鋼結(jié)構(gòu)厚板斷裂韌性隨溫度變化規(guī)律

鋼結(jié)構(gòu)厚板斷裂韌性隨溫度變化規(guī)律

隨著我國城市化進(jìn)程的深化，高層建筑和大型場(chǎng)地不斷出現(xiàn)。在建筑結(jié)構(gòu)上，厚板木材主要用于大型厚板和大型厚板的結(jié)構(gòu)。板材厚度范圍為40100mm。由于對(duì)厚板材料的基本力學(xué)、強(qiáng)度和焊接技術(shù)的認(rèn)識(shí)不足，中國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)沒有相關(guān)規(guī)定，因此在焊接、施工和使用過程中存在各種裂紋。例如，天津國有資產(chǎn)監(jiān)督管理部的中心框架在焊接后發(fā)生了脆弱的裂紋，無法使用，導(dǎo)致3000噸厚的90.150mm鋼板浪費(fèi)。重慶的一棟高層建筑和上海的辦公樓也發(fā)生了類似的事故。鋼結(jié)構(gòu)厚板工程的脆性斷裂與鋼材及其焊縫的韌性有著重要的關(guān)系,而鋼材的韌性又受到環(huán)境溫度、鋼板厚度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率等因素的影響.定量并準(zhǔn)確地對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的斷裂進(jìn)行分析,需要借助斷裂力學(xué)的方法,而鋼材的斷裂韌性是斷裂力學(xué)分析的基本材性指標(biāo).因此,開展鋼厚板斷裂韌性指標(biāo)的試驗(yàn)測(cè)定及其影響規(guī)律研究,對(duì)于防止鋼結(jié)構(gòu)厚板的脆性斷裂具有基礎(chǔ)性的意義.低溫對(duì)于鋼材的斷裂韌性具有顯著的影響,本文將在模擬的低溫環(huán)境中進(jìn)行Q345B結(jié)構(gòu)用厚板的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),斷裂韌性指標(biāo)選用裂紋尖端張開位移(CTOD).試驗(yàn)研究不同鋼板厚度與沿厚度方向不同取樣位置對(duì)斷裂韌性的影響及其隨溫度變化的規(guī)律,為鋼結(jié)構(gòu)厚板脆性斷裂的力學(xué)分析提供材性數(shù)據(jù),并為相關(guān)技術(shù)規(guī)范的修訂提供試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備.1試驗(yàn)總結(jié)1.1材料的化學(xué)成分根據(jù)《金屬材料—準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》(GB/T21143—2007),在20、0、-20、-40、-60℃五個(gè)溫度點(diǎn)下對(duì)Q345B結(jié)構(gòu)用厚板鋼材進(jìn)行了裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗(yàn).試驗(yàn)選用首鋼生產(chǎn)的牌號(hào)為Q345B的結(jié)構(gòu)厚板,板厚分別為t=60、90、120、150mm,其主要化學(xué)成分見表1.試驗(yàn)中采用的三點(diǎn)彎曲試樣(TPB)尺寸與試驗(yàn)裝置(單位:mm)如圖1所示.在厚板中的取樣位置如圖2所示,試樣在軋制平面內(nèi)沿垂直軋制方向取樣,使裂紋方向與軋制方向平行.試樣毛坯經(jīng)機(jī)械切割后進(jìn)行磨削處理,試樣缺口采用0.5mm寬度的線切割加工,缺口端部預(yù)制約3mm的疲勞裂紋(見圖1).對(duì)于板厚t=60、90、120mm的鋼板,分別在距鋼板表面0、1/4和1/2厚度位置取樣;對(duì)于板厚t=150mm的鋼板,分別在距鋼板表面0、1/8、1/4、3/8和1/2厚度位置取樣.本試驗(yàn)共進(jìn)行了156個(gè)三點(diǎn)彎曲試樣的測(cè)試.