高等钢结构作业-1.docx

《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分（授课教师童乐为）学生作业1影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应1.1焊接结构出现脆性断裂破坏的原因焊接结构的脆性断裂破坏事故时有发生，其原因主要有如下：（1）焊缝经常或多或少存在一些缺陷，如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等，这些缺陷能够成为断裂的起源；（2）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆；（3）焊接后结构内部存在残余应力。虽然残余应力未必是破坏的主要因素，但和其他因素结合在一起，可能导致开裂；（4）焊接结构的连接往往有较大刚性，当出现3条相互垂直的焊缝时，材料的塑性变形就很难发展；（5）焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开裂，就有可能扩展到整体。（6）应变时效的影响使得材料韧性降低，材料变脆。（7）化学成分、内部组织、板的厚度、环境温度、应力集中、多向应力、加载速率等也是接结构出现脆性断裂破坏的原因。1.2影响焊接钢结构脆性断裂的因素影响结构脆性断裂的因素，从不同的角度出发可以有很多说法，但直接的因素不外是裂纹尺寸、作用应力的方式和大小以及材料的韧性。1.2.1裂纹根据断裂力学，对脆性断裂必须从结构内部存在着微小裂纹的情况出发进行分析，尖锐的裂纹使构件受力时处于高度的应力集中。裂纹随应力增加而扩展起初是稳定的扩展，后来达到临界状态，出现失稳扩展而断裂。根据线弹性断裂力学，当板处于平面应变条件下时，如果应力强度因子，则裂纹将迅速扩展而造成断裂。式中：σ为板所受的拉应力，如果构件内部存在残余应力，则应包括在σ中；a为裂纹尺寸，中心裂纹取宽度的一半，边缘裂纹取全宽度；a为系数，与裂纹形状、板的宽度以及应力集中等有关；K1c为断裂韧性，是材料的固有特性，代表材料抵抗断裂的能力，可由试验得到。建筑结构所用钢材属于强度不高而韧性较好的钢材，带裂纹受拉时除截面很大的情况外，屈服范围比较大，这是需用弹塑性断裂力学代替弹性断裂力学来解决低应力脆断问题。采用弹塑性断裂力学时，可用裂纹张开理论（即COD理论）。薄板受拉满足条件，构件即将开裂。公式左端代表裂纹顶端张开位移，右端则是位移得临界值。Dc和K1c一样，属于材料的固有特性，通过试验确定。结构内部总是存在不同程度和不同类型的缺陷，这些缺陷的存在通常可以看成是结构内部的微小裂纹，应此应尽可能通过控制施工工艺、改善细部设计、加强质量检验等方法减小结构内部的缺陷，也就是减小结构内部的微小裂纹。1.2.2应力分析脆性断裂时，应力应是构件的实际应力，即应把应力集中和残余应力等因素考虑进去。如果构件中有较为严重的应力集中和较大的残余拉应力，则容易引起构件的脆性断裂。构件中的应力集中和残余应力则与构件的构造细节和焊缝位置、施焊工艺等有关。几何形状和尺寸的突然变化造成的应力集中，使局部应力增高，不仅如此，在出现应力高峰的同时还出现双轴同号应力状态，甚至三轴同号应力状态，后者对脆性破坏最为危险。施焊过程造成构件内在残余应力，其中收缩受到约束的构件中存在的反作用拉应力最为不利，在设计时应避免焊缝过于集中、构件截面的突然变化以及在施焊时会产生严重约束应力的构造等。1.2.3材料的韧性为了防止断裂，结构的材料应根据其所处条件具备一定的韧性。衡量韧性的准则，目前大多采用冲击韧性试验，影响材料韧性的因素除了化学成分、冶炼方法、轧制工艺、焊接工艺等之外，钢板厚度、应力状态、工作温度和加荷速率等有明显影响。2应变时效的要义2.1定义钢的应变时效定义为在塑性变形时或变形后，固溶状态的间隙溶质（C、N）与位错交互作用，钉扎位错阻止变形，导致强度提高，韧性下降的力学冶金现象。由于可以导致钢材塑性急剧下降，脆性增加，所以常常需要防止其发生。最常见的是变形后的时效，叫做静态应变时效；而变形和时效同时发生的过程，则叫做动态应变时效。现在一般认为：应变时效主要是由于金属固溶体中的间隙溶质原子（如钢中的C、N）向位错偏聚并使之钉扎而造成的。由于在应变时效时并无第二相的析出，也不会有C、N化合物的聚集长大，所以随着时效时间的延长，强化效应不会消失，这是应变时效与淬火时效的本质区别。2.2影响因素应变时效与钢材成分、冶炼方法、塑性应变量的大小及温度条件等因素有关。钢材的含碳量愈低，愈容易发生应变时效。合金元素对钢材的应变时效也有一定的影响，加入适量的镍能显著降低应变时效倾向。钢中加一定量的V，可抑制应变时效效应。当钢中Si、Mn大量溶于固溶体中时，两者都有阻碍应变时效的作用。溶解于铁素体的Mn从0。04%增至0。28%，使自然时效后屈服强度的增高（△Y）递降。因存在于铁素体中的Mn对C和N的亲和力大于Fe，而对C和N有亲和力的元素，都可能降低应变时效。应变时效激活能的测试表明，纯Fe的应变时效激活能为18kcal/mol，含1。2%Mn钢中为26kcal/mol。可见