裂纹范文10篇

裂纹范文篇1

[论文摘要]电站锅炉在运行过程中，由于多种因素的影响会导致各种各样缺陷的产生，既有有关承压部件的，也有有关水汽质量的，针对汽包焊缝裂纹典型案例做好深入地分析，将有利于雷同缺陷及时、妥善处理。

在役电站锅炉实际检验过程中，经常会遇到各种各样的实际检验问题，但归结起来主要有几类比较典型的情况。下面选取定期检验过程中发现及处理过的汽包焊缝裂纹案例，深入探讨了典型承压部件损坏的部位、损坏的原因、修理的具体方案等，对这类典型问题的深入研究，有助于雷同问题的及时、快速、正确处理，确保被检锅炉按期、安全的投入运行。

某厂电站锅炉汽包在停炉内部检验中发现了严重的焊缝裂纹缺陷，采取措施进行修复后，保证了汽包的安全运行，现将这一技术措施剖析如下：

一、汽包缺陷检查

该厂锅炉系1997年制造、安装，1998年投入使用，2007年8月停炉检验时，经磁粉和超声检测发现，汽包第2道环焊缝上部外侧坡口热影响区有一条明显的腐蚀氧化裂纹，裂纹长450mm、宽0.02mm，最深处达20-25dB，最浅处3dB，在第2条环焊缝上部内侧存在熔合线表面裂纹缺陷6处；其它焊缝也存在多处表面和埋藏缺陷，但未超标。分析表明：从开裂的第2条环焊缝，焊缝外观很不规则，焊缝比母材高出许多，形成了一个突变的台阶，在焊缝的融合线附近存在较多表面缺陷;这样，在锅炉频繁的启停中，汽包受到周期性的加热、冷却，在交变应力的作用下导致开裂，继而发展。鉴于上述情况，采用了两种方案：（1）对于未超标的埋藏缺陷作重点记录，以便日后检验中作重点检查；如发现缺陷发展、开裂，立即处理。（2）对开裂的缺陷，制定补焊工艺措施，对裂纹进行挖补修复。

二、缺陷挖补前的各项工作检查

（1）汽包母材化学成分（%）:C-0.20，Si-0.46，Mn-1.15，P-0.008，S-0.0180

（2）汽包焊缝化学成分（%）:C-0.66，Si-0.60，Mn-1.50，P-0.022，S-0.0130，化学成分分析结果符合J507焊条成分要求。

（3）金相检查：焊缝：铁素体+珠光体，珠光体呈带状分布，带状组织2-3级，晶粒度6级。熔合线：铁素体+珠光体，珠光体呈网状分布，熔合线两侧有脱碳。热影响区：铁素体+珠光体，组织欠均匀，晶粒度5-6级。母材：铁素体+珠光体，组织尚均匀，晶粒度6～7级。以上所检查的组织皆属正常。

（4）硬度测试：母材：HB125。热影响区：HB115。焊缝区：HB125。以上所测的硬度值均符合要求。计算结果证明，19Mn5钢无再热裂纹倾向。

（5）19Mn5钢产生冷裂纹倾向和焊接热影响区淬硬倾向计算表明，汽包材料基本无冷裂倾向。

三、缺陷挖除

（一）开槽挖除工作所用的设备和材料

500A直流电焊机1台；0.75m3空压机1台；碳棒直径6mm、8mm，100根。

（二）缺陷开槽挖除方法及技术要求

①由于19Mn5钢的塑性较好，开槽挖除裂纹前不必钻孔止裂。②开槽方法：电弧气刨后，砂轮磨光。③为了减少电弧气刨的激热影响，应将温度预热到200℃以上再进行开槽，在挖掉缺陷的同时，应尽可能使槽开得规整、光滑，并尽量减少开槽的体积。

四、缺陷挖除后的补焊工艺

（一）焊条材料选择低氢型J507焊条。打底用中Φ3.2mm的焊条，其余用Φ4mm的焊条。

（二）施焊工艺：焊条在350℃烘烤2小时，烘烤的焊条放入保温箱内，随时使用。补焊过程中，始终保持预热温度，最低温度150℃，施焊中采取多层多道焊。先沿U形坡口焊三层，使坡口宽度变窄，以减少收缩变形引起的应力，然后由下至上多层多道焊。每道焊缝用分段焊法，分段时填空焊的焊接方向应与原分段焊的方向相反。各焊道分段应错开，可减少焊接应力的过大累积。打底焊采用中3.2mm焊条，焊道宽度控制在6-8mm左右，熔深控制在2-3mm之内。为减少收弧次数，每根焊条一次焊完。焊完一道，必须清渣进行检查，确认无缺陷时继续施焊。

五、焊后热处理

焊后热处理采用局部整段内加热法，使用框架式电阻加热器，总容量108kvA，9路输出，每路12kVA，输入电压220V，自动控温表2块，温度记录仪1台，热电偶17支，使用HM1300×355×88mm框架型加热块6块，平稳地置于汽包上半周，加热块与电源连接引出线用Φ10mm圆钢，套上Φ12mm的瓷管，然后与镶套铜电缆连接，铜电缆接到控温设备上。为了减少热量损失，在加热带的两端设计两块堵板，堵板用3mm厚的钢板制成Φ1600mm的圆板，将圆板分割4块在汽包内组装;在圆板每300mm×400mm的面积上焊中6×170mm的钢丝若干根，以固定保温材料；保温材料选用硅酸铝耐热材料。电源连接线和热电偶连接均从圆板的孔通过。

六、热处理后的各项工作检查

（一）表面检测：对补焊区内、外壁做磁粉检测，未发现任何缺陷。

（二）超声波检验：用超声波对内外壁进行检验未发现超标和可记录缺陷。

（三）金相检验：焊缝、熔合线、热影响区、母材等金相组织属正常范围之内。

（四）硬度检验：焊缝HB130，热影响区HB120，母材HB120。

（五）热位移、挠度、椭圆度测量：热处理升温到600℃，甲侧向西位移5mm，乙侧向东位移7mm；热处理完，汽包温度降到室温，甲乙侧位移恢复到补焊前。挠度：热处理后，甲侧0，中部0.02，乙侧0.02，正常。椭圆度a：原始值=0.22%；焊后值=0.25%；热处理后值=0.25%。补焊后椭圆度变化不大，在允许值范围内。

（六）残余应力测试：通过实测熔合线处残余应力为190MPa，偏离焊缝的近缝区应力为170MPa，焊缝平均最大应力为180MPa其残余应力水平与原始态相符，说明补焊工艺、热处理工艺、补焊质量都符合要求。

七、裂纹修复后的结论分析

汽包裂纹挖补修复后，各项技术指标均符合规定要求：

（1）补焊焊缝质量达到JBI152-81标准的I级焊缝要求。

（2）硬度最高为HB130，远远小于线材硬度+100的规定，残余应力最大为190MPa，大大小于245MPa规定，金相组织也没有变化，由所有这些检查结果推知，补焊焊缝具有良好的综合机械性能，没有产生任何永久变形。

（3）该汽包裂纹挖补修复后运行至今已近一年，在今年5月停炉检修时再次对裂纹剔除的补焊部位进行了磁粉和超声检测，同时对有记录缺陷部位进行了跟踪检查，均未有异常情况出现。由此可以说明，针对此次汽包检查出来的缺陷所采取的处理方案不仅符合标准，而且修复具体措施的实施是成功的。

参考文献：

裂纹范文篇2

关键词:盾构隧道,管片裂纹,地质,粘贴碳纤维布

1隧道概况及工程条件

开工于2002年6月30日的广州地铁三号线某盾构隧道区间全长4.77km,区间隧道于2006年6月6日全线贯通,12月31日全线通车运营。采用德国海瑞克Φ6.28土压平衡盾构机掘进,装配式管片衬砌。管片外径为6m,内径为5.4m,管片厚为0.3m,环宽为1.5m,采用5+1块错缝拼装形成管环衬砌。

1.1地面环境

该区间左线管片(1662环~1724环)受损隧道段的里程为ZDK27+294~ZDK27+387,隧道上方地面为9层建筑物,建筑物的基础为15m~20m深的锤击贯入桩,地面环境复杂。

1.2地质情况

管片受损隧道段隧道覆土约29m~30m,洞身范围为5H-2花岗岩硬塑状或稍密状残积土,风化剧烈,遇水易软化崩解,洞底围岩为6H花岗岩全风化带。通道上方分布有5H-1,4-1,3-2,2-2等砂质黏土,地层比较软弱。

2管片裂纹病害情况

隧道投入运营快1年后,在2007年11月2日发现了左线1662环~1724环隧道段环号为偶数的管环管片11点位的管片内表面出现了不同程度的纵向裂纹,该受损隧道段施工时间为2005年12月17日~12月28日。具体裂纹情况如表1所示。

3管片裂纹出现原因

1)列车长期振动造成隧道周边土体软化,侧向抗力降低,顶部弯矩增大。2)隧道埋深较大,达到29m~30m,且地质极为软弱,隧道覆土荷载造成了作用于隧道顶部的荷载较大。

4病害整治方案比选

裂纹范文篇3

【关键词】水泥砼；表面裂纹

Personalopininofcementconcretepreventingfromsurfacecracking

FangYong,WangJun-fu

裂纹范文篇4

关键词：振动环境；在役压力容器；裂纹原因

压力容器是工业生产中不可或缺的设施，由于工业水平的不断进步，被大量运用在石油、化工等领域。在具体的使用阶段，部分压力容器会由于上下游设备剧烈振动而引起设备的疲劳损坏。为保证其可以正常使用，需对其进行定期检测，发现裂纹问题时要尽快予以解决。基于此，本文对有关内容进行了研究，具有鲜明的现实意义。

