低溫沖擊韌性對(duì)高性能鋼材性能的影響

低溫沖擊韌性對(duì)高性能鋼材性能的影響

目前，高強(qiáng)度材料已在國(guó)內(nèi)外許多實(shí)際工程中成功應(yīng)用。隨著結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展，對(duì)鋼芯材料的性能要求也在不斷提高。然而，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，其研磨、壓碎、化學(xué)成分和其他改進(jìn)與普通強(qiáng)度材料存在很大差異。因此，高強(qiáng)度材料的誤差和勞動(dòng)率將發(fā)生變化。高強(qiáng)度鋼很難焊接，容易產(chǎn)生焊接缺陷，焊接的熱影響也會(huì)改變焊接附近的材料。此外，中國(guó)大部分地區(qū)位于寒冷地區(qū)，因此忽視了低溫冷脆的問(wèn)題。與普通厚骨鋼結(jié)構(gòu)相比，高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度顯著提高。基于斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)對(duì)裂縫的脆弱性和脆弱性容易受到脆斷破壞。因此，新型高強(qiáng)度材料及其焊接的耐堿性是其推廣應(yīng)用的重要限制因素。由于沖擊韌性指標(biāo)測(cè)定較簡(jiǎn)便,試驗(yàn)結(jié)果也較為成熟,很多規(guī)范如GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用沖擊韌性判據(jù)指標(biāo)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)選材.基于上述情況,本文對(duì)960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫的低溫沖擊韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并將其夏比沖擊功Akv(J)與其他結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行了比較,以期得到?jīng)_擊韌性有關(guān)強(qiáng)度影響、低溫影響的相關(guān)變化規(guī)律,為其在低溫地區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù),同時(shí)也為研究沖擊韌性和斷裂韌性2個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系提供依據(jù).1試驗(yàn)總結(jié)1.1材料選取試驗(yàn)為復(fù)合溫度點(diǎn)的試驗(yàn)方案,其對(duì)于v型缺口試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn),其對(duì)于v型缺口試件進(jìn)行防低溫脆斷試驗(yàn),其與有機(jī)比為5.本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,選取-60,-40,-20,0,20℃這5個(gè)溫度點(diǎn),對(duì)14mm厚960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊接鋼材進(jìn)行沖擊試驗(yàn),取樣區(qū)包括母材、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)(HAZ),對(duì)3種不同取樣位置的試件在不同溫度點(diǎn)上各選用3個(gè),總計(jì)45個(gè).采用V型缺口試件,測(cè)量每個(gè)溫度點(diǎn)的Akv,得到Akv隨溫度變化的規(guī)律,進(jìn)而研究其韌脆轉(zhuǎn)變溫度,為960MPa高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用及其防低溫脆斷設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).1.2試驗(yàn)工藝及設(shè)備試驗(yàn)采用鞍鋼新研制的960MPa高強(qiáng)度鋼板,厚14mm,其主要化學(xué)組成見表1.采用V型坡口全熔透埋弧焊,平焊焊接,焊劑為SJ101,電壓30~34V,電流530~570A,送絲速度40~45cm/min,在中冶焊接研究所對(duì)其進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定,執(zhí)行JGJ81—2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn),焊縫幾何尺寸見圖1(a).