高強(qiáng)鋼q360-c沖擊韌性試驗(yàn)研究

高強(qiáng)鋼q360-c沖擊韌性試驗(yàn)研究

近年來(lái)，高強(qiáng)度鋼板在建筑材料中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。例如，澳大利亞悉尼世界廣場(chǎng)的重建層使用了690mpa級(jí)強(qiáng)鋼板和興城酒店（煎劑場(chǎng)），以及應(yīng)用于中心海域的高大木材。此外，中國(guó)的“鳥(niǎo)巢”項(xiàng)目采用了460mpa級(jí)木材，日本橫濱地標(biāo)廣場(chǎng)大樓（大型和中型建筑）采用600mpa級(jí)工字形鋼柱。隨著冶金工藝技術(shù)的進(jìn)步,以微合金化冶金學(xué)和控制軋制技術(shù)為基礎(chǔ),經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、基體強(qiáng)化、晶粒細(xì)化和材質(zhì)凈化等處理,促進(jìn)了新型高強(qiáng)度高性能鋼在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的研發(fā)和應(yīng)用。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345、Q390、Q420和Q460等鋼種牌號(hào)已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1519—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中。近幾年全球氣候變化異常,我國(guó)大片區(qū)域面臨寒潮襲擊,低溫促使鋼結(jié)構(gòu)建筑物的韌性降低,低溫脆斷問(wèn)題不容忽視。本文對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材Q460-C進(jìn)行低溫下沖擊韌性的試驗(yàn)研究,試圖得出它們的沖擊功值A(chǔ)KV隨溫度的變化規(guī)律,并將Q460-C母材的AKV與U71Mn鋼軌鋼材,以及Q345的AKV作對(duì)比,希望得到?jīng)_擊功值與有關(guān)強(qiáng)度影響、低溫影響的相關(guān)變化規(guī)律,并為研究沖擊韌性與斷裂韌性?xún)蓚€(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系提供依據(jù)。1試驗(yàn)總結(jié)1.1高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力點(diǎn)沖擊試驗(yàn)本試驗(yàn)依據(jù)GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,在-60,-40,-20,0,20℃5個(gè)溫度點(diǎn)下對(duì)14mm厚建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)鋼材Q460-C標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。在不同溫度點(diǎn)上各選用3個(gè)試樣,試樣分組及編號(hào)情況詳見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用V型缺口試樣,測(cè)量每個(gè)溫度點(diǎn)的沖擊功值,得到?jīng)_擊功值隨溫度變化的規(guī)律,進(jìn)一步研究韌脆轉(zhuǎn)變溫度,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1.2試驗(yàn)材料及試件制備試驗(yàn)選用板,厚為14mm,供貨狀態(tài)為控軋,技術(shù)條件符合GB/T1591—2008,碳當(dāng)量Ceq為0.468%,主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。試件參照GB2975—98切取樣坯,并按規(guī)定尺寸制作標(biāo)準(zhǔn)試件,試樣缺口底部應(yīng)光滑,并且應(yīng)避免試樣制備中由于加工硬化或過(guò)熱而影響金屬的沖擊性能。因要求測(cè)量的是縱向沖擊功,因此試件缺口方向與鋼板軋制方向保持一致,試件尺寸詳見(jiàn)圖1。1.3沖擊試件冷卻介質(zhì)在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),其標(biāo)準(zhǔn)打擊能量為300J。