起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的控制與預(yù)防

高云

引言：分析了環(huán)境溫度、應(yīng)力大小、類型及板厚等影響因素對鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響，介紹了材料的選擇、設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)如何避免脆性破壞等內(nèi)容，提出了起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的控制與預(yù)防措施。

起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)是承受動力載荷的構(gòu)件，其特殊性要求在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮如何避免結(jié)構(gòu)的脆性破壞。因?yàn)榇嘈云茐氖窃跊]有過載而通常是在安全載荷下發(fā)生的，甚至是在應(yīng)力水平很低的情況下發(fā)生的，其發(fā)生是突如其來的，損失也是災(zāi)難性的。避免和預(yù)防脆性破壞首先要完善設(shè)計(jì)，做到合理選材，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做到設(shè)計(jì)合理，避免造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。制造過程中的電弧擦傷、焊接裂紋、有損傷的沖孔、剪切邊緣等也可能會造成裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散，也應(yīng)予以控制。

一、鋼結(jié)構(gòu)材料選用注意事項(xiàng)

（一）應(yīng)力類型及大小對選材的影響

鋼結(jié)構(gòu)所受載荷在不同的部位應(yīng)力狀態(tài)是不同的，載荷應(yīng)力狀態(tài)對結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響和敏感度是最重要的。對選材而言，簡單的靜載拉、壓應(yīng)力和2向、3向應(yīng)力狀態(tài)有較大區(qū)別。而疲勞載荷應(yīng)力循環(huán)如脈動循環(huán)、對稱循環(huán)等和應(yīng)力幅的不同，對結(jié)構(gòu)材料的選擇所起的作用更為重要。另外，因焊接等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重載荷引起的應(yīng)力大小、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)及應(yīng)力集中情況等對結(jié)構(gòu)材料選擇的影響也有很大作用。通常，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，應(yīng)力集中情況嚴(yán)重，則材料選擇一般要考慮選擇抗疲勞、對應(yīng)力集中不太敏感的材料。

（二）板材厚度對選材的影響

鋼材在不同尺寸時(shí)的承載能力也不同。厚度較大的板材其轉(zhuǎn)化溫度也較高，之所以這樣，是因?yàn)槌善窢顟B(tài)下其金相組織較為不利。厚板的金相組織及屈服強(qiáng)度和沖擊功總是隨板厚的增加而降低，同時(shí)板材厚度越大，其應(yīng)力集中情況也越嚴(yán)重。

（三）環(huán)境溫度對選材的影響

環(huán)境溫度對鋼材承載能力的影響很大。在不同環(huán)境溫度條件下鋼材的沖擊（功）韌性值的大小也不同。在指定的環(huán)境溫度條件下，起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的沖擊功必須大于某數(shù)值，否則有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。

結(jié)構(gòu)的脆性斷裂也可能在中、低應(yīng)力值作用下發(fā)生。而因選材不合理，鋼材的轉(zhuǎn)化溫度低于環(huán)境溫度時(shí)發(fā)生脆性斷裂的概率往往較大。

轉(zhuǎn)化溫度是試件或結(jié)構(gòu)由通常希望的塑性行為轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈孕袨榈臏囟?。轉(zhuǎn)化溫度分為2類，第一類主要取決于裂紋產(chǎn)生前和裂紋開始擴(kuò)展是塑性形變的量，與缺口處金屬的塑性相關(guān)；第二類主要取決于裂紋的廣泛擴(kuò)展，用來衡量破壞外形的轉(zhuǎn)變。

在彈性范圍內(nèi)的疲勞載荷，如果在循環(huán)載荷的作用下沒有形成疲勞裂紋，則其對轉(zhuǎn)化溫度的影響很小。而當(dāng)形成疲勞裂紋，由于尖銳裂紋所起的不利應(yīng)力狀態(tài)，會提高塑性轉(zhuǎn)化溫度。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)

通常，設(shè)計(jì)依據(jù)的理論基礎(chǔ)是材料在彈性條件下承載，假定為連續(xù)應(yīng)力，在存在應(yīng)力集中的部位考慮裕度（應(yīng)力集中系數(shù)），同時(shí)對材料的屈服應(yīng)力按一定的安全系數(shù)折減控制靜強(qiáng)度。在承受循環(huán)載荷時(shí)，在循環(huán)特性條件下其最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的關(guān)系，按照具體構(gòu)造對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)驗(yàn)算疲勞壽命。再以剛度值作標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)的靜、動剛度，以控制結(jié)構(gòu)變形和振動頻率和幅度。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對于防止脆性破壞能起到非常顯著的效果，好的結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)會使其應(yīng)力集中情況大為改觀，從而在更大的程度上控制疲勞初始裂紋產(chǎn)生的根源。

