钢结构脆断原因分析

林 浩

河南大象建设监理咨询有限公司（450000）

近年来,钢结构得到广泛应用，许多国家发生过钢结构的脆性断裂事故。钢结构的脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生,并瞬时扩展到结构整体，所以具有突发性不易预防等特点，其后果往往是十分严重的，甚至是灾难性的，所以它应引起钢结构设计人员的高度重视。

研究表明，造成钢结构脆断的原因主要是材料选用不当,设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等等。由此可见研究金属材料的性质和钢结构的特点,对防止脆断来说是非常必要的。

1 金属材料断裂的形态特征

金属材料的断裂有不同的性质。根据断口的形态特征可分为延性断裂和脆性断裂。延性断裂的断口一般呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，断口附近有宏观的塑性变形。脆性断裂的断口平整，一般与主应力垂直，没有可以观察到的塑性变形，断口有金属光泽。

实际上金属材料的断裂由于受力状态、材质和介质特点都比较复杂，常常不是单一的机制，而是具有多种机制的混合断裂，即两种或两种以上断裂机制相继发生的结果。

2 影响金属脆断的主要因素

同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏形式。研究表明，最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。例如温度越低、加载速度越大，材料中三向应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。反之,在一定温度、应力状态和加载速度下材料也可能呈延性破坏。

2.1 应力状态的影响

物体在受外载时,不同的截面上产生不同的正应力σ和剪切应力τ。在主平面上作用有最大正应力σmax，与主平面成45°的平面上作用有最大剪应力 τmax。 σmax和 τmax及其比σmax/τmax与加载方式有关，例如杆件受单轴拉伸时，σmax作用在与载荷方向垂直的截面上；τmax作用在与中心轴垂直的截面上,而σmax则作用在与中心轴成45°角的截面上，并且τmax=σmax。当剪应力达到屈服极限时，产生塑性变形，达到剪断抗力时，产生剪断。当正应力达到正断抗力时，产生正断，断口与σmax垂直。如果在σmax未达到正断抗力前，τmax先达到屈服极限,则产生塑性变形,形成塑性断裂。如果在τmax达到屈服极限前，σmax首先达到正断抗力则发生脆性断裂。因此断裂的形式与加载形式即应力状态有关。这个关系可用力学状态图来表达（图1）。图1的水平轴代表σmax也可代表最大折合应力σnmax。垂直轴代表τmax，Sor为正断抗力，tr为剪切屈服限，tk为剪断抗力。通过0点的一条直线即代表一种应力状态，其斜率则为τmax/σmax。直线1所代表的应力状态与tk相交，故产生延性断裂；直线2所代表的应力状态先与Sor相交，故产生脆性断裂。因此提高τmax/σmax值的加载方式或应力状态都有利于产生塑性变形，反之则有利于脆性断裂。例如单轴拉伸时，τmax/σmax=1/2。而三轴拉伸时,当主应力为σ1、σ2、σ3（σ1＞σ2＞σ3）且 σ3≠0 则 σmax=σ1，τmax=（σ1+σ3）/2,则 τmax/σmax=｛（σ1+σ3）/2｝/σ1=1/2 （1-σ3/σ1）＜1/2。 如按第二强度理论σmax=σnmax=σ1-μ（σ2+σ3），则 τmax/σmax=（σ1-σ3）/2/｛σ1-μ（σ2+σ3）｝可以看出都使τmax/σmax下降，脆性的危险性加大了，当σ1=σ2=σ3时，τmax/σmax=0，在图上为横轴，说明材料必然是脆断。力学状态图可以用来解释许多断裂现象。实验证明，许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，呈现塑性,当处于三轴拉伸应力下，因不易发生塑性变形，呈现脆性。

图1 力学状态图

在实际结构中三轴应力可能由三轴载荷产生，但更多的情况是由于结构几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单轴、双轴拉伸应力状态下,但其局部地区由于设计不佳，工艺不当，往往形成局部三轴应力状态的缺口效应。构件受均匀拉伸应力时,其中一个缺口根部出现高值的应力和应变集中，缺口越深、越尖，其局部应力和应变越大。

在受力过程中，缺口根部材料的伸长，必然要引起此处材料沿宽度和厚度方向的收缩。但由于缺口尖端以外的材料受到应力较小，它们将引起较小的横向收缩。由于横向收缩不均，缺口根部横向收缩受阻，结果产生横向和厚度方向的拉伸应力σx和σz。也就是说在缺口根部产生三轴拉应力。

在三轴拉伸时,最大应力就超出单轴拉伸时的屈服应力，形成很高的局部应力而材料尚不发生屈服,结果降低了材料的塑性，使该处材料变脆。

这说明了为什么脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处,而在试验中也只有引入这样的缺口才能产生脆性行为。

