960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究

王元清，劉希月，石永久

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

目前，高強(qiáng)度鋼材已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用［1］，而隨著結(jié)構(gòu)工程不斷向超高層和大跨度方向發(fā)展［2］，對(duì)鋼材性能的要求也將不斷提高.然而，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，其冶煉軋制工藝、化學(xué)成分等與普通強(qiáng)度鋼材相比，均有較大的差別，因此高強(qiáng)度鋼材的斷裂與疲勞性能等將有所變化.高強(qiáng)鋼焊接難度較大，易產(chǎn)生焊接缺陷，而焊接產(chǎn)生的熱影響也將使焊縫附近的材質(zhì)變差［3－5］.此外，中國(guó)大部分國(guó)土面積處于寒冷地區(qū)，低溫冷脆問(wèn)題不容忽視［4，6］.相對(duì)于普通強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平明顯提高，基于斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)［7］，高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋缺陷將更加敏感，更易于發(fā)生脆斷破壞.因此，新型高強(qiáng)度鋼材及其焊縫的韌性是其推廣應(yīng)用的重要制約因素.

由于沖擊韌性指標(biāo)測(cè)定較簡(jiǎn)便，試驗(yàn)結(jié)果也較為成熟［8］，很多規(guī)范如GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用沖擊韌性判據(jù)指標(biāo)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)選材.基于上述情況，本文對(duì)960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫的低溫沖擊韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并將其夏比沖擊功Akv（J）與其他結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行了比較，以期得到?jīng)_擊韌性有關(guān)強(qiáng)度影響、低溫影響的相關(guān)變化規(guī)律，為其在低溫地區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)，同時(shí)也為研究沖擊韌性和斷裂韌性2 個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系提供依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)依據(jù)及目的

本次試驗(yàn)依據(jù)GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，選取－60，－40，－20，0，20℃這5個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)14mm 厚960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊接鋼材進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，取樣區(qū)包括母材、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)（HAZ），對(duì)3種不同取樣位置的試件在不同溫度點(diǎn)上各選用3個(gè)，總計(jì)45個(gè).采用V 型缺口試件，測(cè)量每個(gè)溫度點(diǎn)的Akv，得到Akv隨溫度變化的規(guī)律，進(jìn)而研究其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，為960 MPa高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用及其防低溫脆斷設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1.2 試驗(yàn)材料、試件尺寸及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用鞍鋼新研制的960MPa高強(qiáng)度鋼板，厚14mm，其主要化學(xué)組成見(jiàn)表1.采用V 型坡口全熔透埋弧焊，平焊焊接，焊劑為SJ101，電壓30～34V，電流530～570A，送絲速度40～45cm／min，在中冶焊接研究所對(duì)其進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，執(zhí)行JG J81—2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，焊縫幾何尺寸見(jiàn)圖1（a）.

表1 960MPa高強(qiáng)度鋼材的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition（by mass）of 960MPa high－strength steel plate %

試件參照GB 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》切取樣坯，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)取樣如圖1（b），（c）所示，并按規(guī)定尺寸制作標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸見(jiàn)圖1（d）.試驗(yàn)在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.沖擊前將試件在保溫箱中冷卻，冷卻介質(zhì)采用液氮與酒精的混合液體.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 960MPa高強(qiáng)度鋼材及其對(duì)接焊縫的沖擊韌性隨溫度變化規(guī)律

對(duì)960MPa高強(qiáng)度鋼材及其對(duì)接焊縫在5 個(gè)溫度點(diǎn)下的Akv進(jìn)行了比較分析，結(jié)果見(jiàn)圖2.熱影響區(qū)的Akv總體上小于母材及焊縫區(qū)，表明焊接產(chǎn)生的熱影響使焊縫附近鋼材的韌性變差，在焊接結(jié)構(gòu)的抗脆斷設(shè)計(jì)中為薄弱環(huán)節(jié)，這也與文獻(xiàn)［5］的結(jié)論一致；當(dāng)溫度高于－20℃時(shí)，焊縫區(qū)的Akv小于母材，且焊縫區(qū)的Akv較為離散，可能是由于V 型缺口對(duì)材料缺陷和差異較敏感所致；當(dāng)溫度降至－20℃以下時(shí)，焊縫區(qū)的Akv大于母材，表現(xiàn)出較好的沖擊韌性.由圖2可見(jiàn)，夏比沖擊功隨溫度的變化曲線體現(xiàn)了960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊接鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變特征，表現(xiàn)出較明顯的低溫脆性.