1在役压力容器裂纹原因分析

1.1疲劳裂纹

这种裂纹一般出现在压力容器管道表面上交接应变位置，在这种情况下，机械性疲劳裂纹多为直线型，在形成裂纹前期，长度偏短，范围小。随着时间的推移，裂纹会逐渐朝内进行改变，在产生裂纹中期，其会以直线形式扩散，在后期，这种裂纹会快速扩张，很有可能形成腐蚀疲劳裂纹。究其本质，裂纹形成阶段会具有某种特征与规律，是因为出现机械性疲劳，导致产生集中反射应力，在前期都拥有发展迟缓和隐蔽性强等特点。因为这种裂纹形成原因较多，与普通裂纹相比更为复杂，弯曲程度更高。另外，这种裂纹还存在一个开口，开口位置有粘结坑，具有锐利的尾端，要引起注意的是，这种裂纹两侧深度不大。金属材料一般会受到热交变应力作用，在这种作用影响下，材料直接出现断裂，产生热疲劳现象，这种裂纹会出现在部件表面有最大热应变位置，主要原因在于某部位有集中应变，连续性较差。在开始阶段，裂纹形式表现为：一个主裂纹周围有多种类型裂纹，具有一定的宽度，缺口比较细小，拥有线装痕迹。

1.2焊接裂纹

现阶段，压力容器一般是金属板经过加工制成，这便容易导致在制造过程中产生裂纹，在一般情况下，焊接裂纹通常因为高温作用生成的“热裂纹”，再经过充分的焊接冷却，部分金属材料会产生冷裂纹，这种情况出现的重要因素是冷却过后材料中含有可溶解氢元素，奥氏体会渐渐变成铁向体，氢元素会由此向中间聚集，出现相应氢裂纹，逐步发展成冷裂纹[1]。

1.3腐蚀裂纹

一些零部件会在腐蚀介质与应力共同作用下产生裂纹，这种裂纹被称作腐蚀裂纹，多数会产生在集箱管座与汽水管道等位置，这种部件中，奥氏体不锈钢最容易出现此类问题，特别在汽水介质中，即便应力作用较小，在腐蚀反应阶段也会产生裂纹情况，形成裂纹的重要因素是残余应力、冷加工变形与振动。通常情况下，压力容器管道的应力腐蚀裂纹通常处在弯管内壁的中性层，局部腐蚀容易引发此类问题，呈现“之”字形，从外部向内部发展。压力容器压力管道位置的含水量是导致腐蚀裂纹的重要原因，当金属板材料接触到较高浓度的腐蚀介质时，金属晶体与腐蚀介质间会出现电位差，产生化学方形，最后作用到金属材料上致其腐蚀，并不只作用于表面，对材料内部也会产生损害。腐蚀裂纹是较难被发现的裂纹种类，通常发生在管道的受力位置，因此，若出现腐蚀裂纹并积聚到一定程度，管道则无法承重。腐蚀裂纹包括主裂纹与刺激裂纹两类，主裂纹是通过化学反应所产生的，次裂纹是经主裂纹所蔓延的分支，整体过程都是在金属内部产生的，因此，工作人员若能用眼睛观察到缝隙，则很可能看到的是次裂纹，次裂纹无法穿越晶体，是围绕着晶体表面进行蔓延，表明这时的材料的裂纹情况已经非常严重了。

1.4蠕变裂纹

这种裂纹的形成主要因素是由于长时间受到温度与应力的相互作用，导致金材料出现形变，在具体应用过程中，由于材料分离，最终此类裂纹，一般出现在高温蒸汽管道的弯管外部表面，最大应力和走向呈现垂直状态，裂纹带为平行状态，通过观察能够知道，裂缝之间没有规律性，形状呈现孔洞状与米粒状。

1.5过冷过热裂纹

这种裂纹一般产生在制造过程中。一般相关企业会使用特殊的金属板进行焊接，卷制加工制造锅炉的压力容器。尤其在焊接过程中，易产生纹裂和微裂纹，并且无法避免，这种裂纹是在高温状态下的“焊接热裂纹”，金属材料焊接完毕再经过长时间冷却，会产生冷裂纹。热裂纹是在箱变前，在结晶过程中产生的，存在某种程度的晶格破坏性，在与大气相接触时，一般为黑色或蓝色。冷裂纹是长期所形成的，一般会在焊接完成之后的低温中产生，具有一定隐蔽性，难以检查，在形成初期，拥有晶间穿透的特点，由于时间较长，更增加了检测难度，因此，存在较大的威胁[2]。

2压力容器出现裂纹检验方法

压力容器容易产生裂纹，因此，需要开展定期检测，检测压力容器的方式包括有损、无损与密封性三种。目前，有损检测的方式即对材料开展破坏性的测试，运用化学或物理的方式，通过现代技术与先进仪器设备，对压力容器内部与表面的结构情况进行检测。测试压力容器机械性能涉及到冲击、拉伸与硬度等方面，能够精准检测出其中的焊接接头是否完好，还要对其他性能予以检测，比如：化学成分、金相等，需要借助相应的设备才能完成，还要对钢材组织进行检测。无损检查即在不破坏试件的基础上利用某种手段对材料表面和内部进行检查。射线检测技术能够检测出气孔、夹渣等缺点。另外，一些设备是人体无法直接接触的，便不能使用超声检测，对球形压力容器来说，多采用照相检测的方式。可通过观察图像开展测试，此种方式对尺寸有一定的标准，检测结果可以进行直接记录，并且长时间储存，但是费用高，速度慢，对人体会产生一定的损害，因此在检测过程中要有特殊的防护方法。超声波在介质中传递时，超声波波长变化可以体现出试样的状态，此方法拥有费用低、时间短、高灵敏性等特点，超声波设备不会占用过大的空间，重量轻，对人体不会造成伤害，但这种方式不能检查材料表面的问题，对表征测试有一定的不确定性，所以要慎重选择需要检查的压力容器，磁粉检测能够对压力容器表面裂纹进行高效检测。声发射的方法可以检查压力容器的裂缝，属于一种新方式，可以对受力过程中材料内部的应力波进行探测，根据波动幅度判断内部的损坏程度。在高温高压环境中材料更加疲劳，易出现裂缝。运用声发射检测能够按照开裂时散发能量的高低对容器裂缝情况进行判断，该方法能够检测到细小的裂痕，具有极高的灵敏度，可以发出声音的材料均能使用这种方法，因此被用于长时间监控缺陷的安全性。

3振动环境下在役压力容器裂纹预防措施

在日常实践中为了有效预防在役压力容器裂纹问题的出现，应落实如下措施：

3.1监督生产制作管理过程

为使压力容器可以正常使用，在生产制作管理阶段要提高对全过程的重视，在压力容器的制作阶段，要对每个生产环节仔细审查，投入使用之前，对质量进行反复检测，在某种程度上减少裂纹产生的可能性。在生产制作阶段根据相关规定与流程开展生产，最大限度上保证生产技术的可靠性，降低生产制作环节的失误。在图纸设计阶段，要根据实际所需进行设计，设计者要对工艺图纸进行深入探究，在设计阶段要尽可能使用先进方法以规避裂缝的产生，提高设计的科学性，保证压力管道的正常运行。对生产制作过程进行精细控制，对原材料严格把关，防止不合格的材料运用在生产制作中，提高生产质量。原材料质量对压力容器质量有重要影响，是避免裂纹出现的根本。在生产制作阶段要仔细检查锅炉的生产工序，为避免裂纹产生，要仔细检查制作情况，避免由于错误的加工环节影响质量。

3.2建立质量检测与维护体系

正在运转过程中产生裂纹会更增加对锅炉的危害，所以为尽可能减少裂纹的产生，要建立较为完整的检测机制，在平时工作过程中，要加大质量检测力度。相关部门要制定科学的管理制度，重视压力容器生产制作过程的管理，保障生产质量，质检是最后一个步骤，也是预防裂纹的最重要一环，所以在这个过程中要根据相关要求实行严格检测，保证质检效率，提升质量[3]。面对无法避免的裂纹，管理人员要迅速采取相应的措施，减少由于裂纹而产生的影响，在解决问题的过程中不断优化，提高应急能力。时刻关注运转情况，避免其处在高温、高压环境中，定期对其停机，将压力释放出来，在这个过程中，有关工作人员能够进行检查，可及时发现问题并妥善解决，延长使用寿命。对需要替换的零件及时替换掉，早发现早解决，以免出现安全事故。要让各项工作有条不紊地进行，以降低裂缝出现概率，清洁工作也不能忽视，以免由于局部受热不均匀出现裂纹，还要加强对管道的检验，由于管道长时间处在恶劣环境中，会损害管道材料的耐用性，目前要对压力管道实行检验，并对结果进行分析，做出科学评估。

3.3提高工作人员技能操作水平

工作人员的实际操作技术与裂纹的出现具有一定的关联，因为实际运行多处在高温环境中，大部分裂纹出现的原因都是由于内部较大的压力与短时间的变化所引起的。例如：在正常运行时突然停止工作，则要求温度缓慢变化，尽量降低时间温差，防止由于温度突变而出现裂纹。在锅炉运行阶段要从源头上避免裂纹的产生，就需要合理使用，要加强工作人员的实操水平。相关单位在招聘这方面人才时要适度增加录取条件，另外，在平时工作中，要经常组织专业人员参加技能培训，丰富理论知识与操作水平，有效避免裂纹的产生。

4结论

总而言之，在振动环境下，压力容器的裂纹问题属于一种常见问题，此类问题有可能在任何环节发生，任何变量都会引起裂纹问题，因此，要提出行之有效的解决方法，相关企业需对工作人员开展系统的培训，让其深刻意识到预防裂纹的意义。

参考文献

[1]张海楠.在锅炉压力容器压力管道检验中关于裂纹问题的探讨[J].中国设备工程,2021(03):188-189.

