深入解析脆性破坏的类型及其在钢结构中的影响

从宏观上讲，脆性破坏的主要特征是断裂伸长率极小（例如生铁单轴拉伸断裂时伸长率为0.5%～0.6%）。如果结构的最终失效是由于其构件的脆性断裂，那么我们就说该结构发生了脆性破坏。

1、脆性破坏大致分为以下几类：

(1)、过载破裂

因超载、强度不足而断裂。这类断裂损伤通常发生在极高的速度（高达2100m/s）下，后果极其严重。在钢结构中，过载断裂仅发生在高强度钢丝束、钢绞线、钢丝绳等脆性材料制成的构件上。

(2)、非过载破裂

塑性良好的钢构件在缺陷、低温等因素的影响下突然出现脆性断裂。

一个。材料缺陷：

当钢中某些元素含量过高时，铜的塑性和韧性会严重降低，脆性相应增大。例如：硫、氧过多会引起“冷脆”；氢过多会引起“氢脆”；碳含量过多会使钢变脆，焊接性差。

氢气在熔炼和焊接过程中侵入金属，导致材料的韧性下降，并可能导致断裂。焊条使用前需干燥，防止氢脆断裂。

此外，钢材本身的内部冶金缺陷，如裂纹、偏析、非金属夹杂物和分层等，也会大大降低钢材的抗脆性断裂的能力。

b.构件的孔、间隙和截面突变处会产生应力集中。

这里会出现共面或三维拉应力场，会限制钢材的塑性变形能力，导致钢材变脆。应力集中越重，钢材的塑性变形能力降低得越多，发生脆性断裂的风险就越大。

如果构件中存在严重的应力集中，并伴有较大的残余应力，情况会更加严重。构件内的应力集中和残余应力与构件的结构细节、焊缝位置、施工工艺等因素有关。在设计时应尽量避免焊缝过于集中、三向焊缝交叉、构件截面突然变化等。施工时必须采用正确的焊接工艺和焊接顺序，保证焊缝的施工质量，尽量减少焊缝缺陷。

c.钢板厚度：

钢板的厚度对脆性断裂影响很大。钢板厚度越大，强度越低，塑性也越差，韧性也越低。因此，一般钢板越厚，发生脆性断裂破坏的倾向越大。厚钢板和特厚钢板的“层状撕裂”问题也是脆性断裂损伤的原因之一。

d.工作环境温度：

当环境温度下降到一定温度范围时，钢材的韧性值会急剧下降，产生低温冷脆性。此时，如果构件承受较大的动载荷，则容易发生脆性断裂。因此，对于在低温下工作的钢结构，特别是承受动载荷的焊接钢结构，钢材应具有合格的负温（-20℃或-40℃）冲击韧性保证，以提高构件的能力以抵抗低温脆性断裂。 。

(3)应力腐蚀断裂

当结构在腐蚀环境中承受静载荷或准静载荷时，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，对应力腐蚀开裂越敏感。对于普通碳钢和低合金钢，只有当屈服强度大于700MPa时，才会表现出对应力腐蚀开裂的敏感性。

(4)疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂

在交变载荷作用下，裂纹不稳定扩展而引起的断裂破坏称为疲劳断裂。疲劳断裂可分为“高周”和“低周”。循环次数超过10万次称为高周疲劳，这是钢结构中常见的情况。

低周疲劳断裂前的循环次数只有几百或几十次，且每次都存在较大的非弹性应变。典型的低周疲劳损伤是在强震作用下发生的。

环境介质引起或加速疲劳裂纹的产生和扩展称为腐蚀疲劳。

2、焊接结构易发生脆性断裂的原因

(1)焊缝缺陷的存在增加了产生裂纹的概率；

(2)焊接结构中存在相当大的残余应力，作为初始应力场，与载荷应力场叠加，会形成不利的应力组合，从而导致裂纹。

(3)焊缝连接通常会增加钢结构的刚度，结构的变形，包括塑性变形的发展进一步受到限制。尤其是当三个焊缝在空间上垂直时。

(4)焊接连接使结构形成一个连续的整体。如果没有防止开裂的结构措施，它可能会开裂到底部。

(5)对材料选择对于防止脆性破坏的重要性认识不够。

此外，对于大型复杂结构，对恶劣工况（如海洋工程）的结构认识不足，都是导致脆性破坏的因素。

结构的脆性破坏常常发生在低温下。对于低温下的结构，应选择韧性高的材料，以避免脆性破坏。然而，如果处理不当，即使使用高韧性材料，结构也可能发生脆性破坏。

3. 预防措施

(1)正确选用钢材，使其具有足够的韧性。

(2)尽量减小初始裂纹的尺寸，避免结构加工过程中形成裂纹状间隙。

(3)结构加工时注意缓解应力集中，降低应力值。此外，结构形式对防止脆性断裂也有一定影响。

《钢结构设计标准》GB50017-2017第16.4章抗脆性断裂设计规定了相关设计和施工问题。