試件參照GB2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》切取樣坯,焊縫區(qū)、熱影響區(qū)取樣如圖1(b),(c)所示,并按規(guī)定尺寸制作標(biāo)準(zhǔn)試件,試件尺寸見圖1(d).試驗(yàn)在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.沖擊前將試件在保溫箱中冷卻,冷卻介質(zhì)采用液氮與酒精的混合液體.2試驗(yàn)結(jié)果2.19溫度對(duì)焊縫材料和金融材料的影響對(duì)960MPa高強(qiáng)度鋼材及其對(duì)接焊縫在5個(gè)溫度點(diǎn)下的Akv進(jìn)行了比較分析,結(jié)果見圖2.熱影響區(qū)的Akv總體上小于母材及焊縫區(qū),表明焊接產(chǎn)生的熱影響使焊縫附近鋼材的韌性變差,在焊接結(jié)構(gòu)的抗脆斷設(shè)計(jì)中為薄弱環(huán)節(jié),這也與文獻(xiàn)的結(jié)論一致;當(dāng)溫度高于-20℃時(shí),焊縫區(qū)的Akv小于母材,且焊縫區(qū)的Akv較為離散,可能是由于V型缺口對(duì)材料缺陷和差異較敏感所致;當(dāng)溫度降至-20℃以下時(shí),焊縫區(qū)的Akv大于母材,表現(xiàn)出較好的沖擊韌性.由圖2可見,夏比沖擊功隨溫度的變化曲線體現(xiàn)了960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊接鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變特征,表現(xiàn)出較明顯的低溫脆性.2.29拉伸性能分析鋼材斷裂性能與其強(qiáng)度、厚度有著密切聯(lián)系,本文將14mm厚960MPa高強(qiáng)度鋼材的Akv與同厚度的460MPa高強(qiáng)度鋼材,以及345MPa普通強(qiáng)度鋼厚板進(jìn)行了分析比較,結(jié)果見圖3.由圖3可以看出,960MPa高強(qiáng)度鋼材的Akv總體上大于460MPa高強(qiáng)度鋼材,但其斷裂韌性在5個(gè)溫度點(diǎn)下均低于460MPa高強(qiáng)度鋼材,表明960MPa高強(qiáng)度鋼材較高的沖擊功大部分是其過(guò)高的強(qiáng)度所帶來(lái)的彈性功,因此抵抗裂紋擴(kuò)展的能量較小;在常溫下,4種厚度的345MPa鋼厚板的Akv均大于460,960MPa高強(qiáng)度鋼材,但隨著溫度的降低,Akv的下降幅度較大,當(dāng)溫度降至-60℃時(shí),其值均小于2種高強(qiáng)度鋼材.上述結(jié)果說(shuō)明結(jié)構(gòu)鋼材的厚度和強(qiáng)度對(duì)其沖擊韌性有較大影響,但隨著溫度的降低,厚度對(duì)其沖擊韌性的影響較強(qiáng)度更為明顯.3材料的擬合分析工程中常采用韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為防脆斷的重要判據(jù).試驗(yàn)表明,采用式(1)對(duì)Akv和溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合,具有較小的殘差和較好的相關(guān)性,能較好地描述Akv與溫度的關(guān)系.式中:A2為上平臺(tái)能,J;A1為下平臺(tái)能,J;tT為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,℃,tT越高,越容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)換;tR為材料韌脆轉(zhuǎn)換溫度區(qū)的范圍,℃.Akv的擬合結(jié)果見表2.將母材、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的擬合結(jié)果進(jìn)行比較可以看出,熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高(-12.74℃),上、下平臺(tái)能相對(duì)較小,表現(xiàn)出較差的沖擊韌性,與前文所得結(jié)論一致.母材的下平臺(tái)能低于焊縫區(qū),但其上平臺(tái)能較高,且韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-19.51℃,低于焊縫區(qū)的-13.86℃,轉(zhuǎn)換溫度區(qū)范圍也較大,表明母材低溫沖擊韌性較焊縫區(qū)差,但由于焊接缺陷等影響,焊縫區(qū)更容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變,體現(xiàn)了960MPa高強(qiáng)度焊接鋼材較大的缺陷敏感性.5種結(jié)構(gòu)鋼材的擬合參數(shù)見表3.