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时间:2019-11-22
《低温下钢的力学性能的研究》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、低温下钢的力学性能的研究陆逢(中国矿业大学材料学院)【摘要】作者针对北方冬天低碳钢承载钢架突然断裂的现象展开研究,分析钢的断裂与温度的关系,找出规律性,并以此寻找出防止钢在低温下发生脆断的的措施。试验结果表明,钢材的强度均随温度的降低而提高,塑性指标随温度的降低而减小。【关键词】低温脆性碳钢力学性能引言低碳钢在低温下会发生突然的断裂,钢材的很多力学指标随着温度的变化而发生改变。尤其随着温度的降低,钢结构发生脆性破坏时的名义应力非常低。随着温度的降低,钢材的脆性增大,塑性降低,结构的性能也发生很大的变化。为了保证结构设计的安全,不仅要考虑结构在
2、某个温度下的状态,更需耍了解在某个温度范围结构力学性能的变化规律。我国北方部分地区冬季最低温度(1)断裂时所承受的工作应力低。(2)脆性断裂时,裂纹的扩展速度极快,且脆断Z前无任何预兆。(3)材料脆断温度通常接近材料的韧脆转变温度。(4)脆断常起源于构件自身存在缺陷处。(5)脆性断裂的宏观断口平齐,断面收缩率小,外观上无明显的宏观变形特征一.实验部分1•冲击试验1.1材料与试样本实验选用20钢作为试样。试验用料首先锻成毛坯,经850°C退火后再粗加工成10.5mmX10.5mmX55mm的原始试样,经850°C油淬,600°C回火空冷,再精加
3、工成标准的10mmX10mmX55mm的V型缺口冲击试样。国家标准中规定的标准试样冇U型缺口和V型缺口两种。同一种材料,试样的缺口愈尖锐'塑性变形的体积愈小,冲击功也愈小’材料表现脆性愈显著。因此对于同一种材料V型缺口试样要比U型缺口试样更脆些,为了更安全,我们选用了V型缺口试样。1.2试验方法采用液氮为冷却剂,以无水乙醇为冷却介质。液氮和无水乙醇的适当调和达到所要求的试验。温度。测温使用低温酒精温度计。试样在冷却介质中保温15mino本试验分7个试验温度。室温和零度不取过冷度厂16°C和・32°C取过冷度为2°C;-48°C、・64°C、・
4、80°C取过冷度为3°C。在JB-30A型冲击试验机上进行系列冲击试验。每个试验温度用3个冲击试样,每次冲击,从低温槽中取出试样到冲断用时均不超过3s。1.3试验结果及分析从室温开始,选了7个试验温度。所测试样的冲击功、冲击韧性值以及与之对应的试验温度、缺口处的截面积值见表。各试验温度下的冲击功、冲击韧性值对照表维状断口面积不断减少,而位于中心,齐平的、有金属光泽的结品状断口面积不断增大。由实验数据可得,钢的冲击韧性随温度降低显著减小。所以钢的脆性增加。用能量法测其韧脆转变温度为-48°C。在处于韧性状态的材料中,裂纹的扩展必须有外力做功,如
5、果外力停止做功,裂纹也就停止扩展。在处于脆性状态的材料屮,裂纹的扩展几乎不需要外力做功/又在裂纹起裂时,从拉应力场中释放出的弹性能可驱动裂纹极为迅速的扩展。20钢冲击韧性与实验温度的关系曲线2•力学性能测试试件用20钢做成标准的拉伸试样,分别在0°C,-20°C,-40,・60°C等温度下分别测其各种力学性能2.1屈服强度和极限强度钢材的屈服强度和极限强度随温度的降低而提高,而且屈服强度的增大速度比极限强度要快,理论上,钢材的断裂强度不随温度的变化而变化。2.2弹性模量E在一定范围内,钢材的弹性模量按指数规律单调变化,随着温度的降低,钢材的弹
6、性模量增大。但是对于常用的结构钢材,从常温至・50°C的范围内,弹性模量的变化很小,只有20N/mm2左右,对于实际结构的受力影响很小。2.3伸长率和截面收缩率钢材的塑性通过伸长率和断裂截面收缩率两个指标反映出来,这两个指标都可以在单轴拉伸试验中获得。随着温度的降低,钢材的塑性下降。除温度外,其他影响低温脆性的因素1•材料性质为提供钢结构构件较高的工作可靠度,除钢的强度保证外,还应有较好的其他工作和工艺技术指标,如焊接性能、抗脆性能和疲劳性能极限塑性和抗裂纹扩展性能等。材质对脆性破坏的影响,主要体现在钢材本身的塑性和韧性,而它们乂取决于钢的化
7、学组成晶体结构以及冶炼方法。研究表明,低合金钢的抗冷脆性能比低碳钢高。2.结构形式在其它条件相同的情况下,构件的结构形式对脆性破坏起决定性作用,它相当于脆性破坏的一个综合影响因素。因为构件的应力状态和实际工作状态一般取决于结构形式,而且构件加工制作工艺以及所遗留的初始缺陷也和结构形式有较大的关系2.应力状态应力状态对钢材及其构件的塑性和韧性的影响很大。对构件在双向或三向复杂应刀状态下破坏时其脆性破坏的倾向性进行的理论系统理论研究表明,钢结构受拉构件在局部高应力集中区往往产生双向和三向拉应力状态,而在该应力状态下钢及其构件破坏时的塑性变形大为降
8、低,这样就可大大提高钢结构构件发生脆性破坏的可能性防止和消除钢结构低温冷脆现象的措施在长期的工程实践中,人们总结出一整套防止和消除钢结构低温冷脆现象的措施。这些措施
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