起重机钢结构脆性破坏的控制与预防

　　1起重机钢结构是承受动力载荷的构件，其特殊性要求在钢结构设计中必须考虑如何避免结构的脆性破坏。因为脆性破坏是在没有过载而通常是在安全载荷下发生的，甚至是在应力水平很低的情况下发生的，其发生是突如其来的，损失也是灾难性的。避免和预防脆性破坏首先要完善设计，做到合理选材，并在结构设计中做到设计合理，避免造成应力集中而产生裂纹。制造过程中的电弧擦伤、焊接裂纹、有损伤的冲孔、剪切边缘等也可能会造成裂纹的产生和扩散，亦应予以控制。

　　结构设计的刚度和强度严重不足时，会造成结构的迅速破坏，这在钢结构设计中是首先应考虑的。不合理地选用高强度、高性能的钢材，涉及到采购费用的增加，选用不合适的钢材则会造成严重的事故。通常情况下，应力类型、结构自重载荷所占的比例，加载速度及大小、板材厚度、环境温度是选择钢材抗冲击级别的主要决定因素。

　　2钢结构材料选用注意事项2.1应力类型及大小对选材的影响钢结构所受载荷在不同的部位应力状态是不同的，载荷应力状态对结构脆性破坏的影响和敏感度是*重要的。对选材而言，简单的静载拉、压应力和2向、3向应力状态有较大区别。而疲劳载荷应力循环特性如脉动循环、对称循环等和应力幅的不同，对结构材料的选择所起的作用更为重要。另外，因焊接等产生的残余应力、结构自重载荷引起的应力大小、结构构造设计及应力集中情况等对结构材料选择的影响也有很大作用。通常，结构受力复杂，应力集中情况严重，则材料选择一般要考虑选择抗疲劳、对应力集中不太敏感的材料。

　　对于给定的材料，当它处在低于破坏转化温度时，可以找到1个应力值，在此应力值下，脆性破坏不会进行扩展。尽管应力值增大，脆性破坏的可能性也增大，但是几乎不存在1个不会导致发生脆性破坏扩展的*低应力值。对于脆性破坏而言，材料的冲击韧性和使用环境温度比应力值的大小要重要。若应力值取的过低，对于结构设计的尺寸和重量都有较大影响，也是极不经济的。因此在保证实际结构刚度和强度（当然包括动刚度和疲劳强度，这里所述实际结构，特指要考虑结构初始缺陷）的前提下，材料的冲击韧性和使用环境温度是选材的主要依据。

　　2.2板材厚度对选材的影响钢材在不同尺寸时的承载能力也不同。厚度较大的板材其转化温度也较高，之所以这样，是因为成品状态下其金相组织较为不利。厚板的金相组织及屈服强度和冲击功总是随板厚的增加而降低，同时板材厚度越大，其应力集中情况也越严重。

　　通常标准中给出的是标准试样在一定热处理状态和指定温度条件下的力学性能，不能简单地用于选材和验算。有的材料在标准中给出了不同厚度时《起重运输机械》2004 （8）的力学性能，可按此条件下的力学性能值做分析计算。否则可与供应商索取有关数据，必要时，要补做试验取得相关数据。

　　FEM标准中给出了板材厚度对脆性断裂影响的估算公式，可参照使用。

　　一般，板厚小于12 mm的板材无论是沸腾钢还是半镇静钢，其冲击功都不会存在什么问题， 14～24 mm的板材应注意，而大于26 mm的板材其冲击功值较低，选材要特别谨慎，可能的话尽量不用。

　　2.3环境温度对选材的影响环境温度对钢材承载能力的影响很大。在不同环境温度条件下钢材的冲击（功）韧性值的大小也不同。在指定的环境温度条件下，起重机钢结构所用钢材的冲击功必须大于某数值，否则有可能导致结构的脆性断裂。

