寒冷地区低温环境下钢结构冷脆危害及强度影响研究

寒冷地区低温环境下钢结构脆性断裂危害研究。

今天浏览网站时，发现有人在问：“钢结构的强度低于零到什么程度才会受到影响？”现在我们来研究一下这个问题。钢结构在低温环境下强度明显下降，实际上是冷脆性和脆性断裂的发生。钢结构脆性断裂的两个关键因素是环境温度和钢材厚度。随着温度下降，厚度增加，钢材也变脆。本文首先分析了钢的低温脆性和脆塑转变的影响因素，然后利用三点弯曲试验和低温冲击韧性试验分析了钢的脆性断裂从发生、发展到断裂的机理。 。实验验证了钢材脆性断裂、温度和厚度的分布规律，并提出了预防冷脆危害的针对性方法。

引起钢结构脆性断裂的两个极其重要的因素是环境温度和钢材厚度。随着温度下降和厚度增加，钢变得更脆。本报告首先分析了低温脆性的影响因素以及钢的脆塑转变过程。然后利用三点弯曲弯曲试验和低温冲击韧性试验推导了脆性断裂发生的机理。实验显示了脆性断裂随温度和厚度的分布模式。此外，还提出了防止低温脆性破坏的若干措施。关键词：低温环境；钢结构；脆性断裂；预防措施。

钢结构是建筑结构类型之一。主要由钢板和各类钢材（或以钢材为主）制成的柱、梁、桁架等构件组成。通常在工厂内制成构件或部件，然后采用焊接、螺栓（或高强度螺栓）或铆钉安装的方式运输到现场。与其他材料的结构相比，钢结构重量更轻，强度更高，抗震性能优越，韧性和塑性好，水密性和气密性更好，节能效果好，可以跨越更大的跨度，工厂组装。以其精度高、结构性能优良、工期短等特点，被广泛应用于各类工厂、体育场馆、高层建筑等工业与民用建筑领域。

我国幅员辽阔，分为严寒地区（包括黑龙江省西北部、内蒙古自治区东北部、新疆北部、西藏北部、青海等地区）、寒冷地区（包括华北大部、辽宁南部、陕西大部分地区）。 、甘肃中东部等地区）、夏热冬冷地区（包括华南北部、四川盆地东部、贵州等地区）、气温较低、冬季严寒地区分布广泛。随着社会的发展，钢结构在负温甚至极低温环境下使用。低温作业越来越普遍，低温对钢结构的影响也逐渐显现。自20世纪30年代以来，世界上发生了多起钢构件因低温而脆化、断裂的事故。人们逐渐认识到低温对钢结构力学性能的影响。

1 钢的低温冷脆性机理

钢的低温冷脆性是指钢在低温下由韧性转变为脆性直至突然失效的现象。

钢的许多机械性能与温度的变化直接相关。钢结构发生脆性破坏时的名义应力随着温度的降低而降低。钢的塑性下降，脆性增加。钢结构的性能也随之发生变化。当温度低于某一临界值时，钢的冲击韧性显着下降。速度快，导致脆性断裂[1]。

研究表明，具有面心立方晶格结构的奥氏体不会产生低温脆性。随着温度的降低，奥氏体向铁素体转变，并进一步形成片状分布的铁素体和渗碳体。对于珠光体来说，低温脆性常发生在体心立方晶格的铁素体中。

低温脆性不仅取决于材料的结构和成分，还取决于晶格的类型。具体解释是：

(1)从微观角度看，位错在晶格中移动时遇到的阻力影响低温脆性。钢材的屈服强度与电阻的增加呈正相关。位错运动是钢塑性变形的主要原因。对于对称性较低的金属，随着温度降低，位错运动的晶格阻力增大，从而降低原子的热激活能力，提高材料的屈服强度。

(2)从宏观上看，钢的屈服和断裂与温度有关，特别是对称性较低的金属。一般情况下，钢材的断裂强度与温度呈负相关，屈服强度与温度呈正相关。在脆塑转变温度以下，钢的屈服强度大于断裂强度，受力时钢会在屈服前发生脆性断裂[2]。

影响钢脆塑转变的因素：

(1)显微组织的影响：晶粒尺寸与裂纹的产生存在一定的相关性。通过细化晶粒使基体变形更加均匀，提高材料的韧性，并通过晶界数量的增加有效控制裂纹的扩展。块状，晶界面积大，使塑性变形引起的位错积累不会很大，可以防止裂纹的产生，并能通过细化晶粒来提高钢的强度、塑性和韧性；

