1、脆性断裂
钢材或钢结构的脆性断裂是指当应力低于钢材的抗拉强度或屈服强度时突然发生的破坏。
钢结构尤其是焊接结构，由于钢材材质、加工制造、焊接等质量和结构原因，常常会出现类似于裂纹的缺陷。 脆性断裂大多是由于这些缺陷的发展和裂纹的不稳定扩展而发生的。 当裂纹缓慢扩展到一定程度时，裂纹就会以极高的速度扩展。 脆性断裂和突然破坏发生之前没有任何预警。
钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果，主要有以下几个方面：
(1)钢质量差、厚度大：钢中碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高，晶粒粗大，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性下降很穷; 较厚钢材的轧制次数较少，材质较差，韧性较低，可能存在较多冶金缺陷。
(2)结构或构件结构不合理：孔洞、间隙或截面急剧变化或布置不当造成严重的应力集中。
(3)制造和安装质量差：焊接和安装工艺不合理钢材脆性破坏与构件，焊缝错位，焊接缺陷大，残余应力严重； 冷加工引起的应变硬化和随后的应变时效使钢变脆。
(4)结构承受较大的动载荷或重复载荷：但当载荷很快作用在结构上时(如起重机起吊时由于轨道接头之间的高度差而对起重机梁产生冲击和地震作用)旅行等），材料的应力应变特性会发生很大的变化。 随着加载速率的增加，屈服点增加，韧性降低。 特别是当缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时，材料的脆性会显着增加。
(5)在较低环境温度下工作：当温度从常温下降时，材料的缺口韧性下降，材料逐渐变脆。 这种性质称为低温冷脆化。 不同的钢种有不同的脆性转变温度。 同一种材料，由于缺口形状的锋利程度不同，在不同的温度下也会发生脆性断裂。 因此，这里所说的“低温”并没有固定的界限。 为了确定缺口韧性与温度之间的关系，目前采用冲击韧性试验。 图1为碳钢Chabe V型缺口试件冲击功与温度的关系曲线。 显然，随着温度降低，Cv能量值迅速降低，材料将从塑性破坏转变为脆性破坏。 同时可以看出，钢材由塑性损伤向脆性损伤的转变是在一个温度范围内完成的。 这个温度区T1-T2称为转变温度区。 在转变温度区，曲线的转折点（最陡点）对应的温度T0称为转变温度。 如果将低于T0的完全脆性破坏的最高温度Tl作为钢结构的脆性断裂设计温度，则可以保证钢结构在低温下工作的安全性。 该脆性断裂设计温度是根据丰富的使用经验和实验数据的统计分析确定的。 对于一般钢结构，取Cv=2.07 kg-m对应的温度。 为了保证钢结构的安全使用，其工作温度应高于T1。
图1 冲击能量与温度的关系
2、疲劳损伤
1.疲劳损伤的概念
在连续反复加载的情况下，钢材的应力虽然没有达到抗拉强度甚至低于屈服强度，但也可能发生突然破坏。 这种现象称为疲劳失效。 钢材疲劳破坏前，没有明显的变形。 它是一种突然的脆性断裂，因此疲劳破坏是在重复载荷作用下的脆性破坏。
钢材的疲劳损伤是经过长期的发展过程而产生的。 损伤过程可分为裂纹形成、裂纹缓慢扩展、最后快速断裂和破坏三个阶段。 钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部组织不均匀、应力分布不均匀造成的。 应力集中会导致单个晶粒发生塑性变形并迅速硬化，从而大大降低钢的疲劳强度。 对于承受连续和重复载荷的结构，设计时必须考虑钢材疲劳问题。
如果重复载荷值不随时间变化，则在所有应力循环中应力幅值将保持恒定，称为恒幅疲劳。 如果在重复加载的情况下，应力循环内的应力随时间随机变化，则称为变幅疲劳。 其循环应力谱。
试验结果证明，影响钢材疲劳强度的主要因素是应力集中、施加应力幅值和应力循环次数，这些因素与钢材的静强度无关（但与钢材的质量有关）。 ）。
