劉　冬　杜麗影　添應(yīng)宏　李榮鋒

(武鋼研究院　湖北　武漢：430080)

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超厚橋梁鋼斷裂韌度CTOD測(cè)試影響因素研究

劉冬杜麗影添應(yīng)宏李榮鋒

(武鋼研究院湖北武漢：430080)

以武鋼研制新一代超厚橋梁鋼Q420qD為研究對(duì)象，開(kāi)展了溫度、厚度、取樣部位三項(xiàng)影響因素對(duì)超厚橋梁鋼斷裂韌度CTOD測(cè)試的影響研究。結(jié)果表明：厚板CTOD值對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度降低厚板斷裂韌度降低十分明顯；當(dāng)取樣時(shí)以1/2厚度位置為取樣中心，試樣厚度越厚，斷裂韌度CTOD值越高；對(duì)于不同取樣部位，板表取樣CTOD測(cè)試結(jié)果最大，芯部取樣CTOD測(cè)試結(jié)果最小。建議對(duì)于超厚橋梁鋼在設(shè)備能力足夠的情況下盡量采用全板厚試樣測(cè)試材料斷裂韌度CTOD才能最為精準(zhǔn)的表征材料使用時(shí)的斷裂性能。

橋梁鋼；CTOD測(cè)試；斷裂韌度；溫度；厚度；取樣部位

0　引言

目前，鋼結(jié)構(gòu)橋梁呈大型化、壁厚化發(fā)展趨勢(shì)，且越來(lái)越多地采用中高強(qiáng)度鋼。在這些大型厚壁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，存在一個(gè)與強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性同等重要的問(wèn)題——厚鋼板的韌性控制[1-3]。厚鋼板越厚，韌性問(wèn)題越突出。這是因?yàn)殇摪搴穸仍酱笠院?，由于金屬學(xué)冶金因素的影響，其韌性必定會(huì)有所下降。從力學(xué)上看，厚鋼板內(nèi)部呈三軸應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)會(huì)使材料不容易發(fā)生塑性變形而容易呈現(xiàn)脆性斷裂。另外，鋼的強(qiáng)度與韌性往往呈現(xiàn)二律背反，鋼的強(qiáng)度提高后，其韌性往往會(huì)降低[4-6]。本文開(kāi)展了超厚橋梁鋼斷裂韌度CTOD(Crack Tip Opening Pisplacement, CTOD)測(cè)試的多種影響因素研究，力求探明斷裂韌性測(cè)試的最佳條件，從而為橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與安全性評(píng)估提供最為準(zhǔn)確可靠的韌性評(píng)估。

1　試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用材料為武鋼研制新一代超厚橋梁鋼Q420qD，鋼板厚度為40mm,該鋼種的基本化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1　Q420qD鋼化學(xué)成分(wt%)

表2　Q420qD鋼的力學(xué)性能

CTOD試驗(yàn)選用試樣沿鋼板橫向取樣，缺口方向?yàn)榭v向。試樣形式為單邊缺口(SEB)試樣，如圖1所示。試驗(yàn)選用設(shè)備為500kN的MTS Landmark材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》[7]。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1溫度影響

為研究溫度對(duì)超厚橋梁鋼CTOD測(cè)試的影響，加工如圖1所示厚度B=40mm的全板厚試樣10件，分別測(cè)試溫度為20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃下橋梁鋼Q420qD母材的載荷隨裂紋嘴張開(kāi)位移COD值的變化規(guī)律如圖2所示。觀察圖2中曲線可以發(fā)現(xiàn)，20℃、0℃時(shí)裂紋擴(kuò)展經(jīng)歷了較長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段，裂紋嘴張開(kāi)位移(COD)較大，測(cè)試CTOD值將明顯大于其他溫度，隨著溫度降低，穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段越來(lái)越短，當(dāng)溫度在-60℃時(shí)，試樣在彈性變形階段即發(fā)生了脆性斷裂，無(wú)明顯穩(wěn)態(tài)裂紋階段，測(cè)試CTOD值最小。

圖1　Q420qD鋼斷裂韌度CTOD測(cè)試試樣圖

圖2　橋梁鋼Q420qD不同溫度下CTOD試驗(yàn)的載荷-COD曲線

根據(jù)曲線上載荷F及裂紋嘴張開(kāi)位移COD值塑性分量Vp原始數(shù)據(jù)，按照公式(1)計(jì)算裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD值δ如表3所示。

(1)