(2)化学成分的影响：为提高钢的强度和硬度而使用的合金元素或杂质，会增强钢的脆性，使韧性和塑性变差。例如，钢的冷脆性会随着锰、磷含量的增加而显着增加。另外，随着含碳量的增加，钢的时效敏感性和冷脆性也会增加，从而降低钢的塑性和抗冲击性能；

(3)晶体结构的影响：对称性低的体心立方和密排六方钢，转变温度较高，塑性较差，表现出脆性断裂倾向；

(4)温度的影响：温度会影响晶体中杂质原子的热激活扩散过程，位错原子空气团的钉扎降低了钢的塑性；

(5)加载速度的影响：提高加载速度的效果相当于降低材料的温度。提高钢材的脆化温度，降低塑性；

（6）钢材形状和尺寸的影响：钢材的强度随温度降低而增加，韧性下降，在低温下会出现冷脆现象（见图1）。韧脆转变温度是钢从延性破坏演变为脆性破坏的上限温度。实践中会采取措施使钢材的最低允许工作温度高于韧脆转变温度的上限，以避免低温脆性破坏。

2 脆性断裂特征

为了保证结构的安全，设计时必须考虑结构在低温下力学性能的变化。钢材的脆性断裂具有以下特点：

(1)脆性断裂时产生的应力会远低于材料的屈服极限，通常属于低应力破坏范畴；

(2)材料的脆性断裂温度往往接近材料的韧脆转变温度；

(3)毫无预兆地发生脆性断裂，并迅速开裂；

(4)构件的应力集中位置是引起脆性断裂的裂纹源。

我们通过室内实验来探索钢材脆性断裂从发生、发展到断裂的机理。

2.1 实验一：三点弯曲试验

(1)钢样的选取。试验选用目前建筑行业广泛使用的鞍山钢铁股份有限公司生产的Q235系列钢板。我们选择了三组厚度分别为12、24和36毫米的试件1（见图2）进行测试。

(2)测试方法

采用无水乙醇作为冷却介质，冷却液为液氮。使用低温酒精温度计测量体温。将样品在冷却介质中保存 15 分钟。测试的温度点为20℃、0℃、-20℃、-40℃和-60℃。根据《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》GB/T2358-94，采用直三点弯曲试件进行试验。

实验试件宽度为：H=2B，B—试件厚度，跨矩为：L=8B。试件加载示意图如图（图3）。

(3)测试结果

从室温开始，选择了五个测试温度。该钢在室温下具有良好的韧性，未发生脆性破坏。随着温度降低，试件发生脆性断裂的可能性增加（见图4）。

图4揭示了钢中脆性断裂的分布。发生脆性断裂的试样的比例以分数表示（分母代表试样总数，分子代表发生脆性断裂的试样数量）。此时，我们从图中可以看出，钢结构的强度在负30度左右受到影响。

2.2实验2：低温冲击韧性试验

(1)钢样选取

试验选用鞍山钢铁有限公司生产的目前广泛应用于建筑行业的Q235系列钢板，厚度为60~150毫米。试验应测量并记录纵向冲击能量。试件2的V形缺口方向（见图5）与钢材的轧制方向一致。

(2)测试方法

实验设备采用ZBC3000摆锤冲击试验机。使用酒精和液氮的混合物作为冷却介质。将样品冷却至规定温度并在恒温箱中冷却保存一段时间后，进行冲击试验。测量工具采用温度计（范围：-80~50℃，最小分度值：1℃）[3]。

(3)实验结果

冲击功的值与温度呈正相关，钢材有明显的低温脆性；冲击韧性与板厚呈负相关。板厚越低，低温脆性越明显（见图6）。

冲击能量-温度曲线一般呈S形，图形分为上下平台和转变温度区三部分（见图7）。韧脆转变温度是最大和最小冲击能量（上下平台能量）的算术平均值。

2.3 测试结果分析

实验表明，当仅考虑厚度和温度时，样品的脆性破坏遵循一定的规律。

(1) 由图4可知，发生脆性断裂的试件均位于温度较低的区域。受测试条件限制，测试点分布离散，过渡区不明显。钢材在温度较低或厚度较厚时发生脆性断裂[4]；

(2)脆性断裂区域边界较为规则，近似为负斜率直线；

(3)随着温度降低，钢材的屈服强度和极限强度增加，断面收缩率和伸长率相应减小；

(4)随着试验温度的降低，断口形状发生变化。有金属光泽的晶状断口（位于中心，齐平）面积逐渐增大，无金属光泽的纤维状断口面积逐渐减小。随着温度的降低，钢结构的韧性显着下降，钢结构的脆性增大[5]；

