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金屬材料的斷裂韌性

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:263时间:2019-12-04

  中國鋼管信息港網民提供:實際工程結構中,比如大型轉動件、高壓容器、船舶 、橋梁等,有時在工作應力遠低於屈服應力下發生了低應力的脆斷。大量失效案例分析後表明,這類破壞是與零部件本身存在裂紋及其裂紋的疲憊擴展有密切關係 。
  
  一般而言,零部件及材料本身難免存在因冶金 、加工、焊接等過程引進的加工缺陷,如微裂紋。在外加應力特別是疲憊載荷感化下 ,有的微裂紋在使用中發展成宏觀裂紋。一旦裂紋尺寸達到材料固有的臨界尺寸時,便會失穩擴展,發生低應力的脆斷。
  
  鋼材是一種不會燃燒的建築材料,它具有抗震、抗彎等特性 。在實際利用中,鋼材既可以相對增加建築物的荷載能力 ,也可以滿足建築設計美感造型的需要,還避免了混凝土等建築材料不能彎曲、拉伸的缺陷,是以鋼材受到了建築行業的青睞,單層 、多層、摩天大樓,廠房 、庫房、候車室、候機廳等采用鋼材都很普遍。但是,鋼材作為建築材料在防火方麵又存在一些難以避免的缺陷,它的機械性能 ,如屈服點、抗拉及彈性模量等均會因溫度的升高而急劇下降。
  
  鋼結構通常在450~650℃溫度中就會失往承載能力,發生很大的形變,導致鋼柱、鋼梁彎曲,結果因過大的形變而不能繼續使用,一般不加保護的鋼結構的耐火極限為15分鍾擺布。這一時間的是非還與構件吸熱的速度有關。
  
  要使鋼結構材料在實際利用中克服防火方麵的不足 ,必須進行防火處理,其目的就是將鋼結構的耐火極限進步到設計規範規定的極限範圍。防止鋼結構在火災中迅速升溫發生形變塌落,其措施是多種多樣的,關鍵是要根據不同情況采取不同方法,如采用盡熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結構,降低熱量傳遞的速度推遲鋼結構溫升、強度變弱的時間等。但無論采取何種方法,其道理是一致的 。下麵先容幾種不同鋼結構的防火保護措施。
  
  一、外包層。就是在鋼結構外表添加外包層,可以現澆成型,也可以采用噴塗法 。現澆成型的實體混凝土外包層通常用鋼絲網或鋼筋來加強 ,以限製收縮裂縫,並保證外殼的強度。噴塗法可以在施工現場對鋼結構表麵塗抹砂泵以形成保護層,砂泵可所以石灰水泥或是石膏砂漿,也可以摻進珍珠岩或石棉。同時外包層也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、輕混凝土做成預製板,采用膠粘劑 、釘子、螺栓固定在鋼結構上。
  
  二、充水(水套)。空心型鋼結構內充水是抵禦火災最有效的防護措施。這類方法能使鋼結構在火災中保持較低的溫度,水在鋼結構內循環,吸收材料本身受熱的熱量 。受熱的水經冷卻後可以進行再循環,或由管道引進涼水來取代受熱的水。
  
  三、屏蔽。鋼結構設置在耐火材料構成的牆體或頂棚內,或將構件包躲在兩片牆之間的空隙裏,隻要增加少許耐火材料或不增加即能達到防火的目的。這是一種最為經濟的防火方法。
  
  四、膨脹材料。采用鋼結構防火塗料保護構件,這類方法具有防火隔熱性能好、施工不受鋼結構幾何形體限製等優點 ,一般不需要添加輔助設施,且塗層質量輕,還有一定的美觀裝潢感化,屬於現代的先進防火技術措施。
  
  材料的拉斷是晶體材料在拉應力感化下沿與拉應力垂直的原子麵被拉開的過程。
  
  在這一斷裂過程中,外力作的功消耗在斷口上,即斷口的表麵能。
  
  設想完整的晶體材料被解理麵分開成兩半晶體,其解理麵的晶麵間距為a0, 沿拉力方向發生相對位移x, 當位移很大時,位移和感化力的關係並不是線性關係。而原子間的相互感化力最初是隨x的增大而增大,但達到一峰值σm後就逐步下降 。
  
