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低温对钢材及其构件性能影响研究综述 第24卷,第2期 2003年4月 中国铁道科学 CHINARAII-WAYSCIENCE Vo1.24No.2 April,2003 文章编号:1001—4632(2003)02—0089—08 低温对钢材及其构件性能影响研究综述 张玉玲,潘际炎 (1.清华大学.北京100084;2.铁道科学研究院,北京100081) 摘要:在寒冷地区建设焊接钢桥,需要解决材料和焊缝防低温脆断的标准问题.通过调研大量国内外有 关数据.定性分析了低温对钢材主要力学指标和对疲劳性能的影响.研究表明低温将使材料屈服强度和极限强 度提高.屈服强度提高速度大于极限强度;低温将降低材料韧性.至于对疲劳性能影响趋势,取决于钢材所在 结构细节.在低温环境下,焊接钢桥可以通过合理控制工艺和技术指标,达到安全使用的目的. 关键词:钢材;低温环境;机械性能;综述 中圈分类号:TG142.12文献标识码:A 1引言 钢材破坏可分为延性断裂破坏和脆性断裂破 坏.延性断裂常伴有较大变形,容易被发现而及早 采取措施予以制止.而脆性断裂前则无任何征兆, 开裂时可以2km?sI1l1的速度进行,因而破坏往往 是灾难性的.工程结构中脆性断裂事故总数虽然相 对较少,但也并非绝无仅有,由于其严重的破坏后 果而引起人们极大的注意. 分析钢结构脆性断裂的破坏实例看出,钢结构 的脆性断裂常常是在气温较低情况下发生的,称低 温冷脆现象. 这里的低温通常是指低于一15℃的温度.文献 [1]统计了我国部分地区的计算低温(取自采 暖规范,是50年中连续5天低温的平均值)和历 史上出现过的极端最低温度TZ,见表1. 显然,对钢结构脆性断裂来说,取表1中 值偏于不安全,真正脆断是与设计使用期内的极端 最低气温有关.从表1中值看出,我国东北, 华北,西北和青藏高原地区极端最低气温都比较 低,在这些地区采用焊接钢结构均应考虑低温冷脆 问题. 表1我国部分地区的计算低温和历史上 出现过的极靖最低温度f℃) 2基本理论 钢材是具有高强,匀质,良好的塑性和韧性的 理想结构材料.但在低温环境下,钢材性能将受到 影响,主要表现是韧性降低,材料变脆. 理想的无初始缺陷钢构件脆性破坏的过程从物 理概念上可分为三个阶段:①裂纹产生前的准备阶 段——主要为钢晶格内部的初始塑性变形;②裂纹 的产生——通常为钢晶格间损伤的宏观集中表现; 收稿日期:2002—09—04 作者简介:张玉玲(1957一),女,内蒙古包头市人,副研究员,硕士生导师,博士. 中国铁道科学第24卷 ③裂纹向整个构件截面的横向发展.当构件含有初 始缺陷时,脆性裂纹的产生变的十分容易.从20 世纪20年代开始,世界上有许多学者致力于脆性 破坏领域的研究,形成了许多理论流派,其中最有 代表性的有晶格错位理论,经典力学理论,能量理 论和统计理论…. 文献[3]进一步分析了韧脆转变机理,认为 体心立方材料的循环延性机制(即疲劳寿命)与温 度和应变速率密切相关.低温时,原子会发生不对 称滑移导致晶粒形状的改变,从而发生原子运动不 灵活的情况,从而影响循环性能,萌生裂纹.而在 转脆温度以上时,初始状态是对称滑移,而且主要 是横穿粒状.随着试验温度的降低,原子结构内部 出现点状缺陷,而且温度越低这些缺陷原子的运动 越不灵活[4].这是低温影响材料延性循环的另一 种说法.文献[5]认为外力作用会产生原子位错 运动,位错运动使在裂纹顶端产生塑性功耗,在低 温下易出现的相交滑移面上有位错反应,产生裂纹 不需要很大力,因此容易萌生裂纹. 关于温度的变化如何使材料的断裂韧性发生韧 脆转变,目前还没有十分明确的理论解释.但上述 的诸多研究论点使工程研究人员多少能够理解这一 现象,这有助于他们在处理工程问题时作出正确决 定,具有一定的意义. 3低温对强度与韧性的影响 文献[2]绘出了钢材的屈服强度,极限强 度以及钢构件的破坏强度,破坏截面收缩率 ,破坏截面亮纤维状含量百分比B,还有钢的断 裂强度随温度的变化曲线,见图1. 图1中T.为从塑性破坏向准脆性破坏的临界 12o℃ 7y℃ (1一脆性破坏区;2一准脆性破坏区;3一塑性破坏区) 图1钢及其构件主要力学指标 随温度变化的特征曲线 B=50%或破坏截面收缩率为其值在常温下的 10%时的温度;T为从准脆性破坏向脆性破坏的 临界转变温度,它是当构件破坏强度.厂口等于该钢 常温下的屈服强度于时的温度.于和,分别为钢 在常温下的屈服强度和极限强度. 图1表明,钢材的屈服强度厂v和极限强度.厂U 随温度的降低而升高,而且.厂v升高速度比.厂u快.说 明钢的塑性随温度的降低而降低.钢构件破坏强度 ,破坏截面收缩率和破坏截面亮纤维含量百分 比B都随温度的降低而降低.此外,理论上存在钢的 断裂强度(厂0),其值