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恒軒緊固件:高強度螺栓脆性斷裂的原因簡介

2016-08-17  來自: 邯鄲市恒軒緊固件制造有限公司 瀏覽次數(shù):1505

   1 材質(zhì)缺陷


   當(dāng)鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時,將會嚴(yán)重降低其塑性和韌性,脆性則相應(yīng)增大。


   鋼中碳元素含量增高會使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。隨著含碳量的增加,鋼的恰貝沖擊值顯著降低。恰貝沖擊值與試驗溫度曲線梯度趨于緩慢,而脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著升高,鋼中磷含量的增加使晶界斷裂應(yīng)力降低,脆性轉(zhuǎn)變溫度升高,鋼中含0.1%以上的磷就會引起晶界斷裂應(yīng)力降低。磷對鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度影響隨磷含量增加,鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度升高,硫與磷的存在對鋼的斷裂韌性起有害作用。隨硫、磷的含量的增加,鋼的K1C值下降。硫、磷含量增加使該鋼K1C降低,硫危害性更大。


   鋼中錳元素的存在對改善其脆性性能有***幫助,隨錳與碳之比值提高,碳、磷有害作用下降,鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著降低。


   硫、磷降低鋼的斷裂韌性的原因,主要有兩點:①偏聚于原始奧氏體晶界,促使品界脆化;② 硫化學(xué)反應(yīng)生成MnS在基體中形成脆性微裂紋起源核心,使微裂紋成核源增加,導(dǎo)致脆斷容易發(fā)生。


   減少鋼中硫、磷含量是改善鋼斷裂韌性的重要途徑,特別是超高強度鋼。選用適宜的冶煉方法是提高鋼的純度***直接、***易實現(xiàn)的途徑,與普通電爐煉鋼法相比,采用真空冶煉能提高鋼的純度,超高強度鋼一般用真空自耗爐(或真空電弧爐)重熔,以減少鋼中雜質(zhì)和偏析,以提高鋼斷裂韌性。各***工業(yè)國都對硫、磷含量作了較低規(guī)定,一般都限于0.06%以下,但我國各大鋼廠所產(chǎn)鋼材偏析依然較重。質(zhì)量不穩(wěn)定,影響偏析的因素中(鐵礦石元素、煉鋼方法、鋼錠大小、冶煉技術(shù)等),主因是煉鋼方法和冶煉技術(shù),偏析大將會引起熱脆、冷脆、裂縫、疲勞等一系列問題。


   2 應(yīng)力集中


   當(dāng)鋼材在某一局部出現(xiàn)應(yīng)力集中,則出現(xiàn)了同號的二維或三維應(yīng)力場使材料不易進入塑性狀態(tài),從而導(dǎo)致脆性破壞。應(yīng)力集中越嚴(yán)重,鋼材的塑性降低愈多,同時脆性斷裂的危險性也愈大。鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力集中主要與構(gòu)造細節(jié)有關(guān):


   3 使用環(huán)境


   當(dāng)螺栓受到較大的動載作用或者處于較低的環(huán)境溫度下工作時,螺栓脆性破壞的可能性增大。


   在0℃以上,當(dāng)溫度升高時,鋼材的強度及彈性模量均有變化,一般是強度降低,塑性增大。溫度在200℃以內(nèi)時,鋼材的性能沒有多大變化。但在250℃左右鋼材的抗拉強度***,fy有較大提高,而塑性和沖擊韌性下降出現(xiàn)所謂的“藍脆現(xiàn)象”,此時進行熱加工鋼材易發(fā)生裂紋。當(dāng)溫度達600~C, 及E均接近于零,鋼結(jié)構(gòu)幾乎完全喪失承載力。


   當(dāng)溫度在0℃以下,隨溫度降低,鋼材強度略有提高,而塑性韌性降低,脆性增大。尤其當(dāng)溫度下降到某一溫度區(qū)間時,鋼材的沖擊韌性值急劇下降,出現(xiàn)低溫脆斷。通常又把鋼結(jié)構(gòu)在低溫下的脆性破壞稱為“低溫冷脆現(xiàn)象”,產(chǎn)生的裂紋稱為“冷裂紋”。


   4 加載速率的影響


   大量實驗表明,高的加載速率會使材料出現(xiàn)脆斷的危險增加,一般認為其影響與降低溫度相當(dāng)。隨著變形速率的增大,材料的屈服強度將會增加,其原因是材料來不及進行塑性變形和滑移,因而位錯擺脫束縛進行滑移所需的熱***時間減少,使脆性轉(zhuǎn)變溫度提高,所以易于產(chǎn)生脆斷。當(dāng)試件上有缺口時,應(yīng)變速率的影響更為顯著。脆性裂紋一經(jīng)產(chǎn)生,裂紋就會有很嚴(yán)重的應(yīng)力集中,這一急驟增加的應(yīng)力,相當(dāng)于一個加載速率很高的荷載,使裂紋迅速失穩(wěn)擴展,***后使整個結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。


    綜上,材質(zhì)缺陷,應(yīng)力集中,使用環(huán)境及加載速率是影響脆性斷裂的主要因素,其中應(yīng)力集中的影響尤為重要。在此值得一提的是,應(yīng)力集中一般不影響鋼結(jié)構(gòu)的靜力極限承載力,在設(shè)計時通常不考慮其影響。但在動載作用下,嚴(yán)重的應(yīng)力集中加上材質(zhì)缺陷,殘余應(yīng)力,冷卻硬化,低溫環(huán)境等往往是導(dǎo)致脆性斷裂的根本原因。


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