  式中λ為正弦曲線的波長,x為原子間距, σm是原子斷開時所需的最大應力 ,即晶體的理論斷裂應力。
  
  當斷裂發生時,單位麵積上作的功可近似表示為:
  
  中國鋼管信息港網民提供:令單位麵積的表麵能用 γs表示。在拉斷過程中,應力所作的功(2-12)應即是表麵能 2γs,則有:
  
  再設曲線開始部分近似為直線,服從虎克定律,即有:
  
  式中a0為平衡狀況時的原子間距。
  
  比較(2-11)、(2-14),得:
  
  結合關係式(2-13)和(2-15),求得:
  
  把物性常數E、γs 、 a0分別代進(2-16)中, 就可求得材料的理論斷裂強度(斷裂應力) 。
  
  常規碳鋼的抗拉強度約480MPa,因此金屬材料的實際斷裂應力一般是理論斷裂應力σm的1/10~1/100,陶瓷材料和高分子材料則更低。為什麽二者會相差如此之多?
  
  實在,早在1921年,英國Griffith就發現材料的實際強度遠低於理論強度,其啟事在於材料內部存在固有的缺陷。因而,他研究了陶瓷、玻璃的脆性斷裂的機理題目。
  
  他假定有一塊單位厚度的薄板,兩端在遠處被固定並感化均勻拉伸應力σ。假如板內有一個長為2a的穿透裂紋,裂紋擴展的驅動力來自係統內部存儲的彈性能開釋, 若裂紋發生擴展,則裂紋麵積會增加,增加單位麵積所需的能量叫表麵能 γs 。
  
  KI與a 、σ 之間存在以下的關係式:
  
  其中, KI的量綱是N/m3/2 ;Y是幾何外形係數,與試樣尺寸有關 ,σθ 、 f(θ)分別是裂紋尖端四周的環向應力和角分布函數 。
  
  隨外加應力σ的增加,KI也隨之增大,當大到某一臨界值時,裂紋尖端處的應力就達到足以使材料開裂 ,導致裂紋的失穩擴展:
  
  即 KI = KIC
  
  其中, KIC為材料的斷裂韌性值,量綱為N/m3/2。
  
  KIC 值是材料斷裂的性能常數,可以通過斷裂試驗測得 。
  
  KI與KIC和應力σ與σb的關係相似性
  
  對於無裂紋材料,當 σ=σb時,材料因塑性大變形而發生塑性斷裂。 σ 是一個外加的、變化的應力, σb是材料的強度值,是一個固有的不變量,即物性常數。
  
  同樣地,對於含裂紋材料, 當 KI=KIC ,材料發生脆性斷裂, KI是一個隨外力而變化的應力強度因子值,KIC是材料的斷裂韌性值,是一個固有的不變量。
  
  是以, σb 是材料的強度性能指標,而KIC是材料抵抗I型載荷裂紋失穩擴展的斷裂性能指標,特別是脆性材料斷裂時的強度判據。
  
  根據應力感化方式的不同 ,材料的應力強度因子值共分張開型KI、滑開型KII、撕開型KIII 三種類型。
  
  通過三種類型的加載方式,可分別測得材料的斷裂韌性:KIC、KIIC、KIIIC, 這些值是材料防脆性斷裂的設計判據。
  
  中國鋼管信息港網民提供:從材料變形看,裂紋尖端受外加應力感化後會有一定量的塑性變形,隻是塑性變形程度大小不同而已。
  
  是以,當今斷裂力學已從本來的脆性斷裂力學發展到彈塑性斷裂力學 。後又發展了考慮材料塑性變形的斷裂韌性參數值,如J積分、裂紋張開位移COD、應變能擴展速率G等。
  
  這些彈塑性斷裂力學參數可以更好地反映材料斷裂前發生一定量的塑性變形的斷裂行為和損傷機理,為結構的可靠性設計提供了首要的理論根據。
  
  不少成果已編進材料抗斷裂設計的評定規範中,如 API法 、 R6法、EPRI法、PD-6493法、ASME及我國的CVDA法等 。

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