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    钢结构的脆性断裂概念及原因分析

    5.1脆性断裂概念
    钢结构是由钢材组成的承重结构,虽然钢材是一种弹塑性材料,尤其是低碳钢表现出良好的塑性,但在一定的条件下,由于各种因素的复合影响,钢结构也会发生脆性断裂,而且往往在拉应力状态下发生。脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力(低于钢材屈服强度或抗拉强度)情况下发生的突然断裂破坏。钢结构的脆性断裂通常具有以下特征:
    (1)破坏时的应力常小于钢材的屈服强度人,有时仅为f,.的0.2倍。
    (2)破坏之前没有显著变形,吸收能量很小,破坏突然发生,无事故先兆。
    (3)断口平齐光亮。
    脆性破坏是衡阳钢结构极限状态中最危险的破坏形式。由于脆性断裂的突发性,往往会导致灾难性后果。因此,作为钢结构专业技术人员,应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范。
    5.2脆性断裂的原因分析
    虽然钢结构的塑性很好,但仍然会发生脆性断裂,这是由于各种不利因素的综合影响或作用的结果,主要原因可归纳为以下几方面:
    I.材质缺陷
    当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时,将会严重降低其塑性和韧性,脆性则相应增大。通常,碳导致可焊性差;硫、氧导致“热脆”;磷、氮导致“冷脆”;氢导致“氢脆”。另外,钢材的冶金缺陷,如偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。
    2.应力集中
    钢结构由于孔洞、缺C7、截面突变等缺陷不可避免,在荷载作用下,这些部位将产生局部高峰应力,而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。我们通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数,以表明应力集中的严重程度。
    当钢材在某一局部出现应力集中,则出现了同号的二维或三维应力场,使材料不易进入塑性状态,从而导致脆性破坏。应力集中越严重,钢材的塑性降低愈多,同时脆性断裂的危险性也愈大。钢结构或构件的应力集中主要与其构造细节有关:
    (1)在钢构件的设计和制作中,孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。
    (2)焊接作为钢结构的主要连接方法,虽然有众多的优点,但不利的是,焊缝缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源。据资料统计,焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构。主要有以下原因:①焊缝或多或少存在一些缺陷,如裂纹、夹渣、气孔、咬肉等这些缺陷将成为断裂源;②焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力,前者与其他因素组合作用可能导致开裂;③焊接结构的连接往往刚性较大,当出现多焊缝汇交时,材料塑性变形很难发展,脆性增大;④焊接使结构形成连续的整体,一旦裂缝开展,就可能一裂到底,不像铆接或螺栓连接,裂缝一遇螺孔,裂缝就会终止。
    3.使用环境
    当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时,钢结构脆性破坏的可能性增大。
    众所周知,温度对钢材的性能有显著影响。在0℃以上,当温度升高时,钢材的强度及弹性模量E均有变化,一般是强度降低,塑性增大。温度在200℃以内时,钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右时钢材的抗拉强度反弹,寿有较大提高,而塑性和冲击韧性下降,出现所谓的“蓝脆现象”,此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600 9C , f,.及E均接近于零,我们认为钢结构儿乎完全丧失承载力。
    当温度在0℃以下,随温度降低,钢材强度略有提高,而塑性和韧性降低,脆性增大。尤其是当温度下降到某一温度区间时,钢材的冲击韧性值急剧下降,出现低温脆断。通常又把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆”现象,产生的裂纹称为“冷裂纹”。因此,在低温下工作的钢结构,特别是受动力荷载作用的钢结构,钢材应具有负温冲击韧性的合格保证,以提高抗低温脆断的能力。
    4.钢板厚度
    随着钢结构向大型化发展,尤其是高层钢结构的兴起,构件钢板的厚度大有增加的趋势。钢板厚度对脆性断裂有较大影响,通常钢板越厚,脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”问题应引起高度重视。
    综上所述,材质缺陷、应力集中、使用环境以及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。其中应力集中的影响尤为重要。在此值得一提的是,应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力,在设计时通常不考虑其影响。但在动载作用下,严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。


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