学文网摘要：由于钢材的性能和在成型前已有的缺陷、钢结构的加工工艺存在的问题、钢结构的使用维护方法不当等，孕育了钢结构质量缺陷的产生。钢结构质量缺陷的延伸发展，最终造成了钢结构的破坏。本文对钢结构工程常见的脆性破坏进行探讨分析，并针对性地提出一些防治措施。
关键词：钢结构 脆性断裂 成因 防治
中***分类号：TU391文献标识码： A
前言
脆性破坏，破坏时几乎不发生变形，而且瞬间发生，破坏时应力低于极限承载力。钢材晶格之间的剪切滑移受到限制，使变形无法发生，脆性破坏结果是钢材晶格间被拉断。发生的机会较多，因此非常危险。在处于韧性状态的材料中，裂纹的扩展必须有外力做功，如果外力停止做功，裂纹也就停止扩展。在处于脆性状态的材料中，裂纹的扩展几乎不需要外力做功，仅在裂纹起裂时，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。对于钢结构，发生脆性破坏时，已经注意到主要有以下一些共同的特征：残余应力的存在要在某些焊接部分引起三轴向拉力；所用钢材对含有大量非金属杂质很敏感；多数破坏发生在低温情况下；板厚度过大影响，应力集中的影响；焊接和钢材中冶金质量影响；脆性断裂在所有情况下都是突然发生的。
一、影响钢结构脆性断裂的因素
1、裂纹
断裂力学认为，对脆性断裂必须从结构内部存在的微小裂纹的情况出发进行分析。用断裂力学理论可以计算裂纹在荷载和侵蚀性介质下的扩展情况；当裂纹扩展到临界尺寸时，脆性断裂就会发生。线弹性断裂力学指出，当一块板处于平面应变状态下如果应力强度因子则裂纹将迅速扩展而造成断裂。其中：为板所受的拉力，a为裂纹尺寸，为系数，与裂纹形状、板的宽度以及应力集中等有关，KIC 为断裂韧性，代表材料抵抗断裂的能力，可由实验得到。
2、应力集中的影响
应力集中越严重，就越易发生脆性破坏，原因是应力集中是产生三向拉应力的根源，这三向拉应力来束缚着钢材的塑性变形，而增加钢材的脆性,极易造成高峰应力处应力集中使钢材脆性增强。构件中的应力集中和残余应力与构件的细节和焊缝位置、施工工艺等有关。在设计时应避免焊缝过于集中、构件截面的土壤变化以及在施焊时会产生严重拘束应力的构造等。
3、化学成份的影响
在普通碳素钢中，硫和氧是钢材的有害元素，他们的含量过多，易使钢材产生热脆（即在焊接时，在焊缝附近产生热裂纹），磷、氮含量过多易使钢材产生冷脆（即钢材在常温下,随温度的降低而脆性增强）。
4、钢材的冶金质量影响
镇静钢和低合金钢化学成份较均匀，脱氧较充分，钢的组织较致密，非金属夹杂较少，因而对脆性破坏的抵抗能力比冶金质量差的沸腾钢高,更适于制造在较低温度下的使用结构。
5、工作温度
材料的冲击韧性与温度有密切关系。随着温度的下降，冲击韧性也不断下降。当温度下降到某一个温度时，材料出现脆性破坏，冲击韧性降得很低，且基本为一常量。因此，当工作温度很低时，所用材料的韧性不应处于脆性破坏范围，而应接近于塑性破坏时的数值。
6、钢板厚度的影响
在温度和使用应力都相同的情况下，材料厚度对脆性断裂的影响是很显著的。这不仅因为厚度较大，可能使材料处于平面应变状态，还因为较厚的材料辊轧次数较小，质量较差，韧性性能较低，可能存在的冶金缺陷又较多，从而增加材料对脆性的敏感性。
二、钢结构在设计和制造上对脆性断裂的控制
