第八章钢结构的脆性断裂和疲劳
第8章钢结构的脆性断裂和疲劳 - 卢总讲话
8.2钢结构抗疲劳设计第八章钢结构的脆性断裂和疲劳8.1 钢结构脆性断裂及其防止8.1.1 脆性断裂破坏从宏观上讲，最近破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6%)。
如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。
对于脆性破坏的结构。
几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。
工程设计的任何领域，无一例外地度都要求避免结构的脆性破坏(如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。
脆性断裂破坏大致可分为如下几类：①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。
这种断裂破坏发生的速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。
在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。
②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏成为应力腐蚀断裂。
它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。
一般认为,强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。
对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。
据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。
此后采用20MnTiB钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。
疲劳断裂有高周和低周之分。
循环周数在10的5次方以上者称为高周疲劳,属于钢结构中常见的情况。
低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次,每次都有较大的非弹性应变。
典型的低周破坏产生于强烈地震作用下。
环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。
⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。
高等钢结构--疲劳与断裂
高等钢结构--疲劳与断裂《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分学生作业系（所）：建筑工程系学号：1432055姓名：焦联洪培养层次：专业硕士2014年11月6日1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。
提高钢材脆性断裂的基本措施有：①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。
②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。
特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。
③进行合理细部构件设计，避免应力集中。
应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。
尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。
④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。
⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。
⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。
2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max/σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。
但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ?，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。
这是因为：焊接及其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。
焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析一、脆性断裂钢材或钢结构的脆性断裂是指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。
钢结构尤其是焊接结构，由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。
脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后，断裂即以极高速度扩展,脆断前无任何预兆而突然发生破坏。
钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果，主要是以下几方面：(1)钢材质量差、厚度大：钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差等；较厚的钢材辊轧次数较少，材质差、韧性低，可能存在较多的冶金缺陷。
(2)结构或构件构造不合理：孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重。
(3)制造安装质量差：焊接、安装工艺不合理,焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重；冷加工引起的应变硬化和随后出现的应变时效使钢材变脆。
(4)结构受有较大动力荷载或反复荷载作用：但荷载在结构上作用速度很快时（如吊车行进时由于轨缝处高差而造成对吊车梁的冲击作用和地震作用等），材料的应力-应变特性就要发生很大的改变。
随着加荷速度增大，屈服点将提高而韧性降低。
特别是和缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时，材料的脆性将显著增加。
(5)在较低环境温度下工作：当温度从常温开始下降肘,材料的缺口韧性将随之降低,材料逐渐变脆。
这种性质称为低温冷脆。
