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含裂纹钢丝悬索桥吊索断裂机理探析 　　摘要:随着桥梁技术的发展,吊索系的桥梁占据了整个桥梁总数的很大部分,而含裂纹钢丝通常占吊杆组成钢丝总数相当大的比例,因此分析研究含裂纹钢丝的悬索桥吊索断裂机理有重要的意义和价值。 　　关键词:裂纹钢丝悬索桥吊索断裂机理 　　 　　随着桥梁技术的发展,桥梁的受力越来越趋向优化,造型也更加注重与景观的和谐之美,产生了诸多的桥型。具有吊索体系的桥梁占据了整个桥梁总数的很大部分,凭借优化的受力和便捷的施工方法越来越受到设计人员、建造工程师们的青睐。吊索(拉索)是这一类桥梁的重要组成部分,桥跨结构的恒载和活载部分或全部通过吊索(拉索)传递到上部。同时,含裂纹钢丝通常占吊杆组成钢丝总数相当大的比例,因此钢丝极断裂机理探析是非常重要的。高强钢丝的宏观强度与其微观行为密切相关。高强钢丝强度很大程度上取决于其珠光体团的大小和受拉过程中产生的稳定断层组织及其层间距的大小。通过对不均匀共融体珠光体钢的断口显微分析显示,珠光体层间距的大小是微裂纹形成和扩展的基本参数。钢丝受拉将导致其珠光体结构的破坏,微小的珠光体薄片在同一方向聚集形成小于10微米的断层组织。因此,可将断层组织大小(小于10μm)或层间距(小于0.25μm)作为反映高强钢丝微观结构的特征尺寸。为了有效地应用线弹性断裂力学对钢丝断裂进行分析,通常认为微裂纹尺寸比材料微观结构特征尺寸大的多,通常在10倍以上。对悬索桥吊杆钢丝进行观察发现其最小裂纹为0.244mm(大约为微观结构特征尺寸大小的25倍)。近年来,吊杆高强钢丝的抗拉强度越来越高:过去吊杆钢丝的极限抗拉强度一直处于1470MPa至1570MPa之间,到日本明石海峡大桥的修建吊杆钢丝强度一下跃升到1770MPa。吊杆钢丝强度的提高往往伴随着延展性的降低和对氢脆断裂敏感性的增加。对吊杆钢丝的检测发现,吊杆钢丝损耗的主要形式有:应力腐蚀开裂、点腐蚀、腐蚀疲劳及氢脆断裂,这将折减钢丝的断裂强度和延展性,从而导致其服役寿命的降低。 　　一、应力腐蚀断裂 　　在特定的腐蚀环境下,即使应力远低于屈服极限,金属材料也会发生断裂,此称为应力腐蚀断裂,这是一种最严重的腐蚀现象。应力腐蚀是在应力和腐蚀共同作用下产生的。应力腐蚀可分为阳极溶解型和氢致开裂型两类。腐蚀主要基于金属溶解(阳极反应)的情况,称为狭义上的应力腐蚀断裂。另外,基于氧化反应(阴极反应)的情况,称为氧化脆裂。应力腐蚀主要发生在合金中,纯金属一般不会发生。但并不存在绝对的纯金属,有时也会因有极少的不纯物产生断裂的敏感性,因而也不容忽视其应力腐蚀。合金具有裂纹敏感性是因为合金成分中的微小偏析引起微裂纹而致,特别是晶界裂纹几乎全部是组织的晶界偏析而引起的。引起应力腐蚀的环境是因金属而异的。根据相关理论可知,组成吊杆的高强钢丝在各种水介质环境中将会产生应力腐蚀。一般地说钢丝的应力腐蚀断裂具有以下特点:1)应力腐蚀断裂与整体腐蚀是完全不同的腐蚀。在腐蚀性较弱,表面保护膜较稳定的环境中,应力腐蚀较容易发生,相反在整体腐蚀性较强的环境中应力腐蚀反而不容易发生;2)要存在应力(特别是拉应力)才能产生腐蚀裂纹。应力越大,越容易发生应力腐蚀。在实际工程中,使用一年左右发生应力腐蚀者居多;3)温度对应力腐蚀的产生有很大的影响,温度越高越容易发生应力腐蚀。 　　尽管对材料应力腐蚀的规律和机理已进行了大量的研究,但对应力腐蚀的微观机理一直存有争议。应力腐蚀裂纹是沿晶界产生还是在晶内产生,主要取决于腐蚀环境和合金的组成。有关应力腐蚀破坏的机理按照环境、应力、材料的相互作用,大致可分成两大学说:Hoar-Hines等的电化学的“结构学”认为:材料出现开裂主要是因应力加速腐蚀而引起的,腐蚀作用只不过是应力引起破坏的起因,裂纹扩展则是应力和局部脆性破坏引起的。Dix、Nielson、Edeleanu等认为应力腐蚀是由不影响断裂进程的局部腐蚀和机械脆性破坏交替产生的。 　　二、脆断裂与延展性 　　吊杆钢丝的氢脆断裂现象实质是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化现象。这种断裂发生的主要原因是钢丝材料内部存在各种缺陷,诱因是环境中的氢,因此又称为氢致延迟断裂。吊杆钢丝在服役过程中,当材料存在轻微质量缺陷时,在环境中的氢和应力的共同作用下,将可能腐蚀诱发氢致延迟断裂。氢脆断裂理论认为,当钢丝处于含有氢气的空气和通过化学分解可能生成氢原子的水溶液介质中,氢气通过钢材表面的缺陷和腐蚀坑等渗入钢材内部后,可能导致氢致延迟断裂。其形成原理是氢原子在应力梯度的作用下通过晶粒界、位错通道等扩散到裂纹尖端局部区域高度富集,当富集区域的氢浓度达到临界值后,裂纹开始形成与扩散,最终导致钢丝材料在外应力远低于断裂应力时产生氢脆断裂。 　　环境腐蚀的负面影响并不总是表现在钢丝横截面