其中：S為跨距，S=4W；W為試樣寬度；B為試樣厚度；BN為試樣凈厚度，對(duì)于未開(kāi)測(cè)槽試樣BN=B；F為施加的力；ν為泊松比；Rp0.2為在試驗(yàn)溫度下材料在垂直于裂紋平面方向0.2%的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度；E為彈性模量；a0為初始裂紋長(zhǎng)度；Vp為裂紋嘴張開(kāi)位移塑性分量；z為引伸計(jì)刀口高度。

根據(jù)表3中測(cè)試結(jié)果，對(duì)每個(gè)溫度下兩件試樣測(cè)試δ值取平均值，統(tǒng)計(jì)橋梁鋼Q420qD的CTOD值δ隨溫度變化規(guī)律如圖3所示。從圖中3可以看出，隨著溫度降低，Q420qD橋梁鋼的斷裂韌度呈陡降趨勢(shì)，低于-40℃時(shí)趨勢(shì)變平緩。但是低于-40℃時(shí)，斷裂韌度值δ基本都低于0.2mm，這樣的韌性狀態(tài)，裂紋擴(kuò)展過(guò)程很短就發(fā)生了斷裂，在實(shí)際使用過(guò)程中將十分危險(xiǎn)，因此該批橋梁鋼Q420qD推薦在高于-40℃的環(huán)境下使用。

表3　低溫對(duì)比試驗(yàn)CTOD測(cè)試結(jié)果

圖3　橋梁鋼Q420qD的CTOD值δ隨溫度變化曲線

2.2厚度影響

為研究厚度對(duì)超厚鋼板低溫CTOD測(cè)試的影響，加工如圖1所示試樣8件，所有試樣中心厚度位置與原始板坯中心位置一致，試樣厚度B分別取10mm、20mm、30mm、40mm，每種厚度加工2件，測(cè)試橋梁鋼Q420qD母材的CTOD特征值。

依據(jù)4組試樣試驗(yàn)過(guò)程中采集載荷及裂紋嘴張開(kāi)位移COD的原始數(shù)據(jù)，繪制Force-COD曲線如圖4所示。從4組曲線圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖4中曲線變化都很連續(xù)，未出現(xiàn)脆性斷裂特征的Pop-in,但隨著試樣厚度的減小，載荷-COD曲線對(duì)應(yīng)的載荷最大值F出現(xiàn)也越早，對(duì)應(yīng)橫軸上塑性裂紋嘴張開(kāi)位移Vp也越小，根據(jù)公式(1)可以判斷材料的斷裂韌度CTOD越來(lái)越低。

圖4　橋梁鋼Q420qD不同厚度試樣CTOD試驗(yàn)的載荷-COD曲線

根據(jù)圖4中最大力F及其對(duì)應(yīng)的塑性裂紋嘴張開(kāi)位移Vp計(jì)算CTOD值δ如表4所示。圖5是對(duì)表4中測(cè)試不同厚度試樣的CTOD值的統(tǒng)計(jì)。將每個(gè)厚度測(cè)試兩件試樣的CTOD值取平均作為Y軸，以試樣厚度作為X軸，繪制CTOD值隨厚度變化關(guān)系圖(見(jiàn)圖5)。對(duì)圖5中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，擬合直線相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9661。說(shuō)明試樣越厚測(cè)試CTOD值越高，全板厚試樣的CTOD值最高。若對(duì)試樣進(jìn)行減薄，將大大降低試樣的斷裂韌度。

表4　厚度對(duì)比試驗(yàn)CTOD測(cè)試結(jié)果

圖5　橋梁鋼Q420qD的CTOD值δ隨厚度變化曲線

2.3取樣部位影響

在40mm厚橋梁鋼Q420qD原始板料針上對(duì)不同取樣部位1/2厚度位置、1/4厚度位置、板表面三處典型的取樣部位，分別截取10mm厚試樣開(kāi)展CTOD試驗(yàn)。試樣具體尺寸如表5所示。其中1#為1/2厚度位置取樣,11#為1/4厚度位置取樣，12#為板表面取樣。

3種不同取樣部位試樣CTOD試驗(yàn)載荷-COD曲線如圖6所示。從圖5中可以看出，1#試樣最早達(dá)到載荷最大值，其次是11#，最晚是12#，說(shuō)明12#試樣斷裂韌度最高。

