低溫下鋼厚板沖擊韌性試驗(yàn)研究

低溫下鋼厚板沖擊韌性試驗(yàn)研究

目前，結(jié)構(gòu)厚板的使用不多，包括上層和大型建筑。隨著板厚的增加，鋼盒的應(yīng)力適應(yīng)性、應(yīng)力集中等因素迅速惡化。金屬陶瓷技術(shù)的現(xiàn)狀不可避免地導(dǎo)致了厚板的中心分析。中心部位的碳、磷、硫、錳等因素的聚集變化顯著增加了含量。厚板增加了裂縫和緩解的敏感性，降低了強(qiáng)度。另一方面，我國大部分地區(qū)的低溫作業(yè)業(yè)務(wù)水平降低，低溫脆弱性不容忽視?；谏鲜銮闆r,結(jié)構(gòu)鋼厚板的脆性斷裂研究很有意義.本文采用了結(jié)構(gòu)鋼厚板低溫下沖擊韌性的試驗(yàn)研究.沖擊韌性指標(biāo)雖然目前仍難于給出是否安全的有效評價(jià),不能直接代替斷裂韌性試驗(yàn)指標(biāo),但因?yàn)槠洳牧夏芰恐笜?biāo)的測定比較容易,試驗(yàn)結(jié)果也較為豐富成熟,因此目前仍舊有很多規(guī)范采用了沖擊韌性判據(jù)指標(biāo),如我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)就對低溫環(huán)境中結(jié)構(gòu)所用鋼材的沖擊韌性指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定,以防止脆性斷裂破壞的發(fā)生.在一定條件下,沖擊韌性判據(jù)指標(biāo)和斷裂力學(xué)指標(biāo)存在著一定對應(yīng)關(guān)系,因此在基于斷裂力學(xué)的缺陷評價(jià)方法中,傳統(tǒng)的能量指標(biāo)仍舊作為斷裂力學(xué)方法的重要輔助手段和替代手段.試驗(yàn)要求在鋼厚板厚度方向的不同位置取樣,同時(shí)設(shè)置不同溫度點(diǎn),試圖得到有關(guān)低溫影響和沿厚度方向性能差異的相關(guān)變化規(guī)律,并為研究沖擊韌性和斷裂韌性2個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系提供依據(jù).1影響試驗(yàn)總結(jié)1.1厚板沖擊試驗(yàn)研究本文試驗(yàn)根據(jù)[GB/T229-1994]中“金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法”,在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃這5個(gè)溫度點(diǎn)下對結(jié)構(gòu)鋼材Q345的厚板(60、90、120、150mm這4種厚度)進(jìn)行沖擊試驗(yàn).每種厚度鋼板要在全厚度取樣(距表面1/8L、1/4L、3/8L、1/2L,L為板厚),同一條件點(diǎn)選用4個(gè)試樣,沿中心對稱各2個(gè).試驗(yàn)采用V型缺口試樣,測量每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的沖擊功Akv值,得到?jīng)_擊功和板厚度大小、沿厚度的位置以及溫度的相互變化規(guī)律,進(jìn)而深入研究韌脆轉(zhuǎn)變溫度,為工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù).1.2鋼板試件尺寸試驗(yàn)選用鋼厚板由首鋼生產(chǎn),是目前建筑行業(yè)廣泛使用的Q345型號鋼板,60～150mm厚.要求測量的是縱向沖擊功,因此試件缺口方向和鋼板軋制方向保持一致,試件尺寸及取樣位置如圖1、2所示.1.3沖擊試樣冷卻本試驗(yàn)在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,標(biāo)準(zhǔn)打擊能量為300J.試驗(yàn)要求將沖擊試樣冷卻至規(guī)定溫度并保溫一段時(shí)間后再進(jìn)行沖擊.冷卻介質(zhì)采用酒精和液氮的混合液體,在保溫箱中將試件冷卻,這種方法可以將試樣冷卻到-80℃左右.試驗(yàn)用溫度計(jì)量程為-80～50℃,最小分度值1℃.試驗(yàn)裝置如圖3所示.1.4試樣移取要求1)為提高效率,試驗(yàn)從高溫到低溫進(jìn)行,多試樣同時(shí)冷卻;2)試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保持足夠時(shí)間,這里要求不少于5min;3)移取試樣時(shí),夾具的溫度應(yīng)與介質(zhì)溫度盡量相同;4)試樣緊貼支座放置,并使其缺口背面朝向擺錘刀刃,缺口對稱面位于兩支座對稱面上,其偏差不應(yīng)大于0.5mm;5)試樣移除后必須在3～5s內(nèi)打斷試樣,并參照GB/T229-1994附錄A補(bǔ)償溫度損失.2影響試驗(yàn)的結(jié)果2.1沖擊試驗(yàn)結(jié)果有關(guān)試樣取樣的相關(guān)規(guī)范里,往往把距表面1/4L處的試驗(yàn)值作為一個(gè)整體性能的代表值.4種厚度鋼板該位置隨溫度變化的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.從圖中看出:1)隨著溫度降低,沖擊功值迅速降低,表現(xiàn)出明顯的低溫脆性;2)同樣溫度下,隨著板厚增大,沖擊功也隨之降低,即沖擊韌性隨板厚增大而降低.具體來看,板厚從90mm增大到120mm時(shí)曲線有較大下降,而從120mm增大到150mm曲線的形狀呈現(xiàn)出了清晰的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,低溫脆性特征越來越明顯.2.2鋼板中心偏析試驗(yàn)為了研究沿板厚度方向不同位置的沖擊韌性分布,試驗(yàn)中在常溫20℃和低溫-40℃這2個(gè)溫度點(diǎn),對每種鋼板進(jìn)行了沿厚度的取樣,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.