王元清，張?jiān)?，石永?/p>

(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，北京100084)

目前，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)工程高速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批大型建筑和橋梁。同時，隨著冶金工業(yè)和鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，厚板鋼材越來越廣泛的應(yīng)用。厚板鋼材本身Z向性能要弱于軋制方向，在焊縫的熱影響作用下可能會加重Z向性能的敏感性，更容易產(chǎn)生層狀撕裂或者斷裂。

張茂龍等對幾種不同厚度的16MND5鍛件，在不同坡口的對接連接下對厚度不同位置的焊縫進(jìn)行室溫和-20℃下的拉伸和沖擊試驗(yàn)［1］;馬立鵬等對不同厚度的14MnNbq鋼板，采用不同焊接工藝的對接焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行了拉伸和低溫的沖擊試驗(yàn)［2］;高彩茹等對屈服強(qiáng)度為380 MPa的超級中厚板進(jìn)行了對接焊縫不同焊接工藝下的母材、焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性試驗(yàn)［3］;王元清等對150 mm厚鋼板的對接焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行了低溫下的沖擊韌性試驗(yàn)［4］;Frank等對3/32 E70TG-K2焊條不同熱輸入的厚板對接焊縫金屬和熔合線進(jìn)行了常溫和低溫下的沖擊韌性試驗(yàn)［5］。

根據(jù)規(guī)范 GB/T 19879-2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》［6］和規(guī)范 GB/T5313-2010《厚度方向性能鋼板》［7］，鋼板的拉伸性能應(yīng)滿足一些最低要求。其中各類型鋼板的屈服、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均需滿足一定要求，沖擊功在-40℃不小于34 J;當(dāng)大于15 mm板要求厚度方向性能時，需滿足一定Z向斷面收縮率的要求。

隨板厚的增加，板內(nèi)部的夾雜物缺陷等越來越明顯，在焊接過程中，焊接工藝的不足以及熱影響和殘余應(yīng)力使鋼板的材性發(fā)生變化，容易產(chǎn)生脆性裂紋和擴(kuò)展，表現(xiàn)為熱影響區(qū)材料的性質(zhì)變差，同時焊縫本身也是不可避免的有各種缺陷，是容易產(chǎn)生脆性破壞的薄弱點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)采用不同厚度的板，對其母材，對接焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行取樣，進(jìn)行簡單拉伸試驗(yàn)和夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)。為厚板對接焊接的力學(xué)性能提供數(shù)據(jù)參考和設(shè)計依據(jù)。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)規(guī)范及目的

本實(shí)驗(yàn)參考的規(guī)范有: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》［8］，GB-T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)，第1部分:室溫拉伸試驗(yàn)方法》［9］，GB/T5313-2010《厚度方向性能鋼板》［7］，GB-T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》［10］和 GB-T12778-2008《金屬夏比沖擊斷口測定方法》［11］。

試驗(yàn)擬對 60、80、100、120 mm 這 4種厚度的Q345B鋼板及其對接焊縫進(jìn)行20℃下的簡單拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。對于簡單拉伸試驗(yàn)，擬測得試樣的屈服強(qiáng)度fy，極限強(qiáng)度fu及斷面收縮率ψ;對沖擊試驗(yàn)，采用夏比V形缺口試樣，測得每個試樣的沖擊功Akv。最后分析各力學(xué)性能隨板厚和取樣方向、位置不同的變化規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)材料取樣方法及規(guī)格

試驗(yàn)材料為舞陽鋼鐵廠生產(chǎn)的Q345B結(jié)構(gòu)用鋼材;由中國二十二冶集團(tuán)進(jìn)行焊接加工，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊絲為1.2mm的ER50-6，送絲速度30～35 cm/min左右;試樣的取樣由北京亞東亞機(jī)械電子技術(shù)研究所進(jìn)行，采用線切割等方法。

