q345b结构钢板z向冲击性能试验研究

q345b结构钢板z向冲击性能试验研究

近年来，随着重要建筑的发展，厚板钢结构已被广泛使用。由于结构承载量大、复杂性，连接和结构多样，钢的质量和焊接不充分，环境恶劣，容易造成z向破坏。Z向冲击韧性是衡量钢结构厚板Z向性能的一个重要指标，虽然未在有关规范中加以提出，但是，在实际工程中，由于结构经常受到动载或者冲击荷载，比如海洋平台及大型起重机械和巨型轮船，因而，考虑Z向冲击韧性是非常有必要的。Z向冲击韧性目前难以定量评价结构安全与否，但仍然可以用实验测得的Z向冲击韧性数据作为重要资料来估计厚板抵抗Z向冲击及断裂的能力，以后可能作为一个重要方面纳入规范中。各国规范没有明确说明Z向冲击韧性对于厚板Z向性能的重要性。但给出了常规纵向力学性能(包含冲击韧性)的要求，以此类推，当结构受到Z向冲击荷载时，有必要考虑Z向冲击韧性对结构承受Z向破坏的衡量作用。有关厚板冲击韧性的文献有:18mm板对接接头在不同焊接工艺下的焊缝金属及热影响区在-20℃及-50℃下的冲击功实验但是，作为Z向冲击韧性实验，已有试验研究比较缺乏。Girenko等1一般介绍1.1试验验证试验本实验参照的规范有:GB-T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，GB—T12778—2008试验采用夏比V形缺口冲击试样，将测得每个试样的冲击功，分析冲击功随板厚、焊缝尺寸、取样方法的变化规律;然后用规范GB-T12778—2008(《金属夏比冲击断口测定方法》)1.2试验2:熔喷母材取样试验所用钢材为舞阳钢铁厂生产的Q345B结构用钢，加工与焊接由二十二冶公司进行，焊接参数如下:焊接方法为二氧化碳气体保护焊，焊丝为ER50-6，直径为1.2mm，送丝速度为30～35cm/min。试验为在母材及十字连接影响下的母材内取样(十字连接采用T形接头K形坡口全熔透焊)。按照以下2个参数变化进行取样:(1)厚度分别为60,80,100,120和165mm5种。(2)取样方向及有无焊缝影响:母材X向(X)，母材板厚中心Z向(Z)，母材1/4厚度Z向(Z#);21,30,39和48mm焊缝影响下Z向(Z-T1,Z-T2,Z-T3和Z-T4)。取样位置及方法如图1和图2所示。试样取样分组情况如表1所示，每种试样取4个，实验结果取平均值。1.3试样制备和冲击强度本实验在清华大学航空航天大学实验室进行试验，冲击试验器材型号为SANS摆锤式冲击试验机，标准冲击能量为300J，如图3所示。试样先在冷冻箱内用液氮冷却至相应温度，然后迅速放到试验机上冲断并读数，记录。试样应在规定温度下保持足够时间，不小于8min。考虑到试样冷却后拿出会温度回升，将冷却温度调至比预定低2℃。2试验结果2.1冲击韧性随试验样本尺寸的变化冲击功随取样方式变化的试验结果如图4所示。(1)从图4可见:沿X向各厚度钢板的取样，冲击功非常接近，在150～170之间;沿X取样的冲击韧性远大于沿Z向取样的各类试样，例如对于60mm的X向取样冲击功约为170J，远远大于Z向取样值50～70J，而且这个差距在更厚的板表现得更加悬殊。(2)对于所有的Z向取样方式，不论是Z向沿板材中心还是沿板材1/4处，还是受到焊缝影响的沿板材中心，冲击韧性皆很小，但没有较大变化，可以认为沿Z向的冲击韧性已经降低到很低的程度，焊缝等因素对已经因为Z向取样降低的冲击韧性已经不是主要因素。另外，对不同厚度的母材板的Z向取样，不管是沿1/2厚度，还是1/4厚度，冲击功并无明显差别。2.2材料冲击韧性分析冲击功随温度变化试验结果如图5所示。