[2]谢小强.压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施[J].化工管理,2021(02):153-154.

裂纹范文篇5

在铝合金焊接过程中，由于材料的种类、性质和焊接结构的不同，焊接接头中可以出现各种裂纹，裂纹的形态和分布特征都很复杂，根据其产生的部位可分为以下两种裂纹形式：

（1）焊缝金属中的裂纹：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、焊根裂纹和显微裂纹（尤其在多层焊时）。

（2）热影响区的裂纹：焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹。按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接时高温下产生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起的。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹，它是在焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足不能及时填充，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金；液化裂纹是在热影响区中被加热到高温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。

在试验过程中发现，当填充材料表面清理不够充分时，焊接后焊缝中仍存在较多的夹杂和少量的气孔。在三组号试验中，由于焊接填充材料为铸造组织，其中夹杂为高熔点物质，焊接后在焊缝中仍将存在；又，铸造组织比较稀疏，孔洞较多，易于吸附含结晶水的成分和油质，它们将成为焊接过程中产生气孔的因素。当焊缝在拉伸应力作用下时，这些夹杂和气孔往往成为诱发微裂纹的关键部位。通过显微镜进一步观察发现，这些夹杂和气孔诱发的微观裂纹之间有明显的相互交汇的趋势。然而，对于夹杂物在此的有害作用究竟是主要表现为应力集中源从而诱发裂纹，还是主要表现为脆性相从而诱发裂纹，尚难以判断。此外，一般认为，铝镁合金焊缝中的气孔不会对焊缝金属的拉伸强度产生重大影响，而本研究试验中却发现焊缝拉伸试样中同时存在着由夹杂和气孔诱发微裂纹的现象。气孔诱发微裂纹的现象是否只是一种居次要地位的伴生现象，还是引起焊缝拉伸强度大幅度下降的主要因素之一，亦还有待进一步的研究。

2热裂纹产生的过程

目前关于焊接热裂纹理论，国内外认为较完善的是普洛霍洛夫理论。概括地讲，该理论认为结晶裂纹的产生与否主要取决于以下3方面：脆性温度区间的大小；在此温度区间内合金所具有的延性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。

通常人们将脆性温度区间的大小及在此温度区间内具有的延性值称为产生焊接热裂纹的冶金因素，而把脆性温度区内金属的变形率大小称为力学因素。焊接过程是一系列不平衡的工艺过程的综合，这种特征从本质上与焊接接头金属断裂的冶金因素和力学因素发生重要的联系，如焊接工艺过程与冶金过程的产物即物理的、化学的与组织上的不均匀性、熔渣与夹杂物、气体元素与处于过饱和浓度的空位等。所有这些，都是与裂纹的萌生与发展有密切联系的冶金因素。从力学因素方面看，焊接热循环特定的温度梯度与冷却速度，在一定的拘束条件下，将使焊接接头处于复杂的应力-应变状态，从而为裂纹的萌生与发展提供必要的条件。

在焊接过程中，冶金因素和力学因素的综合作用将归结为两个方面，即是强化金属联系还是弱化金属联系。如果在冷却时，焊接接头金属中正在建立强度联系，在一定刚性拘束条件下能够顺从地应变，焊缝与近缝区金属能够承受外加拘束应力与内在残余应力的作用时，裂纹就不容易产生，焊接接头的金属裂纹敏感性低，反之，当承受不住应力作用时，金属中强度联系容易中断，就会产生裂纹。在这种情况下，焊接接头金属的裂纹敏感性较高。焊接接头金属从结晶凝固的温度开始，以一定的速度冷却到室温，其裂纹敏感性决定于变形能力和外加应变的对比以及变形抗力与外加应力的对比。然而在冷却过程中，在不同的温度阶段，由于晶间强度与晶粒强度增长的情况不同、变形在晶粒间和晶粒内部的情况分布不同、由应变所诱导的扩散行为不同、应力集中的条件以及导致金属脆化的因素不同，焊接接头具体的薄弱环节以及它弱化的因素和程度也是不同的。

导致焊接接头金属产生裂纹的冶金因素和力学因素有着较为密切的联系，力学因素中的应力梯度和热循环特征所确定的温度梯度有关，而后者与金属的导热性密切相关，如金属的热塑性变化特征、热膨胀性以及组织转变等构成的冶金因素，在很大程度上对焊接接头金属所处的应力-应变状态起到重要作用，此外，随着温度的降低与冷却速度的变化，冶金因素和力学因素也都是在变化着的，在不同的温度区间对焊接接头金属的强度联系作用各不相同，如结晶温度区间大，固相线温度低，在晶粒间残存的低熔液态金属处，更容易引起应力集中，导致固相金属产生裂纹；同样，随着温度降低，如果收缩量较大，特别是在快速冷却条件下，当收缩应变速率高，应力-应变状态比较苛刻时也容易产生裂纹等等。

在铝合金焊接时焊缝金属凝固结晶的后期，低熔共晶体被排挤在晶体交遇的中心部位，形成一种所谓的“液态薄膜”，此时由于在冷却时收缩量较大而得不到自由收缩产生较大的拉伸应力，这时候液态薄膜就形成了较为薄弱的环节，在拉伸应力的作用下就可能在薄弱地带开裂而形成裂纹。

3热裂纹产生的机理

为了研究铝合金焊接时那个时候最容易产生热裂纹，把铝合金焊接时焊接熔池的结晶分为3个阶段。

第一个阶段是液固阶段，焊接熔池从高温冷却开始结晶时，只有很少数量的晶核存在。随着温度的降低和冷却时间的延长，晶核逐渐长大，并且出现新的晶核，但是在这个过程中液相始终占有较多的数量，相邻晶粒之间不发生接触，对还未凝固的液态铝合金的自由流动不形成阻碍。在这种情况下，即使有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时地被流动着的铝合金液态金属所填满，因此在液固阶段产生裂纹的可能性很小。

第二阶段是固液阶段，在焊接熔池结晶继续进行时，熔池中固相不断增多，同时先前结晶的晶核不断长大，当温度降低到某一数值时，已经凝固的铝合金金属晶体相互彼此发生接触，并且不断倾轧在一起，这时候液态铝合金的流动受到阻碍，也就是说熔池结晶进入了固液阶段。在这种情况下，由于液态铝合金金属较少，晶体本身的变形可以强烈发展，晶体间残存的液相则不容易流动，在拉伸应力作用下产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力的存在就有产生裂纹的可能性。因此，这个阶段叫做“脆性温度区”。

第三阶段是完全凝固阶段，熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉应力时，就会表现出较好的强度和塑性，在这一阶段产生裂纹的可能性相对来说较小。因此，当温度高于或者低于a-b之间的脆性温度区时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，具有较小的裂纹倾向。在一般情况下，杂质较少的金属（包括母材和焊接材料），由于脆性温度区间较窄，拉应力在这个区间作用的时间比较短，使得焊缝的总应变量比较小，因此焊接时产生的裂纹倾向较小。如果焊缝中杂质比较多，则脆性温度区间范围比较宽，拉伸应力在这个区间的作用时间比较长，产生裂纹的倾向较大。

4铝合金焊接裂纹的防止措施

根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理，可以从冶金因素和工艺因素两个方面进行改进，降低铝合金焊接热裂纹产生的机率。

在冶金因素方面，为了防止焊接时产生晶间热裂纹，主要通过调整焊缝合金系统或向填加金属中添加变质剂。调整焊缝合金系统的着眼点，从抗裂角度考虑，在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于铝合金属于典型的共晶型合金，最大裂纹倾向正好同合金的“最大”凝固温度区间相对应，少量易熔共晶的存在总是增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金组元，以便能产生“愈合”作用。而作为变质剂向填加金属中加入Ti、Zr、V和B等微量元素，企图通过细化晶粒来改善塑性、韧性，并达到防止焊接热裂纹的目的尝试，在很早以前就开始了，并且取得了效果。图3给出刚性搭接角焊缝的条件下Al-4.5%Mg焊丝中加入变质剂的抗裂试验结果。试验中加入的Zr为0.15%，Ti+B为0.1%。可见，同时加入Ti和B可以显著提高抗裂性能。Ti、Zr、V、B及Ta等元素的共同特点，是都能同铝形成一系列包晶反应生成难熔金属化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta等）。这种细小的难熔质点，可成为液体金属凝固时的非自发凝固的晶核，从而可以产生细化晶粒作用。

在工艺因素上，主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序，这些方法都是从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接电流，减慢焊接速度，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应变速度，而增大热裂的倾向。可见，增大焊接速度和焊接电流，都促使增大裂纹倾向。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性，在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。通过预热，可以使得试件相对膨胀量较小，产生焊接应力相应降低，减小了在脆性温度区间的应力；尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序；焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。对于5000系合金多层焊的焊接接头，往往由于晶间局部熔化而产生显微裂纹，因此必须控制后一层焊道焊接热输入量。

而根据本文试验所证明，对于铝合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相当重要。材料的夹杂在焊缝中将成为裂纹产生的源头，并成为引起焊缝性能下降的最主要原因。