2.2 温度的影响

如果把一组开有相同缺口的试样在不同温度下进行试验,就会看到随着温度的降低，它们的破坏方式会发生变化，即从塑性破坏变为脆性破坏。这是因为随着温度的降低，发生解理断裂的危险性增大，材料的剪切屈服限增大，而正断抗力相对不变（图2）。对于一定的加载方式（应力状态），当温度降至某一临界值时，将出现延性到脆性断裂的转变。这个温度称之为转变温度。转变温度随最大切应力与最大正应力之比值的降低而提高。带缺口的试样的比值比光滑试样低，拉伸试样的比值比扭转试样低，因此转变温度前者比后者高。

图2 温度tT和S0T的影响

由于解理断裂通常发生在体心立方和密集六方点阵金属（如A不锈钢），可以在很低温度下工作而不发生脆性断裂。

2.3 加载速度的影响

加载速度对材料破坏的影响已由实验证实，即提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。原因是钢的剪切屈服限不仅取决于温度，而且取决于加载速率，或者说还取决于应变速率。随着应变速率的提高，tr提高而Sor基本不变（图 3）。

图3 应变速率 对tT和S0T的影响

应当指出，在同样加载速率下，当结构速率比无缺口结构高很多，从而大大降低了材料的局部塑性。这也说明了为什么结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象。当缺口根部小范围金属材料发生断裂时,则在新裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷，换句话说，一旦缺口根部开裂，就有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动载的还是静载的，此时随着裂纹加速扩展，应变速率更急剧增加，致使结构最后破坏。延性-脆性转变温度与应变速率的关系如图4所示。

图4 延性—脆性转变温度应变率的关系

2.4 材料状态的影响

除了上述的应力状态、温度、加载速度等外界条件对材料的断裂形式有很重要的影响外，材料本身状态对其延性—脆性转变也有重要影响，了解和考虑这些影响，对焊接结构选材来说是非常重要的。

2.4.1 厚度的影响

厚度对脆性破坏的不利影响，由以下两种因素来决定:

1）厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制,形成所谓的平面应变状态；而当板材比较薄时,材料在厚度方向能比较自由地收缩，故厚度方向的应力较小，接近于平面应力状态。如前所述，平面应变的三轴应力使材料变脆。

2）冶金因素，一般说来，生产薄板时压延量大，扎制温度较低，组织细密；相反，厚板扎制次数少，终扎温度比较高，组织疏松，内外层均匀性较差。

2.4.2 晶粒度影响

对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性-延性转变温度有很大影响，即晶粒越细，其转变温度越低。

2.4.3 化学成分的影响

钢中的 C、N、O、H、S、P 增加钢的脆性。 另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当则有助于减少钢的脆性。

3 预防钢结构脆性断裂的措施

造成钢结构的脆性断裂的基本因素是:材料在工作条件下韧性不足，结构上存在严重的应力集中（设计上的或工艺上的）和过大的拉应力（工作应力、残余应力和温度应力）。如果能有效地解决其中一个因素中所存在的问题,则结构发生脆断的可能性就能显著降低。

3.1 正确选用材料

选用材料的基本原则是既要保证结构的安全使用，又要考虑经济效益。一般地说，应使所选用的钢材和焊接用填充金属保证在使用温度具有合格的缺口韧性，其含义是:

1）在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合线的最脆部位应有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能。

2）随着钢材强度的提高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。特别不应该单纯追求强度指标，忽视其它性能。

3.2 采用合理的钢结构焊接设计

设计有脆断倾向的焊接钢结构,应当注意以下几个原则:1）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。

①在一些构件截面改变的地方，必须设计成平缓过渡，不要形成尖角。

②在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头。搭接接头由于应力集中系数大，应尽量避免使用。

③不同厚度的构件的对接接头应当尽可能采用圆滑过渡。

④避免和减少焊缝的缺陷,应将焊缝设计布置在便于焊接和检验的地方。

⑤避免焊缝的密集。

2）在满足结构的使用条件下，应当尽量减少结构的刚度，以期降低应力集中和附加应力的影响。

3）不采用过厚的截面，由于焊接可以连接很厚的截面，所以设计者在钢结构中常会选用比一般铆接结构厚得多的截面。但应该注意，通过降低许用应力值来减少脆断的危险性是不恰当的，因为这样做的结果将使用厚度过分增大，而增大厚度会提高钢材的转变温度，降低其断裂韧性值，反而容易引起脆断。

4）对于附件或不受力焊缝的设计，应和主要焊缝一样给予足够重视,因为脆性裂纹一旦由这些不受到重视的接头部位产生，就会扩展到主要受力的元件中，使结构破坏。对于一些次要部件亦应该仔细考虑，精心设计，不要在受力构件上随意加焊附件。

5）减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。在制定工艺过程中，应当考虑尽量减少焊接残余应力值，在必要时应考虑消除应力的热处理。

4 总结

只要在钢结构设计中充分考虑了可能会引起钢结构脆断的各种因素，设计时采用各种措施来预防，避免可能引起脆断的可能性，就能有效地防患于未然，杜绝钢结构脆断事故的发生，避免重大经济损失。