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脆性斷裂特點:(1)高強度和低強度鋼都有可能會出現脆性斷裂,發生脆性斷裂時材料的工作應力一般低于其屈服點或者設計時的許用應力時,通常認為材料處于該條件下工作是的,但卻出現脆性斷裂的現象,因此脆性斷裂也被稱作“低應力脆性斷裂”;(2)中強度和低強度鋼在較低溫度下也可能會出現脆斷,因此有時也將脆性斷裂稱作“低溫脆斷”,隨著溫度的降低,面心立方金屬較體心立方金屬塑性下降的更快些;(3)金屬構件發生脆性斷裂的裂紋源是由金屬內部存在裂紋所引起的,內部裂紋是導致構件失效的重要因素,脆性斷裂通常無明顯預兆、難查覺、宏觀變形量小發生突然;(4)金屬材料的脆性斷裂事故往往發生在體心立方及密排立方中,而面心立方金屬一般很少會出現脆斷(5)解理是一種低能斷裂,在正應力的作用下通常會破壞原子間的鍵合,脆性斷裂一般會沿著較低指數的晶面穿晶解理,由于密排面之間有很大的間隙,并且其鍵合力結合弱,因此解理面一般會出現在原子密排面。
Stroh認為:位錯沿著滑移面移動當遇到晶界或第二相顆粒這樣的阻礙物時發生塞積便會引起應力集中,裂紋的出現符合 Cottrell認為微裂紋往往出現在位錯易聚集的滑移面交匯處[27]。
脆性斷裂必定存在微裂紋核,但其決定性因素是裂紋的擴展速度,當成核后的裂紋以高速擴展時才會出現脆斷,因此脆性斷裂的發生除了要滿足 Griffith一Qrowan能量方程外,還需要使裂紋具有一定的速度擴展。
在斷裂前有顯著的塑性變形產生時被稱作韌性斷裂,韌性斷裂金屬材料的幾何尺寸也會出現明顯的變化。將同一材料斷裂后的兩部分金屬斷面進行對接時,斷口因幾何尺寸有所變化而不能很緊密地相吻合,斷面通常為纖維狀分布且呈暗灰色。對斷口進行微觀上觀察,會發現斷口存在明顯的范性流變特征。
余熱處理鋼筋
余熱處理鋼筋是指利用軋制余熱在軋鋼作業線上直接進行軋后熱處理。其基本原理是鋼筋從軋機的成品機架軋出后,經冷卻裝置進行快速表面淬火,然后利用鋼筋心部熱量由里向外自回火,再空冷至室溫。該技術能有效地發揮鋼材的性能潛力,通過各種工藝參數的控制改善鋼筋的性能,在較大幅度提高鋼筋強度的同時,保持較好的塑、韌性,完全能保證鋼筋的綜合性能滿足要求;同時,大幅度降低了合金元素用量,節約了生產成本。建筑業應用余熱處理鋼筋可實現強度等級的升級,節約鋼材用量,增加建筑物的性。從理論上分析,35MPa級鋼升級為460MPa級鋼可節材27%以上,400MPa級鋼升級為460MPa級鋼可節材13%。更重要的是實現強度等級升級的同時,不需要消耗大量的微合金化元素的資源,有利于科學發展。
余熱處理鋼筋在國外已廣泛應用,典型例子是英標460MPa級、500MPa級鋼筋。英標Bs449因其科學性和適用性而受到國際建筑業的推崇,許多和地區普遍采用BS4449標準。英標鋼筋與我國和其他鋼筋標準中同類鋼筋相比,不但強度要求較高而且對冷彎和反彎性能要求更嚴,因此,其質量要求較高。BS449標準中沒有規定具體的加入合金元素和成分范圍,國外企業生產英標鋼筋一般是用碳素鋼采用余熱處理工藝,我國出口的英標鋼筋也大量采用了余熱處理工藝。加拿大標準G30.18中的400R、500R鋼筋,美國 ASTMA615/A615M標準中的60級(420MPa)、75級(520MPa)鋼筋,德國標準DN488/1中的BS420S、BST500S鋼筋等都可采用余熱處理工藝生產。國外余熱處理鋼筋的廣泛應用表明,余熱處理鋼筋在建筑上包括在重要建筑上的應用是可靠的、可行的。
超細晶熱軋鋼筋
近年來的材料學研究可使普通C-Mn鋼獲得超細晶組織,已有試驗獲得了2~3μm的超細晶鐵素體組織,屈服強度超過了400MPa。日本住友工業公司用鈮鋼軋制出了晶粒尺為5.5μm、屈服強度為454MPa、直徑為32mm的優質棒鋼。超細晶熱軋鋼筋通過控制軋制的方法,以細化鋼材的晶粒和組織為技術核心,在保證良好的塑、韌性前提下提高鋼材的強度,可明顯地節約生產成本,同時做到了高性能和低成本。該產品是一種值得重視、值得發展的鋼材品種。
