哈工大断裂作业

哈尔滨工业大学材料断裂理论与失效分析大作业
专业：材料工程
类型：应用型
姓名：孙巍
学号：14S109063
哈尔滨地区露天服役的低碳钢结构
（1）材质是什么？低碳钢/钛合金/不锈钢/铸铁？为什么？
根据国家《碳素结构钢》GB/T700和《低合金结构钢》GB/T1591的规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢、和Q420钢。

但在哈尔滨属于低温地区，上述4种钢材在低温下，只能使用Q235钢和Q345钢。

但即使在低温下，下列情况的承重结构和构件也不应采用Q235沸腾钢：
1、焊接结构
1）直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。

2）工作温度低于-20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。

3）工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。

2、非焊接结构。

1）工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。

哈尔滨的冬天经常能达到-30℃，所以不论是焊接结构和非焊接机构，Q235沸腾钢在哈尔滨地区均不适用。

所以在哈尔滨地区只能选用Q345钢。

根据Q345钢材的化学成分，可以看出Q345钢是低碳钢，同时也是低合金钢。

①低碳钢：低碳钢的强度、硬度低，利于材料的加工和变形；同时其塑性、韧性高、焊接性能好，可以有效的防止在低温环境下产生的冷脆，利于钢材的连
接；可锻可冲压性能好，同时碳含量第也带来较好的抗腐蚀性能；
②钛合金：强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性能好、化学活性大、导热弹性小，广泛用于航空航天中的结构材料；但是其脆性和硬度较大，变形能力有限，同时成本太高，无法在民用方面普及，所以钛合金不适宜做哈尔滨地区露天服役材料；
③不锈钢：有良好的焊接性、耐腐蚀性和耐热性。

但不锈钢如果长时间不进行表面清理保养。

如若不然其在钝化膜处容易发生腐蚀，一旦形成腐蚀，腐蚀速度就会越来越快。

而且在清理时，还要注意不能发生表面划伤现象。

露天服役的钢材一般很少有人对其进行定期清理，所以不锈钢也不适合；
④铸铁：塑性变形差、硬度高，同时其内部有较多的缺陷，组织不均匀。

在低温下极易发生冷脆，同时在承载时容易发生突然断裂。

所以其也不适合在哈尔滨露天环境下服役。

（2）服役环境的要素有哪些？
①低温：哈尔滨的冬天-30℃，低温是首屈一指的环境要素；
②液体：在冬天，哈尔滨需要有大量的暖气供应管道，所以很多金属在冬天是处在液体环境中的；
③酸性液体：哈尔滨冬天的供暖会排放出大量的酸性气体，在降雪后会将这些酸性气体带入雪中，使金属处于酸性环境中。

（3）有可能发生的失效类型是什么？
①露天下的结构钢材，如过江铁路桥最容易发生冷脆，同时也可能会发生疲劳断裂；
②运输供暖水的管道除易发生冷脆外，可能还会发生氢脆,因为其在冬天运送高温水，可能导致部分氢进入金属，长期以往，形成氢脆；
③所有露天服役的钢材都易发生腐蚀失效，因为其都可能被酸性氛围侵蚀；
④哈尔滨的夏天和冬天温差较大，金属易发生热胀冷缩，也可能导致断裂失效。

（4）如何设计实验确定失效的类型？
失效类型可以先做实验，然后对失效材料断口的观察，两者综合考虑，从而确定出材料失效的类型。

①冷脆：将材料放在低温下，进行冲击试验；当达到一特定温度时，材料吸收的冲击功会突然减小，从韧性转变为脆性，这个特定温度就是冷脆转变温度；
1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征：
典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光现象。

断口与正应力轴垂直，断口齐平，附近无颈缩现象，无剪切唇。

断口中的反光小平面与晶粒尺寸相
当。

马氏体基高温强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样。

2）冷脆金属低温脆断断口的微观特征：
冷脆金属低温断裂口的微观形貌具有典型的解理断裂特征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。

对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主要是在冷脆状态下产生的。

②氢脆：往复弯曲试验对低脆性材料比较灵敏。

这种试验的方法是取一个待测试片，其尺寸规格为：150mm×13mm×1.5mm，表面粗糙度Ra=1.6。

对试片进行热处理使之达到规定的硬度，然后用往复弯曲机让试片在一定直径的轴上以一定的速度进行缓慢的弯曲试验，直至试片断裂。

评价的方法是将弯曲试验至断裂时的次数乘以角度，以获得弯曲角度的总和，其角度总值越大，氢脆越小；
1）氢脆断裂断口的宏观特征：
断口平齐，为脆性的结晶颗粒状，表面洁净呈亮灰色；在大截面断口上可以观察到白点；在小型零件或者丝材断口上往往存在白色亮环。

2）氢脆断裂断口的微观特征：
显微裂纹呈曲折而断续的锯齿状，裂纹一般不分叉；微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界面上伴有变形（发纹线或者鸡爪痕），二次裂纹较少，撕裂棱或者韧窝较少。

③疲劳断裂：由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。

疲劳断口的宏观形貌及其特征：
1）形貌：典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域，一般疲劳断口在宏观上也可粗略的分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲劳区和瞬时断裂区两个部分，大多数工程构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。

2）特征：疲劳源区通常出现在构件表面；扩展区出现弧线和人字纹；对于高塑性材料，瞬时区呈纤维状，脆性材料则呈晶粒装脆断或放射状。

心部或者次表层存在较大缺陷时，也会形成疲劳源区；扩展区可能出现贝纹线。

④腐蚀：金属的腐蚀并不需要实验来验证，通过对失效金属的直观观察以及其所处的环境就能判别出来。

（5）改进的建议和措施？
①冷脆：发生冷脆大多是因为金属内磷的含量过高，或者服役环境不对。

在服役环境确定的情况下，应在金属冶炼时，严格控制磷的含量；
②氢脆：可以在金属熔炼过程中，去除氢，使金属中固有的氢含量降低；同时选择正确的热处理工艺，消除残余内应力也可以有效的降低氢脆的发生；在金
属表面加图层也可以减少金属使用过程中，氢的渗入；
③疲劳断裂：首先加载在金属上的强度最好保持不变；其次减少材料内部缺陷；然后可以改善零件的结构形式；最后减小零件表面粗糙度数值以及采取各种表面强化方法，比如对工件表面淬火、喷丸等；
④腐蚀：首先可以在金属表面涂漆、电镀或用化学方法形成致密耐腐蚀的氧化膜；其次可以用牺牲阳极的阴极保护法：利用原电池装置，使被保护金属与另一种更易失去电子的金属组成新的原电池。

⑤热胀冷缩断裂：热胀冷缩断裂主要是因为温度不同引起金属各个方向上的尺寸发生改变，从而引起金属超过其强度，发生断裂。

基于这点，可以对材料进行适当的处理，增加其塑性变形的能力，防止金属发生断裂。