不同的钢种，向脆性转化的温度并不相同。
同一种材料,也会由于缺口形状的尖锐程度不同，而在不同温度下发生脆性断裂。
所以，这里所说的"低温"并没有困定的界限。
为了确定缺口韧性随温度变化的关系，目前都采用冲击韧性试验。
显而易见,随着温度的降低，Cv能量值迅下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏。
同时可见，钢材由塑性破坏到脆性破坏的转变是在一个温度区间内完成的，此温度区T1－T2称为转变温度区。
在转变温度区内，曲线的转折点〈最陡点〉所对应的温度T0称为转变温度。
第八章 金属疲劳试验
没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）
（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定
1、方法及特点：常用旋转弯曲疲劳试验。试验机结构简单、操作方便，应用广泛。
3、冲击疲劳的特点
试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：
①冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。
②不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。
二、冲击疲劳
1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。
实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承受的冲击次数较少时（500～1000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数>105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。
3冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。
高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。
（因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）
中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。
（因其冲击韧度已经比较高，在增加Ak值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。
疲劳
3、变幅疲劳计算 、 累积疲劳发生破坏的条件：
n1 n n + 2 + + i + =1 N1 N 2 Ni
σ e = [∑ ni (σ i ) β / ∑ ni ] β
i =1 i =1 M M 1
对吊车梁的疲劳，引入欠载效应系数后，可作为常幅疲劳进行计算：
α f σ ≤ [σ ]n=2×106
特点 ：（1）疲劳破坏时，应力小于材料静力强度； （2）破坏属于突然的脆性破坏。
原因：缺陷
微观裂纹
宏观裂纹
影响因素： （1）应力幅 （2）应力循环次数n
材料内部缺陷 （3）制边）
2、常幅疲劳计算 、 根据实验数据，拟合出应力幅与相应的致损循环次数N的关系 如下。从构件或连接抗力方面来讲，保证率为97.7％。
第八章 钢结构的脆性断裂和疲劳
§8.1 钢结构的脆性断裂及其防止
1、脆性断裂破坏 、 脆性断裂破坏大致可分为如下几类： （1）过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂 。高强钢丝束、钢绞线等； （2）非过载断裂：塑性很好的材料由于缺陷、低温等因素的影响而脆性断裂； （3）应力腐蚀断裂：在腐蚀环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远 低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏； （4）疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的 断裂破坏； （5）氢脆断裂：氢在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导 致的断裂。
β lg σ + lg n lg C = 0
C σ = n
许用应力幅
1 β
C [σ ] = n
1/ β
C,β——因数，按构件及连接的类型分8类，查表。
[σ ]——对应于n次循环的容许应力幅
金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂
（ 3 ）裂纹截面金相分析可见，氢脆裂纹为单支； 应力腐蚀和腐蚀疲劳裂纹则多有分支。其分枝程度 与应力比R、载荷水平和频率有关。
（ 4 ）区分应力腐蚀和腐蚀疲劳的依据有二：一是 调查和计算分析应力性质；二是断口上是否有疲劳 辉纹。但须注意，断口上有辉纹的面积份额可能很 小，并且辉纹可能短而少，尤其是低周的条件下， 故往往不易发现。
30
三、断口微观特征 （1）若腐蚀产物不是很厚或被清 洗掉后，在适当的（例如数百倍 ）倍率下，沿晶断口的形貌是颗 粒状的，如图8－19和图8－20， 可以看到沿晶的二次裂纹。
31
（ 2 ）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的 类似解理形貌， （ 3 ）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩 盖。
钛合金在甲醇蒸气中比浸在甲醇液体中更易发生应
力腐蚀。且当试样在无应力状态下置于甲醇蒸气或
液体中一段时间再在空气中拉断，也表现出同SCC
相似的穿晶脆断。经时效处理可以消除这种脆性。
据认为钛和钛合金的SCC直接与钛的氢化物有关。
消除构件中的残余应力，在溶液中添加缓蚀剂以及 进行阴极保护是防止钛和钛合金发生应力腐蚀的可 行办法。
能发生应力腐蚀，其敏感温度为15～30℃，<10℃及
>40℃刚敏感性大降。微量的氧，大大促进该SCC，故
在装液氨前必须排净空气而充。微量水(达0.2%以上) 可防止该种SCC。
13
碳钢还可能在其它许多酸环境中，在中、在
高压的水溶液中、在HCN的含水气体中发生应力
腐蚀断裂。碳钢的应力腐蚀大多是沿晶的。少数
镀锌与镀锡：对于镀锌铁，镀锌层破损处的腐蚀轻微，
这是由于Zn作为阳极并发生钝化；对于镀锡铁，镀锡
层破损处的腐蚀严重，这是由于Sn作为阴极，Fe作阳 极而钝化膜不致密、不稳定所致。 （2）浓差电池 一般氧浓度低的区域为阳极。
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳课件
如图83是一 些设置 构造间 隙的典 型例子.
