寒冷地区低温环境下钢结构冷脆危害研究及强度受影响温度探讨

在寒冷地区的低温环境中，对钢结构冷脆现象的研究正在进行。人们关注的是，当温度降至零下多少摄氏度时，钢结构的强度会受到怎样的影响？

今日上网浏览时，偶见一问：“钢结构在何种低温下其强度会受损？”针对此问题，我们展开一番探讨。实际上，在低温环境中，钢结构的强度会出现显著下降，这实际上是由于冷脆现象的出现以及脆性断裂的产生。影响钢结构脆断的两个关键因素是环境温度和钢材的厚度，随着温度的降低和厚度的增大，钢材的脆性也随之增强。本文首先对低温脆性及钢材脆韧转变的诸多影响因素进行了详尽剖析，继而对钢材脆性断裂的整个过程，包括其发生、发展直至断裂的机理，通过三点弯曲试验和低温冲击韧性试验进行了深入研究。实验结果揭示了钢材脆断与温度、厚度分布之间的规律性联系，并据此针对性地提出了有效预防冷脆危害的措施。

在钢结构中导致脆性断裂的两个关键因素是环境温度和钢材的厚度。随着温度的降低和厚度的增加，钢材的脆性会逐渐增强。本报告首先分析了低温下钢材脆性及其脆性-韧性转变过程的影响因素。随后，通过三点弯曲弯曲试验和低温冲击韧性试验，揭示了脆性断裂发生的机理。实验结果显示了脆性断裂随温度和厚度的分布规律。此外，报告还提出了预防低温下因脆性断裂造成的损害的若干措施。关键词：低温环境；钢结构；脆性断裂；预防措施。

钢结构属于建筑结构的一种类型。这种结构主要由钢板以及各种型钢等钢材（或主要由钢制材料构成）制作而成，包括柱子、梁、桁架等构件。它们通常在工厂里被加工成部件或构件，然后被运输到施工现场，通过焊接、螺栓（或高强螺栓）或铆钉的方式进行安装。与其他建筑材料相比，钢结构因其自身重量较轻、承载能力强、抗震效果出色、具有良好的延展性和可塑性、防水及密封性能良好、节能效果显著、能够跨越更长的空间距离、装配化程度高、整体结构性能优异，并且施工周期较短，因此在各种工业厂房、体育设施、多层建筑等工业和民用建筑领域得到了广泛的使用。

我国地域广阔，气候分区细致，涵盖了严寒地带，诸如黑龙江西北部、内蒙古东北部、新疆北部、西藏北部以及青海等地；还有寒冷地带，包括华北大部分、辽宁南部、陕西大部分、甘肃中东部等区域；以及夏热冬冷地带，如华南北部、四川盆地东部、贵州等地。冬季低温严寒区域分布广泛，随着社会的进步，钢结构在负温乃至极低温条件下应用日益增多，低温对钢结构的影响也逐渐凸显。自20世纪30年代起，全球范围内屡次出现因钢材在低温环境下发生脆性断裂的事故，这一现象促使人们逐渐意识到低温条件对钢材力学特性的显著影响。

1 钢材低温冷脆机理

钢材在低温条件下，其韧性会逐渐转变为脆性，并最终可能引发突如其来的断裂破坏。

钢材的诸多力学特性与温度波动密切相关。当钢结构遭受脆性断裂时，其名义应力值会随着温度的降低而减小；同时，钢材的塑性会减少，脆性则会增强。因此，钢结构的整体性能也会随之发生改变。一旦温度降至某一临界点以下，钢材的冲击韧性将迅速下降，从而引发脆性断裂的现象。

研究表明，具备面心立方晶格结构的奥氏体不会出现低温脆性现象；奥氏体向铁素体的转变过程是随着温度的下降而进行的；随后，会进一步形成由铁素体和渗碳体层片状分布构成的珠光体；而低温脆性现象通常在体心立方晶格结构的铁素体中发生。

低温脆性不仅与材料的结构、组成等因素相关，晶格的形态同样起着关键作用，具体来说：

从微观角度分析，晶体点阵中的位错运动受到的阻力对低温脆性产生显著影响，而钢材的屈服强度与这种阻力的增加呈现出正向关系。位错运动是导致钢材发生塑性变形的关键因素。对于对称性较低的金属，当温度下降时，位错运动的点阵阻力随之增大，这进而削弱了原子的热激活能力，导致材料的屈服强度升高。

从宏观角度分析，钢材的屈服和断裂现象与温度密切相关，特别是在对称度较低的金属中这一点尤为明显。一般情况下，钢材的断裂强度与温度呈现负相关趋势，而屈服强度则与温度呈正相关。在脆韧转变温度以下，钢材的屈服强度超过了断裂强度，导致在受力过程中，钢材在未发生屈服的情况下便发生了脆性断裂。

