焊接為什麼會使鋼材脆性加大

⑴ 焊接結構的疲勞破壞和脆性斷裂

焊接結構的疲勞破壞和脆性斷裂是工程中常見的失效模式，它們對結構的安全性和可靠性構成了重大威脅。以下將詳細介紹焊接結構的疲勞破壞、脆性斷裂的特點、影響因素及改善措施。

焊接結構的疲勞破壞是指由重復應力引起的裂紋起始與緩慢擴展，導致結構損傷的過程。疲勞斷口通常分為三個區域：疲勞源區、疲勞擴展區和瞬時擴展區。疲勞源區是裂紋的起始點，宏觀分析時難以分辨。疲勞擴展區顯示出貝殼狀或海灘波紋狀條紋，其微觀特徵為疲勞輝紋，每個貝殼花紋內包含數以萬計條紋，每條紋代表一次載荷循環。瞬時破斷區（最終破斷區）是裂紋擴展至臨界尺寸後發生的快速破壞。

焊接結構的疲勞強度受到多種因素影響，包括應力集中、截面尺寸、表面狀態、載入情況等。焊接結構本身的特點，如接頭部位近縫區性能變化和焊接殘余應力，也可能對疲勞產生影響。應力集中的影響體現在接頭部位，不同的應力集中程度對接頭疲勞強度產生不同影響。近縫區金屬性能變化對接頭疲勞強度的影響較小。殘余應力對結構疲勞強度的影響取決於其分布狀態，殘余應力分布影響著疲勞強度，尤其是在應力集中的區域，如應力集中處、受彎曲構件的外緣等。焊接缺陷，包括裂紋、未熔合、未焊透等，對疲勞強度的影響與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。

為提高焊接結構的疲勞強度，可以採取以下措施：降低構件中的應力集中程度，通過合理選擇構件結構形式、接頭形式、焊接規范，以及採用表面機械加工方法來減少接頭應力集中。改善焊接結構疲勞強度的工藝措施包括正確選擇焊接規范，確保焊縫良好成形和內外部無缺陷；調整殘余應力，通過整體退火或超載預拉伸法、局部加熱、輾壓、局部爆炸等方法處理接頭部位；改善材料的機械性能，如進行表面強化處理，通過小輪擠壓、輕打焊縫表面及過渡區或使用小鋼丸噴射焊縫區域提高接頭疲勞強度。此外，採用特殊保護措施，如使用塑料塗層，能夠顯著改善焊接接頭的疲勞性能。

焊接結構的脆性斷裂通常在應力不高於設計應力且沒有顯著塑性變形的情況下發生，表現為從應力集中處開始的快速擴展。脆斷的原因包括材料選用不當、設計不合理、製造工藝不完善等。影響金屬脆性斷裂的因素包括溫度、應力狀態、載入速度和材料狀態。例如，溫度降低會促使材料從塑性破壞轉變為脆性破壞。應力狀態系數與載入方式和零件形狀有關，б增大的應力狀態有利於塑性變形和韌性斷裂，而б減少則有利於正應力的脆性斷裂。載入速度的提高會促使材料脆性破壞，類似於降低溫度的效果。板厚度、晶粒度和化學成分等因素也對脆性轉變溫度和脆性斷裂產生影響，如厚板在缺陷處容易形成三向應力狀態，晶粒越細，其脆性轉變溫度越低，鋼中的C、N、O、H、S、P等元素會增加鋼材的脆性。

⑵ 鋼材脆性破壞的原因有哪些

鋼結構發生脆性破壞的主要原因是：1、鋼材的質量差：鋼材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過高，晶粒較粗，夾雜物等冶金缺陷嚴重，韌性差等。2、結構構件構造不當：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當等使應力集中嚴重。3、製造安裝質量差：焊接、安裝工藝不合理，焊縫交錯，焊接缺陷大，殘余應力嚴重。4、結構承受較大動力荷載，或在較低環境溫度下工作等：該項對較厚鋼材影響更為嚴重。鋼結構是主要由鋼制材料組成的結構，是主要的建築結構類型之一。結構主要由型鋼和鋼板等製成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構件組成，各構件或部件之間通常採用焊縫、螺栓或鉚釘連接。因其自重較輕，且施工簡便，廣泛應用於大型廠房、場館、超高層等領域。