低温地区的结构必须避免 这种留有间隙的构造设计. 在板的拼接中，不宜留狭 长的拼接间隙，而要采用 两面剖口的对接焊缝并予 以焊透，或采用图8-4所示 的构造方案。
止裂元件的设置： 止裂元件亦是为了将裂缝的扩展限制 于局部，以免一裂到底，祸及整体。用高韧性材料做成
二、应力幅准则 常幅疲劳的容许应力幅计算公式为：
式中： ——对焊接部位称为应力幅，其值为 ，对非焊接部位称为折算应力幅，其值为
——容许应力幅( N/mm2 )，按构件和连接的 类别及应力循环次数n由下式确定：
式中参数C和β根据构件和连接的类别按表8-1采用
说明：
1)承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当 应力变化循环次数n等于或大于5×104次时，应进行
• 焊缝连接通常使得结构的刚度增大，结构的变形，包 括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝 在空间相互垂直时。
• 焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施， 则可能一裂到底。
• 对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。
结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。处在
低温的结构要选择高韧性的材质来避免脆性破坏发生。
按下式计算：
式中: ——为变幅疲的应力循环次数. 对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲 劳计算，计算时循环次数 n 应根据构件使用中满负荷 的程度予以折减。 重级工作制吊车梁和重级、中级工 作制吊车桁架(桁架式吊车梁)的疲劳可按下式计算：
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳
第一节钢结构脆性断裂及其防止
一、脆性断裂破坏 脆性破坏特征： 破坏前无明显变形，平均应力也较小， 没有任何预兆。破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状，突
钢结构的疲劳破坏事故ppt课件
6.6.2 焊接空心பைடு நூலகம்节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用
于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时
不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网
架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究，
通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到
了工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳
裂纹等；
(2) 制作过程中剪切、冲孔、切割；
(3) 焊接结构中产生的残余应力；
(4) 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、
未焊透等； (5) 非焊接结构的孔洞、刻槽等； (6) 构件的截面突变； (7) 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等
产生的附加应力集中。
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• • • • • • 精心选材； 精心设计； 精心制作； 精心施工； 精心使用； 修补焊缝；方法如下：
键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以
达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起
曲线(如图)。
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位； 其疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。 1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的 变幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获 得成果如下：
来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
第8章钢结构的脆性断裂和疲劳(2011)
1
三、常幅疲劳验算公式
常幅疲劳的统一校核准则为：
C [ ] N
式中：Δσ--计算部位的应力幅；
1
对于焊接部位: Δσ=σmax-σmin； 对于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(计算应力幅）。
σmax、σmin--计算部位每次应力循环中的最大拉应力和
3）焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无
关。公式(2.5.4)中忽略了钢材静力强度对疲劳强度的影响，认为 所有连接形式的容许应力幅都与钢材的静力强度无关。国内外 的试验均证明，除个别在疲劳计算中不起控制作用的类别的疲 劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类
