低温冲击韧性对高性能钢材性能的影响

低温冲击韧性对高性能钢材性能的影响

目前，高强度材料已在国内外许多实际工程中成功应用。随着结构工程的快速发展，对钢芯材料的性能要求也在不断提高。然而，随着钢材强度的提高，其研磨、压碎、化学成分和其他改进与普通强度材料存在很大差异。因此，高强度材料的误差和劳动率将发生变化。高强度钢很难焊接，容易产生焊接缺陷，焊接的热影响也会改变焊接附近的材料。此外，中国大部分地区位于寒冷地区，因此忽视了低温冷脆的问题。与普通厚骨钢结构相比，高强度钢结构的设计强度显著提高。基于断裂力学的观点，高强度钢结构对裂缝的脆弱性和脆弱性容易受到脆断破坏。因此，新型高强度材料及其焊接的耐碱性是其推广应用的重要限制因素。由于冲击韧性指标测定较简便,试验结果也较为成熟,很多规范如GB50017—2003《钢结构设计规范》采用冲击韧性判据指标指导结构选材.基于上述情况,本文对960MPa高强度钢材及其焊缝的低温冲击韧性进行了试验研究,并将其夏比冲击功Akv(J)与其他结构钢材进行了比较,以期得到冲击韧性有关强度影响、低温影响的相关变化规律,为其在低温地区的推广应用提供参考数据,同时也为研究冲击韧性和断裂韧性2个指标之间的关系提供依据.1试验总结1.1材料选取试验为复合温度点的试验方案,其对于v型缺口试件进行冲击试验,其对于v型缺口试件进行防低温脆断试验,其与有机比为5.本次试验依据GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》,选取-60,-40,-20,0,20℃这5个温度点,对14mm厚960MPa高强度钢材及其焊接钢材进行冲击试验,取样区包括母材、焊缝区及热影响区(HAZ),对3种不同取样位置的试件在不同温度点上各选用3个,总计45个.采用V型缺口试件,测量每个温度点的Akv,得到Akv随温度变化的规律,进而研究其韧脆转变温度,为960MPa高强度钢材的应用及其防低温脆断设计提供试验数据.1.2试验工艺及设备试验采用鞍钢新研制的960MPa高强度钢板,厚14mm,其主要化学组成见表1.采用V型坡口全熔透埋弧焊,平焊焊接,焊剂为SJ101,电压30~34V,电流530~570A,送丝速度40~45cm/min,在中冶焊接研究所对其进行了焊接工艺评定,执行JGJ81—2002《建筑钢结构焊接规程》标准,焊缝几何尺寸见图1(a).试件参照GB2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》切取样坯,焊缝区、热影响区取样如图1(b),(c)所示,并按规定尺寸制作标准试件,试件尺寸见图1(d).试验在SANS摆锤式冲击试验机上进行.冲击前将试件在保温箱中冷却,冷却介质采用液氮与酒精的混合液体.2试验结果2.19温度对焊缝材料和金融材料的影响对960MPa高强度钢材及其对接焊缝在5个温度点下的Akv进行了比较分析,结果见图2.热影响区的Akv总体上小于母材及焊缝区,表明焊接产生的热影响使焊缝附近钢材的韧性变差,在焊接结构的抗脆断设计中为薄弱环节,这也与文献的结论一致;当温度高于-20℃时,焊缝区的Akv小于母材,且焊缝区的Akv较为离散,可能是由于V型缺口对材料缺陷和差异较敏感所致;当温度降至-20℃以下时,焊缝区的Akv大于母材,表现出较好的冲击韧性.由图2可见,夏比冲击功随温度的变化曲线体现了960MPa高强度钢材及其焊接钢材的韧脆转变特征,表现出较明显的低温脆性.2.29拉伸性能分析钢材断裂性能与其强度、厚度有着密切联系,本文将14mm厚960MPa高强度钢材的Akv与同厚度的460MPa高强度钢材,以及345MPa普通强度钢厚板进行了分析比较,结果见图3.由图3可以看出,960MPa高强度钢材的Akv总体上大于460MPa高强度钢材,但其断裂韧性在5个温度点下均低于460MPa高强度钢材,表明960MPa高强度钢材较高的冲击功大部分是其过高的强度所带来的弹性功,因此抵抗裂纹扩展的能量较小;在常温下,4种厚度的345MPa钢厚板的Akv均大于460,960MPa高强度钢材,但随着温度的降低,Akv的下降幅度较大,当温度降至-60℃时,其值均小于2种高强度钢材.