但是對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，首先要搞清楚其最低工作環(huán)境溫度，尤其在考慮預(yù)防脆性破壞時(shí)更應(yīng)如此。因此，北方地區(qū)室外用鋼結(jié)構(gòu)就存在選材問題，采用低碳沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，尤其是厚度大于10～12mm的板材應(yīng)選擇鎮(zhèn)靜鋼，厚度大于20～24mm的板材應(yīng)選擇細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼。工作環(huán)境溫度越低，選材越應(yīng)嚴(yán)格。

另外，在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)尺寸的突變，一同厚度鋼對接處理就是一個(gè)重要問題。設(shè)計(jì)規(guī)范之所以對其做出規(guī)定，就是控制聯(lián)接處的尺寸突變。中、薄板結(jié)構(gòu)的壓折翻邊要留有足夠的彎曲半徑。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞大多情況與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中焊接問題有關(guān)。從焊縫附近的熱影響區(qū)疲勞初始裂紋開始擴(kuò)展引起結(jié)構(gòu)破壞以及脆性破壞的情況較為普遍，因此焊接材料的選擇、焊縫形式、焊接工藝參數(shù)的確定都是應(yīng)認(rèn)真考慮的重要問題。鋼材的可焊性、焊條或焊絲的牌號對結(jié)構(gòu)的承載尤其是在疲勞載荷作用下能否預(yù)防裂紋的產(chǎn)生起著決定性作用，而施焊電流、焊前預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對預(yù)防裂紋的產(chǎn)生則起著更重要的影響作用。

一般情況下，采用對接焊縫比采用搭接焊縫好，因?yàn)椴捎么罱雍缚p必然存在偏心和應(yīng)力集中，采用間斷焊縫雖對結(jié)構(gòu)變形影響較小，但由于外露的弧坑很多，而弧坑是焊縫中最易產(chǎn)生裂紋的地方，所以要引起重視。另外要避免焊縫交叉，板材拼接必須交叉時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)“十”字交叉，改用“T”型交叉，對桿件在空間交叉時(shí)，可通過設(shè)置過渡連接件把焊縫分開。對2向和3向拉伸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其要避免焊縫的積聚和交叉。

指定的材料和使用條件下，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是局部構(gòu)造設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)的預(yù)防措施。

三、制造環(huán)節(jié)中應(yīng)注意的事項(xiàng)

脆性破壞是從一處或幾處裂紋的產(chǎn)生開始的，因此制造過程中的電弧擦傷、焊接裂紋、沖孔、剪切邊緣等都可能會造成裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散。而從焊縫附近的熱影響區(qū)疲勞初始裂紋開始擴(kuò)展引起的情況則更為普遍，因此焊接工藝參數(shù)的確定和工藝過程的控制及其施工質(zhì)量的檢驗(yàn)和控制是至關(guān)重要的。實(shí)踐證明，焊前預(yù)熱對結(jié)構(gòu)抗疲勞裂紋的效果非常顯著，對于室外的厚板焊接尤其要采用焊前預(yù)熱工藝。

剪切下料對結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響已有試驗(yàn)驗(yàn)證，在試驗(yàn)中，在較低的應(yīng)力水平下就產(chǎn)生了裂紋和破壞。刨邊加工若切削量過大會產(chǎn)生類似于剪切的情況，除非在焊接過程中，剪切邊緣得到重熔化，否則產(chǎn)生裂紋的可能性很大。

有時(shí)為了解決板材的波浪變形或調(diào)整起重機(jī)橋架拱度，采用火焰加熱的辦法，通常的加熱溫度都高于370℃，此時(shí)如果環(huán)境溫度較低，會使金屬局部區(qū)域冷卻過快產(chǎn)生不好影響。

殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響很大，有時(shí)殘余應(yīng)力是非常必要的，而時(shí)效對于殘余應(yīng)力的釋放起到了一定的作用。尺寸不大的重要構(gòu)件、板厚較大、含碳量、合金含量較高的構(gòu)件可以采用退火等熱處理工藝措施來消除殘余應(yīng)力，此時(shí)熱影響區(qū)金屬的塑性和韌性有所改善，溶解在金屬中的氫將有更多機(jī)會逸散，而尺寸龐大的構(gòu)件采取任何時(shí)效處理幾乎都是不現(xiàn)實(shí)的，所以采用焊前局部加熱可以較好地解決殘余應(yīng)力無法消除的問題。通過采用振動的辦法消除殘余應(yīng)力有一定的作用，但效果不太顯著，也沒有具體效果的驗(yàn)證。

結(jié)束語

由于現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展和人們對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)認(rèn)識的不斷提高，應(yīng)該說近期起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的實(shí)例并不多，但這不說明這一問題已經(jīng)解決。正是由于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞帶來的后果非常嚴(yán)重，所以更應(yīng)該將脆性破壞的預(yù)防納入設(shè)計(jì)管理中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)給予足夠的重視。

（作者單位：遼寧恒泰重機(jī)有限公司）