　　结构的脆性断裂也有可能在中、低应力值作用下发生。而因选材不合理，钢材的转化温度低于环境温度时发生脆性断裂的概率往往较大。

　　转化温度是试件或结构由通常希望的塑性行为转变为脆性行为的温度。转化温度分为2类，**类主要取决于裂缝产生前和裂缝开始扩展是塑性形变的量，与缺口处金属的塑性相关第二类主要取决于裂缝的广泛扩展，用来衡量破坏外形的转变。

　　在弹性范围内的疲劳载荷，如果在循环载荷的作用下没有形成疲劳裂纹，则其对转化温度的影响很小。而当形成疲劳裂纹，由于尖锐裂纹所起的不利应力状态，会提高塑性转化温度。这一点在断裂力学有关论述中可以得到验证。

　　（1）塑性转化温度这种温度主要与裂纹的产生有关，在此温度以上，只有当缺口根部产生塑性流动后才会产生脆性裂缝。而在此温度以下，在不明显的缺口塑性时，就会产生脆性破坏。

　　（2）破坏外形转化温度这种与裂缝的扩展相联系，它代表了由纤维状的剪切破坏向明显的结晶状破坏或劈裂破坏的转变。高于破坏外形转化温度时，不会发生劈裂类破坏。破坏外形转化温度的真正意义，是指在此温度以下，钢结构存在突然破坏的可能性。

　　通常破坏外形转化温度总是高于塑性转化温度。在某种试验条件下，这2种转化温度可能发生在同一温度下，但破坏外形转化温度绝不会低于塑性转化温度。

　　当钢结构使用环境温度低于破坏外形转化温度时，结构存在着较大的突然破坏（脆性断裂）的可能性，只要钢结构使用环境温度高于塑性转化温度，结构产生破坏前，必然在初始裂纹处产生局部变形，这些塑性变形是吸收能量的。但钢结构使用环境温度低于塑性转化温度时，要产生脆性破坏，只要很小的局部变形就足够了。而此时当脆性破坏一经发生，结构便以极快的速度扩展开来，导致整个钢结构的完全失效。

　　当然，破坏外形转化温度和塑性转化温度的获得需要大量的试验工作，我国国内这方面的工作尚未有更多的资料提供。可以从不同类型钢材在不同温度条件下的冲击功值考虑，在相应的环境温度条件下选择钢材种类。

　　3钢结构设计中应注意的事项通常，设计依据的理论基础是材料在弹性条件下承载，假定为连续应力，在存在应力集中的部位考虑裕度（应力集中系数），同时对材料的屈服应力按一定的安全系数折减控制静强度。在承受循环载荷时，在循环特性条件下其*大应力与*小应力的关系，按照具体构造对应的应力集中系数验算疲劳寿命。再以刚度值作标准控制结构的静、动刚度，以控制结构变形及振动频率和幅度。

　　钢结构中应力集中处的真实情况往往难以搞清。过去可以利用光弹性试验等手段研究局部结构的应力分布，现在则采用有限元分析软件定量分析应力集中处的应力分布及大小。这样便可通过改变局部的构造设计降低应力集中的程度。

　　结构设计的合理性对于防止脆性破坏能起到非常显著的效果，好的结构构造设计会使其应力集中情况大为改观，从而在更大的程度上控制疲劳初始裂纹产生的根源。

　　但是对于结构设计而言，首先要搞清楚其*低工作环境温度，尤其在考虑预防脆性破坏时更应如此。因此北方地区室外用钢结构就存在选材问题，采用低碳沸腾钢和半镇静钢，尤其是厚度大于10～12 mm板材存在较大的脆性破坏可能性。厚度大于10～12 mm的板材应选择镇静钢，厚度大于20～24 mm的板材则应选择细晶粒镇静钢。工作环境温度越低，选材越应严格。

　　《起重运输机械》2004 （8）另外，在设计上应尽量避免结构尺寸的突变，不同厚度钢板对接的处理就是一个重要问题。设计规范之所以对其做出规定，就是控制联接处的尺寸突变。中、薄板结构的压折翻边要留有足够的弯曲半径。