参考文献

[1]阿荣.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究[A].兰州理工大学硕士论文.2004

[2]付志红，黄明辉，周鹏展等.搅拌摩擦焊及其研究现状[J].焊接，2002，（11）：6～7

裂纹范文篇6

[论文摘要]电站锅炉在运行过程中，由于多种因素的影响会导致各种各样缺陷的产生，既有有关承压部件的，也有有关水汽质量的，针对汽包焊缝裂纹典型案例做好深入地分析，将有利于雷同缺陷及时、妥善处理。

在役电站锅炉实际检验过程中，经常会遇到各种各样的实际检验问题，但归结起来主要有几类比较典型的情况。下面选取定期检验过程中发现及处理过的汽包焊缝裂纹案例，深入探讨了典型承压部件损坏的部位、损坏的原因、修理的具体方案等，对这类典型问题的深入研究，有助于雷同问题的及时、快速、正确处理，确保被检锅炉按期、安全的投入运行。

某厂电站锅炉汽包在停炉内部检验中发现了严重的焊缝裂纹缺陷，采取措施进行修复后，保证了汽包的安全运行，现将这一技术措施剖析如下：

一、汽包缺陷检查

该厂锅炉系1997年制造、安装，1998年投入使用，2007年8月停炉检验时，经磁粉和超声检测发现，汽包第2道环焊缝上部外侧坡口热影响区有一条明显的腐蚀氧化裂纹，裂纹长450mm、宽0.02mm，最深处达20-25dB，最浅处3dB，在第2条环焊缝上部内侧存在熔合线表面裂纹缺陷6处；其它焊缝也存在多处表面和埋藏缺陷，但未超标。分析表明：从开裂的第2条环焊缝，焊缝外观很不规则，焊缝比母材高出许多，形成了一个突变的台阶，在焊缝的融合线附近存在较多表面缺陷;这样，在锅炉频繁的启停中，汽包受到周期性的加热、冷却，在交变应力的作用下导致开裂，继而发展。鉴于上述情况，采用了两种方案：（1）对于未超标的埋藏缺陷作重点记录，以便日后检验中作重点检查；如发现缺陷发展、开裂，立即处理。（2）对开裂的缺陷，制定补焊工艺措施，对裂纹进行挖补修复。

二、缺陷挖补前的各项工作检查

（1）汽包母材化学成分（%）:C-0.20，Si-0.46，Mn-1.15，P-0.008，S-0.0180

（2）汽包焊缝化学成分（%）:C-0.66，Si-0.60，Mn-1.50，P-0.022，S-0.0130，化学成分分析结果符合J507焊条成分要求。

（3）金相检查：焊缝：铁素体+珠光体，珠光体呈带状分布，带状组织2-3级，晶粒度6级。熔合线：铁素体+珠光体，珠光体呈网状分布，熔合线两侧有脱碳。热影响区：铁素体+珠光体，组织欠均匀，晶粒度5-6级。母材：铁素体+珠光体，组织尚均匀，晶粒度6～7级。以上所检查的组织皆属正常。

（4）硬度测试：母材：HB125。热影响区：HB115。焊缝区：HB125。以上所测的硬度值均符合要求。计算结果证明，19Mn5钢无再热裂纹倾向。

（5）19Mn5钢产生冷裂纹倾向和焊接热影响区淬硬倾向计算表明，汽包材料基本无冷裂倾向。

三、缺陷挖除

（一）开槽挖除工作所用的设备和材料

500A直流电焊机1台；0.75m3空压机1台；碳棒直径6mm、8mm，100根。

（二）缺陷开槽挖除方法及技术要求

①由于19Mn5钢的塑性较好，开槽挖除裂纹前不必钻孔止裂。②开槽方法：电弧气刨后，砂轮磨光。③为了减少电弧气刨的激热影响，应将温度预热到200℃以上再进行开槽，在挖掉缺陷的同时，应尽可能使槽开得规整、光滑，并尽量减少开槽的体积。论文范文

四、缺陷挖除后的补焊工艺

（一）焊条材料选择低氢型J507焊条。打底用中Φ3.2mm的焊条，其余用Φ4mm的焊条。

（二）施焊工艺：焊条在350℃烘烤2小时，烘烤的焊条放入保温箱内，随时使用。补焊过程中，始终保持预热温度，最低温度150℃，施焊中采取多层多道焊。先沿U形坡口焊三层，使坡口宽度变窄，以减少收缩变形引起的应力，然后由下至上多层多道焊。每道焊缝用分段焊法，分段时填空焊的焊接方向应与原分段焊的方向相反。各焊道分段应错开，可减少焊接应力的过大累积。打底焊采用中3.2mm焊条，焊道宽度控制在6-8mm左右，熔深控制在2-3mm之内。为减少收弧次数，每根焊条一次焊完。焊完一道，必须清渣进行检查，确认无缺陷时继续施焊。

五、焊后热处理

焊后热处理采用局部整段内加热法，使用框架式电阻加热器，总容量108kvA，9路输出，每路12kVA，输入电压220V，自动控温表2块，温度记录仪1台，热电偶17支，使用HM1300×355×88mm框架型加热块6块，平稳地置于汽包上半周，加热块与电源连接引出线用Φ10mm圆钢，套上Φ12mm的瓷管，然后与镶套铜电缆连接，铜电缆接到控温设备上。为了减少热量损失，在加热带的两端设计两块堵板，堵板用3mm厚的钢板制成Φ1600mm的圆板，将圆板分割4块在汽包内组装;在圆板每300mm×400mm的面积上焊中6×170mm的钢丝若干根，以固定保温材料；保温材料选用硅酸铝耐热材料。电源连接线和热电偶连接均从圆板的孔通过。

六、热处理后的各项工作检查

（一）表面检测：对补焊区内、外壁做磁粉检测，未发现任何缺陷。

（二）超声波检验：用超声波对内外壁进行检验未发现超标和可记录缺陷。

（三）金相检验：焊缝、熔合线、热影响区、母材等金相组织属正常范围之内。

（四）硬度检验：焊缝HB130，热影响区HB120，母材HB120。

（五）热位移、挠度、椭圆度测量：热处理升温到600℃，甲侧向西位移5mm，乙侧向东位移7mm；热处理完，汽包温度降到室温，甲乙侧位移恢复到补焊前。挠度：热处理后，甲侧0，中部0.02，乙侧0.02，正常。椭圆度a：原始值=0.22%；焊后值=0.25%；热处理后值=0.25%。补焊后椭圆度变化不大，在允许值范围内。

（六）残余应力测试：通过实测熔合线处残余应力为190MPa，偏离焊缝的近缝区应力为170MPa，焊缝平均最大应力为180MPa其残余应力水平与原始态相符，说明补焊工艺、热处理工艺、补焊质量都符合要求。

七、裂纹修复后的结论分析

汽包裂纹挖补修复后，各项技术指标均符合规定要求：

（1）补焊焊缝质量达到JBI152-81标准的I级焊缝要求。

（2）硬度最高为HB130，远远小于线材硬度+100的规定，残余应力最大为190MPa，大大小于245MPa规定，金相组织也没有变化，由所有这些检查结果推知，补焊焊缝具有良好的综合机械性能，没有产生任何永久变形。

（3）该汽包裂纹挖补修复后运行至今已近一年，在今年5月停炉检修时再次对裂纹剔除的补焊部位进行了磁粉和超声检测，同时对有记录缺陷部位进行了跟踪检查，均未有异常情况出现。由此可以说明，针对此次汽包检查出来的缺陷所采取的处理方案不仅符合标准，而且修复具体措施的实施是成功的。

参考文献：

裂纹范文篇7

关键词：船舶焊接缺陷防止措施

船舶焊接是保证船舶密性和强度的关键，是保证船舶质量的关键，是保证船舶安全航行和作业的重要条件。如果焊接存在着缺陷，就有可能造成结构断裂、渗漏，甚至引起船舶沉没。据对船舶脆断事故调查表明，40%脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。在乡镇船舶造船中，船舶的焊接质量问题尤为突出。在对船舶进行检验的过程中，对焊缝的检验尤为重要。因此，应及早发现缺陷，把焊接缺陷限制在一定范围内，以确保航行安全。

船舶焊接缺陷种类很多，按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。常见缺陷有气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。

一、气孔

气孔是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴。产生气孔的主要原因有：坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹；焊条或焊剂未按规定进行焙烘，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等。此外，低氢型焊条焊接时，电弧过长，焊接速度过快；埋弧自动焊电压过高等，都易在焊接过程中产生气孔。由于气孔的存在，使焊缝的有效截面减小，过大的气孔会降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。预防产生气孔的办法是：选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。严格按规定保管、清理和焙烘焊接材料。不使用变质焊条，当发现焊条药皮变质、剥落或焊芯锈蚀时，应严格控制使用范围。埋弧焊时，应选用合适的焊接工艺参数，特别是薄板自动焊，焊接速度应尽可能小些。

二、夹渣

夹渣就是残留在焊缝中的熔渣。夹渣也会降低焊缝的强度和致密性。产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。在使用酸性焊条时，由于电流太小或运条不当形成“糊渣”；使用碱性焊条时，由于电弧过长或极性不正确也会造成夹渣。进行埋弧焊封底时，焊丝偏离焊缝中心，也易形成夹渣。防止产生夹渣的措施是：正确选取坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当。多层焊时，应仔细观察坡口两侧熔化情况，每一焊层都要认真清理焊渣。封底焊渣应彻底清除，埋弧焊要注意防止焊偏。

