高钢第一次作业

《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分学生作业2014年11月9日1、焊接钢结构的缺点及其原因焊缝连接的缺点为：1)钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆。2)焊接残余应力使结构发生脆性破坏的可能性增大，并降低压杆稳定承载力，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工。3)焊接结构具有连续性，局部裂缝一经产生便很容易扩展到整体。其原因为：1)由于焊接时，高温作用在焊缝附近形成热影响区。2)焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。3)焊接工艺过程的影响。焊接过程易产生气孔、裂纹、夹渣等各类缺陷。另外，焊接钢结构易开裂、止裂性能差，而铆接、栓接结构中裂纹扩展到孔洞边缘处会终止，而且高强度钢材对缺陷敏感。2、影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应2.1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。2.2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。2.2.1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1=aICKK则裂纹将迅速扩展而造成断裂。式中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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；为系数，与裂纹形状、板的宽度以及应力集中有关；ICK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。2.2.2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。2.2.3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。3、可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能？应力集中、焊接接头焊趾处的焊接缺陷以及焊接残余应力的组合作用，造成了焊接钢结构疲劳幅度大幅度地低于母材的疲劳强度。所以焊接钢结构的疲劳强度多取决于接头的疲劳性能，改善焊接钢结构接头的疲劳性能应在结构设计和施工阶段予以考虑。在结构设计过程中，任何降低应力集中的构造处理措施都有助于改善焊接钢结构的疲劳性能。1)焊接构件传力路线走直线，尽量避免力线在传递过程中发生强烈的弯折，从而影响焊接结构的疲劳性能，如避免采用直角板，采用圆弧板代替；2)注意接头形式的选择，应尽量选择应力集中系数小的接头形式：如对接接头，T型接头，避免多根杆件连接在一块节点板上的形式；3)焊缝布局应尽量远离高应力区，使缺口效应尽量分散，跨中，支座处尽量避免焊接；4)合理选材，随着钢材强度提高，其断裂韧性和可焊性都有不同程度下降，选材时不宜选用比实际所需强度更高的材料，特别不应单纯追求强度指标，而忽视了其他性能；5)对特别危险部位采用螺栓接头。在施工过程中，不良的施焊会导致焊趾部位存在有大量不同类型的缺陷，这些不同类型的缺陷导致疲劳裂纹早期开裂和使母材的疲劳强度急剧下降（下降到80%）。焊接缺陷大体上可分作两类：面状缺陷(如裂纹、未熔合等)和体积型缺陷（气孔、夹渣等），它们的影响程度是不问的，同时焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。因此，使用较大电流焊接，合理设计坡口，保持坡口清洁等方法来避免未焊透和未熔合等缺陷，严格控制焊缝形状，焊缝应与母材平滑过渡。除了上述注意以外，国内外一些专家学者也提出了不少适用的方法，常用的有：①打磨法。打磨法主要是用砂轮来打磨焊接接头来减小焊趾部位的应力集中程度。但是用砂轮打磨焊接结构的焊趾时，很可能会在焊趾部位留下较深的划痕。这些划痕虽然不会很深，但非常尖锐，很可能会在很大程度上影响焊接接头的疲劳强度。尤其是与应力方向垂直的划痕对疲劳强度的影响更为严重。实际的焊接结构往往比较复杂，而且存在焊缝交叉，这就给整个焊接接头的打磨增加了相当大的难度，而且在实际应用过程中还会要求打磨的效率。②TIG熔修法。TIG即非熔化极气体保护焊，是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电弧和熔池可见性好，操作方便，没有熔渣或很少熔渣，无需焊后清渣。