应力集中对疲劳强度影响最大，且在截面几何形状突变处应力集中最为明显。 但对于没有截面变化的钢材，还存在因微裂纹而引起的应力集中因素，如焊接结构及附近主要金属中的气孔、裂纹、夹渣等缺陷，以及焊趾、焊缝等。容易出现缺陷。 结束； 非焊接结构中的孔和凹槽； 钢内部的偏析和非金属夹杂物； 制造过程中的剪切、冲孔、切割等； 以及热轧和焊接时产生的热残余应力，尤其是热轧后，对疲劳强度影响更大。 根据实验研究结果，构件及连接形式按照应力集中影响程度由低到高可分为8类。 第一类是无接头的主要金属，基本上没有应力集中，第八类是应力集中最严重的角焊缝。
2.改善疲劳性能的措施——消除应力集中
(1)钢材选用
我国钢材选用标准采用规定钢材牌号和保证项目的方法。 考虑的因素包括：（1）结构是否采用焊接； (2)是否承受动载荷； (3)是否处于低温状态。
对于焊接结构，钢材质量要求比非焊接结构更严格。 担保项目应当符合相关要求。 这里我们重点讨论钢号问题。 (1)焊接构件要求高于铆接构件：对于铆接重型起重机梁，计算温度高于-20℃时可采用Q235沸腾钢。 同等条件下的焊接起重机梁，必须采用Q235镇静钢（或低合金钢>。 （2）重工作系统构件高于中、轻工作系统构件，低温工作构件要求更高：对于其他低温结构，材料要求也严格，如50t以上中级工作制焊接吊车梁，当计算温度高于-20℃时，可采用Q235沸腾钢，当计算温度等于或低于-20℃时，应采用Q235镇静钢。（3）承受动载荷的部件要求高于承受静载荷的部件，前者要求采用镇静钢，并保证冲击韧性除了很少的载荷循环、小载荷或非焊接结构；后者需要沸腾钢，除非温度低至-30℃，无论温度如何。无论是在-30℃以下，都不需要冲击韧性得到保证。
我国标准的缺点是焊接结构的材料选用与钢材的厚度没有联系。 一些欧洲钢材选择法规有许多详细的考虑因素。 例如，应力状态分为三个等级，钢板厚度每相差15mm为一个等级，温度分为两个等级：>-10℃和-10至-30℃，以及元件的重要性也分为两个层次。 这些级别相结合来选择组件材料的质量级别。 根据冲击试验的温度，材料等级分为四个等级：1d、B、c 和 D。
（二）工艺措施
钢结构的焊缝质量必须严格控制。 为此，国家标准钢结构工程施工及验收规范规定了焊缝质量检验方法、分级标准和允许缺陷。
焊缝焊趾处常存在肉眼看不到的咬边，深度约为0.25mm，焊渣从此处侵入。 焊趾的底切起到凹口的作用，这对疲劳寿命非常不利。 工艺措施的目的是消除切口、缓解应力集中或在表面形成残余压应力。 目前使用的主要方法有磨削、TIG和锤击。 研磨工艺比较简单，但效果不是很理想，以锤击法效果最好。
用砂轮磨削去除焊趾的咬边，可改善横向应力下的疲劳性能。 图2给出了磨削的具体要求。 左侧所示的磨削虽然缓和了几何形状的变化，但并没有消除切割的隐患，因此是不正确且无效的。 如右图所示，不仅需要完全去除切口，还需要额外磨掉0.5mm，以去除侵入熔融金属的焊渣。 当然，母材磨削深度d不宜过大，不宜超过2mm或板厚的5%。 打磨时应避免焊缝有效厚度减弱。 另外，还应注意，打磨留下的痕迹应平行于用力方向，而不是垂直于用力方向。
图2 抛光底切
对接焊缝（图3）在焊缝根部、焊缝快速塌陷以及焊趾处焊缝强化程度较高处应力集中严重，是疲劳裂纹发展的根本原因。 焊缝补强尺寸对焊缝疲劳强度也有很大影响。 试验表明，焊缝加强角越小，应力集中越大，疲劳强度越低。 因此，对于直接承受重复荷载的对接焊缝连接，除了进行无损检测使其符合钢结构工程施工及验收规范外，还必须对焊缝表面进行处理，并对钢筋进行打磨，以消除焊缝。脚趾。 间隙效应。 经过这些处理后，对接焊缝连接的疲劳性能将得到显着改善。 但未检测到的微观裂纹和规范允许的少量气孔和夹渣可能仍会残留。 它们也将是疲劳裂纹发展的起点。 对接焊缝的疲劳抗力仍低于无应力集中的主金属轨。 修边或刨边>。 这体现在钢结构设计规范规定的许用应力范围内。
纵向焊缝中的焊接波皱纹（焊接时更换焊条时常出现）垂直于力的作用方向，类似于皱纹，对疲劳不利，也应进行处理和平滑。
图3 对接焊缝疲劳损伤位置
TIG 方法使用钨极气体保护电弧（惰性）来重熔焊趾。 这种钨极电弧不会在趾部产生咬边或焊渣侵入。 只要重熔深度足够，就能消除原来的切痕和熔渣，也能形成平缓的几何变化。 利用该方法可以提高不同应力幅下的疲劳强度。 图4为采用TIG方法提高带纵肋16Mn钢板疲劳强度时，焊缝绕筋板焊接时的情况。
