溫度對(duì)鋼材CTOD斷裂韌性的仿真實(shí)驗(yàn)分析*

燕卓 李睿 葉兵 何永偉

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650504； 2.國(guó)家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院 昆明 650216；3.云南睿德道路橋梁工程設(shè)計(jì)有限公司 昆明 650500)

0 引言

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的推進(jìn)與發(fā)展，大跨徑橋梁不斷涌現(xiàn)，鋼材因其自身的力學(xué)性能，特別是鋼材具有強(qiáng)度高而質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，成為了大跨度橋梁建設(shè)的首選材料。另外，在受工期限制以及結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁也得到廣泛應(yīng)用，總之鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)技術(shù)日益成熟[1]。在《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》中強(qiáng)調(diào)，要充分利用鋼結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，促進(jìn)公路建設(shè)升級(jí)改造；完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)、制造、施工、養(yǎng)護(hù)技術(shù)，以保障公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用安全。

研究表明，鋼材脆性斷裂的主要影響因素有材料的化學(xué)成分、加工工藝、內(nèi)在缺陷、幾何尺寸和環(huán)境溫度等，其中溫度是導(dǎo)致鋼材脆性斷裂的重要因素[2-5]。鋼材的脆性斷裂通常是在低溫狀態(tài)下發(fā)生的，斷裂前沒有任何征兆，即低溫冷脆[6]。隨著我國(guó)寒冷地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展[2]以及交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，鋼結(jié)構(gòu)的低溫脆性斷裂問(wèn)題日益突出，此類破壞事故屢有發(fā)生。因此，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁廣泛建設(shè)的大環(huán)境下，為了有效預(yù)防低溫環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)橋梁不發(fā)生脆性斷裂事故，保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)鋼材脆性斷裂的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 鋼材脆性斷裂分析指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范通常采用鋼材的沖擊韌性指標(biāo)來(lái)預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)生脆性斷裂[7]。沖擊韌性指標(biāo)是通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)得到，由于沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)單、容易操作，從而在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范雖對(duì)沖擊韌性指標(biāo)進(jìn)行了一系列的規(guī)定限制，但是比較模糊，沒有考慮到溫度及板厚等因素的影響；另一方面，通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)所得到的沖擊功包含了裂紋的萌生功和裂紋的擴(kuò)展功，而所得結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)兩者關(guān)系[8]，因此沖擊韌性試驗(yàn)表現(xiàn)出一定的局限性和不確定性。

CTOD(Crack Tip Opening Displacement裂紋尖端張開位移)直接體現(xiàn)了鋼材裂紋尖端抗開裂的能力[9-10]，作為鋼材斷裂韌性不可缺少的評(píng)定指標(biāo)，可以真實(shí)有效的反映鋼材斷裂韌性的好壞[11]?；谏鲜銮闆r，本文對(duì)不同溫度下鋼材CTOD斷裂韌性進(jìn)行仿真模擬，為評(píng)判鋼材斷裂韌性提供一定參考依據(jù)。

2 斷裂韌性數(shù)值分析

2.1 三點(diǎn)彎曲試樣

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》(GB/T 21143—2014)[12]中相關(guān)規(guī)定，仿真模擬試驗(yàn)試樣尺寸取W/B=2.0，a/W=0.5，即W=20 cm，B=10 cm，a=10 cm，三點(diǎn)彎曲試樣具體尺寸如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣尺寸(單位：cm)

2.2 有限元模型

利用有限元軟件對(duì)Q345B鋼材三點(diǎn)彎曲試樣斷裂韌性進(jìn)行彈塑性數(shù)值模擬[13]，采用Solid164單元對(duì)試樣進(jìn)行模擬，建立有限元模型。材料的密度為ρ=7 850 kg/m3，楊氏模量E=2.1×1011Pa，切線模量EP=6.1×109Pa，泊松比λ=0.3，屈服應(yīng)力σy=3.45×108Pa。采用位移控制的加載方式，即在試樣跨中施加豎向位移，位移隨時(shí)間線性變化具體見下式，時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 s，加載總時(shí)間為10 s。

S=-0.001t

式中，S為加載豎向位移，m；t為加載時(shí)間，s。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)裂紋尖端網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)部劃分,具體模型如圖2所示。

圖2 三點(diǎn)彎曲試樣有限元模型

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到我國(guó)北方大部分地區(qū)冬天最低氣溫可達(dá)-40 ℃左右，故仿真試驗(yàn)溫度選取+20 ℃，0 ℃，-20 ℃，-40 ℃ 4個(gè)溫度點(diǎn)，并對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 能量分析

由能量守恒定律可知，在一個(gè)封閉孤立的空間，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N狀態(tài)，而總能量保持恒定。故通過(guò)有限元模擬得到了不同溫度下模型的能量轉(zhuǎn)化，結(jié)果匯總見表1所示。