　　现代设计的钢结构脆性破坏大多情况与设计环节中焊接问题有关。从焊缝附近的热影响区疲劳初始裂纹开始扩展引起结构破坏以及脆性破坏的情况较为普遍，因此焊接材料的选择、焊缝形式、焊接工艺参数的确定都是应认真考虑的重要问题。钢材的可焊性、焊条或焊丝的牌号对结构的承载尤其是在疲劳载荷作用下能否预防裂纹的产生起着决定性作用，而施焊电流、焊前预热温度等工艺参数对预防裂纹的产生则起着更重要的影响作用。

　　一般情况下，采用对接焊缝比采用搭接焊缝好，因为采用搭接焊缝必然存在偏心和应力集中，采用间断焊缝虽对结构变形影响较小，但由于外露的弧坑很多，而弧坑是焊缝中*易产生裂纹的地方，所以要引起重视。另外要避免焊缝交叉，板材拼接必须交叉时，应避免出现十字交叉，改用T型交叉，对杆件在空间交叉时，可通过设置过渡连接件把焊缝分开。对2向和3向拉伸的结构设计尤其要避免焊缝的积聚和交叉。

　　在指定的材料和使用条件下，合理的结构设计尤其是局部构造设计是经济的预防措施。

　　4制造环节中应注意的事项脆性破坏是从一处或几处裂纹的产生开始的，因此制造过程中的电弧擦伤、焊接裂纹、冲孔、剪切边缘等都可能会造成裂纹的产生和扩散。而从焊缝附近的热影响区疲劳初始裂纹开始扩展引起的情况则更为普遍，因此焊接工艺参数的确定和工艺过程的控制及其施工质量的检验和控制是至关重要的。实践证明，焊前预热对结构抗疲劳裂纹的效果非常显著，对于室外的厚板焊接尤其要采用焊前预热工艺。

　　剪切下料对结构脆性破坏的影响已有试验验证，在试验中，在较低的应力水平下就产生了裂纹和破坏。刨边加工若切削量过大会产生类似于剪切的情况，除非在焊接过程中，剪切边缘得到重新熔化，否则产生裂纹的可能性很大。

　　有时为了解决板材的波浪变形或调整起重机桥架拱度，采用火焰加热的办法，通常的加热温度都高于370℃，此时如果环境温度较低，会使金属局部区域冷却过快产生不好影响。

　　残余应力对钢结构脆性破坏的影响很大，有时残余应力会达到屈服极限，因此消除残余应力是非常必要的，而时效对于残余应力的释放起到了一定的作用。尺寸不大的重要构件、板厚较大、含碳量、合金含量较高的构件可以采用退火等热处理工艺措施来消除残余应力，此时热影响区金属的塑性和韧性有所改善，溶解在金属中的氢将有更多的机会逸散，而尺寸庞大的构件采取任何时效处理几乎都是不现实的，所以采用焊前局部加热可以较好的解决残余应力无法消除的问题。通过采用振动的办法消除残余应力有一定的作用，但效果不太显著，也没有具体效果的验证。

　　5结束语在结构设计中，一定要根据结构的应力特点、板材厚度和环境温度来选择满足设计要求的钢材品种。1998版的FEM《欧洲起重机设计规范》中有详细的叙述，可按其制定的方法进行校核、计算。

　　从另一个角度分析，实际上是与材料在一定温度条件下的冲击韧性相关，材料的冲击韧性越好，其允许的工作环境温度也越低，但实际的对应关系还需做很多工作。

　　由于现代钢铁工业的不断发展和人们对钢结构设计认识的不断提高，应该说近期起重机钢结构发生脆性破坏的实例并不多，但这不说明这一问题已经解决。正是由于钢结构发生脆性破坏带来的后果非常严重，所以更应该将脆性破坏的预防纳入设计管理中的一个重要的环节给予足够的重视。