q345b鋼板對(duì)接焊縫斷裂韌性與溫度效應(yīng)分析

q345b鋼板對(duì)接焊縫斷裂韌性與溫度效應(yīng)分析

近年來，我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程快速發(fā)展，尤其是在一些高差建筑和大型結(jié)構(gòu)中使用了大量厚板。例如，國(guó)家體育協(xié)會(huì)的“鳥巢”采用了110mm的q60e-z35厚板和100mm的q45gjd厚板。總書記的新平臺(tái)采用了80、100和110mm的q20d和4m60m的厚板。北京新寶利大樓采用h型結(jié)構(gòu)，翼緣厚度為125mm。隨著鋼板厚度的增加,焊接難度大大提高,存在焊接缺陷的可能性也相應(yīng)增加.厚板焊接較大的熱輸入量對(duì)焊接熱影響區(qū)的抗裂性及韌性產(chǎn)生了顯著影響.厚板鋼材的冶煉軋制工藝,使厚板的韌性和塑性均有所降低,特別是中心偏析使鋼板厚度方向的性能明顯劣化.因此,厚板焊接接頭非常容易在焊接施工和使用過程中,發(fā)生脆性斷裂事故.另一方面,我國(guó)冬季覆蓋范圍廣,且部分地區(qū)長(zhǎng)期處于低溫,冬季施工或低溫下服役都容易引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂,尤其是厚板焊接工程.斷裂韌性反映了材料抵抗斷裂的能力,其受到材質(zhì)、構(gòu)件厚度、環(huán)境溫度和加載速率等因素的影響.斷裂力學(xué)方法能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的斷裂行為做出準(zhǔn)確、定量的判斷,而斷裂韌性是斷裂力學(xué)分析所必需的基本材性指標(biāo).因此,開展鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫斷裂韌性的試驗(yàn)測(cè)定及其影響規(guī)律研究,對(duì)防止厚板焊接接頭的脆性斷裂具有重要意義.低溫對(duì)鋼材及焊縫的韌性具有顯著影響,本文將在低溫環(huán)境下,采用三點(diǎn)彎曲試樣,對(duì)150mm的Q345B厚板對(duì)接焊縫進(jìn)行裂紋尖端張開位移試驗(yàn),分別測(cè)定焊縫金屬和熱影響區(qū)材料各低溫點(diǎn)下的斷裂韌性,并研究其隨溫度的變化規(guī)律.1測(cè)試1.1試驗(yàn)結(jié)果的討論根據(jù)GB/T2358—94《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗(yàn)方法》的規(guī)定,在20、0、-20、-40、-60℃五個(gè)溫度點(diǎn)下,對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼材Q345B的150mm厚鋼板對(duì)接焊縫的熔敷金屬和熱影響區(qū)材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).試驗(yàn)直接測(cè)定試樣跨中荷載P和刀口張開位移V,得到P-V曲線,從而按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出的公式計(jì)算最大載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裂紋尖端張開位移CTOD值δm,以表征相應(yīng)材料的斷裂韌性.并得到焊縫金屬和熱影響區(qū)材料CTOD值δm隨溫度和厚度方向位置的變化規(guī)律.最大載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CTOD值δm為δm=K2I(1?μ2)2σyE+rp(W?a0)Vmprp(W?a0)+a0+Z.δm=ΚΙ2(1-μ2)2σyE+rp(W-a0)Vmprp(W-a0)+a0+Ζ.式中:μ=0.3為泊松比;E=2.06×105MPa為彈性模量;σy為焊縫金屬或熱影響區(qū)材料的屈服強(qiáng)度;rp=0.44為塑性轉(zhuǎn)動(dòng)因子;W為試樣寬度;a0為試樣原始裂紋長(zhǎng)度,由斷口測(cè)定;Vmp為P-V曲線最大載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的塑性位移;Z為固定引伸計(jì)的刀口厚度;KI=YPm/[BW1/2]為I型應(yīng)力強(qiáng)度因子,其中Pm為P-V曲線上的最大載荷值,B為試樣厚度,Y由(a0/W)按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)查表得到.1.2試驗(yàn)材料、方法和試驗(yàn)方法試驗(yàn)選用首鋼生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)用厚板鋼材Q345B,厚度t=150mm,主要化學(xué)成分見表1.對(duì)接焊縫采用單邊V形坡口,坡口形式見圖1.