钢材脆韧转变的影响因素:

显微组织对材料性能的影响显著：晶粒尺寸与裂纹的形成存在一定联系；通过细化晶粒，材料的韧性得以增强，因为晶粒的细化使得基体的变形更加均匀；同时，裂纹的扩展也因晶界的增多而得到有效遏制；晶界面积较大，使得塑性变形导致的位错塞积现象减少，从而有效防止了裂纹的产生；因此，通过细化晶粒，可以显著提升钢材的强度、塑性和韧性。

化学成分对钢材性能的影响显著：用于提升钢材强度和硬度的合金元素或杂质，往往会导致其脆性增加，同时降低韧性和塑性。以锰、磷含量为例，其增加会使钢材的冷脆性显著增强；此外，碳含量的上升也会加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，从而进一步削弱钢材的塑性和抗冲击能力。

晶体结构的特性表现为：体心立方晶格对称性较低的钢材以及密排六方晶格的钢材，其转变温度相对较高，塑性表现不佳，更倾向于出现脆性断裂的现象。

温度对晶体内杂质原子的热激活扩散作用有显著影响，同时，钉扎位错原子的聚集形成了气团，这会降低钢材的塑性性能。

加载速度对效果的影响：提升加载速度的益处相当于降低材料温度，这会导致钢材的脆化点温度上升，同时塑性有所下降。

钢材的外形和尺寸对其性能有显著影响：随着温度的下降，钢材的强度会逐渐提升，但韧性则会相应减弱，并表现出低温冷脆的特性（如图1所示）。所谓的韧脆转变温度，是指钢材从延性破坏过渡到脆性破坏的最高温度。在实际应用中，我们会采取相应措施，确保钢材的最低使用温度超过韧脆转变温度的上限，以防止低温脆性破坏的发生。

2 脆性断裂的特征

为确保架构稳固，设计阶段需关注低温条件下结构力学特性的演变规律，钢材在脆性断裂时表现出以下特性：

脆性断裂所释放的应力水平显著小于该材料的屈服强度，此类现象通常被划分为低应力破坏类型。

(2)材料脆断温度常常与材料的韧脆转变温度接近;

(3)脆断发生没有征兆,开裂迅速;

(4)构件的应力集中位置是脆断发生的裂纹源。

通过实验室进行的试验，我们致力于研究钢材从脆性断裂的起始到最终断裂的整个过程及其内在机制。

2.1 实验一:三点弯曲试验

在选取钢材样本时，我们选择了由鞍钢生产的、在建筑领域普遍应用的Q235系列钢板。具体而言，我们选择了厚度分别为12毫米、24毫米、36毫米的三组试件进行试验（见图2）。

(2)试验方法

采用无水乙醇作为冷却媒介，液氮作为冷却剂。通过低温酒精温度计进行温度测量。将试件在冷却媒介中保持15分钟。测试的温度范围包括20摄氏度、0摄氏度、-20摄氏度、-40摄氏度和-60摄氏度。依据《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》GB/T2358-94标准，选用直三点弯曲试样的方式进行试验。

实验所用试件的横截面宽度为H等于两倍的厚度B，而厚度B则是试件的一个基本尺寸；其跨距长度L为8倍的厚度B。具体的试件加载情况，请参考图（图3）所示的示意图。

(3)试验结果

从常温条件出发，选取了五个不同的试验温度点，观察到在常温条件下，该钢材展现出优异的韧性，并未出现脆性断裂现象；然而，随着温度的逐渐下降，试件发生脆断的风险也随之上升（见图4）。

图4展示了钢材脆断的分布状况，其中发生脆断的试件所占比例以分数形式呈现（分母为总试件数，分子为脆断试件数）。提及此，我们便能在图中找到答案，解答文章开头提出的问题：在零下30度左右的温度下，钢结构的强度已受到显著影响。

2.2 实验二:低温冲击韧性试验

(1)钢材样本选用

本次试验选取了鞍钢生产的、在建筑领域普遍应用的Q235型钢板，其厚度范围在60至150毫米之间。在试验过程中，需对纵向冲击功进行测量并做好记录。此外，试件2（详见图5）的V型缺口应与钢材的轧制方向保持一致。

(2)试验方法

该实验所用的设备是ZBC3000摆锤式冲击试验机。冷却过程中，我们使用了酒精与液氮的混合液体作为冷却介质。待试样冷却至预定温度后，将其置于保温箱中继续保温一段时间。在冲击试验前，我们使用量程为-80至50℃，最小分度值为1℃的温度计进行计量。

(3)实验结果

冲击功与温度成正比关系，而钢材在低温下表现出脆性特征；冲击韧性则与板厚成反比，板厚越小，低温脆性现象越显著（见图6）。

冲击功与温度的关系曲线整体上呈现出S状，该曲线可以被分为三个区域：上平台、下平台以及温度转变区（详见图7）。韧脆转变的温度是通过计算最大和最小冲击功（分别对应上平台和下平台的能量）的算术平均值来确定的。

