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    金属材料的断裂韧性

    2018-12-01   来源:   点击数:30次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港网民提供:实际工程结构中,比如大型转动件、高压容器、船舶、桥梁等,有时在工作应力远低于屈服应力下发生了低应力的脆断。大量失效案例分析后表明,这种破坏是与零部件本身存在裂纹及其裂纹的疲劳扩展有密切关系 。
      
      一般而言,零部件及材料本身难免存在因冶金、加工、焊接等过程引入的加工缺陷,如微裂纹。在外加应力尤其是疲劳载荷作用下,有的微裂纹在使用中发展成宏观裂纹。一旦裂纹尺寸达到材料固有的临界尺寸时,便会失稳扩展,发生低应力的脆断。
      
      钢材是一种不会燃烧的建筑材料,它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中,钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力,也可以满足建筑设计美感造型的需要,还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷,因此钢材受到了建筑行业的青睐,单层、多层、摩天大楼,厂房、库房、候车室、候机厅等采用钢材都很普遍。但是,钢材作为建筑材料在防火方面又存在一些难以避免的缺陷,它的机械性能,如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降。
      
      钢结构通常在450~650℃温度中就会失去承载能力,发生很大的形变,导致钢柱、钢梁弯曲,结果因过大的形变而不能继续使用,一般不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。这一时间的长短还与构件吸热的速度有关。
      
      要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足,必须进行防火处理,其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变塌落,其措施是多种多样的,关键是要根据不同情况采取不同方法,如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构,降低热量传递的速度推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。但无论采取何种方法,其原理是一致的。下面介绍几种不同钢结构的防火保护措施。
      
      一、外包层。就是在钢结构外表添加外包层,可以现浇成型,也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强,以限制收缩裂缝,并保证外壳的强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层,砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆,也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板,采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。
      
      二、充水(水套)。空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度,水在钢结构内循环,吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环,或由管道引入凉水来取代受热的水。
      
      三、屏蔽。钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内,或将构件包藏在两片墙之间的空隙里,只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种最为经济的防火方法。
      
      四、膨胀材料。采用钢结构防火涂料保护构件,这种方法具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点,一般不需要添加辅助设施,且涂层质量轻,还有一定的美观装饰作用,属于现代的先进防火技术措施。
      
      材料的拉断是晶体材料在拉应力作用下沿与拉应力垂直的原子面被拉开的过程。
      
      在这一断裂过程中,外力作的功消耗在断口上,即断口的表面能。
      
      设想完整的晶体材料被解理面分开成两半晶体,其解理面的晶面间距为a0, 沿拉力方向发生相对位移x, 当位移很大时,位移和作用力的关系并不是线性关系。而原子间的相互作用力最初是随x的增大而增大,但达到一峰值σm后就逐渐下降 。
      
      式中λ为正弦曲线的波长,x为原子间距, σm是原子断开时所需的最大应力,即晶体的理论断裂应力。
      
      当断裂发生时,单位面积上作的功可近似表示为:
      
      中国钢管信息港网民提供:令单位面积的表面能用 γs表示。在拉断过程中,应力所作的功(2-12)应等于表面能 2γs,则有:
      
      再设曲线开始部分近似为直线,服从虎克定律,即有:
      
      式中a0为平衡状态时的原子间距。
      
      比较(2-11)、(2-14),得:
      
      结合关系式(2-13)和(2-15),求得:
      
      把物性常数E、γs 、 a0分别代入(2-16)中,  就可求得材料的理论断裂强度(断裂应力)。
      
      常规碳钢的抗拉强度约480MPa,因而金属材料的实际断裂应力一般是理论断裂应力σm的1/10~1/100,陶瓷材料和高分子材料则更低。为什么二者会相差如此之多?
      
      其实,早在1921年,英国Griffith就发现材料的实际强度远低于理论强度,其原因在于材料内部存在固有的缺陷。于是,他研究了陶瓷、玻璃的脆性断裂的机理问题。
      
      他假定有一块单位厚度的薄板,两端在远处被固定并作用均匀拉伸应力σ。如果板内有一个长为2a的穿透裂纹,裂纹扩展的驱动力来自系统内部存储的弹性能释放,  若裂纹发生扩展,则裂纹面积会增加,增加单位面积所需的能量叫表面能 γs。
      
      KI与a、σ 之间存在以下的关系式:
      
      其中, KI的量纲是N/m3/2 ;Y是几何形状系数,与试样尺寸有关,σθ 、 f(θ)分别是裂纹尖端附近的环向应力和角分布函数。
      
      随外加应力σ的增加,KI也随之增大,当大到某一临界值时,裂纹尖端处的应力就达到足以使材料开裂,导致裂纹的失稳扩展:
      
      即 KI = KIC
      
      其中, KIC为材料的断裂韧性值,量纲为N/m3/2。
      
      KIC 值是材料断裂的性能常数,可以通过断裂试验测得。
      
      KI与KIC和应力σ与σb的关系相似性
      
      对于无裂纹材料,当 σ=σb时,材料因塑性大变形而发生塑性断裂。 σ 是一个外加的、变化的应力, σb是材料的强度值,是一个固有的不变量,即物性常数。
      
      同样地,对于含裂纹材料, 当 KI=KIC,材料发生脆性断裂, KI是一个随外力而变化的应力强度因子值,KIC是材料的断裂韧性值,是一个固有的不变量。
      
      因此, σb 是材料的强度性能指标,而KIC是材料抵抗I型载荷裂纹失稳扩展的断裂性能指标,尤其是脆性材料断裂时的强度判据。
      
      根据应力作用方式的不同 ,材料的应力强度因子值共分张开型KI、滑开型KII、撕开型KIII 三种类型。
      
      通过三种类型的加载方式,可分别测得材料的断裂韧性:KIC、KIIC、KIIIC, 这些值是材料防脆性断裂的设计判据。
      
      中国钢管信息港网民提供:从材料变形看,裂纹尖端受外加应力作用后会有一定量的塑性变形,只是塑性变形程度大小不同而已。
      
      因此,当今断裂力学已从原先的脆性断裂力学发展到弹塑性断裂力学。后又发展了考虑材料塑性变形的断裂韧性参数值,如J积分、裂纹张开位移COD、应变能扩展速率G等。
      
      这些弹塑性断裂力学参数可以更好地反映材料断裂前发生一定量的塑性变形的断裂行为和损伤机理,为结构的可靠性设计提供了重要的理论依据。
      
      不少成果已编入材料抗断裂设计的评定规范中,如 API法、 R6法、EPRI法、PD-6493法、ASME及我国的CVDA法等 。
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