别的疲劳强度均不受钢材静力强度的影响，为简化表达式，在
即 : N
lg
.
. . . . . .
10 C
b2
(2 16)
此时的Δσ即为容许应力幅：
. . .
.
b1
.
C [ ] N
1
(2 17)
2S 2S
0 N=5×104
(b)
N=5X106
lg N
式中：系数β、c--根据钢结构 设计规范“疲劳计算的构件和 连接分类”查表得到。
设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平
Δσi的常幅循环应力组成，各应力幅水平Δσi所对应的循环次数为 ni，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为：
假设构件或连接类别相同的变幅疲劳和常幅疲劳具有相同 的疲劳曲线，如图2.5.6所示，该图给出了具有三个应力幅水平
的变幅疲劳的例子。与常幅疲劳相同，每一个应力幅水平均可
焊接钢结构断裂与疲劳
1.焊接钢结构的缺点及其原因答：1、热影响区：受焊接高温影响，焊缝附近的母材存在“热影响区”，易使材质变脆。
热影响区内随各部分的温度的不同，其金相组织及其性能也发生了变化，有些部分的晶粒变粗。
硬度加大，塑性和韧性降低，易导致材质变脆。
2、焊缝缺陷：除非正确选择板材和焊接工艺，焊缝易存在各种的缺陷，如裂纹、边缘未融合、根部未焊透、咬肉、焊瘤、夹渣和气孔等。
缺陷的存在易导致构件产生应力集中而使裂纹扩大。
图1：各类焊缝缺陷裂纹：产生裂纹的主要原因是钢材的化学成分不当，含S高易产生热裂纹，含P高易产生冷裂纹。
不合适的焊接工艺和不合适焊接程序也将导致裂纹的产生。
裂纹有纵向也有横向，可以存在于焊缝内也有在焊缝附近的金属内。
边缘未融合：与焊前钢材表面的清理不彻底有关，焊接电流过小和焊接速度过快以致母材未达到融化状态有关。
根部未焊透：除电流不够和焊接速度过快外，焊条过粗及焊工的其他的不当操作也会致使该现象。
咬肉：因焊接参数选择不当或由于操作工艺不正确产生，如所用的焊接电流过强和电弧过长。
这是靠近焊缝表面的母材处产生的缺陷。
焊瘤：是焊接过程，熔化的金属流淌到焊缝以外未熔化的母材所形成的。
夹渣：是微粒焊渣在焊缝金属凝固时来不及浮至金属表面而存在于焊缝内的缺陷。
焊缝冷却过快会加剧此现象。
气孔：焊条受潮，熔化时产生的气体侵入焊缝而形成的。
总之，以上缺陷的存在，会导致构件产生应力集中而使裂纹扩大。
3、裂缝易扩展：焊接结构的刚度大，焊接结构具有连续性，局部裂缝一经产生便很容易扩展到整体，加剧了焊接钢结构的低温冷脆现象。
4、残余应力：焊接后，由于冷却时的不均匀收缩，构件内将存在焊接残余应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。
5、残余变形：焊接后，由于不均匀涨缩产生焊接残余变形，如原来为平面的钢板发生凹凸变形等，残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工，如果矫正效果不佳，会影响构件的正常受力，产生附加的力和弯矩。
第9章钢结构的脆性断裂与疲劳破坏
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三、防止脆性断裂的措施 影响钢材脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应 力和材料的韧性。目前断裂力学理论已经成功地用 于球罐和氧气罐等高压容器的断裂安全设计，由于 该理论设计较为复杂，建筑及桥梁结构中尚未直接 应用，主要从构造上采取相关措施以提高钢的材抗 脆断性能。主要措施有：
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三、防止脆性断裂的措施 （1）尽量减小初始裂纹的尺寸，避免在构造 处理中形成类似于裂纹的间隙。加强施焊工艺管 理，避免施焊过程中产生裂纹、夹渣和气泡等。 （2）注意正确选择和制订焊接工艺以减少不 利残余应力。焊缝不宜过分集中，尤其避免三条焊 缝在空间互相垂直相交，施焊时不宜过强约束，避 免产生过大残余应力。正确选择焊接工艺，遵守设 计对制造提出的技术要求，以防止造成缺口高峰应 力，减小焊接残余应力，防止热影响区钢材晶粒组 织变粗等。低温下发生低应力的脆断，常与残余应 力有关。
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(三)材料韧性 （4）加荷速率 从图9-3中可以看出，随着加荷速率的减小， 曲线向温度较低的方向移动。 图9-4中速加荷时韧性比缓慢加荷下降不多， 而比动力加荷提高很多。
图9-3 断裂吸收能量随温度的变化 图9-4 加荷速率对断裂韧性的影响
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(三)材料韧性 （5）腐蚀介质 在腐蚀介质中，构件原来存在的裂纹随着时间 的增长而逐渐扩展，待达到临界尺寸时就会突然脆 断，这种现象称为应力腐蚀开裂。 一般在腐蚀介质中材料的断裂韧性比空气中的 要低，而且不同的金属材料－介质系统，在不同的 实验条件下，裂纹扩展规律也不相同。应力腐蚀开 裂主要发生在高强度材料，比如高强度螺栓在使用 过程中就有可能出现应力腐蚀。
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9.2 钢结构的疲劳破坏 一、疲劳破坏的概念 钢材在持续反复荷载作用下，虽然其应力低于 强度极限，甚至还低于屈服极限，仍会发生突然的 脆性断裂破坏。 金属结构的疲劳按其断裂前的应力大小和应力 循环次数可分为高周疲劳和低周疲劳两种，钢结构 只考虑高周疲劳计算。