(1)由图5可见:随温度的降低，X向取样的冲击韧性迅速降低，Z向取样无焊缝和Z向取样有焊缝影响的试样也随之降低，但幅度没有X向明显。曲线表现出明显的S型韧脆转变特征，从而随着温度的降低，材料冲击韧性表现出明显的低温冷脆。(2)由于Z向试样本身的冲击韧性已经降低到很低水平，故温度对其降低程度不如X向试样明显，但仍要密切关注温度对Z向试样的影响。2.3冲击功随板厚的变化情况冲击功随板厚变化试验结果如图6所示，其中试验温度为20℃。从图6可见:(1)随板厚的增加，各类型试样的冲击功皆有稳定的下降，各Z向试样冲击功随板厚增加而降低的幅度比-X试样略大。(2)对于60mm厚的板，对于不同焊缝尺寸影响下母材的Z向，冲击韧性无明显变化规律，故可能在Z向取样时，焊缝的热影响对冲击韧性的降低程度已经不是很明显。3对于可靠试样的冲击性能工程中将韧脆转变温度作为防止断裂的重要依据。韧脆转变温度越高，材料越容易在比较高的温度下发生韧脆转变，从而表现出更明显的低温脆性。对于冲击试验来说，冲击功随温度变化的典型曲线为S型，随着温度区域不同分为3个区域:温度较高位置的上平台，较低位置的下平台以及韧脆转变温度内下降段。理想的韧脆转变曲线如图7所示。虽然实际中实验结果离散性可能很大，很难得到如此典型的曲线，但是仍可以采用Boltzmann函数对冲击功和温度的变化关系进行拟合其中:A对于60mm厚的3种类型试样(60-X,60-Z和60-Z-T1)进行Boltzmann函数拟合，结果见表2。从表2可见:(1)对于X向冲击试样，不管是上平台下平台都大大高于Z向取样;而对于未受和受到焊缝影响的母材，Z向取样的上下平台值非常接近，受到焊缝热影响的母材Z向冲击韧性略低。这说明X向冲击性能大大优于Z向，而对于Z向的冲击韧性，焊缝的影响已经不是控制因素。(2)X向试样的韧脆转变温度(-25.0℃)大大低于Z向试样的(-15.0℃和-12.0℃)，说明Z向试样更容易受到温度降低的影响呈现低温脆性。4采样断口分析4.1材料的微观组织对20℃下几种不同取样类型的试样，图8为断口宏观照片，图9所示为放大1000倍的电子显微镜照片。(1)从宏观看，这4种类型取样由很明显的塑性颈缩变形过度到整齐的脆断。(2)从微观看，对于X向取样，断口有很明显的纤维区，且韧窝分布较密集表现明显的塑性变形;对于母材的Z向取样，韧性仍较为明显;在厚度为21mm焊缝影响下的母材Z向试样，渐渐出现解理面，但仍表现出一定的韧性，在一定区域有两者的过渡;在厚度为39mm的焊缝影响下的母材Z向试样，有明显的解理面特征，表现出明显的脆性断裂。4.2断口观察和电子显微镜照片对60-Z-T1的试样在20,-20和-60℃下的断口进行宏观和电子显微镜分析，图10所示为断口宏观照片，图11所示为放大1000倍的电子显微镜照片。(1)从宏观看，这3种试样皆表现较大的脆性，尤其是60℃下的试样为基本没有变形的整齐切断。(2)从微观看，试样皆表现出脆性的解理面特征，但是，随着温度的降低解理特征更加明显，解理台阶也越加明显。4.3断口电子显微镜照片分析对60,120和165mm厚板的母材Z向取样60-Z和120-Z和165-Z在20℃下试验的断口进行宏观和电子显微镜分析，图12所示为断口宏观照片，图13所示为放大1000倍的电子显微镜照片。(1)从宏观看，板厚越大，断口的变形反而更大，可能是取样不能遍历各个厚度位置所致。或者由于更厚的板夹杂物的分布较少，脆性较不明显。(2)从微观上看，没有特别明显的规律，120mm厚的断口扫描比60mm有更强的解理面脆性断裂特征，但165mm厚的试样有更多的孔洞和缺陷。5冲击韧性分析(1)Z向的冲击韧性比X向大大降低，受焊接热影响后的Z向冲击韧性更加降低。(2)板厚增加导