钢结构厚板断裂韧性随温度变化规律

钢结构厚板断裂韧性随温度变化规律

随着我国城市化进程的深化，高层建筑和大型场地不断出现。在建筑结构上，厚板木材主要用于大型厚板和大型厚板的结构。板材厚度范围为40100mm。由于对厚板材料的基本力学、强度和焊接技术的认识不足，中国的钢结构设计和施工标准没有相关规定，因此在焊接、施工和使用过程中存在各种裂纹。例如，天津国有资产监督管理部的中心框架在焊接后发生了脆弱的裂纹，无法使用，导致3000吨厚的90.150mm钢板浪费。重庆的一栋高层建筑和上海的办公楼也发生了类似的事故。钢结构厚板工程的脆性断裂与钢材及其焊缝的韧性有着重要的关系,而钢材的韧性又受到环境温度、钢板厚度、应力状态和加载速率等因素的影响.定量并准确地对钢结构的断裂进行分析,需要借助断裂力学的方法,而钢材的断裂韧性是断裂力学分析的基本材性指标.因此,开展钢厚板断裂韧性指标的试验测定及其影响规律研究,对于防止钢结构厚板的脆性断裂具有基础性的意义.低温对于钢材的断裂韧性具有显著的影响,本文将在模拟的低温环境中进行Q345B结构用厚板的三点弯曲试验,断裂韧性指标选用裂纹尖端张开位移(CTOD).试验研究不同钢板厚度与沿厚度方向不同取样位置对断裂韧性的影响及其随温度变化的规律,为钢结构厚板脆性断裂的力学分析提供材性数据,并为相关技术规范的修订提供试验依据和技术储备.1试验总结1.1材料的化学成分根据《金属材料—准静态断裂韧度的统一试验方法》(GB/T21143—2007),在20、0、-20、-40、-60℃五个温度点下对Q345B结构用厚板钢材进行了裂纹尖端张开位移(CTOD)试验.试验选用首钢生产的牌号为Q345B的结构厚板,板厚分别为t=60、90、120、150mm,其主要化学成分见表1.试验中采用的三点弯曲试样(TPB)尺寸与试验装置(单位:mm)如图1所示.在厚板中的取样位置如图2所示,试样在轧制平面内沿垂直轧制方向取样,使裂纹方向与轧制方向平行.试样毛坯经机械切割后进行磨削处理,试样缺口采用0.5mm宽度的线切割加工,缺口端部预制约3mm的疲劳裂纹(见图1).对于板厚t=60、90、120mm的钢板,分别在距钢板表面0、1/4和1/2厚度位置取样;对于板厚t=150mm的钢板,分别在距钢板表面0、1/8、1/4、3/8和1/2厚度位置取样.本试验共进行了156个三点弯曲试样的测试.试验中直接测定跨中荷载P和刀口张开位移V(由图1中夹式引伸计测量)构成的P-V曲线,由几何条件和规范给出的方法计算裂纹尖端张开位移CTOD值,本文选用最大载荷CTOD特征值δm作为试样断裂韧性的代表值.1.2试样安装和冷却试验在清华大学航空航天学院力学系强度实验室进行,该实验室拥有全套进行低温试验的设备,如图3所示.试验采用空气和液氮的混合气体对试样进行冷却,并由保温箱、伺服阀和控制器保持稳定的低温,该温度控制设备调节温度的精度为±1℃.测量三点弯曲试样表面刀口张开位移,需要专门的低温夹式引伸计.试样在保温箱内的安装如图4所示.试验过程和注意事项如下:1)试验机应保证试样跨中位置受压;2)试验从高温到低温进行,多试样同时在低温箱内冷却,提高试验效率;3)冷却试样的时间不少于15min并且在加载过程中温度偏离预设值不能超过±2℃;4)试样破坏前荷载与位移的全过程曲线由计算机采集得到.2试验结果2.1钢板试验的结果《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》(GB/T2975—1998)规定,对于厚度大于50mm的钢板,取样位置中心为距表面1/4厚度处.因此,在CTOD试验中,将1/4厚度位置的试样试验值作为钢板整体性能的参考值.4种厚度钢板1/4厚度处试样的断裂韧性CTOD值随温度的变化关系如图5所示(文中CTOD值均为3个试样试验值的平均值).由图5可见,随着温度的降低,CTOD值迅速降低;对于相对较厚的钢板(如120、150mm),下降的趋势更明显,即对低温更敏感.