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金屬材料因應力作用而被分離成為兩個或多個部分被稱為斷裂。斷裂不僅僅指材料的分離,金屬內部產生裂紋也應歸屬于斷裂的范疇,如果要將裂紋打開對其研究也可按照斷裂方式進行分析,金屬材料的失效形式中,斷裂是一種常見的失效形式,尤其是脆性斷裂的危害性比較大,因此,從某種意義上可以說金屬材料的研究是在與斷裂作斗爭的過程中逐漸發展起來的。一般可將金屬材料的斷裂分成三個階段:裂紋的萌生、裂紋擴展、發生斷裂。裂紋可以萌生于很多環節,包括金屬構件材料的制造、材料的成形以及材料的使用等各個階段,并且在不同的環境因素和不同的承載狀態下進一步擴展終發生斷裂,因此,通常根據金屬材料發生斷裂時宏觀塑性變形量的不同,將斷裂方式分為兩種:即脆性和韌性斷裂。
脆性斷裂通常指金屬材料在沒有明顯塑性變形就已經斷裂的斷裂方式。一般情況下脆性斷口的表面光亮并且平整,并具有暗灰色顆粒狀分布的斷口,斷面垂直于拉伸應力軸方向。斷裂可細分為穿晶型和晶界型斷裂兩種形式。但并非穿晶型斷裂就是脆性斷裂,有時穿晶型斷裂也屬于延性斷裂,這是由晶界的變形程度所決定的;晶界斷裂往往是脆性斷裂。穿晶脆斷的斷裂形式往往是解理斷裂,解理斷裂通常都屬于脆性斷裂,同時這兩者又有很大區別。解理是用來描述材料的斷裂機理的,而解理斷裂則是用來表示材料在破壞過程中的一種機理規律,脆性斷裂的宏觀斷口并非不發生塑性變形,而是指在斷口處發生了很小的塑性變形,解理斷裂是指金屬材料在受到正應力的作用時沿著一定的解理面所發生的分裂,一旦解理面上的拉應力超過臨界值時,解理斷裂便會在解理面上出現,通常解理面晶面上的能量小,鋼鐵材料的表面能接近兩千爾格每平方厘米,工程結構中所使用的中低強度鐵素體鋼脆性斷裂主要發生在{100解理面上,解理斷裂的微觀特征一般包括:人字性花樣、河流狀花樣以及二次裂紋等。
螺紋鋼的分類
目前鋼筋生產發展趨勢是普通鋼筋已從低碳低合金鋼筋向微合金化鋼筋、余熱處理鋼筋發展,主流熱軋鋼筋的發展及關注品種主要有:微合金化鋼筋、余熱處理鋼筋、超細晶熱軋鋼筋等。
微合金化鋼筋
我國鋼筋的發展經歷了由低強度向較高強度發展的過程。中華人民共和國建國初期采用碳素鋼Ⅰ級光面鋼筋;20世紀70年代初期,出現了16MnⅡ級鋼筋,25MnSiⅢ級鋼筋,45 Mnsiv、40si2MnV和45si2MnIiⅢ級鋼筋;70年代后期,20MnSi級鋼筋取代了16Mn級鋼筋,至今仍是主導鋼筋產品;90年代后期,HRB335、HRB400和HRB500鋼筋納入制定的GB1499—1998熱軋帶肋鋼筋標準中。目前我國廣泛采用的仍然是HRB335鋼筋,重點推廣的是HRB400鋼筋,約占鋼筋總產量的12%,其產量比例呈上升趨勢。HRB500鋼筋只有生產標準,缺乏建筑規范,在建筑中幾乎沒有應用。
HRB400級鋼筋具有強度高、延性好、節約用材、降低排筋密度、性能穩定、應變時效敏感性低、儲備量大、焊接性能良好、抗震性能好、韌脆性轉變溫度低、高應變低周疲勞性能好等優點,因此更適用于高層、大跨度和抗震建筑結構,使用后具有巨大的經濟效益和不可估量的社會效益,其應用必將越來越廣泛。
目前我國推廣應用HRB400等高強度鋼筋已是發展趨勢,標準《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499--1998)規定可采用釩、鈮、鈦等微合金化元素。國內大多數企業主要采用釩鐵或釩氮合金微合金化工藝,釩鐵和釩氮合金漲價后,許多企業轉而采用鈮微合金化,并取得了成功;在鈦微合金化方面,在試制上存在一些生產技術問題需進一步解決。微合金化方法的多樣化有利于資源的均衡、合理利用。
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