(5)钢的冲击功值随温度降低而迅速降低，冲击韧性减弱；

(6)相同温度下，随着钢板厚度的增加和表面到中心距离的变化，韧脆转变温度升高，冲击韧性减弱。

影响低温脆性的因素：

(1)钢的性能，钢的晶体结构、化学成分和冶炼方法决定钢的韧性和塑性，也是钢发生脆性破坏的主要因素。研究表明，含碳量较低的钢的冷脆性能比低合金钢低[6]；

(2)应激状态。应力状态对钢构件的韧性和塑性影响很大。构件在双向或三向应力状态下的破坏表明局部高应力集中的受拉钢构件将出现双向和三向拉应力状态。这种状态使钢构件受到破坏，增加了钢构件脆性断裂的概率[7]；

(3)结构形式。钢构件的结构形式（认为是脆性破坏的综合因素）决定了构件的实际受力和工作状态。构件加工工艺和初始缺陷也与结构形式有关。

3 避免钢结构低温冷脆的措施

3.1 选择钢材和钢构件时应考虑的因素

钢材的厚度、钢构件加工和安装的温度和工艺条件、钢构件的结构类型以及建筑物或构件的重要性。为了提高钢构件的可靠性，除保证钢材的强度外，还应保证良好的工作和工艺技术指标（焊接性、塑性和抗裂纹扩展、脆性断裂、疲劳等）。

3.2 选择钢构件结构型式时应遵循的原则

钢材选用较薄的板材；最大限度地减少应力集中（由加工工艺和结构类型引起的）；最大限度地减少应力集中区域的局部塑性变形（由焊接热影响引起）；确保完整的组件组合部分。

随着厚度的增加，沿厚度方向的应力逐渐增大，导致该位置在三个方向上被拉伸，并逐渐演化为平面应变状态。钢构件发生脆性断裂的可能性增加。对于应力集中的钢构件（低碳钢和低合金钢），其厚度不应大于40mm[8]。

3.3 生产、加工和安装时应考虑以下因素

在零下温度下焊接钢结构时，应采取临时热防护措施。焊接时应防止雨雪落在焊缝上。随时清理现场及钢构件上的冰雪，并注意防滑保护措施；负温放样时应考虑钢材的收缩，钢结构切割刨削尺寸应预先设定收缩间隙不小于2毫米。

工作场所温度低于-15℃（低合金结构钢）或-20℃（普通碳素结构钢）时不允许进行冲剪作业，工作场所温度低于-20℃时不允许进行冲剪作业（低合金结构钢）或——16°时不允许冷弯和校正（普通碳素结构钢）；

部件的组装是按照工艺从内到外进行的。当温度低于零时，必须考虑焊缝的收缩值。常温组装时，点焊缝为50毫米，零度以下时焊缝加倍。 9毫米（厚度）以上钢板应自上而下分层堆焊。应一次焊接一根焊缝，以防止温度降得太低。继续焊接前应先进行热处理，消除焊接缺陷。厚板（管）零温焊接时应预热。对于常用的中等热输入焊接结构钢，预热温度应满足规范要求[9]。

碱性焊条使用前必须按工艺要求进行烘烤；干燥后，必须将其放入保温箱（80-100°C）中以备使用。裸露的焊条不得超过2小时（否则需重新烘烤），焊条烘烤不得超过3次。焊接尽量安排在白天进行，二次焊接最好安排在上午9点到下午4点之间。

二氧化碳（气体保护焊用），水分含量不允许超过0.005%（重量比），纯度不低于99.5%（体积比）。使用瓶装气体时瓶内压力不得低于1N/mm 2 。零温使用时，应检查瓶口是否因冻结而堵塞。在-5摄氏度以下运行时，应使用石棉布对气瓶进行保温。

0℃以上电渣焊和气电立焊无需预热；当板厚大于60mm时，引弧区母材应预热，且不低于50°。

预热方法和焊缝温度控制应符合下列要求：采用火焰、电或红外加热方法进行焊前预热并保持道间温度，同时用专用温度计测量温度；对焊缝坡口两侧实施预热（预热区宽度为焊板厚度的一倍半且不小于100mm）；在与焊件加热面相对的一侧测量预热温度，测点应不小于75mm（中（电弧通过前距焊点的各个方向）；正面测温应预热停止后进行。