三、咬边

焊缝边缘留下的凹陷，称为咬边。产生咬边的原因是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊条角度不当等。埋弧焊的焊接速度过快或焊机轨道不平等原因，都会造成焊件被熔化去一定深度，而填充金属又未能及时填满而造成咬边。咬边减小了母材接头的工作截面，从而在咬边处造成应力集中，故在重要的结构或受动载荷结构中，一般是不允许咬边存在的，或到咬边深度有所限制。防止产生咬边的办法是：选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；埋弧焊工艺参数要合适，特别要注意焊接速度不宜过高，焊机轨道要平整。

四、未焊透、未熔合

焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透；在焊件与焊缝金属或焊缝层间有局部未熔透现象，称为未熔合。未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低，甚至引起裂纹。因此，在船体的重要结构部分均不允许存在未焊透、未熔合的情况。未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。防止未焊透或未熔合的方法是正确选取坡口尺寸，合理选用焊接电流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干净；封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔合情况。

五、焊接裂纹

焊接裂纹是一种非常严重的缺陷。结构的破坏多从裂纹处开始，在焊接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹，在焊接后要采用各种方法检查有无裂纹。一经发现裂纹，应彻底清除，然后给予修补。

焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，其特征是焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。热裂纹的裂口多数贯穿表面，呈现氧化色彩，裂纹末端略呈圆形。产生热裂纹的原因是焊接熔池中存有低熔点杂质(如FeS等)。由于这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在外界结构拘束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中这些低熔点杂质在凝固过程中被拉开，或在凝固后不久被拉开，造成晶间开裂。焊件及焊条内含硫、铜等杂质多时，也易产生热裂纹。防止产生热裂纹的措施是：一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减小焊接应力。

焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹。这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。冷裂纹产生的主要原因为：1)在焊接热循环的作用下，热影响区生成了淬硬组织；2)焊缝中存在有过量的扩散氢，且具有浓集的条件；3)接头承受有较大的拘束应力。防止产生冷裂纹的措施有：1)选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；2)严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮；3)仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；4)根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；5)紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性；6)采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，以减少焊接应力。

六、其他缺陷

焊接中还常见到一些焊瘤、弧坑及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。产生焊瘤的主要原因是运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。立、仰焊时，采用过大的焊接电流和弧长，也有可能出现焊瘤。产生弧坑的原因是熄弧时间过短，或焊接突然中断，或焊接薄板时电流过大等。焊缝表面存在焊瘤影响美观，并易造成表面夹渣；弧坑常伴有裂纹和气孔，严重削弱焊接强度。防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，立、仰焊时，焊接电流应比平焊小10-15%，使用碱性焊条时，应采用短弧焊接，保持均匀运条。防止产生弧坑的主要措施是在手工焊收弧时，焊条应作短时间停留或作几次环形运条。

裂纹范文篇8

【关键词】水泥混凝土路面；损伤断裂；疲劳破坏

现在我国公路建设正进行得热火朝天，路面结构形式多样，有泥结碎石路面、块石路面、沥青路面、水泥混凝土路面等。在高等级公路建设中水泥混凝土路面以其强度高、稳定性好、耐久性好、养护维修费用低、经济效益高、有利于夜间行车的特点越来越受到人们的青睐。水泥混凝土路面损坏后修复困难也是限制水泥混凝土路面进一步推广应用的主要障碍。关于混凝土路面的损伤断裂，国内外学者作了大量而深入的研究，从混凝土材料组成、力学机理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的断裂破坏，并取得了大量的研究成果，对混凝土路面断裂处治提供了科学依据。本文应用断裂力学、损伤力学和路面破坏的原理，对水泥混凝土路面损伤断裂的产生、扩展直至破坏的全过程进行分析，指出每个阶段混凝土路面裂缝形成的根本原因，以便对症下药，为混凝土路面抗裂研究和处治提供科学依据。

一、水泥混凝土路面损伤断裂微裂缝产生的原因分析

1.1板底微裂缝的产生。水泥混凝土路面是将水泥直接浇注在凹凸不平的基层上。水泥砂浆将面层、基层形成一个整体，然而面层、基层的弹性模量、泊松比和强度各不相同。面层与基层的接触面部分的弹模、泊松比和强度不同于面层的弹模、泊松比和强度，又不同于基层的相应指标，实质上是一过渡层，并且相对面层而言，该层即为强度薄弱层。随着时间的推移，由于基层和面层各自的弹模、泊松比和强度的增长速度各自不同，同时由于面层水泥混凝土逐渐凝结，混凝土将产生收缩变形，由于温度的周期性变化，面层与基层之间存在不等量变形。由于以上原因，在面板横缝切割后必然会导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏，将面层与基层彼此分离，破坏面处于一种非常光滑的凹凸不平状态。凹凸不平的接触面阻碍了混凝土面板与基层的不均匀胀缩，产生了巨大剪应力。剪应力直接对面板施加撕裂破坏，从而使板底不同部位微裂纹产生成为必然。

1.2板中微裂缝的生成。材料的结构组织在外载或环境因素作用下将出现如微裂纹形成、扩展、空洞萌生、晶体位错等微观不可逆变化，这些微观变化将造成材料宏观力学性能的劣化，这就是材料的损伤。就宏观水平来说，混凝土是集料颗粒加水泥浆基体的两相复合材料。在制造成形后，混凝土本身就是一种内部含水、微裂缝、微孔隙的损伤体，其损伤度D为：D＝1－S／S式中：S、S‘分别为连续介质中的一个单元出现损后内外法线为n的某截面在损伤前后的面积。损伤后混凝土的弹性模量E平：E平＝E（1－D）式中：E——损伤前混凝土的弹性模量；D——损伤度。

二、在外力作荷载用下裂缝的扩展

2.1外力作用下板底裂缝的发展。由于过渡层的破坏，面板与基层分离，在路面继续胀缩和产生温度变形的剪应力作用下，其板底微裂纹必将不断的发展、不断的增多，损伤路面强度。车辆动荷载的作用下，路面板会发生振动，板的振动反过来又作用于行驶其上的车辆，这种车－板之间的耦合作用随荷载多少和车速的大小、路面平整状况以及基层材料性能的不同而变化，并且会对板的开裂产生较大的影响。研究表明，路面越不平整，车速越高，荷载越大，这种作用会更加明显，裂纹的生成和拓展速度亦就越快。

2.2板中微裂纹的发展。由于混凝土本身是一种损伤体，内部含有微裂纹、微孔隙，在行车荷载和温度应力的作用下，原有体内的弥散裂隙将进一步扩展，且新的微裂纹又生成、扩展。微裂纹扩展并集总是和材料的弹性变形同时出现，但卸荷后不能愈合，因此导致能量耗散，使材料的强度、刚度下降，砼面板损伤度会逐渐增大，路面板板中裂纹尖端附近的混凝土逐渐损伤，裂纹会逐渐发展和加剧。而不是等外界荷载增大到临界荷载时原裂纹才出现扩展损坏。当外力使材料应力达到混凝土拉伸强度ft值时微裂纹迅速扩展，骨料颗粒与水泥浆基体之间脱粘，则会出现更多的微裂纹扩展汇合成宏观裂纹。

2.3板中裂纹与板底裂纹的贯通。(1)板底及板中出现裂纹后，荷载作用下受拉区会出现损伤，即：α平拉=α拉/(1-D)式中：α平拉——板底出现裂纹后的拉应力；α拉——路面板完好时的拉应力；D——板底初始损伤度。受拉区应力增大，裂纹有向板顶扩展的趋势。（2）受拉区受损，承载能力下降，中和轴向板顶移动，导致受压区增大，该区受压区损伤进一步加剧，板中裂纹延长。（3）路面不平整时动载作用将使这种破坏加剧，板中裂纹加速扩展。板底裂纹的向上扩展和板中裂纹的进一步延长，必然会导致两者在某一应力水平下互相连通，从而加剧板的开裂破坏。2.4混凝土面板裂纹扩展的定量描述。混凝土面板裂纹扩展的三个参数，包括拉伸强度ft，断裂能Gf，还有拉伸应力-应变软化曲线形式的参数，其中断裂能指裂纹扩单位面积释放出的能量。Bazant.oh1983年研究得出的近似公式：Gf＝（2.72＋0.0214ft）f2tda/Ec其中:da——最大骨料粒径；Ec——混凝土的杨氏模量；ft——拉伸强度。

三、在荷载的作用，面板裂缝上下贯通，使路面产生断裂破坏

路面疲劳破坏的过程描述。疲劳强度是水泥混凝土混凝土路面设计的一个关键指标，按断裂力学观点，水泥混凝土路面的疲劳破坏过程应分为两个阶段：即路面完好无损至底板表面形成明显的裂纹阶段和裂纹扩展至路面板完全断裂阶段，并且第一阶段通常占材料总寿命的80％左右。然而，在确定混凝土路面的疲劳强度时，人们往往都是基于经典的应力－寿命法，即对萌生裂纹的循环作用次数和使这一裂纹扩展突然破坏的疲劳次数不加区分，在板底裂纹已经产生的情况下，板的疲劳寿命实际上仅相当于第二阶段的疲劳作用次数，这正是水泥混凝土路往往未到设计年限而了生断裂破坏的原因。公务员之家

裂纹范文篇9

关键词：船舶焊接缺陷防止措施

船舶焊接是保证船舶密性和强度的关键，是保证船舶质量的关键，是保证船舶安全航行和作业的重要条件。如果焊接存在着缺陷，就有可能造成结构断裂、渗漏，甚至引起船舶沉没。据对船舶脆断事故调查表明，40%脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。在乡镇船舶造船中，船舶的焊接质量问题尤为突出。在对船舶进行检验的过程中，对焊缝的检验尤为重要。因此，应及早发现缺陷，把焊接缺陷限制在一定范围内，以确保航行安全。