表1 不同溫度下模型能量轉(zhuǎn)化過(guò)程

為了更加清楚的表達(dá)不同溫度下模型能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得出圖3。

(a)20 ℃模型時(shí)程曲線

通過(guò)以上分析可知，模型能量主要以內(nèi)能形式呈現(xiàn)，在位移加載過(guò)程中總能量保持恒定，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是可靠的。另一方面，根據(jù)不同溫度下模型的時(shí)程曲線，仿真模型的內(nèi)能在一定時(shí)刻達(dá)到最大值，說(shuō)明試樣在此時(shí)刻可能發(fā)生斷裂破壞。

3.2 P-V曲線分析

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》(GB/T 21143—2014)[12]中給出了6種不同的P-V曲線類型，如圖4所示。

圖4中(1)、(2)曲線表明試樣剛剛進(jìn)入塑性階段就發(fā)生脆性斷裂，(3)、(4)曲線表明在開始時(shí)裂紋為延性擴(kuò)展，試樣最終發(fā)生脆性斷裂，(5)、(6)曲線表明裂紋發(fā)生延性擴(kuò)展，整個(gè)過(guò)程中沒有脆性斷裂的現(xiàn)象。幾種不同的P-V曲線類型反映了鋼材韌性的差異，由此可根據(jù)P-V曲線的類型定性的評(píng)判鋼材的韌性好壞[2,14]。

圖4 P-V曲線類型

通過(guò)上述有限元數(shù)值模擬，將不同溫度下模型的P-V曲線繪制為如圖5所示。

(a)20 ℃模型P-V曲線

通過(guò)以上的結(jié)果分析，針對(duì)不同溫度下模型的P-V曲線，可得出以下結(jié)論：

(1)20 ℃和0 ℃下模型的P-V曲線表明，試樣在豎向位移加載前期裂紋為延性擴(kuò)展，最終發(fā)生脆性斷裂。

(2)-20 ℃和-40 ℃下模型的P-V曲線表明，在豎向位移加載時(shí)，試樣剛進(jìn)入塑性階段就發(fā)生脆性斷裂。

(3)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，隨著溫度的降低，Q345B鋼材的斷裂韌性隨之降低，表現(xiàn)出低溫冷脆現(xiàn)象。

3.3 CTOD值分析

裂紋尖端張開位移(CTOD)的定義方法向著容易測(cè)量、適用對(duì)象普遍的方向發(fā)展，旨在便于運(yùn)用到工程實(shí)踐與研究中，目前一般采用下面的定義方法[15]。如圖6所示，將原始裂紋尖端處的張開位移定義為裂紋尖端張開位移，在外荷載作用下裂紋逐漸擴(kuò)展直至裂紋尖端出現(xiàn)鈍化。鈍化的塑性區(qū)材料，產(chǎn)生與荷載垂直方向的收縮而形成伸長(zhǎng)區(qū)高度，定義為CTOD值，通常用δ表示。CTOD值是試樣加載過(guò)程中裂紋尖端張開位移的最大值[11]，直接表征了鋼材的斷裂韌度的優(yōu)劣。同時(shí)，當(dāng)δ值超過(guò)材料的失穩(wěn)臨界值δc時(shí)，鋼材就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展現(xiàn)象，這便是材料的CTOD斷裂韌度判定準(zhǔn)則。因此可以通過(guò)不同溫度下的CTOD值進(jìn)行定量的判斷鋼材斷裂韌性的好壞。

圖6 裂紋尖端張開位移示意

通過(guò)對(duì)試樣加載過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，現(xiàn)將不同溫度環(huán)境下Q345B鋼材的CTOD值匯總?cè)缦卤?所示。

為了更加清楚的反映不同溫度下Q345B鋼材的CTOD值變化規(guī)律，將表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得圖7。

表2 不同溫度下CTOD值

通過(guò)圖7可知，Q345B鋼材在20 ℃下CTOD值為1.286 mm、在0 ℃下CTOD值為0.849 mm、在-20 ℃下CTOD值為0.464 mm、在-40 ℃下CTOD值為0.360 mm，CTOD值降幅達(dá)到257%；隨著溫度的降低，CTOD值也隨之降低，可以通過(guò)CTOD值的大小定量的判斷不同溫度下鋼材韌性的差異。

圖7 不同溫度下CTOD值變化規(guī)律

4 結(jié)論

針對(duì)溫度對(duì)鋼材CTOD斷裂韌性的影響，本文選用了鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用階段可能遇到的溫度，進(jìn)行了CTOD模擬試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，現(xiàn)得到以下結(jié)論：

(1)隨著環(huán)境溫度的降低，鋼材的斷裂韌性隨之降低，表現(xiàn)出低溫冷脆現(xiàn)象，特別是在-40 ℃低溫環(huán)境下，CTOD值降幅達(dá)到257%，斷裂韌性變得極差。

(2)對(duì)于鋼材斷裂韌性的研究分析，可以采用鋼材的P-V曲線和CTOD值，通過(guò)定性和定量的方式去評(píng)判鋼材斷裂韌性。

(3)為防止鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)生脆性斷裂，采用沖擊韌性指標(biāo)作為鋼材斷裂的判斷依據(jù)有一定局限性和不確定性，因此CTOD試驗(yàn)是一項(xiàng)不可缺少的評(píng)定指標(biāo)。此外，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮溫度對(duì)鋼材的斷裂韌性的影響。