鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫的低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)

王元清，周 暉，石永久，胡宗文，陳 宏

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

近年來，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)工程迅速發(fā)展，特別是一些超高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)，應(yīng)用了大量厚板鋼材［1］.例如，國家體育場(chǎng)“鳥巢”采用了110 mm的Q460E-Z35厚板和100 mm的Q345GJD厚板［2］;央視新臺(tái)址大樓采用了80、100、110 mm的Q420D和S460M厚板［1］;北京新保利大廈采用的軋制H型鋼(ASTM A913 Gr60)，翼緣厚度達(dá)125 mm［3］.

隨著鋼板厚度的增加，焊接難度大大提高，存在焊接缺陷的可能性也相應(yīng)增加［2］.厚板焊接較大的熱輸入量對(duì)焊接熱影響區(qū)的抗裂性及韌性產(chǎn)生了顯著影響.厚板鋼材的冶煉軋制工藝，使厚板的韌性和塑性均有所降低，特別是中心偏析使鋼板厚度方向的性能明顯劣化.因此，厚板焊接接頭非常容易在焊接施工和使用過程中，發(fā)生脆性斷裂事故［3］.另一方面，我國冬季覆蓋范圍廣，且部分地區(qū)長(zhǎng)期處于低溫，冬季施工或低溫下服役都容易引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，尤其是厚板焊接工程.

斷裂韌性反映了材料抵抗斷裂的能力，其受到材質(zhì)、構(gòu)件厚度、環(huán)境溫度和加載速率等因素的影響［4－5］.斷裂力學(xué)方法能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的斷裂行為做出準(zhǔn)確、定量的判斷［6－8］，而斷裂韌性是斷裂力學(xué)分析所必需的基本材性指標(biāo).因此，開展鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫斷裂韌性的試驗(yàn)測(cè)定及其影響規(guī)律研究，對(duì)防止厚板焊接接頭的脆性斷裂具有重要意義［9］.低溫對(duì)鋼材及焊縫的韌性具有顯著影響［10－12］，本文將在低溫環(huán)境下，采用三點(diǎn)彎曲試樣，對(duì)150 mm的Q345B厚板對(duì)接焊縫進(jìn)行裂紋尖端張開位移試驗(yàn)，分別測(cè)定焊縫金屬和熱影響區(qū)材料各低溫點(diǎn)下的斷裂韌性，并研究其隨溫度的變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)依據(jù)與目的

根據(jù)GB/T 2358—94《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗(yàn)方法》的規(guī)定［13］，在 20、0、－20、－40、－60℃五個(gè)溫度點(diǎn)下，對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼材Q345B的150 mm厚鋼板對(duì)接焊縫的熔敷金屬和熱影響區(qū)材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).

試驗(yàn)直接測(cè)定試樣跨中荷載P和刀口張開位移V，得到P－V曲線，從而按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［13］給出的公式計(jì)算最大載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裂紋尖端張開位移CTOD值δm，以表征相應(yīng)材料的斷裂韌性.并得到焊縫金屬和熱影響區(qū)材料CTOD值δm隨溫度和厚度方向位置的變化規(guī)律.最大載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CTOD值δm為［13］

式中:μ=0.3為泊松比;E=2.06×105MPa為彈性模量;σy為焊縫金屬或熱影響區(qū)材料的屈服強(qiáng)度［14］;rp=0.44為塑性轉(zhuǎn)動(dòng)因子;W為試樣寬度;a0為試樣原始裂紋長(zhǎng)度，由斷口測(cè)定;Vmp為P－V曲線最大載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的塑性位移;Z為固定引伸計(jì)的刀口厚度;KI=YPm/［BW1/2］為I型應(yīng)力強(qiáng)度因子，其中Pm為P－V曲線上的最大載荷值，B為試樣厚度，Y由(a0/W)按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［13］查表得到.

1.2 試樣材料與尺寸

試驗(yàn)選用首鋼生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)用厚板鋼材Q345B，厚度t=150 mm，主要化學(xué)成分見表1.對(duì)接焊縫采用單邊V形坡口，坡口形式見圖1.焊接在常溫下進(jìn)行，焊接位置為平焊，焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊，焊絲型號(hào) H08Mn2SiA、直徑1.2 mm，電流250～300 A、電壓28～35 V、送絲速度30～45 cm/min.

表1 Q345B鋼板主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 對(duì)接焊縫坡口形式示意

試驗(yàn)采用的三點(diǎn)彎曲試樣的幾何尺寸見圖2，試樣厚度B=10 mm、寬度W=2B=20 mm、跨度S=4W=80 mm、總長(zhǎng)度L=110 mm，裂紋長(zhǎng)度為7 mm的線切割和約3 mm的預(yù)制疲勞裂紋.