上述结果说明结构钢材的厚度和强度对其冲击韧性有较大影响,但随着温度的降低,厚度对其冲击韧性的影响较强度更为明显.3材料的拟合分析工程中常采用韧脆转变温度作为防脆断的重要判据.试验表明,采用式(1)对Akv和温度的关系进行拟合,具有较小的残差和较好的相关性,能较好地描述Akv与温度的关系.式中:A2为上平台能,J;A1为下平台能,J;tT为韧脆转变温度,℃,tT越高,越容易发生韧脆转换;tR为材料韧脆转换温度区的范围,℃.Akv的拟合结果见表2.将母材、焊缝区及热影响区的拟合结果进行比较可以看出,热影响区韧脆转变温度最高(-12.74℃),上、下平台能相对较小,表现出较差的冲击韧性,与前文所得结论一致.母材的下平台能低于焊缝区,但其上平台能较高,且韧脆转变温度为-19.51℃,低于焊缝区的-13.86℃,转换温度区范围也较大,表明母材低温冲击韧性较焊缝区差,但由于焊接缺陷等影响,焊缝区更容易发生韧脆转变,体现了960MPa高强度焊接钢材较大的缺陷敏感性.5种结构钢材的拟合参数见表3.比较表2,3可以看出,460,960MPa高强度钢材的上平台能比345MPa普通强度钢厚板要低,转变温度区范围要小,其中460MPa高强度钢材的韧脆转变温度最高,体现出较大的低温脆性;而960MPa高强度钢材的韧脆转变温度较低,上、下平台能也大于460MPa高强度钢材,这可能是由于强度过高,导致吸收的弹性功较大,从而表现出较好的冲击韧性,但其转变温度区范围大于460MPa高强度钢材,表明其低温冷脆特征明显.不过,当强度提高到一定值后,960MPa高强度钢材对温度的敏感性有所下降.4试验断口形貌分析为进一步了解960MPa高强度钢材及其焊缝的断裂微观机理,对母材、焊缝区及热影响区3种冲断试件的断口进行了扫描电镜分析.在每个温度点下各选取1个试件进行扫描,扫描仪器为QuantaFEG450,扫描位置为断口表面中心附近,放大倍数为3000倍.图4~6分别为母材、焊缝区、热影响区3种试件在不同温度点下的断口微观形貌.从图4可以看出,在20℃时,母材冲断试件断口存在较多的撕裂棱和韧窝,随着温度的下降,撕裂棱和韧窝减少,在-20℃时,仅有少量韧窝和撕裂棱,出现河流状花纹,断口形貌以脆断特征为主,当温度降至-40,-60℃时,断口呈现出明显的舌状花纹和河流状花纹,为解理断裂机制.对焊缝区冲断试件断口进行分析可知,在20℃时,断口布满大小不一的韧窝,表现出微孔聚集型的断裂机制,随着温度的降低,韧窝变小变浅,在-20℃下即出现光滑的解理面,-40℃下呈现出明显的河流状花纹,具有穿晶脆断特征,当温度降至-60℃时,断面呈冰糖状,沿晶脆断特征明显.与母材、焊缝区相比,热影响区试件断口的韧窝及撕裂棱较少,在0℃时即出现解理面,而母材和焊缝区试件在0℃时仍以韧断特征为主,表明热影响区韧性有所恶化,这也与热影响区较低的冲击功值一致;在-20℃下裂纹由晶界向晶内定向发展,呈现出河流状花样,当温度降至-40,-60℃时,断口呈结晶状,具有沿晶脆断特征.5冲击韧性指标(1)960MPa高强度钢材及其焊缝区、热影响区的夏比冲击功均随温度降低呈明显下降趋势,体现了材料的韧脆转变特征,表现出较明显的低温脆性.960MPa高强度焊接钢材热影响区的夏比冲击功低于母材及焊缝区;焊缝区的夏比冲击功较为离散,可能由于V型缺口对材料缺陷和差异较敏感所致.(2)结构钢材的厚度和强度对其冲击韧性有较大影响.与普通强度钢厚板相比,460,960MPa高强度钢材在常温下的夏比冲击功小于4种厚度的345MPa钢厚板,但在低温下厚度对冲击韧性的影响较强度更为明显.960MPa高强度钢材的夏比冲击功总体上大于460MPa高强度钢材,表明钢材强度过高使其吸收的弹性功较高.为对高强度钢材的韧性作出安全有效的评价,还应采用更准确的断裂韧性指标.(3)对于960MPa高强度焊接钢材,其热影响区韧脆转变温度最高(-12.74℃),冲击韧性较差;母材低温的夏比冲击功小于焊缝区,但由于焊接缺陷等影响,焊缝区更容易发生韧脆