表5　取樣部位對(duì)比試驗(yàn)CTOD測(cè)試結(jié)果

圖6　橋梁鋼Q420qD不同取樣部位試樣CTOD試驗(yàn)的載荷-COD曲線

3種不同取樣部位測(cè)試CTOD值具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5中計(jì)算CTOD值,對(duì)每個(gè)取樣部位測(cè)試2件試樣結(jié)果取平均值，比較不同取樣部位測(cè)試CTOD值的差別，如圖7柱狀圖所示。

圖7　橋梁鋼Q420qD不同取樣部位測(cè)試CTOD值對(duì)比

比較圖7中數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同等厚度試樣，板表測(cè)試CTOD值最大，芯部測(cè)試CTOD值最小。取樣部位對(duì)于CTOD的測(cè)試影響也是很大的，10mm厚試樣不同取樣部位測(cè)試CTOD值最大相差約22%，如果取更厚試樣進(jìn)行不同取樣部位對(duì)比，厚度越厚，CTOD測(cè)試結(jié)果離散性越大，測(cè)試不同部位CTOD值差別也將越大。

3　結(jié)論

(1)超厚鋼板CTOD值對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度降低斷裂韌度降低十分明顯，溫度是影響厚板CTOD測(cè)試的主要因素。在今后進(jìn)行厚板CTOD測(cè)試時(shí)需提醒客戶根據(jù)材料使用環(huán)境注明開(kāi)展CTOD測(cè)試的溫度范圍，否則無(wú)法得到準(zhǔn)確的厚板CTOD測(cè)試值。

(2)超厚鋼板取樣時(shí)以1/2厚度位置為取樣中心，試樣厚度越厚，斷裂韌度CTOD值越高。想要測(cè)試材料的真實(shí)斷裂韌度CTOD，不建議取減薄厚后的試樣，最好保持原板厚。若由于設(shè)備能力有限無(wú)法測(cè)試全板厚試樣的CTOD值,必須對(duì)試樣進(jìn)行減薄時(shí)，測(cè)試結(jié)果必須備注是什么厚度下測(cè)試CTOD值，僅供參考。

(3)取樣部位對(duì)超厚鋼板CTOD測(cè)試影響很大，板表取樣CTOD測(cè)試結(jié)果最大，芯部取樣CTOD測(cè)試結(jié)果最小。說(shuō)明全板厚試樣斷裂韌度沿厚度方向分布不均，只有全板厚試樣能完全表征材料使用時(shí)的真實(shí)斷裂韌度，沒(méi)有任何部位取樣能代替。建議對(duì)于超厚板測(cè)試CTOD時(shí)不要取某一部位的試樣來(lái)代替全板厚鋼板測(cè)試斷裂韌度CTOD。

[1]杜麗影，邱保文，李榮鋒，等.橋梁用鋼三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)研究與分析[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，26(1)：13-15.

[2]馬濤，曹忠孝，陳小娟，等.厚鋼板EH40低溫CTOD韌性試驗(yàn)研究[J].船海工程，2010，39(5)：230-233.

[3]王春生，段蘭，胡景雨，等.橋梁高性能鋼HPS485W斷裂韌性試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2013,30(8)：54-59.

[4]王元清，武延民，石永久，等.溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材裂紋尖端張開(kāi)位移(CTOD)的影響分析[J].工程力學(xué)，2006,23(4)：74-78.

[5]張玉玲，王冒明，吳新如，等.鐵路橋梁鋼及焊縫的CTOD性能[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,45(5):585-588.

[6]王元清，周暉，石永久，等.鋼結(jié)構(gòu)厚板的低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,35(2)：224-229.

[7]GB/T 21143-2007金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

(責(zé)任編輯：李文英)

Study on the Influence Factors of Thick Bridge Steel in Fracture Toughness CTOD Testing

Liu DongDu LiyingTu YinghongLi Rongfeng

(Research and Development Center of WISCO， Wuhan 430080，Hubei)

For the purpose of studying the influence factors such as temperature, thickness and sampling location on fracture toughness testing of thick bridge steel, the latest bridge steel Q420qD was chosen as the research object. The results showed that the CTOD value of thick plate decreased when the temperature decreased. When we took the 1/2 thick location as the sampling center, the thicker the sample was, the higher CTOD we got. In view of the difference of sampling location, the maximum CTOD value was tested by sample from the surface, while the minimum one was tested by sample from the core. So it is suggested that the whole thickness sample would be tested in order to get accurate data.

bridge steel; CTOD test; fracture toughness; temperature; thickness; sampling location

2016-06-12

劉冬(1985～)，男，碩士，工程師.E-mail：martinlau@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)03-0009-04