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, 不仅要考虑结构在某个温度下的状态, 更需要了解在
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，且脆断之前无任何预兆。
（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 ℃
退火后再粗加工成10. 5mm×10. 5mm×55mm 的原始试样, 经850 ℃油淬,
600 ℃回火空冷, 再精加工成标准的10mm×10mm×55mm 的V 型缺口冲击试样。国家标准中规定的标准试样有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15min。本试验分7 个试验温度。室温和零度不取过冷度, - 16 ℃和- 32 ℃取过冷度为2 ℃; - 48 ℃、- 64 ℃、- 80 ℃取过冷度为3 ℃。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、有金属光泽的结晶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 ℃。
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。
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℃，-20℃，-40，-60℃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, 钢材的弹性模量增大。但是对于常用的结构钢材, 从常温至- 50 ℃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, 而它们又取决于钢的化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
3. 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。这些措施是建立在大量理论试验研究成果及工程经验的基础上, 并涉及钢结构设计制作加工安装和运输的各个阶段。下面就选材、结构类型的选择、降低应力集中法、制作加工和安装工艺等主要方面进行讨论。
1. 钢材的选用
在选材上应考虑以下因素: 建筑物或构件的重要性、构件制作加工及安装的温度条件和工艺条件等。有时还取决于所采用钢材的极限厚度以及构件的结构型式。
2. 结构型式的选择
钢结构构件结构型式的选择应遵循以下原则:1 )尽量减小由结构型式和加工工艺引起的应力集中; 2）降低应力集中区由于焊接热影响造成的局部塑性变形; 对组合截面的构件应保证其截面的完整性; 3）. 尽量选用较薄的板材等。。随着厚度的增大, 沿厚度方向的应力逐渐增加并使该处处于三向受拉状态, 并且逐步向平面应变状态过渡。这同样提高了钢结构构件发生脆性破坏的可能性。研究成果表明, 对含较高应力集中的低碳钢和低合金钢构件, 其厚度宜限制在40mm 以内。
3. 降低应力集中法
降低应力集中法也就是从提高抗低温冷脆性能角度出发人为地调整构件的应 力状态。有利于降低应力集中结构型式的改变都能使其韧脆转变温度降低, 即降低构件产生脆性裂纹的危险性。
4. 制作加工和安装技术措施
有关制作加工和安装工艺方面的技术措施是建立在以下原则基础上的: 1) 钢材冷加工会引起冷变形, 因此在加工过程中不允许使钢材过分硬化和产生裂纹、擦痕等等缺陷; 2）. 对焊接构件尽量排除未焊实和其它的焊缝及被连接构件中
的焊接缺陷; 3）. 在焊接过程中不允许在焊件中遗留较大的热塑性变形及其残余应力。
5. 晶粒度的影响
钢的晶粒越细，其韧性越好，可以降低韧脆转变温度。钢中晶粒越小，滑移线越短，组织中的螺位错和滑移面长生的裂纹也就越小，应力集中夜宵，裂纹越不容易扩展。所以可提高钢材的韧性。
结束语：
北方冬季天气寒冷，而钢铁的低温下的性质很大变化，脆性增加，因此会发生突然地脆性断裂，这对实际的工程应用带来很大的麻烦。从钢材力学性能随温度的变化趋势可以看出, 对于防止脆性断裂的设计, 最危险的温度范围是在韧脆转变温度区间。在这个区间里, 随着温度的变化, 钢材的一些韧性指标会发生急剧的变化。在实际生产使用过程中，应充分考虑温度的影响。
参考文献：
1. 武延民 . 王元清 . 王晓哲 . 石永久 . 低温对结构钢材强度与韧性指标影响分析[J] . 低温建筑技术 .2002.6
2. 王子瑜 . 结构钢的低温冷脆及断裂机理概述[J].
3. 王元清 . 钢结构低温冷脆现象的试验研究方法[J]. 低温建筑技术.1998.3
4. 刘克斌 马彦芬. 40Cr 钢冷脆转变温度的测定[J]. 河北科技大学学报.1998.1
5. 束德林主编. 金属力学性能[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990
6. 武延民 . 王元清 . 石永久 . 江见鲸. 低温下结构钢材脆性断裂发生条件下的试验分析[J]. 低温建筑技术.2003.10
7. 刘渠 .刘忠明. 刘影学. 钢结构脆性断裂对工程危害及防治[J]. 低温建筑技术.1999.1
8. 王元清. 防止和消除钢结构构件低温冷脆现象的措施[J]. 钢结构.1999.6
9 . 许忻. 袁晓光.李智超.细化晶粒对高猛钢低温脆性的影响[J].武汉钢铁学院学报.1994.1
10. 王元清. 钢结构在低温下脆性破坏研究概述[J].钢结构。
11．叶卫江. 张有渝.影响金属低温韧性的因素浅析[J].天然气与石油. 1997.