锤击方法是用硬圆头气动工具敲击焊趾，或射出钢丸（直径0.5或1mm）连续敲击焊趾。 其作用是金属表层在冲击锤击的冲击下趋于横向膨胀，从而产生残余压应力，提高疲劳强度。
除上述三种方法外，还可以采用局部加热法，即焊缝两面都用氧气加热，这样冷却后加热区会产生残余拉应力，而残余压应力则会产生残余压应力。产生于焊趾处。 图5显示了采用不同工艺措施后的效果比较。 从图中可以看出，单头锤击效果最好。 改善焊接性能的工艺措施仍在制定中，通用规范尚未对此作出规定。
图4 TIG方法提高疲劳强度 图5 工艺措施效果对比
此外，还应严格遵守设计和制造的技术工艺要求。 例如，尽量避免材料的应变硬化。 剪切和冲孔造成的局部硬化区域应通过钻孔和刨削去除； 必须仔细选择正确的焊接技术，以保证焊接质量，不得对构件进行拉弧、打火、锤击等操作。 必要时可采用热处理消除重要部件的焊接残余应力。 重要部件的焊接必须由经验丰富的焊工进行。 要严格执行质量检验制度等。
（三）结构性措施
疲劳计算中构件连接之所以分为八类，是因为应力集中程度不同。 由于焊接缺陷以及结构形式，焊接结构中会出现应力集中。 焊接缺陷必须通过控制施工质量和采取工艺措施来消除，而结构形状的变化可以通过结构措施来缓解。
图6 桁架节点
对于承受重复荷载的结构，应注意选择不会引起严重应力集中的结构。 例如，当受轴向力的板材需要拼接时，可以采用对接焊缝来解决，而不是在拼接的板材上增加角焊缝。 因为使用拼接板的解决方案属于6类，而使用对接焊缝的解决方案至少可以达到3类。必要时，还可以将对接焊缝的加强筋磨掉钢材脆性破坏与构件，从而进一步提升到2类。结构必须合理，能够均匀、连续、平稳地传递力，避免构件截面发生剧烈变化。 如有必要，请使用圆弧过渡（图 6）。
当必须采用应力集中严重的方案时，应将应力集中部位尽可能布置在低应力区域。 当焊接工字钢采用双层翼缘板时，常采用如图所示的外翼缘截断施工方法。 由于简支梁的弯矩总是从中部向支撑逐渐减小，当弯矩减小到一定程度时，即可将外翼缘板剪断。 对于图中所示的梁，根据抵抗弯矩的需要，可在A点截断外翼缘。 但如果A点基于7类连接的疲劳计算不满足要求，则需要将板适当延伸至疲劳计算无法控制梁截面尺寸的点，如B点所示图中。 虽然延长外翼缘使用的材料较多，但仍然比增加梁内翼缘板的整个长度更经济。 只有受拉法兰需要加长，受压法兰不需要加长。
尝试选择刚度均匀的解决方案。 构件在焊缝处的刚度不均匀会导致焊缝变形和应力分布不均匀，势必影响连接的疲劳性能。 例如，工字形牛腿与钢柱采用角焊缝连接，牛腿端部承受弯矩M和剪力V，由于柱翼缘变形，牛腿端部截面不能保持平面变形，牛腿翼缘上的应力不能均匀分布。 如果在牛腿翼缘端部的柱腹板上设置横向加劲肋，可以改善应力分布，提高连接的疲劳性能。
角焊缝在角焊缝的跟部和趾部存在严重的应力集中。 裂纹在此张开后，会扩展至焊缝或主金属内部。由于侧面角焊缝两端应力集中严重，疲劳损伤从端部开始。
正面角焊缝的疲劳强度与焊趾处焊缝边缘之间的角度有关。 角焊缝的应力集中系数越小，疲劳强度越高。 由于角焊缝的力传递较曲折，应力集中严重，为提高抗疲劳性能，应将角焊缝表面加工成直线形或凹形，焊腿尺寸比正面角焊缝应保持l：l.5（长边为内力直线方向），侧面角焊缝为1：1（图7）。 即便如此，角焊缝有效截面的疲劳强度仍然较低，规范规定为8类。因此，对于直接承受动载荷的连接，应尽可能避免采用角焊缝。 当必须使用角焊缝时，必须进行疲劳计算。
图7 角焊缝形状
图8 全熔透K形焊缝
T 形连接可以采用角焊缝或部分或全焊透的 K 形焊缝来构造。 前两者的疲劳强度非常低。 全熔透K型焊缝（图8）的性能与对接焊缝相同。 经加工和无损检测，疲劳强度高，适用于直接承受动载荷的T形连接。
无论对接焊缝还是角焊缝，其疲劳强度均低于母材金属，在施加动载荷时更加危险。 因此，对于直接承受动载荷的焊接连接必须进行疲劳计算。
(4)正确使用
不得在主体结构上随意焊接附加件，不得随意悬挂重物，不得随意使结构超载。 注意检查和保养，及时油漆、防锈，避免撞击和机械损伤。 原本设计为常温工作的结构，冬季停机检修时要注意保暖。
总之，合理的设计（材料选择和结构设计）、正确的制造（合理的工艺措施）、正确的使用是提高结构疲劳性能的有效方法。
