基于裂纹型应力-热影响区的高强度钢焊缝断裂韧性

基于裂纹型应力-热影响区的高强度钢焊缝断裂韧性

高强度木材质地美观，可减少木材和焊接材料的用量，广泛应用于国内外的项目中。随着我国的结构工程向超高层和大跨度方向发展,修订后的钢材标准推荐使用屈服强度为500MPa、550MPa、620MPa、690MPa等更高强度的结构钢。但是,高强度钢材的脆性断裂问题也日益突出,因为在实际工程中已出现了相当数量的高强度钢材钢结构断裂事故。新型高强度钢材的强度高,其冶炼轧制工艺、化学成分、后处理技术等均与普通强度钢材有较大的差别,其断裂与疲劳性能有所变化。加之高强钢焊接难度较大,易产生焊接缺陷,且对应力敏感,其断裂韧性有待于研究。同时,钢结构高强度钢板焊接产生的热影响使焊缝附近钢材的材质变差,在冷却过程中会产生裂纹。同时,低温对钢材及焊缝的韧性具有显著影响。相对于普通强度钢材钢结构,高强度钢材钢结构的设计应力水平明显提高,以充分利用钢材的强度。高强度钢结构对裂纹缺陷将更加敏感,更易发生脆断破坏。因此,960MPa钢材及其焊缝的低温断裂韧性研究具有重要意义。根据断裂力学方法,能对钢结构的断裂行为做出准确、定量的判断。在前期工作的基础上,本文对960MPa高强度钢材母材、焊缝及热影响区在不同温度下的断裂韧性和断裂行为进行三点弯曲试验研究,研究其随温度变化规律及韧脆转变特征。1试验及试件分析依据GB/T21143-2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》,选取20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃五个温度点,对14mm厚的960MPa高强度钢材及其对接焊缝的熔敷金属和热影响区材料进行三点弯曲试验,对焊实验见图1。其中每个温度点选用3个试样,总计45个试件。试验采用CTOD最大载荷特征值δm作为临界值,即最大荷载平台开始点或最大荷载点对应的CTOD特征值,测定试件跨中荷载P和裂纹嘴两侧夹式引伸计的张开位移V,得到P-V曲线。参照试验标准给出的公式,根据P-V曲线计算CTOD临界值δm,以表征960MPa高强度钢材的断裂韧性,并获得其随温度变化的规律,进一步深入研究其韧脆转变温度,为960MPa新型高强度钢材的应用及相应高强钢结构的选材和考虑低温的防脆断设计提供试验数据。实验用960MPa高强度建筑结构钢板的厚度为14mm,其主要化学成分列于表1。对接焊缝采用V型坡口全熔透埋弧焊,焊接工艺参数见表2,在中冶焊接研究所对其进行了焊接工艺评定,执行《建筑钢结构焊接规程》[JGJ81-2002]标准。三点弯曲试件取样位置包括母材、焊缝区和热影响区,其中焊缝试件保证试件裂纹平面位于焊缝中心,热影响区试件参照了文献的热影响区宽度取值范围,使裂纹平面大致位于距焊根处垂直熔合线5mm一侧的母材,焊缝区及热影响区的试件取样分别如图2a、b所示。试件几何尺寸及试验装置见图2c,试件裂纹方向沿钢板轧制方向,11mm长0.2mm宽的线切割,3mm长的预制疲劳裂纹。为进一步分析材料的断裂特性,采用QuantaFEG450扫描电镜对960MPa高强度钢材及其焊缝区、热影响区的三点弯曲试件进行电镜扫描分析(SEM),扫描位置为断口表面中心附近。疲劳试验在清华大学航空航天学院力学系实验室进行,预制疲劳裂纹采用INSTRON疲劳试验机。在高低温环境保温箱中通入空气和液氮的混合气体对三点弯试件进行冷却,并由温度传感器、控制器、混合气体伺服阀等调节保温箱内的温度保持某一设定值,该温度控制设备调节温度的精度在±1℃。采用专门的低温夹式引伸计测量试件的刀口张开位移。