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低温用钢铁材料
发布时间：2007-09-19
发布者：孟武功
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　　最近看到一些同行在谈及紧固件用于低环境温度下的一些话题，我想现在就些我所了解的一些资料谈一点我的看法，普通用途钢材是不适合于低温环境下使用的，更不可能用于超低温下，这些材料一旦到了超低温下就象北方冬天房檐上挂的冰坠一样脆，钢在低温的某个温度段时它的抗拉及抗冲击能力会突然下降，把这个温度叫作“低温转变温度”，使用某种材料时必须知道它的转变温度，使用环境温度不可以低于此温度，钢在温度的的形态比较复杂，对此有许多专门的论著，下面提供一张选自机械工程手册的部分常见材料的使用温度范围，以及一些资料中介绍的因材料用于不适合的低温而造成的著名事故例证，望能给大家起到一定的帮助作用。
 
各种构筑物由于温度降低所引起的若干事故和破坏的事例
    
　　近15-20年来，在许多的国家中都发生过谷种建筑物由于温度降低而引赳的严重破坏事故。以下引述—些足以说明破坏事故发生条件的资料，并研讨引起这些破坏原因的若干分析结果。
 桥梁事故
　　 横跨比利时间尔伯特运河的桥梁破坏事故桥在哈塞尔特，建于1935年，于1938年3月14日在严寒气候下破坏。目击者曾听到类似枪炮的响声，过了几分钟以后，桥便断成三段，堕入河中(图1)。
  
                跨越哈塞尔特（比利时）的阿尔伯特运河的桥，于1938年3月14日发生脆性破坏（该桥建于1936年）
　　两年以后，于1940年1月19日，又有第二座桥在-14°温度下发生局部破坏。该桥建于1937年，是横跨格兰它境内的阿尔伯特运河的。在桥架的下弦上曾发现有长达150毫米的裂缝(从焊接接头处开始裂开)。过了几天以后，于1940年1月25曰，横跨加里境内的上述同一条运河的桥又发生局部破坏。这一座桥建于1935年。在破坏的时候温度降低到-14°。在桥架的上弦上曾发现有六条大裂缝。
　　在1947—1950年间，在比利时还有14起桥梁构件脆性破坏事故。同时，其中有六起是在低温时发生的。
　　在比利时的桥梁事故引起了广大工程界的注意。他们曾进行过全面的分析研究，以查明发生这些事故的原因。
　　根据所得到的研究结果，做出了下列主要结论：
   1、在大多数所研究过的破坏事件中，都是在桥柱与下弦的连接处，沿着连接两构件翼扳的焊缝开始破坏的(即在应力集中处开始破坏)；
   2、在这一类接头中曾发现有残余应方，其大小接近于屈服点；
   3、在设计桥梁时没有采取措施来减小显著的应力集中，特别是在焊接处：除此以外，在焊烽处还有因焊接质量不好而引起的附加减弱；
   4、在破坏处和焊接处附近曾发现许多细小裂缝；
   5、基本金属的机械性质是符合要求的；
   6、使用酸性转炉沸腾钢来作厚度大干35—40毫米钢板的焊接用未必可以认为适当，尽管它的静载强度特性合格，但用这种钢做成的上述厚度的钢板，冲击韧性是很低的；
   7、在垂直柱与下弦的连接秸构中的容许误差以及这种接头的焊接不良，并不是破坏(哈塞尔特的桥)的主要原因，因为在格兰它及加里的桥是在别的部位破坏的。
　　 桥梁破坏的主要原因是：
   1)茌应力集中处的复杂应力状态，使变形不易，并有很大的残余应力存在；
   2)低温的影响；
  3)钢材的冲击靱性低。
   
