鋼結構厚板斷裂韌性隨溫度變化規(guī)律

鋼結構厚板斷裂韌性隨溫度變化規(guī)律

隨著我國城市化進程的深化，高層建筑和大型場地不斷出現(xiàn)。在建筑結構上，厚板木材主要用于大型厚板和大型厚板的結構。板材厚度范圍為40100mm。由于對厚板材料的基本力學、強度和焊接技術的認識不足，中國的鋼結構設計和施工標準沒有相關規(guī)定，因此在焊接、施工和使用過程中存在各種裂紋。例如，天津國有資產(chǎn)監(jiān)督管理部的中心框架在焊接后發(fā)生了脆弱的裂紋，無法使用，導致3000噸厚的90.150mm鋼板浪費。重慶的一棟高層建筑和上海的辦公樓也發(fā)生了類似的事故。鋼結構厚板工程的脆性斷裂與鋼材及其焊縫的韌性有著重要的關系,而鋼材的韌性又受到環(huán)境溫度、鋼板厚度、應力狀態(tài)和加載速率等因素的影響.定量并準確地對鋼結構的斷裂進行分析,需要借助斷裂力學的方法,而鋼材的斷裂韌性是斷裂力學分析的基本材性指標.因此,開展鋼厚板斷裂韌性指標的試驗測定及其影響規(guī)律研究,對于防止鋼結構厚板的脆性斷裂具有基礎性的意義.低溫對于鋼材的斷裂韌性具有顯著的影響,本文將在模擬的低溫環(huán)境中進行Q345B結構用厚板的三點彎曲試驗,斷裂韌性指標選用裂紋尖端張開位移(CTOD).試驗研究不同鋼板厚度與沿厚度方向不同取樣位置對斷裂韌性的影響及其隨溫度變化的規(guī)律,為鋼結構厚板脆性斷裂的力學分析提供材性數(shù)據(jù),并為相關技術規(guī)范的修訂提供試驗依據(jù)和技術儲備.1試驗總結1.1材料的化學成分根據(jù)《金屬材料—準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》(GB/T21143—2007),在20、0、-20、-40、-60℃五個溫度點下對Q345B結構用厚板鋼材進行了裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗.試驗選用首鋼生產(chǎn)的牌號為Q345B的結構厚板,板厚分別為t=60、90、120、150mm,其主要化學成分見表1.試驗中采用的三點彎曲試樣(TPB)尺寸與試驗裝置(單位:mm)如圖1所示.在厚板中的取樣位置如圖2所示,試樣在軋制平面內(nèi)沿垂直軋制方向取樣,使裂紋方向與軋制方向平行.試樣毛坯經(jīng)機械切割后進行磨削處理,試樣缺口采用0.5mm寬度的線切割加工,缺口端部預制約3mm的疲勞裂紋(見圖1).對于板厚t=60、90、120mm的鋼板,分別在距鋼板表面0、1/4和1/2厚度位置取樣;對于板厚t=150mm的鋼板,分別在距鋼板表面0、1/8、1/4、3/8和1/2厚度位置取樣.本試驗共進行了156個三點彎曲試樣的測試.試驗中直接測定跨中荷載P和刀口張開位移V(由圖1中夾式引伸計測量)構成的P-V曲線,由幾何條件和規(guī)范給出的方法計算裂紋尖端張開位移CTOD值,本文選用最大載荷CTOD特征值δm作為試樣斷裂韌性的代表值.1.2試樣安裝和冷卻試驗在清華大學航空航天學院力學系強度實驗室進行,該實驗室擁有全套進行低溫試驗的設備,如圖3所示.試驗采用空氣和液氮的混合氣體對試樣進行冷卻,并由保溫箱、伺服閥和控制器保持穩(wěn)定的低溫,該溫度控制設備調(diào)節(jié)溫度的精度為±1℃.測量三點彎曲試樣表面刀口張開位移,需要專門的低溫夾式引伸計.試樣在保溫箱內(nèi)的安裝如圖4所示.試驗過程和注意事項如下:1)試驗機應保證試樣跨中位置受壓;2)試驗從高溫到低溫進行,多試樣同時在低溫箱內(nèi)冷卻,提高試驗效率;3)冷卻試樣的時間不少于15min并且在加載過程中溫度偏離預設值不能超過±2℃;4)試樣破壞前荷載與位移的全過程曲線由計算機采集得到.2試驗結果2.1鋼板試驗的結果《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB/T2975—1998)規(guī)定,對于厚度大于50mm的鋼板,取樣位置中心為距表面1/4厚度處.因此,在CTOD試驗中,將1/4厚度位置的試樣試驗值作為鋼板整體性能的參考值.4種厚度鋼板1/4厚度處試樣的斷裂韌性CTOD值隨溫度的變化關系如圖5所示(文中CTOD值均為3個試樣試驗值的平均值).由圖5可見,隨著溫度的降低,CTOD值迅速降低;對于相對較厚的鋼板(如120、150mm),下降的趨勢更明顯,即對低溫更敏感.相同溫度下,隨著板厚增大,CTOD值也呈現(xiàn)降低的趨勢.2.2板厚對cod值的影響為了研究鋼板沿厚度方向不同位置的斷裂韌性的差異性,試驗中在常溫20℃和低溫-40℃兩個溫度點對每種厚度鋼板進行了沿厚度不同位置的取樣,CTOD值隨取樣位置的變化如圖6所示.由圖6可見,兩個溫度點下,CTOD值從鋼板表面到中心處均不斷下降,板厚中心位置的斷裂韌性較差.