2.3 试验结果分析

实验结果表明，在仅考虑试样厚度与温度的条件下，其脆性破坏呈现出一定的规律性。

图4表明，所有发生脆性断裂的样品均集中在低温区域。由于试验条件所限，试验点分布较为分散，且过渡区域并不显著。在低温或厚度较大的情况下，钢材容易发生脆断现象[4]。

(2)脆断区域的边界较为规律, 为近似斜率为负的直线;

随着温度的下降，钢材的屈服强度和极限强度均有上升，同时其截面收缩率和伸长率也随之降低。

断口的形态会随着试验温度的降低而发生变化，那些表面带有金属光泽的、位于中心且平齐的结晶状断口区域会逐渐扩大，而那些没有金属光泽的纤维状断口区域则会逐渐缩小。同时，随着温度的降低，钢结构的韧性显著下降，脆性则相应增强。

随着温度的降低，钢材的冲击功值迅速减少，同时其冲击韧性也在逐渐减弱。

在温度保持一致的前提下，随着钢板厚度的增加以及从表面至中心的距离发生变化，其韧脆转变的温度将上升，同时冲击韧性会有所下降。

影响低温脆性的因素:

钢材的固有特性，包括其晶体构造、化学成分以及炼制工艺，对钢材的韧性及塑性有着决定性影响，同时也是导致钢材脆性断裂的关键因素。研究表明，碳含量较低的钢材在抵抗冷脆性方面，其性能不如低合金钢。

应力状态对钢构件的韧性及塑性产生显著影响。当构件处于双向或三向应力状态时，若发生破坏，则意味着局部应力高度集中的拉伸钢构件将面临双向及三向的拉伸应力。这种应力状态不仅会导致钢构件的破坏，而且会显著提高其发生脆性断裂的可能性。[7]

钢构件的结构形式，这一因素被视为脆性破坏的多种原因的汇总，它直接影响了构件的实际应力水平和工作状态；同时，构件的加工工艺和初始存在的缺陷也与这种结构形式密切相关。

3 避免钢结构低温冷脆现象的措施

3.1 钢材及钢构件选用时应考虑的因素

钢构件的厚度需严格控制，加工制作及安装过程中的温度与工艺条件亦需符合标准，同时，构件所采用的结构形式以及建筑或构件本身的重要性亦不容忽视。为了确保钢构件的可靠性，除了确保钢材的强度外，还需保证其具备优良的工作性能和工艺技术指标，如焊接性能、塑性变形能力，以及抵抗裂纹扩展、脆性断裂和疲劳破坏等特性。

3.2 选择钢构件结构型式应遵循的原则

板材厚度适中选取；应力集中现象力求降至最低（由加工技术及结构形式所导致）；应力集中区域内的局部塑性变形尽可能减少（焊接热影响所致）；保证构件组合截面的完整性。

随着厚度的不断上升，沿厚度方向的应力逐渐增加，导致该区域承受三向拉伸，并逐步转变为平面应变状态，从而提升了钢构件发生脆性断裂的风险；对于应力集中的钢构件，如低碳钢和低合金钢，其厚度不得超过40毫米[8]。

3.3 制作、加工和安装应考虑下列因素

在零度以下气温条件下进行钢结构焊接作业时，必须采取临时保温防护措施。焊接过程中需留意避免雨水或雪片落入焊缝。同时，应持续清除现场及钢构件上的冰雪，并采取防滑措施；在负温环境下进行放样时，需考虑到钢材的收缩特性，因此钢结构切割和刨铣的尺寸应预留至少2毫米的收缩余量。

在作业地点，若温度降至-15°C以下（针对低合金结构钢）或-20°C以下（针对普通碳素结构钢），则冲压和剪切操作被严格禁止；而在工作地点，当温度降至-20°C以下（针对低合金结构钢）或-16°C以下（针对普通碳素结构钢），冷弯曲和矫正作业亦不得进行。

构件组装需按照工艺流程自内而外依次进行。在零度以下的环境中进行组装时，焊接缝的收缩值需特别考量。在常温条件下组装，点焊缝的长度应为50毫米一道，而当温度降至零下时，焊缝长度需增加至原来的两倍。对于厚度超过9毫米的钢板，组装时应自上而下分层焊接，且每条焊缝应一次性完成，以避免温度过低，若需再次焊接，则必须先进行热处理，消除焊缝中的缺陷后才能继续焊接。在低温条件下焊接厚板或管材时，必须进行预热处理。对于通常使用中等热输入进行焊接的常规结构钢材，其预热温度必须符合相关规范[9]的规定。

