高強結構鋼Q420低溫斷裂韌性研究

李文亮，高義斌，冀晉川

（山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

高強結構鋼Q420低溫斷裂韌性研究

李文亮，高義斌，冀晉川

（山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

針對不同板厚的高強結構鋼Q 420角鋼進行了不同溫度下的斷裂韌性試驗，計算得出了試樣的裂紋尖端張開位移指標。試驗結果表明，溫度對結構鋼材的斷裂韌性具有明顯的作用，鋼材的斷裂韌性隨著溫度的降低顯著減小，斷裂方式也由延性斷裂轉變為脆性斷裂?？傮w趨勢上來講，試樣厚度的增大也引起鋼材斷裂韌性的降低。因此，在重要工程設計、選材及安全分析時，應充分考慮溫度和厚度對結構斷裂行為的影響。

高強結構鋼；裂紋尖端張開位移；斷裂韌性

0 引言

以往，我國架空輸電線路鐵塔普遍采用Q235和Q345強度等級的鋼材，與國外先進水平（Q450及以上）相比，強度偏低、結構用鋼量偏大，增加了建設投資。輸電線路大容量、遠距離、低損耗電力輸送的特點要求電力鐵塔必須具有足夠的承載能力，塔型結構設計復雜、外形尺寸龐大，因此對材料提出了新的要求。我國采用強度等級更高的Q420高強結構鋼作為電力鐵塔的主材，不僅可降低6%～8%的塔重，而且從經濟角度上講，也可以節省整體造價2%～6%[1]。因此，Q420高強結構鋼在我國電網特別是特高壓電網建設中具有廣闊的應用前景。

高強結構鋼材在常溫下表現出良好的塑性和韌性，但隨著溫度的降低，鋼材的塑性和韌性逐漸變差，其斷裂行為也由延性斷裂向脆性斷裂發生轉變，極易發生脆性斷裂[2]。脆性斷裂是鋼結構最危險的破壞形式之一，這主要是它的發生具有突然性，破壞前沒有明顯的塑性變形，結構破壞時的承載能力很低，即在低應力下就會發生脆性破壞，從而大大增加了鋼結構破壞的危險性。因此，無論是在鋼結構的選材或設計，還是在安全分析及評定中都必須考慮溫度對材料變形和斷裂行為的影響。本文主要對不同板厚的Q420角鋼進行了低溫下裂紋尖端張開位移CTOD（Crack Tip OpeningDisplacement）的斷裂韌性試驗研究，為工程設計及其應用提供依據。

1 斷裂韌性試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

試驗用材選取典型電力鐵塔用鋼Q420角鋼，規格為支寬200mm，厚度分別為12mm、14mm、16mm、18mm和20mm。熱處理狀態為控軋＋控冷。該材料的化學成分如表1所示。

表1 Q420鋼的化學成分

1.2 試樣制備

斷裂韌性試驗采用英國標準BS7448[3]：1991-PartⅠ的3點彎曲SEB（Single-Edge Notch Bend Specimen） 標準試樣，所有試樣均從角鋼上縱向截取并加工成厚度分別為10mm、12mm、14mm、16mm和18mm標準3點彎曲試樣。試樣缺口采用直徑為0.10mm的鉬絲線切割相應長度缺口后，再用高頻疲勞試驗機預制2mm長度的疲勞裂紋模擬實際結構中的初始尖銳裂紋。在預制疲勞裂紋過程中，應控制裂紋擴展不要太快，避免裂紋尖端發生塑性變形，試樣的最終裂紋深度與板寬之比控制在0.45～0.55，試樣厚度為14 mm的具體試樣尺寸如圖1所示。

圖1 Q420結構鋼CTOD試樣尺寸，mm

2 斷裂韌性試驗過程及結果分析

試驗是在30 t的萬能材料試驗機上進行。

2.1 試驗過程

試驗過程中通過電腦軟件自動記錄P－V曲線（P為施加載荷，V為試樣裂紋嘴張開位移）并存儲試驗數據。整個試驗步驟如下。

a）試驗前精確測量每個試樣的厚度B、寬度W及刀口厚度z，測量精度為0.02mm。

b）按試驗要求裝夾好試樣并在低溫槽中進行冷卻，低溫槽內盛有干冰、酒精低溫介質。試驗時應保證測溫計距裂紋尖端不超過2mm范圍為試驗溫度，精度為±2℃，保溫時間為每毫米不少于30 s（試驗跨距S為4W±0.2W）。

c）采用一次加載方式直到試樣失穩破壞，加載速率K在線彈性變形階段應控制在0.5～3.0MPa·m0.5/s之間，并同時記錄試樣載荷—位移曲線。當試樣加載到P—V曲線達到最大載荷并剛剛開始下降時卸載，或試樣發生脆斷失穩破壞時立刻開始卸載。

d）試樣失穩破壞后，從低溫槽中取出，對斷口進行烘干處理后在試驗機上快速壓斷試樣。用工具顯微鏡對試樣斷口測量初始裂紋長度的平均值a0和裂紋長度的平均值a，由此計算出裂紋擴展量Δa。測量的具體方法為：沿試樣厚度方向取9個測量位置分別進行測量，其中最外側的兩個點位于距試樣表面1%B處，然后在這兩個點之間等間距地取7個測量位置。裂紋長度按式（1）、式（2）、式（3）計算。

e）數據處理：根據P—V曲線上的最大載荷P（N）和對應最大載荷時的塑性張開位移VP（mm），按BS7448 PartⅠ中的式（4） 計算CTOD值，

式（4）中取彈性模量E=2.01×105MPa；泊松比ν＝0.3；σy為材料屈服強度；f（a0/W） 為幾何形狀因子，可根據a0/W的數值直接查表得到。

2.2 載荷—裂紋嘴張開位移曲線（P—V曲線）

典型的載荷—裂紋嘴張開位移曲線如圖2所示，曲線上最大載荷處的拐點即為試樣發生失穩斷裂破壞時刻，并由該曲線求出裂紋嘴張開位移的塑性部分VP，為計算裂紋尖端張開位移δ提供數據。