⑶ 引起鋼材脆性破壞的主要因素有哪些應如何防止脆性破壞的發生呢

鋼材的破壞分塑性破壞和脆性破壞兩種。

脆性破壞：載入後，無明顯變形，因此破壞前無預兆，斷裂時斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險性大。

影響脆性破壞的因素
1.化學成分
2.冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋、起層）
3.溫度（熱脆、低溫冷脆）
4.冷作硬化
5.時效硬化
6.應力集中
7.同號三向主應力狀態

1 ) 鋼材質量差、厚度大：鋼材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過高,晶粒較粗,夾雜物等冶金缺陷嚴重,韌性差等；較厚的鋼材輥軋次數較少，材質差、韌性低，可能存在較多的冶金缺陷。
(2) 結構或構件構造不合理：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當等使應力集中嚴重。
(3) 製造安裝質量差：焊接、安裝工藝不合理,焊縫交錯,焊接缺陷大,殘余應力嚴重；冷加工引起的應變硬化和隨後出現的應變時效使鋼材變脆。
(4) 結構受有較大動力荷載或反復荷載作用：但荷載在結構上作用速度很快時（如吊車行進時由於軌縫處高差而造成對吊車梁的沖擊作用和地震作用等），材料的應力- 應變特性就要發生很大的改變。隨著加荷速度增大,屈服點將提高而韌性降低。特別是和缺陷、應力集中、低溫等因素同時作用時,材料的脆性將顯著增加。
（5）在較低環境溫度下工作：當溫度從常溫開始下降肘,材料的缺口韌性將隨之降低,材料逐漸變脆。這種性質稱為低溫冷脆。不同的鋼種,向脆性轉化的溫度並不相同。同一種材料,也會由於缺口形狀的尖銳程度不同,而在不同溫度下發生脆性斷裂。

為了防止鋼材的脆性斷裂，可以從以下幾個方面著手：
1、裂紋
當焊接結構的板厚較大時（大於25mm），如果含碳量高，連接內部有約束作用，焊肉外形不適當，或冷卻過快，都有可能在焊後出現裂紋，從而產生斷裂破壞。針對這個問題，把碳控制在0.22%左右，同時在焊接工藝上增加預熱措施使焊縫冷卻緩慢，解決了斷裂問題。
焊縫冷卻時收縮作用受到約束，有可能促使它出現裂紋。措施是：在兩板之間墊上軟鋼絲留出縫隙，焊縫有收縮餘地，裂紋就不會出現。
把角焊縫的表面作成凹形，有利於緩和應力集中。凹形表面的焊縫，焊後比凸形的容易開裂，原因是凹形縫的表面有較大的收縮拉應力，並且在45°截面上焊縫厚度最小。凸形縫表面拉力不大，而45°截面又有所增強，情況要好的多。在凹形焊縫開裂的條件下，改用凸形焊縫，就不再開裂。
2、應力
考察斷裂問題時，應力是構件的實際應力，它不僅和荷載的大小有關，也和構造形狀及施焊條件有關。幾何形狀和尺寸的突然變化造成應力集中，使局部應力增高，對脆性破壞最為危險。施焊過程造成構件內的殘余拉應力，也是不利的。因此，避免焊縫過於集中和避免截面突然變化，都有助於防止脆性斷裂。
3、材料選用
為了防止脆性斷裂，結構的材料應該具有一定的韌性。材料斷裂時吸收的能量和溫度有密切關系。吸收的能量可以劃分為三個區域，即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。要求材料的韌性不低於彈性，以避免出現完全脆性的斷裂，也沒有必要高於彈塑性，對鋼材要求太高，必然會提高造價。鋼材的厚度對它的韌性也有影響。厚鋼板的韌性低於薄鋼板。
4、構造細部
發生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構造縫隙，或相當於構造縫隙的未透焊縫。構造焊縫相當於狹長的裂紋，造成高度的應力集中，焊縫則造成高額殘余拉應力並使近旁金屬因熱塑變形而時效硬化，提高脆性。低溫地區結構的構造細部應該保證焊縫能夠焊透。因此，設計時必須注意焊縫的施工條件，以保證施焊方便，能夠焊透。

