焊接q260c高强钢焊缝区热影响区断裂韧性试验研究

焊接q260c高强钢焊缝区热影响区断裂韧性试验研究

0试验研究与试验分析高强度钢结构通常是一种大型焊接结构，并随着钢板强度的增加而广泛使用。然而，随着钢板强度的增加，钢板及其焊接头的应力集中、焊接状态、焊接强度等因素影响了其断裂性。同时，由于焊接技术和质量的不同，焊接和附近钢板的材料变差，这很容易产生脆弱的裂纹。我国广泛寒冷地区使用高强度钢结构及其焊接材料。因此，对高强度钢结构及其焊接断裂性的研究具有重要意义。文中针对Q460C高强度结构钢材焊接接头的断裂韧性参数和断裂行为进行低温下的试验研究,选用裂纹尖端张开位移最大载荷特征值δm作为断裂韧性指标.试验要求在垂直于焊接钢板焊缝方向的位置取样,同时设置不同温度点,试图得到其断裂韧性有关低温影响的变化规律,及其韧脆转换特征.1试验工艺及设备选用的Q460C高强度结构钢材是目前新研制的高强度建筑钢板,厚度为14mm.取样位置包括焊缝区和热影响区.对接焊缝区、热影响区尺寸分别见图1.其中焊缝试件保证试件缺口中心与试件的焊缝中心重合,热影响区试件的缺口中心距离焊缝背面熔化边界5mm.试件尺寸详见图2.焊接试件采用V形坡口全熔透气体保护焊,此焊接工艺已通过评定,焊接工艺参数见表1,供货状态为控轧,技术条件符合国家标准GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》,碳当量Ceq=0.468%,主要化学成分见表2.试验依据国家标准GB/T21143—2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》并参考了国家标准GB4161—2007《金属材料平面应变断裂韧度K1C试验方法》,分别在20,0,-20,-40,-60℃的5个温度点下对高强度结构钢材Q460C对接焊缝区及热影响区进行三点弯曲试验.各温度点选用3个试样,共计30个试件.试验采取在高低温环境保温箱中通入空气和液氮的混合蒸汽对三点弯试样进行冷却降温,选用低温引伸计测量试件的刀口张开位移.试验在清华大学航天航空学院的力学强度实验室进行,该实验室有进行低温试验的全套设备,包括三点弯试件加载用的CSS-2220电子万能试验机,高低温保温箱,自动记录仪以及试件预制疲劳裂纹采用的INSTRON疲劳试验机.进行试验时应保证加载过程中试样中心位置受压,并控制试验机横梁位移速度为1mm/min.2试验结果2.1热对各相转移的影响将Q460C焊接钢板焊缝区和热影响区的δm值随温度变化的规律分别绘成曲线,如图3所示.由图3a可知,Q460C焊缝区的δm值,整体上随温度的下降而降低.如图3b所示,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竟达到了88%,实质上完成了从韧性断裂到脆性断裂的转变.这足以看出低温对Q460C热影响区断裂韧性的不利影响;20℃时的δm值有点偏低,可能由于热影响区复杂的受力特性.2.2热影响区的m值的变化将Q460C焊接钢板焊缝区及热影响区的δm值与其母材的δm值作个比较分析,如图4所示,经分析图4可知,Q460C焊接结构钢材的热影响区的δm值最低,焊缝区的δm值整体上比母材的δm值要高,但从-40℃起,焊缝区的值下降的幅度明显大于其它二者,说明了低温对Q460C焊缝区的影响是比较大的,并且在低温下Q460C热影响区的断裂韧性相对最差.3韧脆转变温度t试验的数据离散性较大,为了研究韧脆转变温度,选用合适的函数进行拟合更合理一些.采用Boltzmann函数对断裂韧性和温度的关系进行回归分析时,具有较好的相关性和较小的残差,而且各参数的物理意义明确,可以很好地描述断裂韧性与温度之间的关系,具体形式为δm=δ1−δ21+e(T−T0)/dT+δ2(1)δm=δ1-δ21+e(Τ-Τ0)/dΤ+δ2(1)式中:δ1为下平台值;δ2为上平台值;T0为韧脆转变温度;dT为转变温度区的温度范围,dT越小,转变温度区跨越的温度范围越窄,材料越易由塑性向脆性转变.利用Boltzmann函数对图4的试验结果进行了回归分析,拟合结果回归系数均吻合较好,结果见图5和表3.分析图5及表3,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(-53.58℃),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.热影响区则表现出相对较差的断裂韧性性能.同时热影响区的平台值和转变温度范围均低于母材,而韧脆转变温度-40.28℃则高于母材的-40.94℃,再次验证了热影响区断裂韧性变差,是最薄弱环节.4断口表面微观分析对Q460C焊接钢板焊缝区的三点弯试件的断口进行了电子显微镜下的扫描观察,其微观形貌如图6所示,拍摄位置为断口表面中心附近,放大倍数为2000倍.分析图6,在温度为20℃时,试件断口表面有大量撕裂棱和韧窝的存在,以韧性变形为主,表现为常温穿晶断裂;在温度为-60℃时,断口线条的形状主要以河流花样和解理台阶为主,几乎无塑性变形,呈现出低温穿晶脆性断裂的明显特征;随温度的降低,断口上的韧窝和撕裂棱逐渐减少,韧性变形越来越小,脆性特征加剧.5试验结果分析(1)Q460C高强结构钢材焊缝区δm值呈现波动,表现其断裂韧性对低温不稳定性;热影响区δm值低于母材,说明热影响区作为焊接薄弱环节,其韧性在低温下逐渐脆化,使其韧性变差.温度下降,δm值整体上呈下降趋势,断裂韧性变差.(2)Boltzmann函数