钢结构高强螺栓脆性断裂的研究现状.pdf

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1、文章编号：1009—944l(2012)Ol-0011-03钢结构高强螺栓脆性断裂的研究现状口口宋志慧1。郑慧敏2(1．山西电力职业技术学院，山西太原030013；2．太原市建筑设计研究院，山西太原030002)摘要：介绍了当前高强螺栓的研究现状及动态，论述了钢材脆性断裂理论、研究动态以及脆性断裂的影响因素和高强螺栓的脆性断裂理论、研究方法。提出了当前尚需解决的问题。关键词：高强螺栓；脆性断裂；影响因素中图分类号：TU375文献标识码：A引言我国从1957年起开始研究高强度螺栓及其连接，并首先运用于桥梁，这

2、为我国钢结构采用高强螺栓连接奠定了基础。在此后修建成昆铁路时推广了此项技术，使高强螺栓连接技术得到了提高和发展。在材料使用方面，我国高强度螺栓制作从最初使用45号钢和40硼钢材料，逐步转变到使用具有更好的力学性能和工艺性能的20MnTiB钢。高强度螺栓的应用范围也逐渐广泛，从最初的桥梁结构扩展到各种钢结构、机械结构设备，甚至宇宙飞船、海洋钻井平台的使用。大量的各种连接形式的静力试验和疲劳试验，为高强度螺栓连接的合理设计提供了可靠的参数⋯。1钢材脆性断裂的研究现状目前，国内外对钢材脆性断裂的研究比较多，也取得

3、了很多成果，这是因为钢材广泛地应用于各种民用和工业设施中，尤其是在压力容器、航空航天、核电站等领域，钢材及其构件承受比较恶劣的低温、高压、辐射等环境，钢材及其构件的脆性断裂不仅容易发生，而且会造成严重的后果。这些研究成果可以分为几个方面：钢材的性质随着相关因素变化的关系、断裂指标的选取、断裂判据准则的研究等，有关断裂的研究成果已经编人专业规范，并不断根据最新的研究成果进行修订心。3】。国内外的一些学者对钢结构的低温脆断现象进行了研究，并在此基础上提出了钢结构脆性断裂的设计方法和控制措施。这些研究成果包括：结

4、构钢材低温性能和影响因素的研究、钢结构低温冷脆的设计方法、防止和消除钢结构低温冷脆的措施。2脆性断裂的影响因素建筑钢结构的破坏通常可分为塑性破坏和脆性破坏两种形式。其中脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一，这主要是因为它的发生往往很突然、没有明显的塑性变形，而且构件破坏时的承载能力很低。典型的脆性断裂可以表现为沿一定结晶平面的劈裂(解理断裂)和沿晶界的断裂。在承受载荷的金属材料中，当某一部位形成了裂纹核之后，它们会进一步聚集长大，当裂纹达到某一临界尺寸时，将会发生解理断裂。在一般情况下，首先在承受载

5、荷材料的缺口根部出现应力集中和应变集中，形成塑性区。当应力达到临界应力盯，时，便会产生解理裂纹的扩展，在扩展过程中将前方裂纹核连成一片，最后导致解理断裂。2．1钢结构脆性断裂的特征(1)破坏时的应力常小于钢材的屈服强度工，有时仅为工的0．2倍。(2)破坏之前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生。无事故先兆。(3)断口平齐光亮。2．2脆性断裂的原因2．2．1材质缺陷当钢材中的碳、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，而脆性则相应增大。2．2．2钢中碳、硫、磷元素含量的影响若钢中的

6、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。建材技术与应用1／2012钢中的磷含量增加，使晶界断裂应力降低，脆性转变温度升高。钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助，随着锰与碳的比值提高，碳、磷的有害作用下降，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，主要有以下两点：(1)偏聚于原始奥氏体晶界，促使晶界脆化。(2)锰与硫发生化学反应生成MnS，在基体中形成脆性微裂纹起源核心，使微裂纹成

7、核源增加，导致脆断容易发生。减少钢中的硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径，特别是对于超高强度钢。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，超高强度钢一般采用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔，以减少钢中的杂质和偏析，提高钢的断裂韧性。各先进的工业化国家均对硫、磷含量作了规定，一般限于0．06％以下，而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(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等)中，主因是炼钢方法和冶炼技术，偏析大将会引

8、起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题。2．2．3应力集中当钢材在某一局部出现应力集中，则出现了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，钢材的塑性降低越多，同时脆性断裂的危险性也越大。钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关，主要表现在：(1)在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变在所难免。(2)焊接作为钢结构的主要连接方法有很多优点，但不利因素是焊缝缺陷