寒冷地區低溫環境下鋼結構冷脆危害研究
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。
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。
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。
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;
(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;
(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。
避免鋼結構低溫冷脆現象的措施
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)。
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。
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2mm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50mm一道,溫度在零下時焊縫延長一倍。9mm(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 。
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2h(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/mm2 。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60mm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100mm);在焊件受熱面相反的一面量測預熱溫度, 量測點應不小于75mm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25mm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。
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;
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。
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。
(文章來源:科技通報 作者:劉竹 版權歸原作者所有,圖片、文章如有侵權,請聯系我們)
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