沖擊試件的冷卻介質(zhì)采用液氮和酒精的混合液體,在保溫箱中將試件冷卻。試驗(yàn)用溫度計(jì)量程為-80~50℃,最小分度值為1℃。1.4試件的冷卻、裝復(fù)1)試件應(yīng)在各試驗(yàn)溫度點(diǎn)下保持足夠時(shí)間,要求不少于5min。2)為提高效率,試驗(yàn)從高溫至低溫進(jìn)行,且多試件同時(shí)冷卻。3)試件緊貼支座放置,使其缺口對(duì)稱(chēng)面位于兩支座對(duì)稱(chēng)面上,其偏差不應(yīng)大于0.5mm,并使缺口背面朝向擺錘刀刃。4)試件從保溫箱中移出至打斷的時(shí)間應(yīng)不大于5s,并參照GB/T229—2007附錄E補(bǔ)償溫度損失。2試驗(yàn)結(jié)果2.1沖擊功值驗(yàn)證鋼材的沖擊值隨溫度的變化而變化,其韌性也隨之改變,故試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定溫度下進(jìn)行,Q460-C高強(qiáng)鋼材隨溫度變化的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。為了更直觀(guān)地了解Q460-C鋼材的低溫韌性,將表1中V型缺口沖擊功值繪成沖擊吸收能量-溫度曲線(xiàn),如圖2所示。由圖2可以看出,隨著溫度降低,Q460-C鋼材的沖擊功值迅速降低,表現(xiàn)出明顯的低溫脆性。-60℃時(shí)Q460-C的AKV均值比20℃時(shí)的降低了62.1%,可見(jiàn)Q460-C鋼材對(duì)低溫相當(dāng)敏感。GB/T19879—2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》中規(guī)定Q460GJ的縱向沖擊功值A(chǔ)KV在0,-20,-40℃時(shí)要不小于34J,但本次試驗(yàn)測(cè)得的Q460-C建筑鋼材在-20℃及以下的溫度不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮相應(yīng)的防低溫脆斷措施。2.2與鋼結(jié)構(gòu)材料的線(xiàn)的特性比較根據(jù)國(guó)內(nèi)鋼軌鋼材熱軋后屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)并參考俄羅斯和美國(guó)最新鋼軌標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,建議U71Mn鋼軌鋼種的屈服強(qiáng)度取值為460MPa。對(duì)Q460-C鋼材及U71Mn鋼軌鋼材的低溫沖擊功值進(jìn)行比較分析,將它們各個(gè)溫度點(diǎn)上的AKV均值繪成圖3。由圖3可見(jiàn),Q460-C鋼材及U71Mn鋼軌鋼材沖擊功-溫度曲線(xiàn)的特性,從0~-60℃,Q460-C鋼材的AKV均值都大于U71Mn鋼軌鋼材的值,說(shuō)明同一強(qiáng)度等級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)鋼材的低溫?cái)嗔秧g性高于鋼軌用鋼材。鋼材的斷裂韌性不僅與厚度有關(guān),也與其強(qiáng)度存在一定的關(guān)系。將14mm厚Q460-C鋼材的低溫沖擊功值與60mm厚Q345、90mm厚Q345、120mm厚Q345及150mm厚Q345的AKV進(jìn)行比較分析,將它們各個(gè)溫度點(diǎn)上的AKV均值繪成圖4。由圖4可以看出,在20~-20℃階段,14mm厚Q460-C鋼材的低溫沖擊功值依次低于150,120,90,60mm厚Q345的AKV值。但從-20~-60℃,Q460-C的AKV值開(kāi)始回升并逐漸高于不同厚度的Q345的AKV值;在-40℃時(shí),其值介于4種厚度的Q345之間,到-60℃時(shí),其值高于4種厚度Q345的AKV值。上述結(jié)果說(shuō)明了建筑鋼材的厚度和強(qiáng)度影響著其低溫沖擊韌性,在低于-20℃時(shí),Q460鋼材相對(duì)于Q345鋼材的強(qiáng)度對(duì)低溫脆性的影響沒(méi)有厚度的明顯。3boltzman函數(shù)工程界常常將韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為防斷裂的重要判據(jù)依據(jù)。但一般試驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散性較大,選用合適的函數(shù)擬合沖擊功-溫度曲線(xiàn)較合理。