TIG焊接所得到的焊接接头通常外形良好，在焊趾上没有熔渣楔块，疲劳强度较高。于是人们利用这一现象对已经焊接好的焊缝再进行TIG熔修，来消除熔渣楔块，使焊缝部位能够平滑地过渡，减小应力集中，从而提高焊接钢结构焊缝处的疲劳强度。③锤击法。锤击法属于一种冷加工的方法。这种方法是用顶端装有半球的气锤敲打焊趾区域来改善焊接结构的疲劳性能。其作用是在焊趾表面形成压缩应力，并且可以改善缺口的敏锐度，因而可以降低由于焊接造成的应力集中程度，并大大提高焊接结构的疲劳强度。这种方法成本低、效果好，加工方便，所以是当前使用比较多的方法，但这种方法人力劳动强度较大，效果不够稳定，而且伴随敲击会产生很大的噪声。4、应变时效的要义4.1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。4.2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。可见随着Mn含量增加，应变时效激活能升高。沸腾钢的时效现象最严重，不宜用作冷塑性成形和焊接施工的重要结构与设备，如锅炉、容器、船舶、桥梁等。冷加工塑性变形的应变量愈大，应变时效愈显著。一般来说，当塑性变形后的残余应变量超过10%后，应变时效程度不再增加。出现应变时效最明显的时间与温度条件有关。在温度小于300℃时，温度愈高，出现应变时效的时间就愈短，甚至在不到1h即出现最大的应变时效量；当温度大于300℃后，应变时效将逐渐减弱以至消失。4.3应变时效敏感性系数显而易见，钢材只有在发生了塑性变形之后才有可能产生时效现象。或者说钢材的塑性变形是发生应变时效的前提。钢材的应变时效敏感性与冲击韧性有密切的关系。发生应变时效的钢材，冲击韧性明显降低。因此，通常以钢材应变时效前后其冲击韧性降低的百分比来衡量钢材对应变时效的敏感程度，称为应变时效敏感性系数。GB4160-84规定钢材的应变时效敏感性用夏比冲击试验法测定，标准试样为U型缺口试样，协议条件也可采用V型缺口试样；定义应变时效冲击功ksA（U形缺口用kusA表示，V形缺口用kvsA表示）为经受规定应变和人工时效后的冲击功，单位为J或kgf·m；应变时效冲击韧性值ksa（U形缺口用kusa表示，V形缺口用kvsa表示）为应变时效冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面面积所得的商，单位为J/cm2或kgf·m/cm2；应变时效敏感性系数定义C为钢材经应变时效前后的冲击功平均值之差与未经应变时效的冲击功平均值之比，即：%100kkskAAAC式中kA为未经应变时效的冲击功的平均值；ksA为经应变时效后的冲击功的平均值。GB4160-84规定，测定应变时效敏感性的方法为：采用规定的拉伸样坯，一般均采用拉伸应变，也可采用压缩应变；一般低碳钢的残余应变量为10%，低合金钢为5%，用此种样坯制出的冲击试样均匀加热至250℃±10℃，保温1h（人工时效），然后空冷至室温，再作常温冲击试验。应变时效敏感性系数，对于焊接结构和要求冷塑性成形的钢材是一项重要的指标。碳素结构钢的应变时效敏感性系数一般要求不大于50%；低合金钢的应变时效敏感性系数一般在40%以下。4.4应变时效对失效评定图和断裂评定的影响有人对应变时效对失效评定图和断裂评定的影响作了研究得出如下结论：1)应变时效不仅使钢的屈服点和抗拉强度提高，而且还使钢的断裂韧性显著降低。应变时效后钢的屈服平台变短，弹性模量E几乎没有变化。但再经650℃*1h处理后，应变时效后的热轧态钢的强度和断裂韧性都基本上回复到原始状态的水平。2)应变时效对失效评定图（FAD）的影响不大，在实际断裂评定时，可选取钢在使用前的失效评定曲线的下包络线进行评定。但应变时效可能导致断裂韧性大大下降，对断裂评定结果的影响较大。3)应变时效后经650℃*1h处理，可以基本消除应变时效的影响。因此对于大变形的冷加工（如冷旋压封头等），应在加工后进行退火处理，以消除应变时效致使材料脆化的现象。4)从安全性考虑，在断裂评定中应尽量获取材料在役时的实际断裂韧性数据，并采用应变时效前材料的屈眼应力，以确保评定结果的安全性。5、何谓热点应力5.1热点应力的定义热点应力是指最大结构应力或结构中危险截面上危险点的应力。结构应力(或几何应力)指根据外载荷用简单(线弹性)力学公式以及类似的近似公式或有限元(划分有限元网格时只模拟结构整体尺寸，不反映局部细微尺寸变化，即不划分局部缺口或裂纹的有限元网格)计算求得的结构中的工作应力，不包括焊缝形状、裂纹、缺口等引起强烈局部应力集中，只依赖于构件接头处的宏观尺寸和载荷参量。焊接结构中热点一般在焊趾处，是疲劳裂纹的起源部位。5.2热点应力的组成热点应力由膜应力和弯曲应力两部分组成，是构件表面热点处膜应力和弯曲应力之和的最大值，不包括焊趾处局部缺口引起的非线性应力峰值。5.3热点应力的类型在焊接板或壳结构中，一般有三种类型热点:位于