試驗(yàn)中直接測(cè)定跨中荷載P和刀口張開位移V(由圖1中夾式引伸計(jì)測(cè)量)構(gòu)成的P-V曲線,由幾何條件和規(guī)范給出的方法計(jì)算裂紋尖端張開位移CTOD值,本文選用最大載荷CTOD特征值δm作為試樣斷裂韌性的代表值.1.2試樣安裝和冷卻試驗(yàn)在清華大學(xué)航空航天學(xué)院力學(xué)系強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,該實(shí)驗(yàn)室擁有全套進(jìn)行低溫試驗(yàn)的設(shè)備,如圖3所示.試驗(yàn)采用空氣和液氮的混合氣體對(duì)試樣進(jìn)行冷卻,并由保溫箱、伺服閥和控制器保持穩(wěn)定的低溫,該溫度控制設(shè)備調(diào)節(jié)溫度的精度為±1℃.測(cè)量三點(diǎn)彎曲試樣表面刀口張開位移,需要專門的低溫夾式引伸計(jì).試樣在保溫箱內(nèi)的安裝如圖4所示.試驗(yàn)過程和注意事項(xiàng)如下:1)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)保證試樣跨中位置受壓;2)試驗(yàn)從高溫到低溫進(jìn)行,多試樣同時(shí)在低溫箱內(nèi)冷卻,提高試驗(yàn)效率;3)冷卻試樣的時(shí)間不少于15min并且在加載過程中溫度偏離預(yù)設(shè)值不能超過±2℃;4)試樣破壞前荷載與位移的全過程曲線由計(jì)算機(jī)采集得到.2試驗(yàn)結(jié)果2.1鋼板試驗(yàn)的結(jié)果《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》(GB/T2975—1998)規(guī)定,對(duì)于厚度大于50mm的鋼板,取樣位置中心為距表面1/4厚度處.因此,在CTOD試驗(yàn)中,將1/4厚度位置的試樣試驗(yàn)值作為鋼板整體性能的參考值.4種厚度鋼板1/4厚度處試樣的斷裂韌性CTOD值隨溫度的變化關(guān)系如圖5所示(文中CTOD值均為3個(gè)試樣試驗(yàn)值的平均值).由圖5可見,隨著溫度的降低,CTOD值迅速降低;對(duì)于相對(duì)較厚的鋼板(如120、150mm),下降的趨勢(shì)更明顯,即對(duì)低溫更敏感.相同溫度下,隨著板厚增大,CTOD值也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì).2.2板厚對(duì)cod值的影響為了研究鋼板沿厚度方向不同位置的斷裂韌性的差異性,試驗(yàn)中在常溫20℃和低溫-40℃兩個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)每種厚度鋼板進(jìn)行了沿厚度不同位置的取樣,CTOD值隨取樣位置的變化如圖6所示.由圖6可見,兩個(gè)溫度點(diǎn)下,CTOD值從鋼板表面到中心處均不斷下降,板厚中心位置的斷裂韌性較差.隨著板厚的增加,這種下降的程度更明顯.對(duì)于120mm和150mm的厚板,CTOD值從表面到中心的降幅,在20℃時(shí)分別達(dá)32%和35%,在-40℃時(shí)分別達(dá)82%和86%.由此可見,厚板的斷裂韌性在不同厚度位置上存在著較大差異.2.3150mm厚板CTOD隨溫度與取樣位置的變化針對(duì)150mm厚度鋼板做進(jìn)一步的試驗(yàn)結(jié)果分析,CTOD試驗(yàn)遍歷了5個(gè)取樣位置和5個(gè)溫度點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,分別以溫度和取樣位置為橫坐標(biāo).圖7a說明了斷裂韌性隨溫度的降低而降低,部分曲線具有清晰的韌脆轉(zhuǎn)變特征;圖7b說明了沿板厚方向從表面至中心位置,厚板的斷裂韌性逐漸劣化.3鋼板斷裂韌性溫度轉(zhuǎn)變曲線韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料低溫脆性的一個(gè)重要指標(biāo),轉(zhuǎn)變溫度越高,材料越容易發(fā)生脆性斷裂.斷裂韌性CTOD值隨溫度變化的曲線總體上呈S形,分為上平臺(tái)區(qū)、轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺(tái)區(qū)3個(gè)部分.采用式(1)所示的Boltzmann函數(shù)表達(dá)式對(duì)厚板鋼材的斷裂韌性溫度變化曲線進(jìn)行擬合,可以較好地反映斷裂韌性隨溫度的轉(zhuǎn)變關(guān)系.