從2個(gè)溫度點(diǎn)的沖擊功曲線依然可以看出沖擊韌性隨板厚增大而降低,不過更值得注意的是:沖擊功值從鋼板表面到中心不斷下降,并且隨著板厚的增加,下降幅度也增大,見表1.由表1看出:1)隨著鋼板厚度增大,中心偏析現(xiàn)象越嚴(yán)重,鋼板中心位置的沖擊韌性就越差;2)比較2個(gè)溫度點(diǎn),在低溫下中心偏析對沖擊韌性的影響更大,120～150mm鋼板的沖擊功從表面到中心的降幅竟然達(dá)到了80%～90%,中心-40℃下的沖擊功絕對值小于12J.而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)中規(guī)定該溫度的沖擊功值不小于27J,這說明中心位置的沖擊功不能滿足規(guī)范在該溫度下的要求.因此,厚板的沖擊韌性性能務(wù)必要引起足夠重視,不能低估中心偏析現(xiàn)象的影響.2.3150mm厚度鋼板沖擊韌性隨溫度及沿厚度位置的變化規(guī)律僅針對150mm厚鋼板做進(jìn)一步研究,試樣遍歷每個(gè)位置每個(gè)溫度點(diǎn).試驗(yàn)結(jié)果分別以位置和溫度作為橫坐標(biāo)來顯示,如圖6所示.圖6(a)較清晰的展現(xiàn)出沖擊功-溫度曲線的特性,后面章節(jié)將結(jié)合韌脆轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行分析;圖6(b)指出了不同溫度下沖擊功沿厚度的分布規(guī)律,隨著溫度降低,由表面到中心的沖擊功降幅是增大的趨勢(降到-60℃時(shí)因?yàn)闆_擊功絕對值已經(jīng)非常低,則不存在明顯降幅).上述結(jié)果再一次的說明了沖擊韌性隨溫度降低而降低,隨位置由表面到中心的改變而降低.3沖擊韌性隨試驗(yàn)溫度的變化韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料低溫脆性的一個(gè)重要指標(biāo),值越大,越容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變,具有更明顯的低溫脆性.工程界常常將其作為防斷裂的重要判據(jù).沖擊功-溫度曲線總體呈S形,分為下平臺、轉(zhuǎn)變溫度區(qū)和上平臺3部分,典型的曲線形式如圖7所示.對于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的定義常用的是用最大沖擊功(上平臺能)和最小沖擊功(下平臺能)的算術(shù)平均值對應(yīng)的溫度.但事實(shí)上,實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散性較大,幾乎不可能得到如此典型的曲線,這時(shí)用合適的函數(shù)進(jìn)行擬合更合理一些.大量的試驗(yàn)與實(shí)踐表明,采用Boltzmann函數(shù)Akv=A1?A21+e(T?x0)/Δx+A2(1)Akv=A1-A21+e(Τ-x0)/Δx+A2(1)對沖擊功和溫度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析.式中:Akv為沖擊功,J;T為溫度,℃;A1為下平臺能,J;A2為上平臺能,J;x0即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,℃;Δx反映了轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的溫度范圍,℃,Δx越小,轉(zhuǎn)變溫度區(qū)跨越的溫度范圍越窄,材料越易由塑性向脆性轉(zhuǎn)變.當(dāng)采用式(1)時(shí),沖擊功和溫度具有較好的相關(guān)性和較小的殘差,而且各參數(shù)的物理意義明確,可以很好地描述沖擊功與溫度之間的關(guān)系.本文利用Boltzmann函數(shù)對圖4和圖6(a)表示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析,基于-60℃時(shí)各種情況的沖擊功值都很接近0,為保證擬合的合理性,避免處理過程中A1出現(xiàn)負(fù)值,可近似A1=0.擬合結(jié)果回歸系數(shù)均大于98%,結(jié)果見表2、3.對表2、3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到:1)韌脆轉(zhuǎn)變溫度x0和上平臺能A2均隨板厚增大而升高(由-31.3℃升高至-12.1℃),隨位置從板表面到中心而升高(由-33.2℃升高至-6.1℃),這說明沖擊韌性顯著變差,和前面的試驗(yàn)結(jié)論保持一致;2)表2中Δx值隨厚度增大而降低,同樣說明板厚增大更易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變;3)韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨溫度及沿厚度方向不同位置的變化如圖8.4沖擊韌性與鋼板厚度1)隨溫度降低,鋼材沖擊功值迅速降低,沖擊韌性變差.2)同樣溫度下,鋼板厚度的增大,會導(dǎo)致沖擊韌性不斷降低.3)鋼厚板因?yàn)橹行钠霈F(xiàn)象,沿厚度方向的沖擊韌性不同,從表面到中心位置,沖擊韌性成降低趨勢,并且降幅隨著板厚的增大而增大,-40℃時(shí),120mm以上厚度的鋼板中心位置甚至小