焊条在使用前需依照规定流程进行烘烤处理；烘烤完成后，应将其存放在恒温箱中（温度控制在80-100℃之间），以便随时取用。暴露在外的焊条其存放时间不得超过2小时（若超过则需重新烘烤），同时焊条的烘烤次数不宜超过三次。焊接作业宜尽量选择在白天进行，对于二级焊缝的焊接，最佳时间窗口为上午9点至下午4点。

二氧化碳气体用于气体保护焊，其含水量需严格控制在0.005%以下（以重量比计），纯度则不能低于99.5%（以体积比计）。瓶装二氧化碳气体的瓶内压力不得小于1N/mm2。在零度温度下使用时，需检查瓶嘴是否因冻结而出现堵塞。当作业温度低于零下五度时，应使用石棉布对气瓶进行保温处理。

在温度高于0℃的情况下，电渣焊与气电立焊无需进行预热处理；然而，当板材厚度超过60毫米时，必须对引弧区域的母材进行预热，且预热温度不得低于50℃。

焊接前的预热及焊缝温度的维持需遵循以下规定：应使用火焰、电或红外线进行预热，并同步使用专业温度计进行温度监测；预热应覆盖焊缝坡口两侧，预热区域的宽度应为焊件焊接处板厚的两倍，且不得少于100毫米；在焊件受热面的对面进行预热温度的测量，测量点需位于距离电弧即将经过的焊接点各方向至少75毫米的位置；预热结束后，正面温度的测量应立即进行。

在操作过程中，钢材应避免过度硬化，并防止出现擦痕、裂纹等瑕疵，这样才能防止因冷加工而产生的冷变形问题。

在焊接构件过程中，务必去除焊接不牢固等焊缝瑕疵；同时，需消除焊件中残留的显著热塑性变形以及焊接内应力；特别是当焊接结构的板材厚度超过25毫米时，若冷却速度过快，则焊后容易出现裂纹，导致结构脆性断裂。因此，在焊接过程中，必须采取适当的预热措施，确保焊缝能够缓慢冷却，以此有效避免断裂问题的发生。

收缩力的限制可能导致冷却过程中焊缝产生裂缝，故此，需在两钢板间放置软钢丝以预留适当空隙，确保焊缝得以自由收缩，从而防止裂缝的形成。此外，将角焊缝设计成凹形，以减少应力集中。然而，成品凹形缝的表面会承受较大的收缩拉应力，尤其是在45°角的截面处，焊缝厚度较薄，更容易出现开裂现象。凸形缝的表面所承受的收缩拉应力并不显著，同时，45°角的设置能够有效加强截面的结构强度，使得焊接完成后的产品不易出现裂缝。若将原本的凹状焊缝改为凸状焊缝，则可以显著降低开裂的风险。

钢构件外形尺寸的急剧变化常导致局部应力增大，这种应力集中容易引发极其危险的脆性断裂。焊接过程中，也容易产生对构件不利的残余拉应力。因此，为防止脆断，应尽量避免焊缝过于密集以及截面发生突变。

采用具有良好韧性的钢材能够有效避免脆性断裂的发生。材料在断裂过程中所吸收的能量与温度呈现高度相关性。这些能量可被划分为弹性、塑性和弹塑性三个不同的区域。为了防止发生完全脆性的断裂，必须确保钢材的韧性超越其弹性。

焊缝交汇处的结构裂缝或未完全熔接的焊缝，往往是构造局部脆性断裂的导火索。构造焊缝可以类比为细长的裂缝，它会导致较高的残余拉应力，使得邻近金属在热塑性变形过程中产生时效硬化，进而导致钢材的脆性提升。因此，出于安全考虑，在设计阶段需充分考虑低温地区钢结构的施工条件，确保能够方便地进行焊接并确保构造细节部分得到充分熔接。

3.4 降低应力集中法

对构件的应力分布进行优化，以减少应力集中现象；通过调整结构形式，降低构件的韧脆转变温度，防止出现脆性裂缝。

3.5 晶粒度的影响

钢的韧性会随着晶粒尺寸的减小而提升，同时韧脆转变的温度也会相应降低；晶粒越细小，钢中的滑移线长度越短，由此产生的滑移面裂纹也越小；应力集中程度降低，裂纹扩展的难度增加，进而显著增强了钢材的韧性。

4 总结

钢材的弯曲试验揭示了其脆性随温度下降和厚度增长而提升的现象，尤其在严寒环境中，钢材在低温下的特性发生显著变化，脆性的增强容易引发钢材的脆性断裂，给工程实践带来了诸多不便。实验与研究发现，脆性断裂最常在韧脆转变温度范围内发生。在这个范围内，钢材的某些韧性参数会因温度波动而出现显著变化。在生产操作过程中，必须事先评估温度变化带来的影响，并实施相应的防范策略。