相同温度下,随着板厚增大,CTOD值也呈现降低的趋势.2.2板厚对cod值的影响为了研究钢板沿厚度方向不同位置的断裂韧性的差异性,试验中在常温20℃和低温-40℃两个温度点对每种厚度钢板进行了沿厚度不同位置的取样,CTOD值随取样位置的变化如图6所示.由图6可见,两个温度点下,CTOD值从钢板表面到中心处均不断下降,板厚中心位置的断裂韧性较差.随着板厚的增加,这种下降的程度更明显.对于120mm和150mm的厚板,CTOD值从表面到中心的降幅,在20℃时分别达32%和35%,在-40℃时分别达82%和86%.由此可见,厚板的断裂韧性在不同厚度位置上存在着较大差异.2.3150mm厚板CTOD随温度与取样位置的变化针对150mm厚度钢板做进一步的试验结果分析,CTOD试验遍历了5个取样位置和5个温度点,试验结果如图7所示,分别以温度和取样位置为横坐标.图7a说明了断裂韧性随温度的降低而降低,部分曲线具有清晰的韧脆转变特征;图7b说明了沿板厚方向从表面至中心位置,厚板的断裂韧性逐渐劣化.3钢板断裂韧性温度转变曲线韧脆转变温度是衡量材料低温脆性的一个重要指标,转变温度越高,材料越容易发生脆性断裂.断裂韧性CTOD值随温度变化的曲线总体上呈S形,分为上平台区、转变区和下平台区3个部分.采用式(1)所示的Boltzmann函数表达式对厚板钢材的断裂韧性温度变化曲线进行拟合,可以较好地反映断裂韧性随温度的转变关系.函数表达式为δ=δ1-δ21+exp[(θ-θt)/dθ]+δ2δ=δ1−δ21+exp[(θ−θt)/dθ]+δ2(1)式中:δ为CTOD值;δ1、δ2分别为下平台、上平台值;θ为温度变量;θt为韧脆转变温度;dθ为转变温度区的范围.图8给出了150mm厚钢板1/4厚度处断裂韧性随温度变化关系的Boltzmann曲线拟合结果.该拟合结果具有较典型的转变温度区,得到转变温度θt=-25.4℃.采用Boltzmann函数,基于每个试样的试验结果对4种板厚钢材的断裂韧性温度转变曲线进行了拟合,结果如表2所示.60mm厚度的钢板在达到-60℃的低温时仍然没有表现出韧脆转变的过程,只能根据图5估计出转变温度低于-40℃.90、120mm厚度的钢板拟合相关系数较低,试验数据较离散;而仅有150mm厚度的钢板具有明显的韧脆转变特征,拟合相关系数R2=0.9.综上所述,韧脆转变温度随着板厚的增加而升高,表明板厚越大,抗低温脆断能力越差.由于试验结果离散性较大,在对150mm厚度的钢板不同取样位置的断裂韧性温度变化曲线拟合时,拟合的数据为3个试样断裂韧性试验值的平均值,结果如表3所示.由表3可见,韧脆转变温度由表面位置的-42.7℃升高至中心位置的-6.4℃,表明厚板的抗低温脆断能力由表面至中心位置逐渐变差.4断口电镜扫描图9a为120mm厚钢板不同试验温度下三点弯曲试样的断口照片;图9b为-20℃时150mm厚钢板不同取样位置试样的断口照片.通过宏观断口形貌可以看出,试样的塑性变形具有不断减小的趋势,即由韧性向脆性转变.对试样断口进行电镜扫描,电镜放大倍数为1000倍,断口微观形貌如图10、11所示.通过电镜扫描图发现常温20℃时断口只存在明显的纤维区,该区域有典型的韧窝分布;当温度降低至-20℃时断口同时存在纤维区和脆断区,图10b显示了少量韧窝分布和解理断裂面的交界位置;低温-40℃至-60℃时则仅存在脆性断裂区,图10d显示了非常清晰的解理断裂的舌状花样.由图11可见,表面位置试样断口存在纤维区,分布着较明显的韧窝;1/4厚度位置的试样同时存在纤维区和脆断区,如图11b所示;继续靠近厚度中心位置的试样断口仅存在脆断区,解理断裂特征明显.5厚板厚的影响本文通过分析得出以下结论:1)随着温度的降低(20～-60℃)以及钢板厚度的增大(60～150mm),Q345B结构用厚板钢材的断裂韧性CTOD值均呈现下降的趋势.在20℃时,断裂韧性CTOD值由60mm板厚的1.24mm降至150mm板厚的0.79mm.2)厚板钢材沿厚度方向从表面至中心位置,断裂韧性CTOD值逐渐降低,且厚度越大,温度越低,这种下降趋势更加明显,120mm和150mm厚板在-40℃时表面至中心的降幅分别达82%和86%.3)钢