鋼結構脆斷原因分析

林 浩

河南大象建設監理咨詢有限公司（450000）

近年來,鋼結構得到廣泛應用，許多國家發生過鋼結構的脆性斷裂事故。鋼結構的脆斷一般都在應力不高于結構的設計應力和沒有顯著的塑性變形的情況下發生,并瞬時擴展到結構整體，所以具有突發性不易預防等特點，其后果往往是十分嚴重的，甚至是災難性的，所以它應引起鋼結構設計人員的高度重視。

研究表明，造成鋼結構脆斷的原因主要是材料選用不當,設計不合理和制造工藝及檢驗技術不完善等等。由此可見研究金屬材料的性質和鋼結構的特點,對防止脆斷來說是非常必要的。

1 金屬材料斷裂的形態特征

金屬材料的斷裂有不同的性質。根據斷口的形態特征可分為延性斷裂和脆性斷裂。延性斷裂的斷口一般呈纖維狀，色澤灰暗，邊緣有剪切唇，斷口附近有宏觀的塑性變形。脆性斷裂的斷口平整，一般與主應力垂直，沒有可以觀察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。

實際上金屬材料的斷裂由于受力狀態、材質和介質特點都比較復雜，常常不是單一的機制，而是具有多種機制的混合斷裂，即兩種或兩種以上斷裂機制相繼發生的結果。

2 影響金屬脆斷的主要因素

同一種材料在不同條件下可以顯示出不同的破壞形式。研究表明，最重要的影響因素是溫度、應力狀態和加載速度。例如溫度越低、加載速度越大，材料中三向應力狀態越嚴重，則發生解理斷裂的傾向性越大。反之,在一定溫度、應力狀態和加載速度下材料也可能呈延性破壞。

2.1 應力狀態的影響

物體在受外載時,不同的截面上產生不同的正應力σ和剪切應力τ。在主平面上作用有最大正應力σmax，與主平面成45°的平面上作用有最大剪應力 τmax。 σmax和 τmax及其比σmax/τmax與加載方式有關，例如桿件受單軸拉伸時，σmax作用在與載荷方向垂直的截面上；τmax作用在與中心軸垂直的截面上,而σmax則作用在與中心軸成45°角的截面上，并且τmax=σmax。當剪應力達到屈服極限時，產生塑性變形，達到剪斷抗力時，產生剪斷。當正應力達到正斷抗力時，產生正斷，斷口與σmax垂直。如果在σmax未達到正斷抗力前，τmax先達到屈服極限,則產生塑性變形,形成塑性斷裂。如果在τmax達到屈服極限前，σmax首先達到正斷抗力則發生脆性斷裂。因此斷裂的形式與加載形式即應力狀態有關。這個關系可用力學狀態圖來表達（圖1）。圖1的水平軸代表σmax也可代表最大折合應力σnmax。垂直軸代表τmax，Sor為正斷抗力，tr為剪切屈服限，tk為剪斷抗力。通過0點的一條直線即代表一種應力狀態，其斜率則為τmax/σmax。直線1所代表的應力狀態與tk相交，故產生延性斷裂；直線2所代表的應力狀態先與Sor相交，故產生脆性斷裂。因此提高τmax/σmax值的加載方式或應力狀態都有利于產生塑性變形，反之則有利于脆性斷裂。例如單軸拉伸時，τmax/σmax=1/2。而三軸拉伸時,當主應力為σ1、σ2、σ3（σ1＞σ2＞σ3）且 σ3≠0 則 σmax=σ1，τmax=（σ1+σ3）/2,則 τmax/σmax=｛（σ1+σ3）/2｝/σ1=1/2 （1-σ3/σ1）＜1/2。 如按第二強度理論σmax=σnmax=σ1-μ（σ2+σ3），則 τmax/σmax=（σ1-σ3）/2/｛σ1-μ（σ2+σ3）｝可以看出都使τmax/σmax下降，脆性的危險性加大了，當σ1=σ2=σ3時，τmax/σmax=0，在圖上為橫軸，說明材料必然是脆斷。力學狀態圖可以用來解釋許多斷裂現象。實驗證明，許多材料處于單軸或雙軸拉伸應力下，呈現塑性,當處于三軸拉伸應力下，因不易發生塑性變形，呈現脆性。

圖1 力學狀態圖

在實際結構中三軸應力可能由三軸載荷產生，但更多的情況是由于結構幾何不連續性引起的。雖然整個結構處于單軸、雙軸拉伸應力狀態下,但其局部地區由于設計不佳，工藝不當，往往形成局部三軸應力狀態的缺口效應。構件受均勻拉伸應力時,其中一個缺口根部出現高值的應力和應變集中，缺口越深、越尖，其局部應力和應變越大。

在受力過程中，缺口根部材料的伸長，必然要引起此處材料沿寬度和厚度方向的收縮。但由于缺口尖端以外的材料受到應力較小，它們將引起較小的橫向收縮。由于橫向收縮不均，缺口根部橫向收縮受阻，結果產生橫向和厚度方向的拉伸應力σx和σz。也就是說在缺口根部產生三軸拉應力。

在三軸拉伸時,最大應力就超出單軸拉伸時的屈服應力，形成很高的局部應力而材料尚不發生屈服,結果降低了材料的塑性，使該處材料變脆。

這說明了為什么脆斷事故一般都起源于具有嚴重應力集中效應的缺口處,而在試驗中也只有引入這樣的缺口才能產生脆性行為。

2.2 溫度的影響

如果把一組開有相同缺口的試樣在不同溫度下進行試驗,就會看到隨著溫度的降低，它們的破壞方式會發生變化，即從塑性破壞變為脆性破壞。這是因為隨著溫度的降低，發生解理斷裂的危險性增大，材料的剪切屈服限增大，而正斷抗力相對不變（圖2）。對于一定的加載方式（應力狀態），當溫度降至某一臨界值時，將出現延性到脆性斷裂的轉變。這個溫度稱之為轉變溫度。轉變溫度隨最大切應力與最大正應力之比值的降低而提高。帶缺口的試樣的比值比光滑試樣低，拉伸試樣的比值比扭轉試樣低，因此轉變溫度前者比后者高。

