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高强度螺栓脆性断裂的原因

 2015-01-20 13:37:16 浏览量:20

 

1 材质缺陷

当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时,将会严

重降低其塑性和韧性,脆性则相应增大。

钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高。随着含碳

量的增加,钢的最大恰贝冲击值显著降低。恰贝冲击值与试验温

度曲线梯度趋于缓慢,而脆性转变温度显著升高,钢中磷含量的

增加使晶界断裂应力降低,脆性转变温度升高,钢中含0.1%以上的磷就会引起晶界断裂应力降低。磷对钢脆性转变温度影响随磷含量增加,钢脆性转变温度升高,硫与磷的存在对钢的断裂韧性起有害作用。随硫、磷的含量的增加,钢的K1C值下降。硫、磷含量增加使该钢K1C降低,硫危害性更大。

钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助,随锰与碳之比值提高,碳、磷有害作用下降,钢的脆性转变温度显著降低。

硫、磷降低钢的断裂韧性的原因,主要有两点:①偏聚于原始奥氏体晶界,促使品界脆化;② 硫化学反应生成MnS在基体中形成脆性微裂纹起源核心,使微裂纹成核源增加,导致脆断容易发生。

减少钢中硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径,特别是超高强度钢。选用适宜的冶炼方法是提高钢的纯度最直接、最易实现的途径,与普通电炉炼钢法相比,采用真空冶炼能提高钢的纯度,超高强度钢一般用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔,以减少钢中杂质和偏析,以提高钢断裂韧性。各先进工业国都对硫、磷含量作了较低规定,一般都限于0.06%以下,但我国各大钢厂所产钢材偏析依然较重。质量不稳定,影响偏析的因素中(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等),主因是炼钢方法和冶炼技术,偏析大将会引起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题。

2 应力集中

当钢材在某一局部出现应力集中,则出现了同号的二维或三维应力场使材料不易进入塑性状态,从而导致脆性破坏。应力集中越严重,钢材的塑性降低愈多,同时脆性断裂的危险性也愈大。钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关:

3使用环境

当螺栓受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时,螺栓脆性破坏的可能性增大。

在0℃以上,当温度升高时,钢材的强度及弹性模量均有变化,一般是强度降低,塑性增大。温度在200℃以内时,钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右钢材的抗拉强度反弹,fy有较大提高,而塑性和冲击韧性下降出现所谓的“蓝脆现象”,此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600~C, 及E均接近于零,钢结构几乎完全丧失承载力。

当温度在0℃以下,随温度降低,钢材强度略有提高,而塑性韧性降低,脆性增大。尤其当温度下降到某一温度区间时,钢材的冲击韧性值急剧下降,出现低温脆断。通常又把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆现象”,产生的裂纹称为“冷裂纹”。

4 加载速率的影响

大量实验表明,高的加载速率会使材料出现脆断的危险增加,一般认为其影响与降低温度相当。随着变形速率的增大,材料的屈服强度将会增加,其原因是材料来不及进行塑性变形和滑移,因而位错摆脱束缚进行滑移所需的热激活时间减少,使脆性转变温度提高,所以易于产生脆断。当试件上有缺口时,应变速率的影响更为显著。脆性裂纹一经产生,裂纹尖端就会有很严重的应力集中,这一急骤增加的应力,相当于一个加载速率很高的荷载,使裂纹迅速失稳扩展,最后使整个结构发生脆性破坏。

综上,材质缺陷,应力集中,使用环境及加载速率是影响脆性断裂的主要因素,其中应力集中的影响尤为重要。在此值得一提的是,应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力,在设计时通常不考虑其影响。但在动载作用下,严重的应力集中加上材质缺陷,残余应力,冷却硬化,低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。

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