钢材在操作过程中不得过度硬化而产生划伤、裂纹等缺陷，避免钢材冷加工造成冷变形。

焊接构件时，应消除未焊透等焊接缺陷；应消除焊件中残留的大的热塑性变形和焊接内应力；当焊接结构板厚大于25毫米时，如果冷却太快，可能会在焊接过程中造成损坏。随后出现裂纹并发生脆性断裂。鉴于此，焊接时应采取预热措施，使焊缝缓慢冷却，从而解决断裂问题。

由于收缩的限制，焊缝在冷却过程中可能会出现裂纹。因此，在两块钢板之间放置一根软钢丝，留出足够的间隙，以便焊缝容易收缩，避免产生裂纹。将角焊缝做成凹形，以减少应力集中。成品凹缝表面存在较大的收缩和拉应力，且45°角截面焊缝厚度最小，极易导致开裂。凸缝表面的收缩和拉应力不大，45°角可以强化截面，焊后不易开裂。通过将凹焊缝改为凸焊缝，可以有效避免裂纹。

应力集中往往是钢构件外部尺寸突然变化引起的局部应力增大，很容易导致最危险的脆性破坏。焊接过程还很容易形成对部件有害的残余拉应力。因此，避免焊缝过度集中和截面突然变化有助于防止脆性断裂。

选择韧性好的钢材可以防止脆性断裂。材料断裂吸收的能量与温度有着密切的关系。吸收的能量根据弹性、塑性和弹塑性分为三个区域。为了避免完全脆性突然断裂，要求钢材的韧性大于弹性。

与焊缝相交的结构上的间隙或不完整焊缝是结构细节脆性断裂的原因。结构焊缝可以比作拉长的裂纹。焊缝会产生高残余拉应力，并导致附近金属发生热塑性变形。发生时效硬化并且钢的脆性增加。出于安全考虑，设计时必须考虑低温地区钢结构的施工环境，确保结构细节易于焊接和穿透。

3.4 应力集中降低法

调整构件的应力状态，减少应力集中；改变结构型式，降低构件的韧脆转变温度，避免构件出现脆性裂纹；

3.5 晶粒尺寸的影响

钢的韧性随晶粒变细而增加，韧脆转变温度也降低；钢中晶粒越小，滑移线越短，滑移面上产生的裂纹越小，应力集中也越小。裂纹不太可能扩展，从而提高钢的韧性。

4 总结

钢材的三点弯曲试验表明，钢材的脆性随着温度的降低和厚度的增加而增加。在寒冷条件下，钢的低温性能变化很大。脆性的增加导致钢材突然发生脆性断裂，给实际工程应用带来很多麻烦。实验和研究结果表明，脆性断裂最容易发生在韧脆转变温度范围内。在此范围内，钢的一些韧性指标会随着温度的变化而发生突变。在实际生产操作中，应提前判断温度的影响，并采取有效的预防措施。

参考：

[1]王子玉.结构钢低温冷脆及断裂机理综述[J].科技情报，2010，18：166。

[2] 裴家明，谢健．超低温环境下钢材力学性能研究[R].第二十届全国结构工程学术会议论文集（第一卷），2011：383-386。

[3]苏仁泉，王万珍。高强钢缺口板低温断裂试验[J].低温工程，2011，5：23-26。

[4] 雷伟胜，杨庆祥，姚梅。结构钢冷脆性解理特征应力理论——Ⅰ解理特征应力概念及结构钢解理断裂行为分析[J].钢铁研究学报，1997，3：32-36。

[5]张玉玲，潘继彦．低温对钢及其成分性能影响的研究综述[J].中国铁道科学，2003，24(2)：89-96。

[6]叶伟江，张友玉。金属低温韧性影响因素浅析[J].天然气和石油，1997 年，1：32-36。

[7] 舒德林主编.金属力学性能[M]．北京：机械工业出版社，1990．

[8]刘曲，刘仲明，刘映雪。钢结构脆性断裂引起的工程危害及防治[J].低温建筑技术，1999，1：74-75。

[9] GB/T 2358-94，金属材料裂纹尖端张开位移试验方法[S]。

关键词：钢材性能、化学成分、机械性能、机械性能、物理性能、结构钢、钢结构、冷脆、开裂、裂纹、断裂、低温环境、脆性断裂、碳钢