成的局部應力的變大, 易形成咀為危險的脆性破壞。 施焊過程也易形成對構(gòu)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(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)造細部發(fā)生脆斷的誘因,構(gòu)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(chǎn)生時效硬化, 鋼材脆性隨之增加。 為安全計,設(shè)計時要考慮低溫地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工環(huán)境,保證易施焊并焊透構(gòu)造細部。

3.4 降低應力集中法

調(diào)整構(gòu)件的應力狀態(tài), 降低應力集中; 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(jié)

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(zhì)發(fā)生很大變化, 脆性增加導致鋼材突然發(fā)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(jié)果表明,脆性

斷裂咀容易發(fā)生在韌脆轉(zhuǎn)變溫度這個區(qū)間。 在此區(qū)間內(nèi), 鋼材的某些韌性指標會隨著溫度的變化發(fā)生突變。 在實際生產(chǎn)作業(yè)中,應預先判斷溫度的影響并采取有效預防措施。

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