圖2 三點(diǎn)彎曲試樣尺寸及試驗(yàn)裝置示意

如圖3所示，取樣方向垂直于焊縫方向，分別在距鋼板表面0、1/4、1/2、3/4厚度位置取樣;焊縫金屬試樣的裂紋平面大致位于所在厚度位置焊縫寬度的中心，熱影響區(qū)試樣的裂紋平面大致位于距熔合線2 mm的母材一側(cè).試樣分組情況見表2.

圖3 三點(diǎn)彎曲試樣的取樣位置

表2 三點(diǎn)彎曲試樣的分組情況

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與注意事項(xiàng)

試驗(yàn)在清華大學(xué)航空航天學(xué)院力學(xué)系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用的全套低溫試驗(yàn)設(shè)備見圖4.試驗(yàn)中試樣由空氣和液氮的混合氣體進(jìn)行冷卻，并由溫度傳感器、控制器、混合氣體伺服閥等調(diào)節(jié)保溫箱內(nèi)的溫度保持某一設(shè)定值，該溫度控制設(shè)備調(diào)節(jié)溫度的精度在±1℃.測(cè)量刀口張開位移的引伸計(jì)為專門的低溫夾式引伸計(jì).

圖4 三點(diǎn)彎曲低溫試驗(yàn)的設(shè)備

試驗(yàn)過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)如下:

1)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)保證試樣在跨中位置受壓，壓頭位移速率為2 mm/min，保證為靜力加載;

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15 min，且在加載過程中溫度偏離設(shè)定值不超過±2℃;

4)由計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄試樣破壞前荷載與位移的全過程曲線.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 CTOD值δm隨溫度的變化

GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》規(guī)定，對(duì)于厚度大于50 mm的鋼板，取樣位置為距表面1/4厚度處.因此，在CTOD試驗(yàn)中，將1/4厚度位置試樣的試驗(yàn)值作為鋼板或焊縫整體性能的代表值.母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)材料的斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化關(guān)系見圖5(δm為3個(gè)試樣試驗(yàn)的平均值，母材數(shù)據(jù)來自前期試驗(yàn)［14］).

圖5 斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化

由圖5可見，隨著溫度的降低，焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的CTOD值δm均迅速降低;如熱影響區(qū)CTOD值δm由20℃的0.56 mm降低至－60℃的0.05 mm.相同溫度點(diǎn)下，焊縫金屬的CTOD值δm相對(duì)較高，而熱影響區(qū)CTOD值δm低于母材.造成這一結(jié)果的可能原因:對(duì)接焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊，氬弧焊絲H08Mn2SiA熔敷金屬具有優(yōu)良的塑性、韌性和抗裂性能，尤其是低溫沖擊韌性較高［12］;而對(duì)于焊接熱影響區(qū)，在焊接熱循環(huán)作用下焊縫兩側(cè)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使熱影響區(qū)的塑性和韌性均低于母材.

2.2 CTOD值δm隨取樣位置的變化

為研究沿板厚方向不同位置的斷裂韌性分布，試驗(yàn)在20、0、－40℃三個(gè)溫度點(diǎn)下，對(duì)焊縫金屬和熱影響區(qū)材料進(jìn)行了沿厚度方向不同位置的取樣.焊縫金屬材料和熱影響區(qū)材料的試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7，圖7還列出了母材的試驗(yàn)結(jié)果.

由圖6三個(gè)溫度點(diǎn)下CTOD值δm隨厚度位置的分布可見，焊縫金屬CTOD值δm沿厚度位置的變化沒有明顯規(guī)律，是隨機(jī)波動(dòng)的.

由圖7可見，熱影響區(qū)CTOD值δm沿厚度位置的分布規(guī)律和母材保持一致，均表現(xiàn)出從表面至中心位置不斷降低的趨勢(shì);且同一溫度點(diǎn)下相同厚度位置上，熱影響區(qū)的CTOD值δm均比母材的小.

圖6 焊縫金屬CTOD值δm隨厚度位置的變化

圖7 熱影響區(qū)CTOD值δm隨厚度位置的變化

3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度分析

韌脆轉(zhuǎn)變溫度是反映材料低溫冷脆性能的一個(gè)重要指標(biāo)，轉(zhuǎn)變溫度越高，材料越容易發(fā)生低溫冷脆.見圖8，斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化曲線總體上呈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Boltzmann函數(shù)可以較好地?cái)M合斷裂韌性－溫度曲線［15］

式中:δ1、δ2分別為斷裂韌性CTOD值的下平臺(tái)、上平臺(tái)值(mm);T為溫度變量(℃);Tt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度(℃)，ΔT為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍(℃).