2结果与讨论2.1热影响区域试件的裂纹延性扩展特性从图3—5均可看出,温度的降低使P-V曲线逐渐缩短,表明960MPa高强度钢材及焊缝区、热影响区的韧性和塑性随温度降低而下降。但热影响区试件的曲线在0℃时即出现了脆性启裂点(pop-in),表明热影响的韧性较母材和焊缝区差。在20℃和0℃下,P-V曲线下降段较长,表明裂纹扩展之前裂纹尖端发生很大的变形,裂纹扩展缓慢,为延性扩展,试件表现韧性断裂特征。在-20℃下,曲线下降段缩短,表明裂纹扩展速率加快,在加载初期,裂纹能进行部分延性扩展,但随着裂纹扩展的进行和裂纹尖端的强化,试件最终发生脆断破坏,而对于热影响区试件,裂纹延性扩展部分很短,具有明显脆断特征。温度降至-40、-60℃时,试件破坏前曲线下降段消失。可以看出,除-40℃下的焊缝区试件在脆断破坏前,裂纹有少量延性扩展外,其余试件均在弹性阶段即发生脆断,脆断瞬间,裂尖几乎无塑性变形。2.2裂纹扩展试验与P-V曲线对应,随着温度的下降及试件取样位置的变化,试件的破坏形式也发生变化,主要表现在裂纹尖端出现的塑性变形。试验P-V曲线下降段较长时试样的塑性和韧性较好,裂尖有很大的塑性变形,裂纹扩展量较小(图6a);当曲线段下降缩短时裂纹先延性扩展,最后脆性断裂(图6b);当曲线下降段消失时裂纹迅速扩展,试件破坏时几乎无塑性变形(图6c)。2.3冲击断口宏观形貌三点弯曲试件断口包括切割区、疲劳区、纤维区、剪切区、脆性断裂区和冲击断裂区,见图7。线切割区和预疲劳裂纹区在试验前形成;纤维区是试件在加载过程中韧性断裂的断口;剪切区出现在试件表面;脆性断裂区为试件发生脆性断裂形成的断口,形成速度较快;冲击断裂区是加载结束后将试样压断而形成的。图8、图9和图10分别为母材和焊缝区、热影响区试件在不同温度点下的断口宏观形貌。可以看出,随着温度的降低试件断裂时的塑性变形不断减小至消失,试件断口的纤维区也逐渐减小,两侧的剪切区也越来越不明显。当温度为20、0℃时裂纹扩展面以纤维区为主,表明裂纹扩展缓慢,韧性相对较好;随着温度降至-20℃裂纹扩展面先后经历纤维区和脆断区,表明裂纹先有部分延性扩展,后发生脆性断裂,而对于热影响区试件裂纹扩展面几乎观察不到纤维区,脆断特征明显;当温度降至-40、-60℃时裂纹扩展面无纤维区,以脆断区为主,表明裂纹在低温下迅速扩展,发生脆断破坏,与上述P-V曲线得出的结论一致。2.4试验结果及分析试验采用最大荷载CTOD值δm作为临界值,即P-V曲线上最大荷载点或最大荷载平台开始点对应的CTOD值。从P-V曲线也可看出,对于脆性断裂情况的脆性失稳点即为最大荷载点。根据测定的P-V曲线,进一步计算裂纹尖端张开位移CTOD临界值,从而得到960MPa高强度钢材及其焊缝区、热影响区的CTOD临界值随温度变化的规律。依据标准采用公式(1)计算CTOD值。式中,μ为泊松比,取0.3;E为弹模;σy为对应材料的屈服强度;a0为原始裂纹长度,通过试验后的试件断口测量获得;W为试件宽度;rp为塑性转动因子,对于三点弯试样rp=0.44;Z为固定引伸计的刀口厚度;Vp为刀口张开位移之塑性分量,根据P-V曲线获得;KI为I型应力强度因子,KI=YP/[BW1/2],Y值可参照试验标准,根据(a0/W)查表得到。计算得到的δm平均值如表3所示,其随温度变化规律以及母材、焊缝区、热影响区之间的比较如图11所示。从图11可以看出,14mm厚960MPa高强度焊接结构钢材的热影响区的δm值最低,焊缝区的值整体上比母材的要高,但其在低温下的下降幅度较大,δm值从0℃开始,几乎呈线性下降,在-60℃时所测得的最小值比在0℃时所测的最大值下降幅度达到了75.5%,表明低温对960MPa钢材焊缝区的断裂韧性有较大影响,而20℃时的δm值相对偏低,可能由于焊缝本身存在的缺陷影响。