在鲁德尔斯道夫（德国）的桥梁局部破坏事故
　　柏休附近（鲁德尔靳道夫）跨越公路的桥梁，于1938年1月2日当温度急剧下降至-10°。时发生局部破坏。曾发现直长达3米的裂缝，
   焊接桥梁的破坏病源点照例是在从顺板过渡到下翼板的焊接处发现的（图2、3）。
图2 桥梁和储器构件破坏的典型病源点细曲线表示裂缝扩展区域
图3 在鲁德尔斯道尖（德国）的一个破断桥梁构件上应力集中
区域的脆性裂缝
　　在研究桥梁局部破坏的原因时，在焊接处附近查明有数值很大的残余应力。
　　在魁北克（加拿大）的桥梁破坏事故是近几年来最严重的桥梁事故之一，是1951年在魁北克发生
的。
　　这一座焊接桔构的桥梁的建筑工程是在1947年全部完工的，桥梁在交付使用后过了27个月，于1950年2月在严寒中发现桥的东部桥架的下弦有裂缝。破坏的构件换成新新的并加强以后，又在桥的西部下弦的相同部位发现极相似的裂缝。在这两种情况中，裂缝都是从焊接处、从上翼板过渡到腹板的凹角处开始的，把破坏了的桥梁构作安装新的构件来代替，并在新构件的受拉区域加上铆接盖板来加强。
　　虽然严密地检查桥梁的状态，并及时地更换局部损坏的构件，但该桥仍于1951年1月31日在严寒中（-35°）完全破坏。有三个跨度（各长杓60米）堕入河中(图4)。
　　在如此低的气温中所发生的桥梁破坏是突如其来的。关于这，可从下面事实证明：桥梁在最终破坏以前的短短两星期中，曾经过历时10天之久的细密检查。
             
 图4 在魁北克（加拿大）的桥于1951年1月31日发生
　　负责此项检查工作的地区桥梁检查机关，曾得出桥梁在完好状态的结论。但是，只过了两天，当温度降低至-35°时，便发生事故。
　　所进行过的分析研究巳经确定，钢料质量不好是桥梁破坏的主要原因之一。在桥架的各种构件中，曾查出碳和硫的质量甚高，并有许多夹渣的部分(特别是板料的表面区域)。
　　在个别的部分含碳量为0.21—0.4，而合硫量为0.04-0.116%.
　　屈服点等于19.5-41.0千克／毫米2。钢料的冲击韧性根低。虽然焊接质量被认为是合格的：但裂缝总是在从腹板到翼板的过渡部分开始。这就证明在这些部位有很大的应力集中，并可能是发生事故的重大原因之一。
  大型储罐的破坏事故
  在顺纳德(美国)的球形氢气储气罐的破坏事故
　　1943年2月16日在纽约附近的顺纳德地方，当温度急剧降低（至-12°）时，有一个12米直径的大型储气罐发生破坏，同时带来了爆炸，该储气罐是用来储存氢气的，其工作压力为50大气压。储气罐有两个安全阀，用以防止压力升高。在爆炸以后，试验安全阀(安全阀损坏并不严重)的结果证明，当压力升高至，53—58大气压时，安全阀可靠地发生作用，因此，储气缺罐的破坏和爆炸，不可能是由于压力突然升高而发生。球形储气罐的外壳是用17毫米厚的钢板用电弧焊法焊成的。
   在破坏以前的36小时内，温度曾低于零度，后来茌7小时内温度降至-3°，最后在爆炸的时候，温度继续降低到-12°。外壳的破坏是脆性的(图5)。
 
储气罐发生破坏的可能原因如下：
  1)外壳从球形部分过渡到检孔的垂窿壁处有减减弱部分存在，因为破坏就是在有很大应力集中的这一部分开始的(图6，1)；
   2)在焊接处附近的残余应力；
   3)由于温度降低而使金履的范性减小；
   4)由于外部温度突然改变，而使气体的内压力可能有激烈的波动。