圖2 溫度tT和S0T的影響

由于解理斷裂通常發生在體心立方和密集六方點陣金屬（如A不銹鋼），可以在很低溫度下工作而不發生脆性斷裂。

2.3 加載速度的影響

加載速度對材料破壞的影響已由實驗證實，即提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當于降低溫度。原因是鋼的剪切屈服限不僅取決于溫度，而且取決于加載速率，或者說還取決于應變速率。隨著應變速率的提高，tr提高而Sor基本不變（圖 3）。

圖3 應變速率 對tT和S0T的影響

應當指出，在同樣加載速率下，當結構速率比無缺口結構高很多，從而大大降低了材料的局部塑性。這也說明了為什么結構鋼一旦開始脆性斷裂，就很容易產生擴展現象。當缺口根部小范圍金屬材料發生斷裂時,則在新裂紋前端的材料立即突然受到高應力和高應變載荷，換句話說，一旦缺口根部開裂，就有高的應變速率，而不管其原始加載條件是動載的還是靜載的，此時隨著裂紋加速擴展，應變速率更急劇增加，致使結構最后破壞。延性-脆性轉變溫度與應變速率的關系如圖4所示。

圖4 延性—脆性轉變溫度應變率的關系

2.4 材料狀態的影響

除了上述的應力狀態、溫度、加載速度等外界條件對材料的斷裂形式有很重要的影響外，材料本身狀態對其延性—脆性轉變也有重要影響，了解和考慮這些影響，對焊接結構選材來說是非常重要的。

2.4.1 厚度的影響

厚度對脆性破壞的不利影響，由以下兩種因素來決定:

1）厚板在缺口處容易形成三軸拉應力，因為沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制,形成所謂的平面應變狀態；而當板材比較薄時,材料在厚度方向能比較自由地收縮，故厚度方向的應力較小，接近于平面應力狀態。如前所述，平面應變的三軸應力使材料變脆。

2）冶金因素，一般說來，生產薄板時壓延量大，扎制溫度較低，組織細密；相反，厚板扎制次數少，終扎溫度比較高，組織疏松，內外層均勻性較差。

2.4.2 晶粒度影響

對于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度對鋼的脆性-延性轉變溫度有很大影響，即晶粒越細，其轉變溫度越低。

2.4.3 化學成分的影響

鋼中的 C、N、O、H、S、P 增加鋼的脆性。 另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量適當則有助于減少鋼的脆性。

3 預防鋼結構脆性斷裂的措施

造成鋼結構的脆性斷裂的基本因素是:材料在工作條件下韌性不足，結構上存在嚴重的應力集中（設計上的或工藝上的）和過大的拉應力（工作應力、殘余應力和溫度應力）。如果能有效地解決其中一個因素中所存在的問題,則結構發生脆斷的可能性就能顯著降低。

3.1 正確選用材料

選用材料的基本原則是既要保證結構的安全使用，又要考慮經濟效益。一般地說，應使所選用的鋼材和焊接用填充金屬保證在使用溫度具有合格的缺口韌性，其含義是:

1）在結構工作條件下，焊縫、熱影響區、熔合線的最脆部位應有足夠的抗開裂性能，母材應具有一定的止裂性能。

2）隨著鋼材強度的提高，斷裂韌性和工藝性一般都有所下降。因此，不宜采用比實際需要強度更高的材料。特別不應該單純追求強度指標，忽視其它性能。

3.2 采用合理的鋼結構焊接設計

設計有脆斷傾向的焊接鋼結構,應當注意以下幾個原則:1）盡量減少結構或焊接接頭部位的應力集中。

①在一些構件截面改變的地方，必須設計成平緩過渡，不要形成尖角。

②在設計中應盡量采用應力集中系數小的對接接頭。搭接接頭由于應力集中系數大，應盡量避免使用。

③不同厚度的構件的對接接頭應當盡可能采用圓滑過渡。

④避免和減少焊縫的缺陷,應將焊縫設計布置在便于焊接和檢驗的地方。

⑤避免焊縫的密集。

2）在滿足結構的使用條件下，應當盡量減少結構的剛度，以期降低應力集中和附加應力的影響。

3）不采用過厚的截面，由于焊接可以連接很厚的截面，所以設計者在鋼結構中常會選用比一般鉚接結構厚得多的截面。但應該注意，通過降低許用應力值來減少脆斷的危險性是不恰當的，因為這樣做的結果將使用厚度過分增大，而增大厚度會提高鋼材的轉變溫度，降低其斷裂韌性值，反而容易引起脆斷。

4）對于附件或不受力焊縫的設計，應和主要焊縫一樣給予足夠重視,因為脆性裂紋一旦由這些不受到重視的接頭部位產生，就會擴展到主要受力的元件中，使結構破壞。對于一些次要部件亦應該仔細考慮，精心設計，不要在受力構件上隨意加焊附件。

5）減少和消除焊接殘余拉伸應力的不利影響。在制定工藝過程中，應當考慮盡量減少焊接殘余應力值，在必要時應考慮消除應力的熱處理。

4 總結

只要在鋼結構設計中充分考慮了可能會引起鋼結構脆斷的各種因素，設計時采用各種措施來預防，避免可能引起脆斷的可能性，就能有效地防患于未然，杜絕鋼結構脆斷事故的發生，避免重大經濟損失。