船舶焊接缺陷种类很多，按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。常见缺陷有气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。

一、气孔

气孔是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴。产生气孔的主要原因有：坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹；焊条或焊剂未按规定进行焙烘，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等。此外，低氢型焊条焊接时，电弧过长，焊接速度过快；埋弧自动焊电压过高等，都易在焊接过程中产生气孔。由于气孔的存在，使焊缝的有效截面减小，过大的气孔会降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。预防产生气孔的办法是：选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。严格按规定保管、清理和焙烘焊接材料。不使用变质焊条，当发现焊条药皮变质、剥落或焊芯锈蚀时，应严格控制使用范围。埋弧焊时，应选用合适的焊接工艺参数，特别是薄板自动焊，焊接速度应尽可能小些。

二、夹渣

夹渣就是残留在焊缝中的熔渣。夹渣也会降低焊缝的强度和致密性。产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。在使用酸性焊条时，由于电流太小或运条不当形成“糊渣”；使用碱性焊条时，由于电弧过长或极性不正确也会造成夹渣。进行埋弧焊封底时，焊丝偏离焊缝中心，也易形成夹渣。防止产生夹渣的措施是：正确选取坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当。多层焊时，应仔细观察坡口两侧熔化情况，每一焊层都要认真清理焊渣。封底焊渣应彻底清除，埋弧焊要注意防止焊偏。

三、咬边

焊缝边缘留下的凹陷，称为咬边。产生咬边的原因是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊条角度不当等。埋弧焊的焊接速度过快或焊机轨道不平等原因，都会造成焊件被熔化去一定深度，而填充金属又未能及时填满而造成咬边。咬边减小了母材接头的工作截面，从而在咬边处造成应力集中，故在重要的结构或受动载荷结构中，一般是不允许咬边存在的，或到咬边深度有所限制。防止产生咬边的办法是：选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；埋弧焊工艺参数要合适，特别要注意焊接速度不宜过高，焊机轨道要平整。

四、未焊透、未熔合

焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透；在焊件与焊缝金属或焊缝层间有局部未熔透现象，称为未熔合。未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低，甚至引起裂纹。因此，在船体的重要结构部分均不允许存在未焊透、未熔合的情况。未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。防止未焊透或未熔合的方法是正确选取坡口尺寸，合理选用焊接电流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干净；封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔合情况。

五、焊接裂纹

焊接裂纹是一种非常严重的缺陷。结构的破坏多从裂纹处开始，在焊接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹，在焊接后要采用各种方法检查有无裂纹。一经发现裂纹，应彻底清除，然后给予修补

焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，其特征是焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。热裂纹的裂口多数贯穿表面，呈现氧化色彩，裂纹末端略呈圆形。产生热裂纹的原因是焊接熔池中存有低熔点杂质(如FeS等)。由于这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在外界结构拘束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中这些低熔点杂质在凝固过程中被拉开，或在凝固后不久被拉开，造成晶间开裂。焊件及焊条内含硫、铜等杂质多时，也易产生热裂纹。防止产生热裂纹的措施是：一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减小焊接应力。

焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹。这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。冷裂纹产生的主要原因为：1)在焊接热循环的作用下，热影响区生成了淬硬组织；2)焊缝中存在有过量的扩散氢，且具有浓集的条件；3)接头承受有较大的拘束应力。防止产生冷裂纹的措施有：1)选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；2)严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮；3)仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；4)根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；5)紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性；6)采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，以减少焊接应力。

六、其他缺陷

焊接中还常见到一些焊瘤、弧坑及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。产生焊瘤的主要原因是运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。立、仰焊时，采用过大的焊接电流和弧长，也有可能出现焊瘤。产生弧坑的原因是熄弧时间过短，或焊接突然中断，或焊接薄板时电流过大等。焊缝表面存在焊瘤影响美观，并易造成表面夹渣；弧坑常伴有裂纹和气孔，严重削弱焊接强度。防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，立、仰焊时，焊接电流应比平焊小10-15%，使用碱性焊条时，应采用短弧焊接，保持均匀运条。防止产生弧坑的主要措施是在手工焊收弧时，焊条应作短时间停留或作几次环形运条。

裂纹范文篇10

关键词：碳纤维钢纤维混凝土疲劳损伤

近几年来，纤维混凝土已广泛应用于对抗疲劳、抗震和抗冲击等有较高要求的土木工程领域，这些工程在其服役期内通常承受随机或周期性反复荷载的作用，因此，研究纤维混凝土在不同加载应力水平下的疲劳寿命、能量吸收和疲劳累积损伤特性是极其重要的，它是建立纤维混凝土疲劳累积损伤理论和正确估算结构剩余疲劳寿命等工作的基础。过去关于素混凝土及钢纤维混凝土疲劳特性的研究较多[1～4]，但关于碳纤维混凝土疲劳特性的研究未见报道。本文对碳纤维和钢纤维增强混凝土的疲劳特性作了对比试验，重点研究了碳纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命、能量吸收值及疲劳累积损伤变量的影响规律。研究表明：钢纤维和碳纤维混凝土均具有良好的抗疲劳特性，钢纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的7.9～13.7倍，能量吸收是素混凝土7.4～14.5倍，碳纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土2.1～9.3倍，能量吸收是素混凝土1.53～4.2倍；与高应力水平相比，纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命、能量吸收均有明显增大的趋势。

1试验过程

表1纤维混凝土力学性能

--------------------------------------------------------------------------------

试件编号

纤维体积率(%)

轴心抗压强度/MPa

弹性模量/GPa

--------------------------------------------------------------------------------

C

0.00

20.8

14.96

CF1

0.10

21.0

12.43

CF2

0.20

21.9

12.97

CF3

0.25

22.5

13.42

SE

1.0

20.9

20.10

SK1

1.2

21.1

22.40

SK2

1.6

22.9

23.71

SK3

2.0

23.4

24.01

--------------------------------------------------------------------------------

1.1试件试验所用材料及混凝土配合比见文献[5]。棱柱体试件尺寸为100mm×100mm×300mm，各类试件个数均为6个，纤维混凝土力学性能列于表1，表中C代表素混凝土，CF1～CF3代表碳纤维混凝土，SE代表E型钢纤维混凝土，SK1～SK3代表K型钢纤维混凝土。

1.2静载试验在作疲劳试验前先作了静载抗压试验，以确定试件破坏时的最大荷载。试件室内自然养护45d后作试验。由于试件数量较多，试验持续时间达9d，为了取得较精确的静载轴心抗压强度，用以下方法来测算疲劳试验时任意一天的轴心抗压强度，并以此来确定疲劳试验中的应力水平。

试验开始的当天，测一组试件的轴心抗压强度，试验过程中每隔3d测一组轴心抗压强度，代入下式[4]确定A、B常数。

fc,t=Alogt+B

(1)

式中：fc,t为龄期t天时的轴心抗压强度。利用式(1)可求得任意给定一天的轴心抗压强度。

1.3疲劳试验装置及试验过程整个试验在德国生产的电液伺服系统试验机上完成，疲劳加载按恒力控制，加载波为正弦波，频率为0.5Hz.为了避免加载过程中出现非接触情况，试件上保持了0.05Fmax的最小压力(Fmax为静载试验时的最大荷载).测试系统由试验机自带的位移计、压力传感器、动态应变仪和x-y函数记录仪组成，同时用计算机自动采集系统记录和显示数据。记录仪记录了疲劳过程中的荷载-位移曲线。加载应力水平τ等于疲劳荷载与静载轴心抗压强度的比值，本试验τ分别取0.70、0.80、0.90和0.95.

2试验结果及分析

2.1疲劳试验结果

2.1.1疲劳寿命素混凝土、碳纤维及钢纤维混凝土在4种不同应力水平下的疲劳寿命列于表2.

表2纤维混凝土抗压疲劳寿命

--------------------------------------------------------------------------------

试件

τ

--------------------------------------------------------------------------------

C

CF1

CF2

CF3

SE

SK1

SK2

SK3

--------------------------------------------------------------------------------

0.70

平均值

191

1600

1788

1874

2270

2393

2421

2625

变异性δ

0.15

0.08

0.09

0.07

0.10

0.09

0.08

0.08

0.80

平均值

79

258

333

342

562

634

734

777

变异性δ

0.15

0.01

0.07

0.11

0.19

0.03

0.11

0.08

0.90

平均值

31

88

103

117

187

192

200

179

变异性δ

0.22

0.13

0.12

0.15

0.12

0.11

0.11

0.14

0.95

平均值

13

19

24

27

103

115

121

124

变异性δ

0.21

0.20

0.21

0.20

0.24

0.10

0.18

0.24

--------------------------------------------------------------------------------

由表2可见，随着加载应力水平的提高，纤维混凝土的疲劳寿命减少，纤维体积率增加时，疲劳寿命增大。钢纤维混凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的1.6～6.5倍。试件SE与SK1中纤维体积率接近，两种钢纤维均能均匀地分布于混凝土中，施工性良好。但是，带钩的K型钢丝纤维的疲劳寿命高于E型剪切类钢纤维。