浅论钢结构的脆性断裂和抗疲劳设计
未达到材料的抗拉 强度 ， 甚至还低于屈服点 。 尤其是在焊接 结构
大量取代铆接结构 的过程 中， 脆断发生频率一度增高 ， 中不 乏 其 后果严重者。究其 原因， 有如下 一些 ：
（） １焊缝缺陷的存在， 使裂纹萌生的概率增大 。
（） 缝结构 中数值可观 的残 余应力 ， 为初 应力场 ， ２焊 作 与荷 载应 力场 的叠加可导致 驱动开裂 的不利应力组合 。 （） ３ 焊缝连接通 常使得结 构的刚度增大 ， 结构的变形 ， 括 包 塑性 变形的发展得 到更 大的限制 。尤其 是三 角焊缝 在空间相互
低温 的 结构 要 选 择 高 韧 性 的材 质 来 避 免 脆 性破 坏 发 生 。
为 了防止脆性破坏 ， 需要从五个方面着手： （） １正确选用钢材， 使之具有足够 的韧性 Ｋ 。 目前工程中常
破坏 （ 如在钢 筋混凝土结构 中避免设计超筋 梁） 其道理就在于 ，
此。
用冲击韧 性作为 材料韧性 指标 ，因其试样 截面一 律用 １ｍｍｘ ０
疲劳 。
还使钢结构具有优越 的抗震性能。
（） ２ 材质 均匀 ， 和力学计算 的假定 比较符合。钢材 内部组织 比较接近于匀质和各 向同性体 ，而 且在一定 的应力幅度 内几乎 是完全弹性的。
（） ５ 氢脆疲劳： 氢可 以在冶炼和焊接过程 中侵入 金属造成材 料韧性降低而可能导致 的断裂。焊条在 使用前需要烘干 ， 就是 为
为， 强度越高则对 应力腐蚀断裂越敏感。其 中， 尤其是含碳量高 的钢材表现 出对应力腐蚀断裂 比较敏感 。
（） 量减小初 始裂 纹的尺寸， ２尽 避免在构造处理 中形 成类 似 于裂纹的间隙。 对于焊接结构来说 ， 减小初始裂纹尺寸主要是保 证焊缝质量 ， 限制和避免焊接缺陷。焊缝表面不得有裂纹。焊缝
焊接结构生产课件 5疲劳脆性断裂
2021/8/22
2021/8/22
钢结构焊接氢致裂纹而诱发的脆性 断裂，其断口的形貌常以准解理断裂为 特征。在断口上常见到许多不连续的解 理面，并在局部形成孤立的裂纹进行扩 展。
2021/8/22
3、 准解理与解理断口的区别
名称
解理
准解理
形核位置 晶界或其它界面 夹杂、空洞、硬质点
3、 改善材料的断裂韧性 （1）正确的设计选材
应采用“等韧性”或“等性能”原则， 才能保证 焊缝区不成为结构的薄弱环节， 以避免脆 性断裂。
（2）优化焊接工艺 （3）合理制订、严格执行耐压试验规程 （4）控制钢材S、P含量。
7.3 材料断裂的评定方法 1、转变温度方法
脆性--韧性和温度的关系 临界应力强度因子KIC。 （1）冲击试验
2021/8/22
2、断裂韧性试验（COD试验）
2021/8/22
小结
1.断裂分类：延性断裂、脆性断裂
2.影响脆性断裂的因素：
• 温度、应力、加载速度、材料组织
3.材料断裂的评定方法：
• 冲击试验、落锤试验、膨胀试验
4.钢结构抗裂性能评定方法：
• 韦尔斯宽板拉伸试验、断裂韧性试验
•
（COD）
2021/8/22
2021/8/22
2021/8/22
解理是指金属材料严格沿某些晶体晶系面 （001面）开裂的现象，属穿晶断裂。
解理断口的微观特征常呈河流状花样、扇形 花样和舌形花样、冰糖状晶界断口等。
2021/8/22
河流花样
舌形花样
2021/8/22
舌形花样
2021/8/22
河流花样
冰糖状晶界断裂
2021/8/22
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8.2 钢结构抗疲劳设计
8.2.1 疲劳破损
在第2章中曾经论述过，疲劳破损的过程本质上是微裂纹 的萌生、缓慢扩展和最终迅速断裂的过程。金属结构本体内不 可避免的微小材质缺陷(包括分层之类的轧制缺陷)本身就是微 裂纹。焊接结构的焊缝缺陷(咬边、气孔、欠焊、夹渣等)都是 裂纹或极易萌生微裂纹处。从这个意义上讲，钢结构疲劳破损 的过程仅包括缓慢扩展及最终断裂。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
实际上，单路径和多路径是相对的。就整个结构而言，有 单路径和多路径结构之分；就单个构件而言。 同样有单路 径构件和多路径构件之分。甚至就构件的各部分元件而言， 亦有单路径元件和多路径元件之分。显然，就防止断裂而 言，多路径组织要优于单路径组织。一个由单个角钢构成 的拉杆是单路径构件，而由两个以上角钢和钢板构成的组
合截面拉杆则是多路径构件。如 图8-2所示，焊接受弯构件受拉 翼缘可以作成单层的(图8-2)， 也可以作成多层的(图8-2a)。前 者的受拉翼缘是单路径元件，而 后者属于多路径元件。当弯矩很 大，需要选取较厚的翼缘时，从 抗断裂的角度看，后者要比前者
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
有利。这不仅是因为单层厚板翼缘脆断的可能性比多层薄 板翼缘大得多，还在于前者一旦开裂，即一裂到断，后者 在一层板开裂后，不会波及其它板层。顺便指出，在图(82b)中翼缘和腹板采用不焊透的焊缝连接，有利于阻止裂缝 的发展。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
⑷ 焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施, 则可能一裂到底。 ⑸ 对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。