焊接在常溫下進(jìn)行,焊接位置為平焊,焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊,焊絲型號(hào)H08Mn2SiA、直徑1.2mm,電流250～300A、電壓28～35V、送絲速度30～45cm/min.試驗(yàn)采用的三點(diǎn)彎曲試樣的幾何尺寸見圖2,試樣厚度B=10mm、寬度W=2B=20mm、跨度S=4W=80mm、總長(zhǎng)度L=110mm,裂紋長(zhǎng)度為7mm的線切割和約3mm的預(yù)制疲勞裂紋.如圖3所示,取樣方向垂直于焊縫方向,分別在距鋼板表面0、1/4、1/2、3/4厚度位置取樣;焊縫金屬試樣的裂紋平面大致位于所在厚度位置焊縫寬度的中心,熱影響區(qū)試樣的裂紋平面大致位于距熔合線2mm的母材一側(cè).試樣分組情況見表2.1.3低溫夾式引伸計(jì)試驗(yàn)試驗(yàn)在清華大學(xué)航空航天學(xué)院力學(xué)系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用的全套低溫試驗(yàn)設(shè)備見圖4.試驗(yàn)中試樣由空氣和液氮的混合氣體進(jìn)行冷卻,并由溫度傳感器、控制器、混合氣體伺服閥等調(diào)節(jié)保溫箱內(nèi)的溫度保持某一設(shè)定值,該溫度控制設(shè)備調(diào)節(jié)溫度的精度在±1℃.測(cè)量刀口張開位移的引伸計(jì)為專門的低溫夾式引伸計(jì).試驗(yàn)過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)如下:1)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)保證試樣在跨中位置受壓,壓頭位移速率為2mm/min,保證為靜力加載;2)試驗(yàn)從高溫到低溫進(jìn)行,多試樣同時(shí)在低溫箱內(nèi)冷卻,提高試驗(yàn)效率;3)冷卻試樣的時(shí)間不少于15min,且在加載過程中溫度偏離設(shè)定值不超過±2℃;4)由計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄試樣破壞前荷載與位移的全過程曲線.2試驗(yàn)結(jié)果2.1試驗(yàn)結(jié)果分析GB/T2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》規(guī)定,對(duì)于厚度大于50mm的鋼板,取樣位置為距表面1/4厚度處.因此,在CTOD試驗(yàn)中,將1/4厚度位置試樣的試驗(yàn)值作為鋼板或焊縫整體性能的代表值.母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)材料的斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化關(guān)系見圖5(δm為3個(gè)試樣試驗(yàn)的平均值,母材數(shù)據(jù)來自前期試驗(yàn)).由圖5可見,隨著溫度的降低,焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的CTOD值δm均迅速降低;如熱影響區(qū)CTOD值δm由20℃的0.56mm降低至-60℃的0.05mm.相同溫度點(diǎn)下,焊縫金屬的CTOD值δm相對(duì)較高,而熱影響區(qū)CTOD值δm低于母材.造成這一結(jié)果的可能原因:對(duì)接焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊,氬弧焊絲H08Mn2SiA熔敷金屬具有優(yōu)良的塑性、韌性和抗裂性能,尤其是低溫沖擊韌性較高;而對(duì)于焊接熱影響區(qū),在焊接熱循環(huán)作用下焊縫兩側(cè)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化,奧氏體晶粒長(zhǎng)大,使熱影響區(qū)的塑性和韌性均低于母材.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析為研究沿板厚方向不同位置的斷裂韌性分布,試驗(yàn)在20、0、-40℃三個(gè)溫度點(diǎn)下,對(duì)焊縫金屬和熱影響區(qū)材料進(jìn)行了沿厚度方向不同位置的取樣.焊縫金屬材料和熱影響區(qū)材料的試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7,圖7還列出了母材的試驗(yàn)結(jié)果.由圖6三個(gè)溫度點(diǎn)下CTOD值δm隨厚度位置的分布可見,焊縫金屬CTOD值δm沿厚度位置的變化沒有明顯規(guī)律,是隨機(jī)波動(dòng)的.由圖7可見,熱影響區(qū)CTOD值δm沿厚度位置的分布規(guī)律和母材保持一致,均表現(xiàn)出從表面至中心位置不斷降低的趨勢(shì);且同一溫度點(diǎn)下相同厚度位置上,熱影響區(qū)的CTOD值δm均比母材的小.3各試驗(yàn)材料的斷裂韌性分析韌脆轉(zhuǎn)變溫度是反映材料低溫冷脆性能的一個(gè)重要指標(biāo),轉(zhuǎn)變溫度越高,材料越容易發(fā)生低溫冷脆.