12. 教立新 . 高锰钢部件低温脆性损坏因素[J]. 煤炭技术 2007.2
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, 不仅要考虑结构在某个温度下的状态, 更需要了解在
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，且脆断之前无任何预兆。
（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 ℃
退火后再粗加工成10. 5mm×10. 5mm×55mm 的原始试样, 经850 ℃油淬,
600 ℃回火空冷, 再精加工成标准的10mm×10mm×55mm 的V 型缺口冲击试样。国家标准中规定的标准试样有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15min。本试验分7 个试验温度。室温和零度不取过冷度, - 16 ℃和- 32 ℃取过冷度为2 ℃; - 48 ℃、- 64 ℃、- 80 ℃取过冷度为3 ℃。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、有金属光泽的结晶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 ℃。
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。
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℃，-20℃，-40，-60℃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, 钢材的弹性模量增大。但是对于常用的结构钢材, 从常温至- 50 ℃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, 而它们又取决于钢的化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
3. 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。这些措施是建立在大量理论试验研究成果及工程经验的基础上, 并涉及钢结构设计制作加工安装和运输的各个阶段。下面就选材、结构类型的选择、降低应力集中法、制作加工和安装工艺等主要方面进行讨论。
1. 钢材的选用
在选材上应考虑以下因素: 建筑物或构件的重要性、构件制作加工及安装的温度条件和工艺条件等。有时还取决于所采用钢材的极限厚度以及构件的结构型式。
2. 结构型式的选择
钢结构构件结构型式的选择应遵循以下原则:1 )尽量减小由结构型式和加工工艺引起的应力集中; 2）降低应力集中区由于焊接热影响造成的局部塑性变形; 对组合截面的构件应保证其截面的完整性; 3）. 尽量选用较薄的板材等。。随着厚度的增大, 沿厚度方向的应力逐渐增加并使该处处于三向受拉状态, 并且逐步向平面应变状态过渡。这同样提高了钢结构构件发生脆性破坏的可能性。研究成果表明, 对含较高应力集中的低碳钢和低合金钢构件, 其厚度宜限制在40mm 以内。
3. 降低应力集中法
降低应力集中法也就是从提高抗低温冷脆性能角度出发人为地调整构件的应 力状态。有利于降低应力集中结构型式的改变都能使其韧脆转变温度降低, 即降低构件产生脆性裂纹的危险性。
4. 制作加工和安装技术措施
有关制作加工和安装工艺方面的技术措施是建立在以下原则基础上的: 1) 钢材冷加工会引起冷变形, 因此在加工过程中不允许使钢材过分硬化和产生裂纹、擦痕等等缺陷; 2）. 对焊接构件尽量排除未焊实和其它的焊缝及被连接构件中
的焊接缺陷; 3）. 在焊接过程中不允许在焊件中遗留较大的热塑性变形及其残余应力。
5. 晶粒度的影响
钢的晶粒越细，其韧性越好，可以降低韧脆转变温度。钢中晶粒越小，滑移线越短，组织中的螺位错和滑移面长生的裂纹也就越小，应力集中夜宵，裂纹越不容易扩展。所以可提高钢材的韧性。
结束语：
北方冬季天气寒冷，而钢铁的低温下的性质很大变化，脆性增加，因此会发生突然地脆性断裂，这对实际的工程应用带来很大的麻烦。从钢材力学性能随温度的变化趋势可以看出, 对于防止脆性断裂的设计, 最危险的温度范围是在韧脆转变温度区间。在这个区间里, 随着温度的变化, 钢材的一些韧性指标会发生急剧的变化。在实际生产使用过程中，应充分考虑温度的影响。
参考文献：
1. 武延民 . 王元清 . 王晓哲 . 石永久 . 低温对结构钢材强度与韧性指标影响分析[J] . 低温建筑技术 .2002.6
2. 王子瑜 . 结构钢的低温冷脆及断裂机理概述[J].
3. 王元清 . 钢结构低温冷脆现象的试验研究方法[J]. 低温建筑技术.1998.3
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5. 束德林主编. 金属力学性能[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990
6. 武延民 . 王元清 . 石永久 . 江见鲸. 低温下结构钢材脆性断裂发生条件下的试验分析[J]. 低温建筑技术.2003.10
7. 刘渠 .刘忠明. 刘影学. 钢结构脆性断裂对工程危害及防治[J]. 低温建筑技术.1999.1
8. 王元清. 防止和消除钢结构构件低温冷脆现象的措施[J]. 钢结构.1999.6
9 . 许忻. 袁晓光.李智超.细化晶粒对高猛钢低温脆性的影响[J].武汉钢铁学院学报.1994.1
10. 王元清. 钢结构在低温下脆性破坏研究概述[J].钢结构。
11．叶卫江. 张有渝.影响金属低温韧性的因素浅析[J].天然气与石油. 1997.
12. 教立新 . 高锰钢部件低温脆性损坏因素[J]. 煤炭技术 2007.2