結(jié)構(gòu)鋼厚板低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究

王元清，胡宗文，石永久，周 暉，陳 宏

(1.清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;2.清華大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，北京100084)

目前，結(jié)構(gòu)鋼厚板使用越來(lái)越廣泛，包括超高層及大跨建筑等.隨著板厚的增大，鋼板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、應(yīng)力集中等因素迅速惡化.而冶金工藝的現(xiàn)狀，不可避免的會(huì)導(dǎo)致厚板的中心偏析，位于中心部位的碳、磷、硫、錳等元素集聚變化而使含量突然升高(成分出格)，使得厚板增加了裂紋和疏松的敏感性，降低了韌性［1］.另一方面，我國(guó)擁有大面積的寒冷地區(qū)，低溫會(huì)降低鋼材的韌性性能，低溫脆斷現(xiàn)象更加不能忽視.

基于上述情況，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(píng)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(cè)定比較容易，試驗(yàn)結(jié)果也較為豐富成熟［2］，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(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)［3］就對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在基于斷裂力學(xué)的缺陷評(píng)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 沖擊試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文試驗(yàn)根據(jù)［GB/T 229-1994］中“金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法”［4］，在 20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃這5個(gè)溫度點(diǎn)下對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材Q345的厚板(60、90、120、150 mm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1/8 L、1/4 L、3/8 L、1/2 L，L 為板厚)，同一條件點(diǎn)選用 4個(gè)試樣，沿中心對(duì)稱各2個(gè).試驗(yàn)采用V型缺口試樣，測(cè)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 試樣用材和尺寸

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(hào)鋼板，60～150 mm厚.要求測(cè)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.

圖1 沖擊試件Fig.1 Impact sample

圖2 沖擊試件取樣位置Fig.2 Schematic sampling location

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

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300 J.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.

圖3 沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Impact test equipment

1.4 試驗(yàn)過程及注意事項(xiàng)

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5 min;

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(duì)稱面位于兩支座對(duì)稱面上，其偏差不應(yīng)大于0.5 mm;

5)試樣移除后必須在3～5 s內(nèi)打斷試樣，并參照GB/T 229-1994附錄A［4］補(bǔ)償溫度損失.

2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同厚度鋼板沖擊韌性隨溫度的變化規(guī)律

有關(guān)試樣取樣的相關(guān)規(guī)范里，往往把距表面1/4 L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(lái)看，板厚從90 mm增大到120 mm時(shí)曲線有較大下降，而從120 mm增大到150 mm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(lái)越明顯.

圖4 不同厚度鋼板沖擊韌性隨溫度的變化規(guī)律Fig.4 Variation of impact toughness within temperature

2.2 不同厚度鋼板沖擊韌性隨沿厚度位置的變化規(guī)律

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(duì)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.

圖5 不同厚度鋼板沖擊韌性隨沿厚度位置的變化規(guī)律Fig.5 Variation of impact toughness within locations alongthe thickness direction

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(duì)沖擊韌性的影響更大，120～150 mm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(duì)值小于12 J.而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)［3］中規(guī)定該溫度的沖擊功值不小于27 J，這說(shuō)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.

表1 沖擊功由中心到表面的降幅Table 1 Decreasing range of impact energy

2.3 150mm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(duì)150 mm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(lái)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(shì)(降到-60℃時(shí)因?yàn)闆_擊功絕對(duì)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(shuō)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.

圖6 150 mm厚度鋼板沖擊韌性隨溫度及沿厚度位置的變化規(guī)律Fig.6 Variation of impact toughness of 150 mmsteel plate within temperature and locations

3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度分析

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(tái)、轉(zhuǎn)變溫度區(qū)和上平臺(tái)3部分，典型的曲線形式如圖7所示.對(duì)于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的定義常用的是用最大沖擊功(上平臺(tái)能)和最小沖擊功(下平臺(tái)能)的算術(shù)平均值對(duì)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)

對(duì)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(tái)能，J;A2為上平臺(tái)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［5-6］.

本文利用Boltzmann函數(shù)對(duì)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［6］.擬合結(jié)果回歸系數(shù)均大于98%，結(jié)果見表2、3.

圖7 沖擊功-溫度典型曲線Fig.7 Typical curve of impact energy-temperatures

表2 圖4對(duì)應(yīng)的Boltzmann函數(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of Boltzmann function for Fig.4

表3 圖6(a)150 mm厚板對(duì)應(yīng)的Boltzmann函數(shù)參數(shù)Table 3 Parameters of Boltzmann function for Fig.6(a)

對(duì)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(tái)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(shuō)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(shuō)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.

圖8 鋼厚板韌脆轉(zhuǎn)變溫度變化規(guī)律Fig.8 Variation of ductile-brittle transition temperature

4 結(jié)論

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(huì)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(shì)，并且降幅隨著板厚的增大而增大，-40℃時(shí)，120 mm以上厚度的鋼板中心位置甚至小于12 J，不能滿足規(guī)范在該溫度下的規(guī)定.

4)Boltzmann函數(shù)擬合分析的結(jié)果表明韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨板厚增大以及由表面到中心的位置改變而升高，這從理論上進(jìn)一步闡明了沖擊韌性和溫度、鋼板厚度以及沿鋼板厚度方向位置變化的相互關(guān)系規(guī)律.

綜合以上結(jié)構(gòu)鋼厚板存在著明顯的低溫脆性特征，特別是因?yàn)橹行钠龅挠绊?，這一點(diǎn)要引起足夠的重視.

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