隨著板厚的增加,這種下降的程度更明顯.對于120mm和150mm的厚板,CTOD值從表面到中心的降幅,在20℃時分別達32%和35%,在-40℃時分別達82%和86%.由此可見,厚板的斷裂韌性在不同厚度位置上存在著較大差異.2.3150mm厚板CTOD隨溫度與取樣位置的變化針對150mm厚度鋼板做進一步的試驗結果分析,CTOD試驗遍歷了5個取樣位置和5個溫度點,試驗結果如圖7所示,分別以溫度和取樣位置為橫坐標.圖7a說明了斷裂韌性隨溫度的降低而降低,部分曲線具有清晰的韌脆轉(zhuǎn)變特征;圖7b說明了沿板厚方向從表面至中心位置,厚板的斷裂韌性逐漸劣化.3鋼板斷裂韌性溫度轉(zhuǎn)變曲線韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料低溫脆性的一個重要指標,轉(zhuǎn)變溫度越高,材料越容易發(fā)生脆性斷裂.斷裂韌性CTOD值隨溫度變化的曲線總體上呈S形,分為上平臺區(qū)、轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺區(qū)3個部分.采用式(1)所示的Boltzmann函數(shù)表達式對厚板鋼材的斷裂韌性溫度變化曲線進行擬合,可以較好地反映斷裂韌性隨溫度的轉(zhuǎn)變關系.函數(shù)表達式為δ=δ1-δ21+exp[(θ-θt)/dθ]+δ2δ=δ1?δ21+exp[(θ?θt)/dθ]+δ2(1)式中:δ為CTOD值;δ1、δ2分別為下平臺、上平臺值;θ為溫度變量;θt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度;dθ為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的范圍.圖8給出了150mm厚鋼板1/4厚度處斷裂韌性隨溫度變化關系的Boltzmann曲線擬合結果.該擬合結果具有較典型的轉(zhuǎn)變溫度區(qū),得到轉(zhuǎn)變溫度θt=-25.4℃.采用Boltzmann函數(shù),基于每個試樣的試驗結果對4種板厚鋼材的斷裂韌性溫度轉(zhuǎn)變曲線進行了擬合,結果如表2所示.60mm厚度的鋼板在達到-60℃的低溫時仍然沒有表現(xiàn)出韌脆轉(zhuǎn)變的過程,只能根據(jù)圖5估計出轉(zhuǎn)變溫度低于-40℃.90、120mm厚度的鋼板擬合相關系數(shù)較低,試驗數(shù)據(jù)較離散;而僅有150mm厚度的鋼板具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變特征,擬合相關系數(shù)R2=0.9.綜上所述,韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨著板厚的增加而升高,表明板厚越大,抗低溫脆斷能力越差.由于試驗結果離散性較大,在對150mm厚度的鋼板不同取樣位置的斷裂韌性溫度變化曲線擬合時,擬合的數(shù)據(jù)為3個試樣斷裂韌性試驗值的平均值,結果如表3所示.由表3可見,韌脆轉(zhuǎn)變溫度由表面位置的-42.7℃升高至中心位置的-6.4℃,表明厚板的抗低溫脆斷能力由表面至中心位置逐漸變差.4斷口電鏡掃描圖9a為120mm厚鋼板不同試驗溫度下三點彎曲試樣的斷口照片;圖9b為-20℃時150mm厚鋼板不同取樣位置試樣的斷口照片.通過宏觀斷口形貌可以看出,試樣的塑性變形具有不斷減小的趨勢,即由韌性向脆性轉(zhuǎn)變.對試樣斷口進行電鏡掃描,電鏡放大倍數(shù)為1000倍,斷口微觀形貌如圖10、11所示.通過電鏡掃描圖發(fā)現(xiàn)常溫20℃時斷口只存在明顯的纖維區(qū),該區(qū)域有典型的韌窩分布;當溫度降低至-20℃時斷口同時存在纖維區(qū)和脆斷區(qū),圖10b顯示了少量韌窩分布和解理斷裂面的交界位置;低溫-40℃至-60℃時則僅存在脆性斷裂區(qū),圖10d顯示了非常清晰的解理斷裂的舌狀花樣.由圖11可見,表面位置試樣斷口存在纖維區(qū),分布著較明顯的韌窩;1/4厚度位置的試樣同時存在纖維區(qū)和脆斷區(qū),如圖11b所示;繼續(xù)靠近厚度中心位置的試樣斷口僅存在脆斷區(qū),解理斷裂特征明顯.5厚板厚的影響本文通過分析得出以下結論:1)隨著溫度的降低(20～-60℃)以及鋼板厚度的增大(60～150mm),Q345B結構用厚板鋼材的斷裂韌性CTOD值均呈現(xiàn)下降的趨勢.在20℃時,斷裂韌性CTOD值由60mm板厚的1.24mm降至150mm板厚的0.79mm.2)厚板鋼材沿厚度方向從表面至中心位置,斷裂韌性CTOD值逐漸降低,且厚度越大,溫度越低,這種下降趨勢更加明顯,120mm和150mm厚板在-40℃時表面至中心的降幅分別達82%和86%.3)鋼