首先對板采用V形坡口全熔透對接焊縫進(jìn)行焊接，然后在其沿母材軋制方向和母材、熱影響區(qū)及焊縫的Z向進(jìn)行取樣，如圖1。

V形坡口全熔透對接焊縫細(xì)節(jié)見圖2。由于板厚較大，故需要多道焊縫，不同區(qū)域焊接電流和電壓為

底層:電流250～260 A，電壓28 V;

中層:電流280～300 A，電壓30～32 V;

面層:電流270～280 A，電壓30～32 V。

圖1 拉伸、沖擊試樣取樣圖Fig.1 Sampling locations of tensile and impact test specimens

圖2 對接焊縫尺寸規(guī)格Fig.2 Butt weld size

拉伸試樣每種取3個，沖擊取4個，計算結(jié)果取平均值。試樣取樣完成后列表如表1、2所示。

表1 拉伸試樣取樣后分類表Table 1 Sam p ling groups of tensile test specimens

對于拉伸試樣，沿軋制方向取樣總長度為120 mm;沿Z向取樣，總長為板厚，見圖3，其中板厚為60 mm時，夾持端長度為15 mm。

圖3 拉伸試樣沿X向和Z向試樣規(guī)格詳圖Fig.3 Specifications of X and Z directions tensile specimens

對于沖擊試樣，各試樣的規(guī)格一致，如圖4。

圖4 沖擊試樣規(guī)格詳圖Fig.4 Specification of im pact specimens

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

拉伸試驗(yàn)設(shè)備使用清華大學(xué)航空航天大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用螺絲夾頭，加載速率為2 mm/min，自動采集荷載位移曲線;沖擊試驗(yàn)設(shè)備采用清華大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(標(biāo)準(zhǔn)沖擊能為300 J)如圖5所示。

圖5 拉伸及沖擊試驗(yàn)設(shè)備Fig.5 Equipment for tensile and impact test

2 拉伸及沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸力學(xué)性能取樣方法變化試驗(yàn)結(jié)果

圖6為屈服強(qiáng)度fy，極限強(qiáng)度fu及斷面收縮率ψ隨取樣方法的變化規(guī)律。

圖6 屈服、極限強(qiáng)度及斷面收縮率隨取樣位置變化規(guī)律Fig.6 Variation law of fy，fu and ψ versus sam p ling locations

1)由圖6可見，縱向取樣比Z向取樣的試樣fy、fu和ψ要大很多;由母材 Z向到遠(yuǎn)熱影響區(qū)Z向，再到近熱影響區(qū)Z向，fy、fu和ψ也有降低的趨勢，但不明顯。

2)由圖6可見，焊縫金屬的fy高于母材金屬，但是fu卻低于母材金屬，說明焊縫比母材有更大的脆性，同時由于焊縫區(qū)的各向異性不明顯，故斷面收縮率接近于母材。

2.2 拉伸力學(xué)性能板厚變化試驗(yàn)結(jié)果

圖7為屈服強(qiáng)度fy，極限強(qiáng)度fu及斷面收縮率ψ隨板厚的變化規(guī)律。

圖7 屈服強(qiáng)度，極限強(qiáng)度及斷面收縮率隨板厚變化規(guī)律Fig.7 Variation law of fy，fu and ψ versus plate thickness

由圖7可見，隨著板厚的增加，fy、fu和ψ皆有不同程度的降低。從而可知，厚板的厚度越大，不管縱向還是Z向，不管母材、焊縫還是熱影響區(qū)，強(qiáng)度指標(biāo)及延性變差。

2.3 沖擊韌性隨取樣位置變化的試驗(yàn)結(jié)果

沖擊功隨取樣位置變化試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，對于不同厚度。母材的X向的沖擊功大于Z向的，母材Z向的沖擊功大于熱影響區(qū)的。對于焊縫，由于焊縫的各向異性已經(jīng)不明顯，故焊縫的沖擊功約等于母材X向的，但是焊縫沖擊功略低于母材，表明焊縫沖擊韌性較母材略有降低。