在较低应力水平下，纤维混凝土的疲劳寿命高，但当τ≥0.80时，疲劳寿命明显降低。试验时清晰地观察到：当应力水平较低时(如图1(a)所示)，在循环初期，试件表面的可视裂纹少而短，循环次数增加，已有裂纹不再继续增长或增长十分缓慢，随着循环次数的进一步增加，新生疲劳裂纹不断萌生和扩展，最后，已有裂纹与新生裂纹共同向前扩展，并相互贯通，形成一条通缝，导致试件破坏。从试件内部损伤机制看，在低应力水平下，疲劳裂纹端部的应力集度小于纤维的阻力，纤维阻止了裂纹的扩展，要使裂纹通过钢纤维或高强碳纤维，就需增加循环次数，促使疲劳裂纹的扩展与贯通。在较高应力水平，如τ≥0.80时，循环初期，试件表面可视裂纹多而粗，当循环次数增加时，已有裂纹不断扩展，新裂纹逐渐萌生和扩展，最后两种裂纹在疲劳荷载作用下，相互搭接和贯通，导致试件破坏(如图1(b)所示).从试件内部损伤机制看，较高应力水平下，混凝土基体中裂纹端部的应力集度大于纤维的阻力，裂纹进一步扩展，累积损伤增大，疲劳寿命减少。

碳纤维混凝土疲劳寿命与应力水平、纤维体积率的关系如图2所示，图中纵坐标为碳纤维混凝土疲劳寿命与素混凝土的比值。在不同的应力水平下，碳纤维对混凝土疲劳寿命的提高幅度不同。但是，随着碳纤维体积率的增大，碳纤维混凝土的疲劳寿命基本上按线性规律增加，即

图1疲劳裂纹扩展过程示意

Ncf/Nc=a+bνcf

(2)

式中：νcf为碳纤维体积率，单位为(‰)，下同；Ncf为碳纤维混凝土的疲劳寿命；Nc为素混凝土的疲劳寿命。应力水平不同，则a、b系数不同。当τ=0.70时，a=7.62,b=0.78;τ=0.80时，a=2.40,b=0.80;τ=0.90时，a=1.98,b=0.73;τ=0.95时，a=1.21,b=0.33.这表明碳纤维混凝土的疲劳寿命与应力水平密切相关，当应力水平τ由0.70升为0.80时，碳纤维混凝土疲劳寿命与素混凝土疲劳寿命的比值明显减小。

图2碳纤维混凝土相对疲劳寿命与纤维体积率的关系曲线

2.1.2能量吸收试件在疲劳荷载作用下荷载-位移曲线下的面积为其所吸收的能量值，用J表示。当试件破坏时，荷载-位移曲线下的面积为疲劳过程中所吸收的总能量，用Jtot表示，总能量吸收值列于表3.

表3纤维混凝土所吸收的总能量(单位：N·m)

--------------------------------------------------------------------------------

试件

τ

--------------------------------------------------------------------------------

C

CF1

CF2

CF3

SE

SK1

SK2

SK3

--------------------------------------------------------------------------------

0.70

平均值

1273

4758

5081

5326

12793

14837

16069

18416

变异性δ

0.07

0.04

0.03

0.02

0.08

0.04

0.03

0.034

0.80

平均值

709

1454

1503

1609

3653

4489

5488

5637

变异性δ

0.03

0.06

0.10

0.03

0.16

0.05

0.06

0.06

0.90

平均值

393

603

804

919

2002

2325

2372

3221

变异性δ

0.14

0.12

0.17

0.08

0.05

0.14

0.12

0.06

0.95

平均值

224

344

367

392

1200

1461

1657

1658

变异性δ

0.17

0.15

0.11

0.13

0.06

0.23

0.18

0.09

--------------------------------------------------------------------------------

纤维混凝土试件在疲劳过程中裂纹扩展、纤维的脱粘与拔出等都需吸收能量，总的能量吸收与疲劳寿命、纤维体积率、应力水平以及损伤发展密切相关。与高应力水平相比，在较低的应力水平下，疲劳裂纹短而且少，纤维与基体间有良好的粘结力，纤维延缓了裂纹的扩展，增大了基体的疲劳寿命、可恢复变形和能量吸收值，试件能吸收更多的能量。当应力水平提高时，砂浆体中产生更多的裂纹，消弱了纤维对裂纹的阻滞作用，裂纹扩展速率和不可逆变形增大，疲劳寿命和能量吸收值减少。钢纤维与碳纤维的弹性模量接近，但钢纤维混凝土在疲劳过程中吸收的能量值大于碳纤维混凝土，这是由于钢纤维两端带钩，增加了钢纤维与基体间的摩擦力，在钢纤维被拔出的过程中即钢纤维混凝土的破坏阶段所吸收的能量大于碳纤维混凝土。钢纤维更有利于提高混凝土的耗能性能。

2.2疲劳累积损伤规律试件内部的损伤演化与能量吸收密切相关。从能量吸收的角度定义损伤变量D为：

D=J/Jtot

(3)

图3为试件能量吸收相对值或损伤变量D与循环次数比的关系曲线。由图可见，纤维混凝土的累积损伤为非线性损伤，用Miner线性损伤准则计算纤维混凝土结构的剩余寿命偏于保守，加载应力水平对于能量吸收或损伤演化有影响。纤维混凝土材料的能量吸收或累积损伤发展大致分为三个阶段：第一阶段，循环初期，n/N≤0.15时，能量吸收较快，由于材料的弹性变形在吸收能量，但损伤变形发展较慢，因此该阶段用能量吸收值来估算累积损伤不够准确；第二阶段，0.2≤n/N≤0.85，材料处于能量吸收或损伤演化的稳定发展阶段，能量吸收或累积损伤与循环次数基本呈线性增长规律，试件所吸收的能量用于裂纹萌生、稳定扩展和纤维的脱粘等，能量吸收反映了累积损伤发展规律；第三阶段，n/N＞0.85，处于能量吸收或累积损伤的快速发展阶段，试件中的裂纹由稳定扩展变为非稳定扩展，裂纹扩展速率加快，纤维不断被拔出，当纤维被拔出后，试件完全丧失承载力。

图3纤维混凝土能量吸收比与循环比的关系曲线

图3中，纤维混凝土的累积损伤发展与应力水平及纤维掺量有关，经统计分析得到碳纤维混凝土累积损伤变量Dcf以及钢纤维混凝土累积损伤变量Ds分别为：

Dcf=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+1.7νcf)log(0.9τ)

(4)

Ds=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+2.4νsfl/d)log(0.9τ)

(5)

式中：τ为应力水平，τ≥0.70；n/N为循环比。

摘要：本文研究了素混凝土、碳纤维混凝土和钢纤维混凝土在轴压疲劳荷载下的破坏机理，试验研究了碳纤维、不同品种钢纤维、纤维掺量、加载应力水平对于疲劳寿命及能量吸收的影响规律，探讨了疲劳累积损伤特性。研究表明：在较低的应力水平下纤维混凝土的疲劳寿命、能量吸收值均比高应力水平时明显增大。

关键词：碳纤维钢纤维混凝土疲劳损伤

近几年来，纤维混凝土已广泛应用于对抗疲劳、抗震和抗冲击等有较高要求的土木工程领域，这些工程在其服役期内通常承受随机或周期性反复荷载的作用，因此，研究纤维混凝土在不同加载应力水平下的疲劳寿命、能量吸收和疲劳累积损伤特性是极其重要的，它是建立纤维混凝土疲劳累积损伤理论和正确估算结构剩余疲劳寿命等工作的基础。过去关于素混凝土及钢纤维混凝土疲劳特性的研究较多[1～4]，但关于碳纤维混凝土疲劳特性的研究未见报道。本文对碳纤维和钢纤维增强混凝土的疲劳特性作了对比试验，重点研究了碳纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命、能量吸收值及疲劳累积损伤变量的影响规律。研究表明：钢纤维和碳纤维混凝土均具有良好的抗疲劳特性，钢纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的7.9～13.7倍，能量吸收是素混凝土7.4～14.5倍，碳纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土2.1～9.3倍，能量吸收是素混凝土1.53～4.2倍；与高应力水平相比，纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命、能量吸收均有明显增大的趋势。

1试验过程

表1纤维混凝土力学性能

--------------------------------------------------------------------------------

试件编号

纤维体积率(%)

轴心抗压强度/MPa

弹性模量/GPa

--------------------------------------------------------------------------------

C

0.00

20.8

14.96

CF1

0.10

21.0

12.43

CF2

0.20

21.9

12.97

CF3

0.25

22.5

13.42

SE

1.0

20.9

20.10

SK1

1.2

21.1

22.40

SK2

1.6

22.9

23.71

SK3

2.0

23.4

24.01

--------------------------------------------------------------------------------

1.1试件试验所用材料及混凝土配合比见文献[5]。棱柱体试件尺寸为100mm×100mm×300mm，各类试件个数均为6个，纤维混凝土力学性能列于表1，表中C代表素混凝土，CF1～CF3代表碳纤维混凝土，SE代表E型钢纤维混凝土，SK1～SK3代表K型钢纤维混凝土。

1.2静载试验在作疲劳试验前先作了静载抗压试验，以确定试件破坏时的最大荷载。试件室内自然养护45d后作试验。由于试件数量较多，试验持续时间达9d，为了取得较精确的静载轴心抗压强度，用以下方法来测算疲劳试验时任意一天的轴心抗压强度，并以此来确定疲劳试验中的应力水平。

试验开始的当天，测一组试件的轴心抗压强度，试验过程中每隔3d测一组轴心抗压强度，代入下式[4]确定A、B常数。

fc,t=Alogt+B

(1)

式中：fc,t为龄期t天时的轴心抗压强度。利用式(1)可求得任意给定一天的轴心抗压强度。

1.3疲劳试验装置及试验过程整个试验在德国生产的电液伺服系统试验机上完成，疲劳加载按恒力控制，加载波为正弦波，频率为0.5Hz.为了避免加载过程中出现非接触情况，试件上保持了0.05Fmax的最小压力(Fmax为静载试验时的最大荷载).测试系统由试验机自带的位移计、压力传感器、动态应变仪和x-y函数记录仪组成，同时用计算机自动采集系统记录和显示数据。记录仪记录了疲劳过程中的荷载-位移曲线。加载应力水平τ等于疲劳荷载与静载轴心抗压强度的比值，本试验τ分别取0.70、0.80、0.90和0.95.