圖2 典型的載荷—位移曲線

2.3 CTOD試驗結果

通過式（4）計算得到的不同板厚Q420角鋼在不同溫度下的臨界CTOD值，見表2。由表2可以看出，溫度對結構鋼的斷裂韌性有明顯的影響，隨著溫度的降低鋼材的斷裂韌性顯著減小，使鋼材由延性斷裂向脆性斷裂轉變，同時，厚度對鋼材的斷裂韌性也有較大影響[4,5]。隨著厚度的增加，裂紋尖端區域從平面應力向平面應變狀態轉變，并在缺口尖端區域出現三向拉應力狀態，限制了裂紋尖端的塑性流動，同時，缺口尖端產生應力強化現象，使得裂紋尖端張開位移減小，導致鋼材容易發生脆性斷裂[6]。因此，厚度的增加會降低鋼材的斷裂韌性。

表2 Q420角鋼的CTOD值

2.4 試樣斷口分析

圖3 16mm板厚角鋼CTOD試樣斷口形貌

根據試樣斷口形貌的不同，試樣的斷裂方式可分為δc、δu和δm3種類型，δc為試樣直接發生脆性斷裂，δu為試樣裂紋發生少量延性擴展后脆斷，δm為延性裂紋擴展。3種不同斷裂方式的載荷—裂紋嘴張開位移曲線也有所區別，曲線形式見圖2。

圖3為16mm板厚角鋼CTOD試樣的3種不同斷裂方式下的試樣斷口形貌。由圖3a可以看出，由于厚度方向的離面應力約束作用和塑性變形，使得試樣斷面產生沿厚度方向收縮；在試樣斷口中部存在分層現象，而且分層裂紋充分張開，分層裂紋的出現削弱了離面應力的約束，從而削弱了厚度效應，消耗了裂紋擴展所需能量，可以提高材料的斷裂韌性，對材料的性能有利。該斷口形貌顯示出裂紋具有一定的擴展長度，表明該試樣為延性斷裂，即m斷裂方式。圖3b為u斷裂方式，從試樣斷口形貌可以看出，在疲勞裂紋開裂區域，裂紋先發生少量的延性擴展，然后發生脆性斷裂。圖3c為c斷裂方式，由試樣斷口形貌可以清楚看到，試樣沒有發生裂紋延性擴展就發生斷裂，是典型的脆性斷裂。

3 結論

溫度對結構鋼材的斷裂韌性有顯著影響，隨著溫度的降低顯著減小，鋼材的斷裂形式也由延性斷裂向脆性斷裂轉變。鋼材的斷裂韌性隨著試樣厚度的增加也呈現降低的趨勢。在重要工程設計、結構用鋼選材和安全評定分析時，應充分考慮溫度和板厚對鋼材斷裂行為的綜合影響。

［1］ 韓鈺，徐德錄，陳玉成，等.輸電鐵塔用Q420高強鋼及焊接材料的性能評價［J］.熱加工工藝，2007，36（3）：43-45．

［2］ 殷瑞鈺.中國鋼鐵業發展與評估［J］.金屬學報，2002，38（6）：561-567．

［3］ The Iron and Steel Standards Policy Committee，The Non-ferrous Metals Standards Policy Committee．BS 7448：1991：Fracture mechanics toughness tests，Part1，Method for determination of KIC，critical CTOD and Jvalues ofmetallic materials［S］.Britain：BSI，1991．

［4］ 王元清，武延民，王曉哲，等.含缺口受拉平板三維應力場及其對脆性破壞的影響［J］.清華大學學報（自然科學版），2002，42（6）：832-834，842．

［5］ 王曉哲.低溫和應力狀態對鋼結構脆性破壞的影響研究［D］.北京：清華大學，2003．

［6］ 武延民，王元清，石永久，等.結構鋼材裂紋尖端張開位移的低溫試驗［J］.清華大學學報（自然科學版），2005，45（6）：730-732.

Research on Fracture Toughness of High-strength Structural Steel Q420 at Low Tem perature

LIWen-liang，GAO Yi-bin，JI Jin-chuan
（Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

The fracture toughness of high-strength structural steel Q420 with different thickness was studied by three-point bending test.The crack tip opening displacement values were calculated.The results indicated that the temperature had significant influence on fracture toughness of structural steel and the fracture toughness was reduced significantly with the decrease of temperature resulting to brittle fracture.Generally,the increase of specimen thickness also caused the decrease of fracture toughness of structural steel.Thus，the effects of temperature and the thickness should be considered in the important engineering design,material selection and safety analysis.

high-strength structural steel；crack tip opening displacement；fracture toughness

TG142.15

A

1671-0320（2012）04-0042-03

2012-03-09，

2012-04-11

李文亮（1982-），男，山西朔州人，2008年畢業于天津大學材料加工工程專業，從事金屬監督技術和材料檢測方面的工作；

高義斌（1979-），男，山西襄垣人，2005年畢業于太原理工大學材料加工工程專業，工程師，從事金屬監督技術和材料檢測方面的工作；

冀晉川（1963-），男，山西太原人，1984年畢業于武漢水利電力學院金屬專業，高級工程師，從事金屬監督技術和管理工作。