函數(shù)表達(dá)式為δ=δ1-δ21+exp[(θ-θt)/dθ]+δ2δ=δ1?δ21+exp[(θ?θt)/dθ]+δ2(1)式中:δ為CTOD值;δ1、δ2分別為下平臺(tái)、上平臺(tái)值;θ為溫度變量;θt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度;dθ為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的范圍.圖8給出了150mm厚鋼板1/4厚度處斷裂韌性隨溫度變化關(guān)系的Boltzmann曲線擬合結(jié)果.該擬合結(jié)果具有較典型的轉(zhuǎn)變溫度區(qū),得到轉(zhuǎn)變溫度θt=-25.4℃.采用Boltzmann函數(shù),基于每個(gè)試樣的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)4種板厚鋼材的斷裂韌性溫度轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)行了擬合,結(jié)果如表2所示.60mm厚度的鋼板在達(dá)到-60℃的低溫時(shí)仍然沒有表現(xiàn)出韌脆轉(zhuǎn)變的過程,只能根據(jù)圖5估計(jì)出轉(zhuǎn)變溫度低于-40℃.90、120mm厚度的鋼板擬合相關(guān)系數(shù)較低,試驗(yàn)數(shù)據(jù)較離散;而僅有150mm厚度的鋼板具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變特征,擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.9.綜上所述,韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨著板厚的增加而升高,表明板厚越大,抗低溫脆斷能力越差.由于試驗(yàn)結(jié)果離散性較大,在對(duì)150mm厚度的鋼板不同取樣位置的斷裂韌性溫度變化曲線擬合時(shí),擬合的數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣斷裂韌性試驗(yàn)值的平均值,結(jié)果如表3所示.由表3可見,韌脆轉(zhuǎn)變溫度由表面位置的-42.7℃升高至中心位置的-6.4℃,表明厚板的抗低溫脆斷能力由表面至中心位置逐漸變差.4斷口電鏡掃描圖9a為120mm厚鋼板不同試驗(yàn)溫度下三點(diǎn)彎曲試樣的斷口照片;圖9b為-20℃時(shí)150mm厚鋼板不同取樣位置試樣的斷口照片.通過宏觀斷口形貌可以看出,試樣的塑性變形具有不斷減小的趨勢(shì),即由韌性向脆性轉(zhuǎn)變.對(duì)試樣斷口進(jìn)行電鏡掃描,電鏡放大倍數(shù)為1000倍,斷口微觀形貌如圖10、11所示.通過電鏡掃描圖發(fā)現(xiàn)常溫20℃時(shí)斷口只存在明顯的纖維區(qū),該區(qū)域有典型的韌窩分布;當(dāng)溫度降低至-20℃時(shí)斷口同時(shí)存在纖維區(qū)和脆斷區(qū),圖10b顯示了少量韌窩分布和解理斷裂面的交界位置;低溫-40℃至-60℃時(shí)則僅存在脆性斷裂區(qū),圖10d顯示了非常清晰的解理斷裂的舌狀花樣.由圖11可見,表面位置試樣斷口存在纖維區(qū),分布著較明顯的韌窩;1/4厚度位置的試樣同時(shí)存在纖維區(qū)和脆斷區(qū),如圖11b所示;繼續(xù)靠近厚度中心位置的試樣斷口僅存在脆斷區(qū),解理斷裂特征明顯.5厚板厚的影響本文通過分析得出以下結(jié)論:1)隨著溫度的降低(20～-60℃)以及鋼板厚度的增大(60～150mm),Q345B結(jié)構(gòu)用厚板鋼材的斷裂韌性CTOD值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).在20℃時(shí),斷裂韌性CTOD值由60mm板厚的1.24mm降至150mm板厚的0.79mm.2)厚板鋼材沿厚度方向從表面至中心位置,斷裂韌性CTOD值逐漸降低,且厚度越大,溫度越低,這種下降趨勢(shì)更加明顯,120mm和150mm厚板在-40℃時(shí)表面至中心的降幅分別達(dá)82%和86%.3)鋼