对于焊接热影响区,由于在焊接热循环作用下焊缝两侧的母材发生明显的组织和性能变化,出现晶粒粗化,易于产生裂纹,其断裂韧性相对最差;且随着温度从20℃降到-20℃,δm值下降了70.1%,实质上完成了从韧性断裂到脆性断裂的转变。2.5内压钢ctd的临界值将14mm厚的960MPa钢材δm均值与14mm厚的Q460,以及12mm厚Q235、Q345、Q390结构钢材的CTOD临界值δm进行比较,如图12所示。从图12可以看出,钢材的CTOD均值均随着温度的降低而呈下降趋势,其中Q390的最高,其它Q235、Q345和Q460的接近,960MPa钢材最低,表明低合金钢的断裂韧性相对比普通碳素钢好;但当强度增大到一定值后,断裂韧性将有所降低,其中960MPa钢材强度最高,但其断裂韧性与其它钢材比有显著降低。2.6韧脆转换拟合分析大量试验结果表明,采用Boltzmann函数能较好地拟合韧性与温度间的关系。式中δ为CTOD值,T为温度,δ1(mm)为下平台值,δ2(mm)为上平台值,Tt(℃)代表韧脆转变温度,Tr(℃)为转换温度区的温度范围。Tt越高,越易发生韧脆转换。选用Boltzmann函数对试验数据的平均值进行回归处理,拟合结果回归系数吻合较好。试验结果、平均值及其拟合曲线见图13,将母材、焊缝区及热影响区的拟合参数进行比较,如表4所示。如图13所示,试验结果的离散性较大,但对其平均值进行Boltzmann拟合分析,相关系数仍较高。拟合的结果表明:(1)相比母材和热影响区,焊缝区的上平台值和转变温度范围较大,同时韧脆转变温度较低(-29.76℃),表现出相对较好的断裂韧性,说明焊缝本身的断裂性能不是控制因素;(2)热影响区的平台值和转变温度范围均低于母材,表现出相对较差的断裂韧性,其韧脆转变温度-12.45℃高于母材的-27.33℃,再次表明热影响区断裂韧性有所恶化。2.7热影响区的断裂韧性960MPa高强度钢材及其焊缝区、热影响区的三点弯曲试件在5个不同温度点下(20,0,-20,-40,-60℃)的断口微观形貌,分别如图14—16中(a)—(e)所示。从图14可以看出,母材试件在20℃时断口凹凸不平,孔洞尺寸较大;随着温度的降低断口逐趋光滑,孔洞由大变小,由深变浅;在-20℃时出现了有较大程度塑性变形的准解理面以及一些撕裂棱,具有准解理断裂特征;当温度降至-40℃时呈现出解理面及解理台阶的脆断特征;在-60℃下断口呈舌状花纹,穿晶脆断特征明显。从焊缝区的断口微观形貌可以看出,在20℃时断口遍布大小不一的韧窝,断裂微观机理为微孔聚合型;随温度降低韧窝减小变浅至消失;在0℃时既存在韧窝,又呈现出少量解理台阶,兼具韧断与脆断的特征;在-20℃下存在大量撕裂棱;当温度降至-40℃、-60℃时断口布满反光的解理面,呈冰糖状具有沿晶脆断特征。与母材、焊缝区的断口微观形貌相比,热影响区的断口在常温下的韧窝较少且尺寸较小,表明热影响区的韧性变差。在0℃即出现一些光滑的解理面,随温度从-20℃降低至-60℃解理裂纹沿晶界不断发展,沿晶脆断特征加剧。与母材、焊缝区材料相比,热影响区材料的脆断特征更明显,与试验测得的热影响区CTOD临界值δm最小以及拟合得到的韧脆转变温度最高(-12.45℃)的结果一致。3结论1.对于960MPa高强度钢材对接焊缝,温度降低使裂纹扩展速率加快,韧性变差。焊缝区试件在-20℃下裂纹能进行部分延性扩展后发生脆断破坏;而对于热影响区试件,-20℃时裂纹几乎无延性扩展,脆断特征明显。2.断裂韧性CTOD临界值δm均随温度降低呈下降趋势,其中焊缝区和热影响区在低温下的下降幅度较大,焊缝区的δm值从0℃到-60℃下降了75.5%,而热影响区在20℃降到-20℃时δm值就下降了70