除此之外，对于大型复杂结构、工作条件恶劣(如海洋工 程)的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。结 构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。处在低温的结 构要选择高韧性的材料来避免脆性破坏发生。但是，如果处 理不当，既便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。 新的钢结构设计规范GB50017为此增加了一节“提高寒区结 构抗脆断能力的要求”,对有关构造与施工问题做出了规定。
工程设计的任何领域，无一例外地都要求避免结构的脆性破坏(如在钢 筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。
脆性断裂破坏大致可分为如下几类： ①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。这种断裂破坏发生的 速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。在钢结构中，过载断 裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。 ②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈 现脆性断裂。
由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的机 会比工厂焊缝多，GB50017规范规定,在工作温度等于或低 于-20℃的地区,安装宜采用螺栓连接。
3.应力 式(8-1)的应力是构件中的真实应力。它不仅和荷载的
大小有关,也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的影 响有关。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
减缓应力集中问题将在下节结合疲劳问题讨论。因收缩受 到约束而产生高额残余应力的情况在抗脆断设计中必须避 免。
4.结构形式与构造细节 在设计工作的结构选型和结构布置阶段,就应该注意防
止断裂问题。由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结构 的失效,因此超静定结构对与减少断裂的不良后果一般是有 利的。当然,要同时考虑由于地基不均匀沉降、超静定结构 可能会导致严重不利的内力重分布等问题。静定结构采用 多路径传递荷载亦有异曲同工的作用。用一根独立的简支 受弯构件作为跨越结构是单路径结构;而以横向构件相连的 数根并联构件作为跨越结构就是多路径的结构。对于多路 径结构,并联构件中的任一个发生断裂，一般都不会立即引 起整体结构的坍塌。
第八章
钢结构的脆性断裂和疲劳
8.1 钢结构脆性断裂及其防止 8.2 钢结构抗疲劳设计
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
8.1.1 脆性断裂现为断裂时伸长量极其微小，(例 如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6% )。如果结构的最终破坏是由于其 构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。对于脆性破坏 的结构。几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而 破坏的后果经常是灾难性的。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和准静力荷载作用的结构，在远 低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。 它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。一般认为,强度越高则对应力腐蚀断 裂越敏感。对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表 现出对应力腐蚀断裂比较敏感。据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥 梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。此后 采用20MnTiB钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
2.初始裂纹
对于焊接结构来说,减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝 质量,限制和避免缺陷。焊缝表面不得有裂纹。焊缝的咬边 (图8-1),实际上相当于表面裂纹。《钢结构工程施工质量验 收规范》 (GB 50205)规定质量等级为一级的焊缝不允许有 咬边,二级和三级焊缝则咬边深度不超过0.05t(及0.5mm)和 0.1t(及1mm)。角焊缝的焊瘤 (图8-1b)也起类似于裂纹的作 用。GB50205规定，不论焊缝 质量等级为哪一级，都不允许 焊瘤存在。除了表面缺陷外， 内部也可能有气孔和未焊透的 缺陷，亦可萌生裂纹。内部缺 陷由超声波探伤法检测，按