2试验结果及分析

2.1疲劳试验结果

2.1.1疲劳寿命素混凝土、碳纤维及钢纤维混凝土在4种不同应力水平下的疲劳寿命列于表2.

表2纤维混凝土抗压疲劳寿命

--------------------------------------------------------------------------------

试件

τ

--------------------------------------------------------------------------------

C

CF1

CF2

CF3

SE

SK1

SK2

SK3

--------------------------------------------------------------------------------

0.70

平均值

191

1600

1788

1874

2270

2393

2421

2625

变异性δ

0.15

0.08

0.09

0.07

0.10

0.09

0.08

0.08

0.80

平均值

79

258

333

342

562

634

734

777

变异性δ

0.15

0.01

0.07

0.11

0.19

0.03

0.11

0.08

0.90

平均值

31

88

103

117

187

192

200

179

变异性δ

0.22

0.13

0.12

0.15

0.12

0.11

0.11

0.14

0.95

平均值

13

19

24

27

103

115

121

124

变异性δ

0.21

0.20

0.21

0.20

0.24

0.10

0.18

0.24

--------------------------------------------------------------------------------

由表2可见，随着加载应力水平的提高，纤维混凝土的疲劳寿命减少，纤维体积率增加时，疲劳寿命增大。钢纤维混凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的1.6～6.5倍。试件SE与SK1中纤维体积率接近，两种钢纤维均能均匀地分布于混凝土中，施工性良好。但是，带钩的K型钢丝纤维的疲劳寿命高于E型剪切类钢纤维。

在较低应力水平下，纤维混凝土的疲劳寿命高，但当τ≥0.80时，疲劳寿命明显降低。试验时清晰地观察到：当应力水平较低时(如图1(a)所示)，在循环初期，试件表面的可视裂纹少而短，循环次数增加，已有裂纹不再继续增长或增长十分缓慢，随着循环次数的进一步增加，新生疲劳裂纹不断萌生和扩展，最后，已有裂纹与新生裂纹共同向前扩展，并相互贯通，形成一条通缝，导致试件破坏。从试件内部损伤机制看，在低应力水平下，疲劳裂纹端部的应力集度小于纤维的阻力，纤维阻止了裂纹的扩展，要使裂纹通过钢纤维或高强碳纤维，就需增加循环次数，促使疲劳裂纹的扩展与贯通。在较高应力水平，如τ≥0.80时，循环初期，试件表面可视裂纹多而粗，当循环次数增加时，已有裂纹不断扩展，新裂纹逐渐萌生和扩展，最后两种裂纹在疲劳荷载作用下，相互搭接和贯通，导致试件破坏(如图1(b)所示).从试件内部损伤机制看，较高应力水平下，混凝土基体中裂纹端部的应力集度大于纤维的阻力，裂纹进一步扩展，累积损伤增大，疲劳寿命减少。

碳纤维混凝土疲劳寿命与应力水平、纤维体积率的关系如图2所示，图中纵坐标为碳纤维混凝土疲劳寿命与素混凝土的比值。在不同的应力水平下，碳纤维对混凝土疲劳寿命的提高幅度不同。但是，随着碳纤维体积率的增大，碳纤维混凝土的疲劳寿命基本上按线性规律增加，即

图1疲劳裂纹扩展过程示意

Ncf/Nc=a+bνcf

(2)

式中：νcf为碳纤维体积率，单位为(‰)，下同；Ncf为碳纤维混凝土的疲劳寿命；Nc为素混凝土的疲劳寿命。应力水平不同，则a、b系数不同。当τ=0.70时，a=7.62,b=0.78;τ=0.80时，a=2.40,b=0.80;τ=0.90时，a=1.98,b=0.73;τ=0.95时，a=1.21,b=0.33.这表明碳纤维混凝土的疲劳寿命与应力水平密切相关，当应力水平τ由0.70升为0.80时，碳纤维混凝土疲劳寿命与素混凝土疲劳寿命的比值明显减小。

图2碳纤维混凝土相对疲劳寿命与纤维体积率的关系曲线

2.1.2能量吸收试件在疲劳荷载作用下荷载-位移曲线下的面积为其所吸收的能量值，用J表示。当试件破坏时，荷载-位移曲线下的面积为疲劳过程中所吸收的总能量，用Jtot表示，总能量吸收值列于表3.

表3纤维混凝土所吸收的总能量(单位：N·m)

--------------------------------------------------------------------------------

试件

τ

--------------------------------------------------------------------------------

C

CF1

CF2

CF3

SE

SK1

SK2

SK3

--------------------------------------------------------------------------------

0.70

平均值

1273

4758

5081

5326

12793

14837

16069

18416

变异性δ

0.07

0.04

0.03

0.02

0.08

0.04

0.03

0.034

0.80

平均值

709

1454

1503

1609

3653

4489

5488

5637

变异性δ

0.03

0.06

0.10

0.03

0.16

0.05

0.06

0.06

0.90

平均值

393

603

804

919

2002

2325

2372

3221

变异性δ

0.14

0.12

0.17

0.08

0.05

0.14

0.12

0.06

0.95

平均值

224

344

367

392

1200

1461

1657

1658

变异性δ

0.17

0.15

0.11

0.13

0.06

0.23

0.18

0.09

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纤维混凝土试件在疲劳过程中裂纹扩展、纤维的脱粘与拔出等都需吸收能量，总的能量吸收与疲劳寿命、纤维体积率、应力水平以及损伤发展密切相关。与高应力水平相比，在较低的应力水平下，疲劳裂纹短而且少，纤维与基体间有良好的粘结力，纤维延缓了裂纹的扩展，增大了基体的疲劳寿命、可恢复变形和能量吸收值，试件能吸收更多的能量。当应力水平提高时，砂浆体中产生更多的裂纹，消弱了纤维对裂纹的阻滞作用，裂纹扩展速率和不可逆变形增大，疲劳寿命和能量吸收值减少。钢纤维与碳纤维的弹性模量接近，但钢纤维混凝土在疲劳过程中吸收的能量值大于碳纤维混凝土，这是由于钢纤维两端带钩，增加了钢纤维与基体间的摩擦力，在钢纤维被拔出的过程中即钢纤维混凝土的破坏阶段所吸收的能量大于碳纤维混凝土。钢纤维更有利于提高混凝土的耗能性能。

2.2疲劳累积损伤规律试件内部的损伤演化与能量吸收密切相关。从能量吸收的角度定义损伤变量D为：

D=J/Jtot

(3)

图3为试件能量吸收相对值或损伤变量D与循环次数比的关系曲线。由图可见，纤维混凝土的累积损伤为非线性损伤，用Miner线性损伤准则计算纤维混凝土结构的剩余寿命偏于保守，加载应力水平对于能量吸收或损伤演化有影响。纤维混凝土材料的能量吸收或累积损伤发展大致分为三个阶段：第一阶段，循环初期，n/N≤0.15时，能量吸收较快，由于材料的弹性变形在吸收能量，但损伤变形发展较慢，因此该阶段用能量吸收值来估算累积损伤不够准确；第二阶段，0.2≤n/N≤0.85，材料处于能量吸收或损伤演化的稳定发展阶段，能量吸收或累积损伤与循环次数基本呈线性增长规律，试件所吸收的能量用于裂纹萌生、稳定扩展和纤维的脱粘等，能量吸收反映了累积损伤发展规律；第三阶段，n/N＞0.85，处于能量吸收或累积损伤的快速发展阶段，试件中的裂纹由稳定扩展变为非稳定扩展，裂纹扩展速率加快，纤维不断被拔出，当纤维被拔出后，试件完全丧失承载力。

图3纤维混凝土能量吸收比与循环比的关系曲线

图3中，纤维混凝土的累积损伤发展与应力水平及纤维掺量有关，经统计分析得到碳纤维混凝土累积损伤变量Dcf以及钢纤维混凝土累积损伤变量Ds分别为：

Dcf=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+1.7νcf)log(0.9τ)

(4)

Ds=J/Jtot=(n/N)1-(3.1+2.4νsfl/d)log(0.9τ)

(5)

式中：τ为应力水平，τ≥0.70；n/N为循环比。

3结论

(1)在对纤维混凝土进行疲劳设计和疲劳强度分析时，应考虑应力水平对疲劳寿命及能量吸收的影响。纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命和能量吸收比高应力水平时有明显的增大趋势。当应力水平大于或等于破坏荷载的80%时，纤维混凝土的疲劳寿命和能量吸收明显降低；纤维在较低应力水平下表现出很强的阻滞作用，延缓了混凝土基体的损伤发展。(2)当钢纤维体积率为1.0%～2.0%，碳纤维体积率为1.0‰～2.5‰时，钢纤维混凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的1.6～6.5倍，能量吸收是碳纤维混凝土的3.9～4.8倍。(3)试件在疲劳过程中所吸收能量的相对值，较真实地反映了钢纤维和碳纤维混凝土的非线性疲劳累积损伤过程，用Miner线性累积损伤理论计算纤维混凝土的疲劳累积损伤偏于保守。

参考文献：

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