見圖8,斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化曲線總體上呈S形,分為上平臺(tái)區(qū)、轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺(tái)區(qū)3個(gè)部分.采用Boltzmann函數(shù)可以較好地?cái)M合斷裂韌性-溫度曲線δm=δ1?δ21+exp[(T?Tt)/ΔT]+δ2.δm=δ1-δ21+exp[(Τ-Τt)/ΔΤ]+δ2.式中:δ1、δ2分別為斷裂韌性CTOD值的下平臺(tái)、上平臺(tái)值(mm);T為溫度變量(℃);Tt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度(℃),ΔT為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍(℃).采用Boltzmann函數(shù),基于1/4厚度位置每個(gè)試樣的斷裂韌性試驗(yàn)值,對(duì)焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的斷裂韌性-溫度曲線進(jìn)行擬合,圖8給出了熱影響區(qū)材料的韌脆轉(zhuǎn)變擬合曲線,參數(shù)結(jié)果見表3,由表3可見:1)與熱影響區(qū)和母材相比,焊縫金屬的上平臺(tái)值和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍都較大,且韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低(-30.8℃),表現(xiàn)出較好的斷裂韌性;但擬合的相關(guān)系數(shù)較低,表明試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大.2)熱影響區(qū)的上平臺(tái)值和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍均小于母材,而韌脆轉(zhuǎn)變溫度-17.0℃則高于母材的-25.4℃,表明熱影響區(qū)的斷裂韌性比母材差.4試驗(yàn)溫度和溫度對(duì)斷口形貌的影響三點(diǎn)彎曲試樣斷口包括切割區(qū)、疲勞區(qū)、纖維區(qū)、剪切區(qū)、脆性斷裂區(qū)和沖擊斷裂區(qū),見圖9.切割區(qū)是試樣加工時(shí)線切割的區(qū)域;疲勞區(qū)是試樣進(jìn)行疲勞裂紋加工的過程中形成的;纖維區(qū)是試樣加載過程中延性斷裂的斷口,低溫脆斷時(shí)該區(qū)域很小甚至沒有;剪切區(qū)出現(xiàn)在試樣表面,為剪切破壞;脆性斷裂區(qū)為試樣發(fā)生脆性斷裂形成的斷口,形成速度較快;沖擊斷裂區(qū)是加載結(jié)束后將試樣壓斷而形成的.圖10和圖11分別為焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣在不同試驗(yàn)溫度下的宏觀斷口照片.通過宏觀斷口形貌,可以看出試樣斷裂時(shí)的塑性變形隨溫度的降低而不斷減小甚至消失,且試樣表面兩側(cè)的剪切區(qū)也越來越不明顯,表明韌性越來越差.對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣斷口進(jìn)行電鏡掃描,放大倍數(shù)為1000倍,焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣斷口的掃描電鏡照片見圖12和圖13.由圖12可見,常溫20℃時(shí)斷口存在明顯的纖維區(qū),有典型的韌窩分布,斷裂的微觀機(jī)理為微孔聚合型斷裂,韌性較好;當(dāng)溫度降低至-20℃時(shí)斷口依然存在纖維區(qū),但同時(shí)也有少量解理面出現(xiàn);低溫-40～-60℃時(shí)斷口僅存在脆性斷裂區(qū),顯示出非常清晰的解理斷裂的舌狀花樣.由圖13可見,20℃時(shí)熱影響區(qū)試樣的纖維區(qū)分布著較明顯的韌窩和解理面;溫度達(dá)-20℃時(shí)纖維區(qū)完全消失而僅存在脆性斷裂區(qū),具有河流狀花樣的解理斷裂特征;低溫-40～-60℃時(shí),脆性斷裂特征更加明顯.由焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣斷口的微觀形貌比較可見,熱影響區(qū)材料的脆性特征更加明顯一些,這與試驗(yàn)中測(cè)得的熱影響區(qū)材料CTOD值δm更小的結(jié)果相一致.5焊縫金屬的ctd值分布1)焊縫金屬和熱影響區(qū)的斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的降低而降低,從20～-60℃,降幅分別達(dá)78%和91%;焊縫金屬的斷裂韌性最好、母材次之、熱影響區(qū)最差.2)焊縫金屬