对于结构钢的低温冷脆及断裂机理概述

导读:晶粒细化有助于提高材料抗低温脆断的能力。脆性断裂机理,结构钢的低温冷脆及断裂机理概述。 关键词:冷脆转变,脆性断裂机理,低温脆断 1.前言 钢的低温脆性断裂是钢结构最危险的破坏形式之一,原因是断裂瞬间发生,断裂时无明显的塑性变形,而且构件破坏时其承载能力很低。实际工程中钢结

构,如压力容器、船舶、桥梁等,由于低温脆性造成的脆断事故时有发生,造成巨大损失[1]。

2.低温冷脆特点及其影响因素

当温度降低到某一程度时,金属材料的冲击吸收能量明显下降并引起脆性破坏的现象称为冷脆。

金属的低温脆断具有以下特点[2]:

(1)断裂时所承受的工作应力低。

(2)脆性断裂时,裂纹的扩展速度极快,且脆断之前无任何预兆。

(3)材料脆断温度通常接近材料的韧脆转变温度。,脆性断裂机理。

(4)脆断常起源于构件自身存在缺陷处。

(5)脆性断裂的宏观断口平齐,断面收缩率小,外观上无明显的宏观变形特征。

影响金属冷脆的主要因素有以下几个方面。

(1)晶粒度 当晶粒尺寸大于冷机晶粒尺寸时,结构会产生脆性断裂。因此,晶粒细化有助于提高材料抗低温脆断的能力。

(2)晶粒结构 体心立方晶格金属及其合金或某些密排六方晶格金属及其合金,特别是工程上常用的中、低强度结构钢有明显的冷脆现象,而面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。,脆性断裂机理。

(3)形变速率 提高形变速率使材料脆性增大韧脆转变温度升高。一般中、低强度钢的韧脆转变温度对形变速率比较敏感,而高强度钢、超高强度钢则较小。

(4)板厚 板厚的增加,脆性转变温度提高[3]。

(5)钢的化学成分及组织当C<0.25%热轧碳钢冲击脆性转变温度TC的经验方程[4]:

(1)

式中Nf为固溶的自由氮量(%);P为珠光体的百分比;Si为硅的重量百分比;d为晶粒尺寸(mm)。

3.低温脆性断裂的过程及机理

钢具有强度高、塑性和韧性好等特点,这些特点保证了钢结构具有较好的工作可靠性。但是在低温的条件下,钢的塑性和韧性降低,提高了钢结构发生脆断的可能性。,脆性断裂机理。

3.1低温脆性断裂的过程

钢的脆性断裂过程大致分为三个阶段[5]:

(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;

(3)裂纹向整个构件界面的横向发展。

3.2材料脆性断裂理论

自二十世纪20年代开始,世界上很多学者致力于脆性破坏领域的研究,形成了很多理论流派。,脆性断裂机理。

(1)经典力学理论 该理论是建立在塑性剪切和脆性断裂的基础上,能解释几乎所有与脆性断裂现象有关的影响因素;主要通过试验研究金属等多晶体材料在不同应变状态下的破坏。

(2)脆性断裂的位错理论 晶体原无裂纹,在应力作用下,材料发生解理断裂的理论,即位错理论。位错理论解释了脆性裂纹的成核和长大问题。

(3)能量理论 该理论从能量储存和释放的观点来解释脆性破坏。不考虑裂纹的产生,而是在构件含有裂纹的前提下研究其发展,并认为裂纹的发展是由储存在其周围的势能促成的。虽然在金属结构设计中不容许裂纹的存在,但是能量理论及其最活跃的分支——线性破坏力学,能成功地解决脆性破坏的有关问题,并在工程中应用。

4. 低温脆性断裂的实验手段极其评定指标

世界各国对结构材料的低温脆性问题长期以来做了大量的研究工作,提出了不少低温脆性评定指标和试验方法。

4.1低温拉伸试验

低温拉伸试验需要一个低温环境,且在低温下材料的性能发生变化.因此,与常温拉伸试验相比,除需要设计低温箱外,其它仪器、设备及参数也需要重新设计选择[6]。

由于断面收缩率和延伸率对试样温度不敏感,国内外学术界普遍认为光滑试样低温拉伸的延性指标不能用于反映低温韧性 [7]。

4.2低温冲击实验

冲击实验的实验方法有很多,在低温时常使用夏比缺口冲击(Charpy notch impact)试验,特别是系列温度冲击实验来评定材料的低温脆性。

4.3韧脆转变温度

确定材料韧脆转变温度的标准较多,常用的有能量准则法、断口形貌准则法、侧膨胀值法等。,脆性断裂机理。

(1) 能量准则法(ETT)

以某一 固定能量来确定韧脆转变温度,在冲击吸收能量一温度曲线上平台与下平台区间规定百分数(n)所对应的温度,用ETTn表示。一般取最大冲击值的一半所对应的温度,或取最大冲击功与最小冲击功的平均值所对应的冲击温度为韧脆冷脆转变温度,即ETT50。 (2) 断口形貌准则法(FATT) 一组在不同温度下的冲击试样冲断后,对断口进行评定,

在脆性断面(放射区)率一温度曲线中规定脆性断面率(n)所对应的温度,称为断口面积转化温度,用FATTn表示。一般以冲击试样断口上出现50%纤维状断口时的温度FATT50作为冷脆转变温度。此种方法的误差较大,FATT主要反映冲击断裂时裂纹扩展过程中的断口形貌在韧脆程度上的差别。缺口试样冲击值包括裂纹萌生功、裂纹扩展功;冲击值对缺口尖锐度敏感,而FATT对缺口尖锐度并不敏感[9]。FATT不能对裂纹扩展抗力以定量的评价,不同材料,当FATT温度相同时,裂纹扩展功可能相差很大。

(3)侧膨胀值法(LETT)在冲击吸收能量一温度曲线上平台与下平台区间某规定侧膨胀值所对应的温度,用LE>，！

4.4 评定钢材止裂韧性

日本焊接工程协会提出用Charpy-V实验来评定钢材止裂韧性问题。依据弹性断裂力学而采用的断裂力学实验;用于评定材料断裂韧性的指标有JIC、COD、KIc。J积分试验法测得的材料的延性断裂韧度,裂纹张开位移(COD)实验测得的δC,可以用于材料韧性的相对评价。

平面应变条件的断裂韧性指标KIc,可以直接用于设计计算。如果金属材料中存在一定形状、尺寸的缺陷,在外加应力作用下其应力场强度因子KI低于材料的KIc值,则是安全的。金属板材表面裂纹断裂韧度KIe值,则反映了金属板材在线弹性平面应变状态下阻止表面裂纹启裂的能力。

参考文献:

[1](苏)柯舍列夫着;吴孝隆译,工业金属材料低温机械性能手册

[2]涂铭旌低温脆断规律及机理

[3]王晓丽浅谈焊接因素对低合金结构钢冷脆性的影响

[4]日本钢铁协会,日本金属学会《钢の强韧化》

[5]王元清钢结构在低温下脆性破坏的研究

[6]张德勇、李光明DL-1低温拉伸试验装置的设计

[7]戒忠良、朱栋梁:低温脆性指标评定,1979.3

[8]金属力学及工艺性能试验方法国家标准汇编

[9]鄢文彬、涂铭旌,西安交通 大学学报,1984.No.6.41-49