传统设计的强度计算以钢材屈服强度作为设计依据，它能满足一般情况需要，但它不能避免结构脆性断裂的发生，因为传统设计没有考虑钢材各元素含量、钢板厚度、温度、加载速度、三向应力状态等会引起脆断的因素。随着近代工业发展，如何从设计和制造上防止结构脆断成为一个很重要的研究课题。采用合理的结构设计防止脆断裂的发生，主要对下列方面加以控制：结构最低工作温度、应力集中状况、材料断裂韧性水平、材料缺陷情况、结构承受荷载情况(是否承受重复荷载，冲击荷载)以及环境腐蚀情况。
1、由于温度、材料厚度是影响脆断的主因，所以设计时要求接头的承载能力设计得比与其相连的杆件承载力高20％ 一50％。在满足应力和构件稳定性前提下，设计构件的断面应尽量选用最薄断面，增加构件厚度将增大脆断的危险。
2、保证焊接质量，尽量减少因焊接造成的缺陷，设计上应选择适当的焊缝金属缺口韧性，较厚板材或型钢焊前必须预热，施焊过程中尽量不在负温条件下进行，焊接后必须保温缓冷，尽量保证焊接质量，减少缺陷产生。
若结构在设计上不能避免应力集中和焊接质量时，则必须选用韧性高的材料和焊条，以保证结构有较高抗脆断能力。还有当某一结构部位由于结构形状限制而不能进行非破坏性检查，或结构中小于临界尺寸的缺陷被漏检时，若材料有较高韧性，则对减小结构的脆断危险将起重要作用。
3、设计焊接结构应尽量避免焊缝集中和重叠交叉。要采用较好的焊接工艺(合适的输入热量和操作方法)。为保证焊透，应当考虑使结构最低工作温度尽量大于钢材冷脆转变温度。若结构工作温度过低甚至低于钢材冷脆转变温度，则应降低设计应力，使应力低于不会出现裂纹扩展的水平，即在CTA以下。若设计应力亦无法降低，则只能选用韧性更高、冷脆转变温度更低的钢材。
4、在结构设计中应尽量将因缺陷引起的应力集中减小到最低限度，如避免尖锐角，尽量用较大半径的圆弧。设计中应尽量保证结构的几何连续性和刚度连贯性，因为不连续的突变区往往形成应力集中，同时应对连渡段的连接采取正确焊接方法。接头处在焊接与制造时可能有缺陷，所以需将接头远离应力集中区，最好在应力最小部位，尽量避免焊缝表面缺陷。残留焊接金属或凸部分应清除干净。以使表面平整，对承受冲击或反复荷载的对接接头应用外引弧板，使起弧和灭弧均落于接头母体外边。焊好后再割下引弧板，便能保证焊缝质量。焊接管和其它配件端，在全部焊完后，应打磨出一个平滑圆角，可以减少应力集中。受拉构件上焊缝应顺接力方向设计，不要垂直向施焊，否则会导致晶粒粗大，韧性很差的热影响区，横割拉力，即“切割”现象。最后需补充的是，无论何种焊接结构，在各方面条件具体情况下，应尽量消除焊接残余应力，以防止焊接结构件变形，引起附加应力或造成安装就位困难，方法可采用振动法或加热回火法等，可根据工程具体情况而定。
5、设计人员选用钢材时，除应核算强度外，还应保证材料有足够韧性，应从断裂力学理论出发选择具有较高断裂韧性的材料。在静荷载下裂纹产生和扩展是由局部区域上应力高度集中引起，如果是韧性较高材料，裂纹进一步扩展将会遭到遏制，这是因为裂纹扩展需消耗更多的能量。实际工程中，可采用常用的恰贝冲击韧性实验(其它实验方法均可，视实际条件而定)，得到恰贝冲击能Cv，由Cv与断裂韧性K1e，由K1e评定钢材脆性特性，以此作为选择钢材依据，此方法简单易行，耗费时间少，成本低，具有较普遍的工程意义。
结束语
钢结构具有材料强度高，塑性和韧性好、材质均匀，力学计算的假定比较符合，构件制造简便，施工周期短。质量轻的特点，使钢结构在建筑领域应用极其广泛。如：单层工业厂房的屋面结构、吊车梁；多层和高层建筑；网架结构；桥梁等。
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