⑷ 哪些因素可使鋼材變脆,從設計角度防止構件脆斷的措施有哪些

導致鋼結構構件脆性斷裂的因素很多,主要因素有化學成份 、溫度、構件厚度、冶金缺陷、構造缺陷等。鋼中碳元素含量增高會使鋼的脆性轉變溫度升高 ，隨含碳量的增加 , 鋼的最大恰貝沖擊值顯著降低。恰貝沖擊值與試驗溫度曲線梯度趨於緩慢 ，而脆性轉變溫度顯著升高。

預防措施：

(1)、 設計構件的斷面應盡量選用最薄斷面 ,增加構件厚度將增大脆斷的危險 .

(2)、保證焊接質量，盡量減少因焊接造成的缺陷，設計上應選擇適當的焊縫金屬缺口韌性，較厚板材或型鋼焊前必須預熱，施焊過程中盡量不在負溫條件下進行 ,焊接後必須保溫緩冷，盡量保證焊接質量,減少缺陷產生。

(3)、設計焊接結構應盡量避免焊縫集中和重疊交叉。要採用較好的焊接工藝(合適的輸入熱量和操

作方法)。

(4)、在結構設計中應盡量將因缺陷引起的應力集中減小到最低限度 , 如避免尖銳角 ,盡量用較大半

徑的圓弧 。

(5)、設計人員選用鋼材時 ，除應核算強度外，還應保證材料有足夠韌性 ，應從斷裂力學理論出發選擇具有較高斷裂韌性的材料。

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鋼材用途分類：

1、結構鋼

（1)、建築及工程用結構鋼簡稱建造用鋼，它是指用於建築、橋梁、船舶、鍋爐或其他工程上製作金屬結構件的鋼。如碳素結構鋼、低合金鋼、鋼筋鋼等。

（2)、機械製造用結構鋼是指用於製造機械設備上結構零件的鋼。這類鋼基本上都是優質鋼或高級優質鋼，主要有優質碳素結構鋼、合金結構鋼、易切結構鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等

2、工具鋼

一般用於製造各種工具，如碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼等。按用途又可分為刃具鋼、模具鋼、量 具鋼。

3、特殊鋼

具有特殊性能的鋼，如不銹耐酸鋼、耐熱不起皮鋼、高電阻合金、耐磨鋼、磁鋼等。

4、專業用鋼

這是指各個工業部門專業用途的鋼，如汽車用鋼、農機用鋼、航空用鋼、化工機械用鋼、鍋爐用鋼、電工用鋼、焊條用鋼等。

5、按鋼的品質分

優質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼和合金工具鋼、彈簧鋼、軸承鋼等

鋼號後面，通常加符號「A」或漢字「高」以便識別。

⑸ 焊接結構產生脆性斷裂的原因有哪些方面'

焊接結構（比鉚接結構更）易發生脆性斷裂，其原因有：
（1）焊接後往往殘留有缺陷，如氣孔、尖碴、裂紋或未焊透；
（2）焊接後內部存在殘余應力；
（3）焊接接頭往往剛性 較大，材料的塑性降低；
（4）焊接將結構連成整體，裂縫一旦發展，范圍很大。
發生脆性破壞的原因：
（1）化學成份：C/P/S/O等；
（2）冶煉方法和軋鋼工藝；
（3）冷加工硬化：常溫下冷加工過程中，產生塑性變形和時效硬化；
（4）復雜應力狀態；
（5）溫度 「藍脆現象」；鋼材脆斷易在低溫（尤其 T<-10 °C）下發生。
以上內容均根據學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。