圖8 沖擊功隨取樣位置變化規(guī)律Fig.8 Variation law of A kv versus sampling locations

文獻(xiàn)［12］曾研究過150 mm厚Q345B鋼板對接焊縫在20℃縱向取樣的沖擊韌性?，F(xiàn)將一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)做比較，如表3所示。

表3 沖擊試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Table 3 Comparison with Hu’s results of im pact test

由表3可見，雖然本實(shí)驗(yàn)板厚為120 mm，但由于是沿Z向取樣，故熱影響區(qū)和母材的沖擊功要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于胡宗文板厚為150 mm的X向取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幾乎接近0;同時在焊縫區(qū)沖擊功的大小沒有明顯差別。

2.4 沖擊韌性隨板厚變化的試驗(yàn)

沖擊功隨板厚變化試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見，沖擊功隨著板厚的增加而降低，降低的幅度對于不同取樣位置和方向比較一致，板厚每增加10 mm，沖擊功約降低10 J左右。從而當(dāng)板厚越大時，越應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注沖擊韌性的降低。

圖9 沖擊功隨板厚變化規(guī)律Fig.9 Variation law of A kv versus plate thickness

3 試樣斷口分析

對60 mm厚板對接連接的母材、熱影響區(qū)及焊縫的Z向沖擊試樣(60-Z-2-B1，60-Z-2-B2及60-Z-2-B3)的斷口進(jìn)行照相和電子顯微鏡掃描分析。如圖10、11 所示。

從宏觀看，焊縫區(qū)金屬表現(xiàn)出沖擊后較大的斷面變形，塑性更明顯，熱影響區(qū)表現(xiàn)出整齊的脆性斷裂面。

從微觀看，熱影響區(qū)有很明顯的舌狀花紋，表現(xiàn)出較明顯的脆性，母材和焊縫金屬有很明顯的韌窩分布，從而有明顯的韌性，其中焊縫金屬Z向取樣的韌窩遠(yuǎn)遠(yuǎn)比母材Z向取樣的要密集細(xì)小，故有更好的韌性。這也可能是因?yàn)楹缚p區(qū)金屬更傾向于各向同性，而母材Z向取樣性能比焊縫金屬要差的原因?qū)е隆?/p>

圖10 不同區(qū)域的Z向試樣斷口照片(自左到右:60-Z-2-B1，60-Z-2-B2及60-Z-2-B3)Fig.10 Fracture surface of Z-direction specimens(60-Z-2-B1，60-Z-2-B2，60-Z-2-B3，sequentially)

圖11 不同區(qū)域的Z向試樣電鏡掃描照片F(xiàn)ig.11 SEM of fracture surface of Z-direction specimens of different locations

4 結(jié)論

1)母材X向、母材Z向、熱影響區(qū)、焊縫的屈服強(qiáng)度fy、fu和ψ及沖擊韌性Akv是依次降低的，其中沿Z方向的拉伸和沖擊性能降低最為顯著。熱影響區(qū)及母材的Z向各性能差距較母材X向和Z向的小。

2)隨板厚的增加，fy、fu和ψ及沖擊韌性Akv皆有不同程度的降低。對于不同位置的取樣，各性能隨板厚的降低幅度沒有顯著的差異。

3)焊縫金屬的屈服強(qiáng)度fy要高于母材，但極限強(qiáng)度和沖擊功要低于母材。因此，焊縫區(qū)有更大的屈強(qiáng)比和更低的沖擊韌性，其原因可能是由于焊縫金屬的缺陷和裂紋引起的。但是，焊縫區(qū)的Z向性能優(yōu)于熱影響區(qū)和母材的Z向，可能是因?yàn)楹缚p區(qū)的各向異性表現(xiàn)的不如母材及熱影響區(qū)明顯。

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