采用Boltzmann函數(shù)，基于1/4厚度位置每個(gè)試樣的斷裂韌性試驗(yàn)值，對(duì)焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的斷裂韌性－溫度曲線進(jìn)行擬合，圖8給出了熱影響區(qū)材料的韌脆轉(zhuǎn)變擬合曲線，參數(shù)結(jié)果見表3，由表3可見:

1)與熱影響區(qū)和母材相比，焊縫金屬的上平臺(tái)值和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍都較大，且韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低(－30.8℃)，表現(xiàn)出較好的斷裂韌性;但擬合的相關(guān)系數(shù)較低，表明試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大.

2)熱影響區(qū)的上平臺(tái)值和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍均小于母材，而韌脆轉(zhuǎn)變溫度－17.0℃則高于母材的－25.4℃，表明熱影響區(qū)的斷裂韌性比母材差.

圖8 熱影響區(qū)CTOD值δm隨溫度的轉(zhuǎn)變曲線

表3 斷裂韌性－溫度曲線的擬合參數(shù)結(jié)果

4 試樣斷口分析

三點(diǎn)彎曲試樣斷口包括切割區(qū)、疲勞區(qū)、纖維區(qū)、剪切區(qū)、脆性斷裂區(qū)和沖擊斷裂區(qū)［16］，見圖9.切割區(qū)是試樣加工時(shí)線切割的區(qū)域;疲勞區(qū)是試樣進(jìn)行疲勞裂紋加工的過程中形成的;纖維區(qū)是試樣加載過程中延性斷裂的斷口，低溫脆斷時(shí)該區(qū)域很小甚至沒有;剪切區(qū)出現(xiàn)在試樣表面，為剪切破壞;脆性斷裂區(qū)為試樣發(fā)生脆性斷裂形成的斷口，形成速度較快;沖擊斷裂區(qū)是加載結(jié)束后將試樣壓斷而形成的.

圖9 三點(diǎn)彎曲試樣斷口的組成示意

圖10和圖11分別為焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣在不同試驗(yàn)溫度下的宏觀斷口照片.通過宏觀斷口形貌，可以看出試樣斷裂時(shí)的塑性變形隨溫度的降低而不斷減小甚至消失，且試樣表面兩側(cè)的剪切區(qū)也越來越不明顯，表明韌性越來越差.

對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣斷口進(jìn)行電鏡掃描，放大倍數(shù)為1 000倍，焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣斷口的掃描電鏡照片見圖12和圖13.

圖10 焊縫金屬試樣在不同試驗(yàn)溫度下的斷口

圖11 熱影響區(qū)試樣在不同試驗(yàn)溫度下的斷口

圖12 不同試驗(yàn)溫度下焊縫金屬試樣斷口的掃描電鏡照片

由圖12可見，常溫20℃時(shí)斷口存在明顯的纖維區(qū)，有典型的韌窩分布，斷裂的微觀機(jī)理為微孔聚合型斷裂，韌性較好;當(dāng)溫度降低至－20℃時(shí)斷口依然存在纖維區(qū)，但同時(shí)也有少量解理面出現(xiàn);低溫－40～－60℃時(shí)斷口僅存在脆性斷裂區(qū)，顯示出非常清晰的解理斷裂的舌狀花樣.

由圖13可見，20℃時(shí)熱影響區(qū)試樣的纖維區(qū)分布著較明顯的韌窩和解理面;溫度達(dá)－20℃時(shí)纖維區(qū)完全消失而僅存在脆性斷裂區(qū)，具有河流狀花樣的解理斷裂特征;低溫－40～－60℃時(shí)，脆性斷裂特征更加明顯.

圖13 不同試驗(yàn)溫度下熱影響區(qū)試樣斷口的掃描電鏡照片

由焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣斷口的微觀形貌比較可見，熱影響區(qū)材料的脆性特征更加明顯一些，這與試驗(yàn)中測(cè)得的熱影響區(qū)材料CTOD值δm更小的結(jié)果相一致.

5 結(jié)論

1)焊縫金屬和熱影響區(qū)的斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的降低而降低，從20～－60℃，降幅分別達(dá)78%和91%;焊縫金屬的斷裂韌性最好、母材次之、熱影響區(qū)最差.

2)焊縫金屬的CTOD值δm隨厚度位置的分布無明顯規(guī)律;熱影響區(qū)的CTOD值δm隨厚度位置的分布規(guī)律與母材一致，表現(xiàn)出從表面到中心降低的趨勢(shì)，但熱影響區(qū)的斷裂韌性值δm比母材小.

3)焊縫金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度最低(－30.8℃)，母材次之(－25.4℃)，熱影響區(qū)最高(－17.0℃).

4)焊縫金屬和熱影響區(qū)試樣斷口的宏、微觀形貌分析表明，熱影響區(qū)材料的脆性特征更加明顯，這與該材料較小的斷裂韌性試驗(yàn)測(cè)定值δm相符.

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