图5 储气罐在因温度降低而引起的突然脆性破坏时裂缝的分布特性
图6 在构筑物的构件中，应力集中和玻环的各种病源点：
１．  在储气罐的检查孔部分；
２． 一种桥架构件上；
３． 3及4—船体构件上弯曲细线条表示裂缝分布但是。在上述几项原因中，第一项和第三顶的可能性最大，在前苏联的大型石油储罐的局部破坏事故
   1947年12月间，当气温急剧降低至-43°时，发生了几件中等容量（4500米3)石油储罐的局部破坏事故，破坏的情形是在罐底与下部壳节的连接处形成大量裂缝。这些储罐是用CT3钢焊成的。
   在关于破坏特性和破坏情况的推导中[29]，指出了下列各点：
   1．储罐的破坏是脆性破坏，并且是从储罐的向风—面发生的；
   2．所有的裂缝都生在储罐的下部，在垂直壁与罐底接合的地方；
   3.在一切情况下，破坏都是在有大量焊着金属聚集的地力发生的(有盖板处．在焊耪交叉处等等)；
   4.总是在有各种切口处开始(如未焊满的弧坑，未焊透的箍边角钢对接口，明显的焊瘤，在储罐制造过程中所发生的、隐蔽气体(甲烷)通过管子上做成的0.3毫米直径的特殊孔眼(模仿气孔)。气休通过孔眼不过几分钟以后，在孔的周围的温度就已经降低到-30°。在这样低的温度下，材料对范性形变的阻力可能显著地增大，谁都知道，这会在应力集中处引起应力的严重增大。因为气体在有各种缺陷(气孔、夹渣、裂缝）处渗漏，而这些缺陷也就是应力集中处，所以气体渗漏的桔果，不但可能强烈冷却，而且也可能增大这些地方的应力，由于气体渗漏而造成管子的不均匀冷却，也会引起温度应力的出现。
　　在上述情况下，应力的严重提高和材料强度的改变：可能是气体管道脆性破坏和发生事故的重大原因。
   船舶的破坏事故
　　近几年来，特别是在1943—1947年的一段时期内，在美国有许多焊接桔构的船舶完全破坏或局部破坏事故的配录，这些事故通常发生于冬季。有许多船舶完全破坏，断裂成两部分(图7），同时在破坏的地方没有明显的形变痕迹，这就证明它是脆性破坏。
图7 油船船体的脆性破坏（美国）
　　为了查明原因，并进一步预防事故起见，曾从完全破坏或局部破坏的船舶上的100多个损坏处，切下附近的钢板试样进行研究，并且细密地研究了伴随事故而生的情况。
　　所得到的研究结果，可以确定下列各点：
   1、事故多半是在气温降低到-3°和水温降低到+4°时发生的。
   2、破坏差不多总是在应力集中处开始。这种地方通常是各种焊接缺陷处、船舶构件形状不合适的地方(例如各种矩形截面而带有尖角的孔)以及材料有缺陷处(夹渣，气孔等)。在船舶制造过程中加工不合格或疏忽时所形成的一切可能有的划痕、凹坑、切口等，也可能是应力集中很大的地方。
   3．在破坏处附近切下来的试样中，材抖船机械性能是完全合格的。  但是在发生破坏处的板料上，冲击初性照例是低于未受破坏处的板抖。
   在低温时发生破坏的几种典型病源点
　　分析各种构筑物破坏处，得以查明几种最有代表性的病源点，破坏就是在这种病源点的附近或直接在病源点上开始的这些病源点可以分成三大类：
   1)焊缝或与焊接处相毗磷的部分；
   2)由于构筑物的构件形状所造成的各种应力集中处；
   3)在制造构筑物的各种构件时或加工品质低劣时所出现的各种局部损伤（划痕、凹坑等等）。
　　最典型的第—类病源点如图2所示。在焊接的部分，破坏通常是在截面急变处开始的(例如，从翼扳过渡到腹板处)，在这种地方产生了很大的位力集中，焊接本身质量不好的地方是最可能
的破坏病源点(见图2)。
　　特别危险的破坏病源点。可能是焊接时所形成的细小裂缝．当受到载荷时，在这种裂缝的末端应力发生很大的局部提高，此种应力在温度降低时可能很快地引起破坏。有几种属于第二类的破坏病源点如图6所示，在这些破坏病源点的各个部分也可能引起很大的应力局部提高和应力集中。
　　这种病源点首先是形状从一种截面急剧转变到另一种截面处的那些构件(见图6)。在许多情况下，各种构筑物的破坏事故就是在这些地方开始的：在这种地方，由于构筑物的个别构件形状不合适而引起了很大的应力集中表面有各种局部损伤的地方(如划痕、切口等)也是构筑物在低温时发生破坏的极危险病源点，例如，在清理焊缝时粗心大意，在表面上形成许多凹炕和划痕时便是。有—件事故就是因为有这一类损伤而引起储罐在低温时发生破坏的。在表面上有这种损伤的试样作弯曲试验对，温度在0°时就发生了脆性破坏，而另外用同样的金属做成的试样，不过表面用油石磨光，在相同的温度下却发生了很大的形变(变曲角度为45°)，同时没有发现任何破坏的痕迹。
　　很明显，当应力集中、焊接缺陷或材料缺陷以及很大的残余应力同时相结合时，在低温中破坏的危险性是特别大的。
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评论者：项目经理
我现在有个技术难题想请教你，我的电话13584726031，我是做新能源风电发电机的，请和我联系谢谢。
2008-12-30
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