比較表2,3可以看出,460,960MPa高強(qiáng)度鋼材的上平臺(tái)能比345MPa普通強(qiáng)度鋼厚板要低,轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍要小,其中460MPa高強(qiáng)度鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高,體現(xiàn)出較大的低溫脆性;而960MPa高強(qiáng)度鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低,上、下平臺(tái)能也大于460MPa高強(qiáng)度鋼材,這可能是由于強(qiáng)度過(guò)高,導(dǎo)致吸收的彈性功較大,從而表現(xiàn)出較好的沖擊韌性,但其轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍大于460MPa高強(qiáng)度鋼材,表明其低溫冷脆特征明顯.不過(guò),當(dāng)強(qiáng)度提高到一定值后,960MPa高強(qiáng)度鋼材對(duì)溫度的敏感性有所下降.4試驗(yàn)斷口形貌分析為進(jìn)一步了解960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫的斷裂微觀機(jī)理,對(duì)母材、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)3種沖斷試件的斷口進(jìn)行了掃描電鏡分析.在每個(gè)溫度點(diǎn)下各選取1個(gè)試件進(jìn)行掃描,掃描儀器為QuantaFEG450,掃描位置為斷口表面中心附近,放大倍數(shù)為3000倍.圖4~6分別為母材、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)3種試件在不同溫度點(diǎn)下的斷口微觀形貌.從圖4可以看出,在20℃時(shí),母材沖斷試件斷口存在較多的撕裂棱和韌窩,隨著溫度的下降,撕裂棱和韌窩減少,在-20℃時(shí),僅有少量韌窩和撕裂棱,出現(xiàn)河流狀花紋,斷口形貌以脆斷特征為主,當(dāng)溫度降至-40,-60℃時(shí),斷口呈現(xiàn)出明顯的舌狀花紋和河流狀花紋,為解理斷裂機(jī)制.對(duì)焊縫區(qū)沖斷試件斷口進(jìn)行分析可知,在20℃時(shí),斷口布滿大小不一的韌窩,表現(xiàn)出微孔聚集型的斷裂機(jī)制,隨著溫度的降低,韌窩變小變淺,在-20℃下即出現(xiàn)光滑的解理面,-40℃下呈現(xiàn)出明顯的河流狀花紋,具有穿晶脆斷特征,當(dāng)溫度降至-60℃時(shí),斷面呈冰糖狀,沿晶脆斷特征明顯.與母材、焊縫區(qū)相比,熱影響區(qū)試件斷口的韌窩及撕裂棱較少,在0℃時(shí)即出現(xiàn)解理面,而母材和焊縫區(qū)試件在0℃時(shí)仍以韌斷特征為主,表明熱影響區(qū)韌性有所惡化,這也與熱影響區(qū)較低的沖擊功值一致;在-20℃下裂紋由晶界向晶內(nèi)定向發(fā)展,呈現(xiàn)出河流狀花樣,當(dāng)溫度降至-40,-60℃時(shí),斷口呈結(jié)晶狀,具有沿晶脆斷特征.5沖擊韌性指標(biāo)(1)960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的夏比沖擊功均隨溫度降低呈明顯下降趨勢(shì),體現(xiàn)了材料的韌脆轉(zhuǎn)變特征,表現(xiàn)出較明顯的低溫脆性.960MPa高強(qiáng)度焊接鋼材熱影響區(qū)的夏比沖擊功低于母材及焊縫區(qū);焊縫區(qū)的夏比沖擊功較為離散,可能由于V型缺口對(duì)材料缺陷和差異較敏感所致.(2)結(jié)構(gòu)鋼材的厚度和強(qiáng)度對(duì)其沖擊韌性有較大影響.與普通強(qiáng)度鋼厚板相比,460,960MPa高強(qiáng)度鋼材在常溫下的夏比沖擊功小于4種厚度的345MPa鋼厚板,但在低溫下厚度對(duì)沖擊韌性的影響較強(qiáng)度更為明顯.960MPa高強(qiáng)度鋼材的夏比沖擊功總體上大于460MPa高強(qiáng)度鋼材,表明鋼材強(qiáng)度過(guò)高使其吸收的彈性功較高.為對(duì)高強(qiáng)度鋼材的韌性作出安全有效的評(píng)價(jià),還應(yīng)采用更準(zhǔn)確的斷裂韌性指標(biāo).(3)對(duì)于960MPa高強(qiáng)度焊接鋼材,其熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高(-12.74℃),沖擊韌性較差;母材低溫的夏比沖擊功小于焊縫區(qū),但由于焊接缺陷等影響,焊縫區(qū)更容易發(fā)生韌脆