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断 裂破坏称为疲劳断裂。 疲劳断裂有高周和低周之分。循环周数在105以上者称为高周疲劳,属于 钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次,每次都 有较大的非弹性应变。典型的低周破坏产生于强烈地震作用下。 环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
为了防止脆性断裂,需要从三个方面入手： ①正确选用钢材、使之具有足够的韧性。 ②尽量减小初始裂纹的尺寸,避免在构造处理中形成类似于裂
纹的间隙。 ③注意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。除此之外，
结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。 1.钢材选择
目前工程中常用冲击韧性作为材料韧性指标。因其试样截面 一律用10mm*10mm,并不能完全反映厚板的真实韧性，但其试 验简单易行,在工程界有较多的应用试验。另外,提高冲击韧 性的有效措施对提高断裂韧性也同样行之有效。国家标准 《碳素结构钢》(GB700-88)和《低合金钢高强度结构钢》 (GB/T1591-94)分别保证纵向取样的夏比V形缺口冲击功不低 于27J和34J。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低 而可能导致的断裂。焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。
历史上钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。破坏时应力并未达到 材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点。尤其是在焊接结构大量取代铆 接结构的过程中，脆断发生频率一度增高，其中不乏后果严重者。究 其原因，有如下一些： ⑴焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。 ⑵焊接结构中的数值可观的残余应力，作为初应力场，与荷载应力场 的叠加导致驱动开裂的不利应力组合。 ⑶焊缝连接通常使结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发 展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。
总之，一般情况下，低温地区既不应在构造上留有类 似裂纹的间隙，也不应在板件对接和T型连接中采用不焊透 的焊缝。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的坍塌。 在航海和航空结构中应用较广的止裂元件亦是为了将裂缝 的扩展限制于局部，以免一裂到底，祸及整体。用高韧性 材料做成的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图8-5 所示。图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口 型。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
其中图8-3(a)是在一渔船甲板上因阻止木地板滑动而 焊有窄钢板条的情形，窄钢板条相互之间的对接处没有焊 接，而只是将窄钢板条焊于甲板，对接间隙因而相当于一 条预裂纹，在低温-16℃时，甲板子于隙处开裂，并向两旁 扩展。
图8-3(b)是一用拼接角钢连接的输电塔的受拉主杆， 在低温-50℃时，断裂发生于间隙处(低温收缩引起的导线 张力增大是断裂的外因)。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
另外，在梁、柱等构件的端部经常要处理图8-6所示的 角形连接，端竖板如果存在分层缺陷，构造不当会引起 层间撕裂。因此，宜采用图8-6(a)，(b)的角形连接构 造，而避免采用图8-6 (c)，(d)的构造方式。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
5．其他措施
在钢结构制造安装过程中，应尽量避免使材料出现应 变硬化，要及时通过扩钻和刨边消除因冲孔和裁剪(剪切 和手工气割)而造成的局部硬化区，在低温地区尤需如此。 注意正确选择和制订焊接工艺以减少不利残余应力，包括 必要时通过热处理方法消除重要构件中的残余应力；提倡 规范文明施工，不在构件上随意起弧和砸击以避免构件表 面的意外损伤。正确使用亦在防止脆断措施之列。在使用 过程中，严禁在结构上随意加焊零部件以免导致机械损伤； 除了严禁设备超载外，亦不得在结构上随意悬挂重物；严 格控制设备的运行速度以减少结构的冲击荷载。除了结构 正常使用的工作环境温度要符合设计要求外，在停车检修 时(尤其在严寒季节)亦应注意结构的保温。
8.1 钢结构脆性断裂及其防止
钢材的A,B,C,D分级就是依冲击韧性的要求设置的。
一般的,公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过40mm时, 可以按所处最低温度加40℃级别要求,厚度超过40mm则适当 降低冲击试样温度。钢材标准都未对厚板的韧性提供更高的 保证。有鉴于此,设计重要的低温地区露天结构是,尽量避免 用厚度大的钢板。GB50017规范规定,”在工作温度等于或低 于-30℃的地区焊接构件易采用较薄的组成板件”,低温地区 必须用厚板时,应提高对冲击韧性的要求或进行全厚度韧性 试验,如带缺口的静力拉伸试验和落锤试验,以考察其实际韧 性。