大量的試驗(yàn)表明,采用式(1)的Boltzmann函數(shù)對(duì)沖擊功隨溫度變化的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,具有較小的殘差以及較好的相關(guān)性。式中:AKV為沖擊功;T為溫度;A2為上平臺(tái)能,J;A1為下平臺(tái)能,J;x0為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,℃;Δx為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的溫度范圍,Δx越小,材料越易由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。圖5將Q460-C的AKV值與U71Mn鋼軌鋼材進(jìn)行了Boltzmann函數(shù)擬合回歸分析。Q460-C鋼材AKV的Boltzmann函數(shù)擬合參數(shù)與不同厚度Q345鋼材的擬合參數(shù)比較見(jiàn)圖6。Q460-C鋼材的Boltzmann擬合參數(shù)詳見(jiàn)表3。1)由圖5可見(jiàn),Q460-C鋼材AKV值的Boltzmann擬合結(jié)果回歸系數(shù)大于0.973,Q460-C的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于U71Mn鋼軌鋼材,且韌脆轉(zhuǎn)變溫度跨越溫度區(qū)域大于U71Mn,說(shuō)明了Q460-C建筑結(jié)構(gòu)鋼材的低溫?cái)嗔秧g性高于同一強(qiáng)度等級(jí)的U71Mn鋼軌用鋼材。2)從表3及圖6可見(jiàn),與60,90,120,150mm厚的Q345鋼材相比,Q460-C鋼材的上平臺(tái)能最低,且韌脆轉(zhuǎn)變溫度x0最高,表明Q460-C鋼材對(duì)低溫較敏感。4斷口電視掃描分析4.1試驗(yàn)斷口分析通過(guò)斷口宏觀(guān)與微觀(guān)的分析可以確定裂紋源位置、裂紋擴(kuò)展方向、斷裂性質(zhì)及材料性能等。圖7從左到右分別為20,0,-20,-40,-60℃5個(gè)溫度點(diǎn)下的Q460-C沖擊試件斷口形貌。對(duì)斷口進(jìn)行宏觀(guān)分析主要是為了對(duì)斷口有一個(gè)初步了解,為判別試件斷裂失效的方式提供依據(jù)。從圖7可以看出:在-40℃和-60℃溫度點(diǎn)下,Q460-C鋼材斷面幾乎沒(méi)有剪切唇和纖維區(qū),脆性斷裂區(qū)面積很大,基本沒(méi)有宏觀(guān)塑性變形;斷口表面相對(duì)平直,并呈現(xiàn)出較多的結(jié)晶狀,在光線(xiàn)照射下如小鏡面反光,可初步判斷這兩個(gè)溫度點(diǎn)下Q460-C鋼材斷裂的性質(zhì)屬于脆性斷裂。從20~-60℃,隨溫度的降低,沖擊試件斷口的剪切唇和纖維區(qū)逐漸減少直至消失,纖維區(qū)逐漸被放射區(qū)所取代。4.2溫度對(duì)斷口形貌的影響對(duì)制備好的Q460-C鋼材沖擊試件斷口(斷口中心纖維區(qū)附近)進(jìn)行了電子顯微鏡下的掃描觀(guān)察(放大倍數(shù)為1000倍),如圖8所示。1)由圖8可以看出,隨著溫度的降低,斷口的韌窩和撕裂棱逐漸減少,20,0,-20℃下斷口形貌表現(xiàn)為微孔聚集型,斷口遍布大小不一的韌窩,但隨溫度降低,韌窩由大變小,從深變淺,由長(zhǎng)變短,總體上以韌性變形為主,沒(méi)有明顯的脆性特征。2)圖8d、圖8e沒(méi)有太多宏觀(guān)塑性變形跡象,但可以觀(guān)察到明顯的解理臺(tái)階和舌狀花紋,斷面呈結(jié)晶狀,有許多強(qiáng)烈反光的小平面,表明塑性變形極小。在-60℃溫度點(diǎn)上,Q460-C斷口幾乎無(wú)纖維區(qū),以放射區(qū)為主,基本呈解理斷裂微觀(guān)機(jī)制,有顯著的脆性斷裂特征。5其他方面的作用1)隨溫度降低,Q460-C鋼材的沖擊功值迅速降低,沖擊韌性變差。2)一般情況下,低溫下同一強(qiáng)度等級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)鋼材斷裂韌性高于鋼軌用鋼材。3)本次試驗(yàn)采用的14mm厚Q460-C的AKV沖擊功值甚至不滿(mǎn)足目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的34J,還需在化學(xué)成分及軋制工藝上作相應(yīng)的調(diào)整。4)Boltzmann函數(shù)對(duì)Q460-