2.2 960MPa高強(qiáng)度鋼材與其他結(jié)構(gòu)鋼材的沖擊韌性比較

圖1 試件取樣及幾何尺寸示意圖Fig.1 Sampling and geometry of test specimen（size：mm）

圖2 Akv隨溫度的變化曲線Fig.2 Akv versus temperature curves

鋼材斷裂性能與其強(qiáng)度、厚度有著密切聯(lián)系，本文將14mm 厚960 MPa高強(qiáng)度鋼材的Akv與同厚度的460MPa高強(qiáng)度鋼材［9］，以及345MPa普通強(qiáng)度鋼厚板［8］進(jìn)行了分析比較，結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可以看出，960 MPa 高強(qiáng)度鋼材的Akv總體上大于460MPa高強(qiáng)度鋼材，但其斷裂韌性在5個(gè)溫度點(diǎn)下均低于460MPa高強(qiáng)度鋼材，表明960MPa高強(qiáng)度鋼材較高的沖擊功大部分是其過(guò)高的強(qiáng)度所帶來(lái)的彈性功，因此抵抗裂紋擴(kuò)展的能量較小；在常溫下，4種厚度的345 MPa鋼厚板的Akv均大于460，960MPa高強(qiáng)度鋼材，但隨著溫度的降低，Akv的下降幅度較大，當(dāng)溫度降至－60 ℃時(shí)，其值均小于2種高強(qiáng)度鋼材.上述結(jié)果說(shuō)明結(jié)構(gòu)鋼材的厚度和強(qiáng)度對(duì)其沖擊韌性有較大影響，但隨著溫度的降低，厚度對(duì)其沖擊韌性的影響較強(qiáng)度更為明顯.

圖3 960MPa高強(qiáng)度鋼材與其他結(jié)構(gòu)鋼材的Akv比較Fig.3 Comparison with other structural steels

3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

工程中常采用韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為防脆斷的重要判據(jù).試驗(yàn)［9］表明，采用式（1）對(duì)Akv和溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合，具有較小的殘差和較好的相關(guān)性，能較好地描述Akv與溫度的關(guān)系.

式中：A2為 上平臺(tái) 能，J；A1為下平臺(tái)能，J；tT為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，℃，tT越高，越容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)換；tR為材料韌脆轉(zhuǎn)換溫度區(qū)的范圍，℃.Akv的擬合結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 Akv的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters for Akv

將母材、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的擬合結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高（－12.74℃），上、下平臺(tái)能相對(duì)較小，表現(xiàn)出較差的沖擊韌性，與前文所得結(jié)論一致.母材的下平臺(tái)能低于焊縫區(qū)，但其上平臺(tái)能較高，且韌脆轉(zhuǎn)變溫度為－19.51℃，低于焊縫區(qū)的－13.86℃，轉(zhuǎn)換溫度區(qū)范圍也較大，表明母材低溫沖擊韌性較焊縫區(qū)差，但由于焊接缺陷等影響，焊縫區(qū)更容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)了960 MPa高強(qiáng)度焊接鋼材較大的缺陷敏感性.

5種結(jié)構(gòu)鋼材的擬合參數(shù)見(jiàn)表3.比較表2，3可以看出，460，960 MPa 高強(qiáng)度鋼材的上平臺(tái)能比345MPa普通強(qiáng)度鋼厚板要低，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍要小，其中460 MPa高強(qiáng)度鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高，體現(xiàn)出較大的低溫脆性；而960MPa高強(qiáng)度鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低，上、下平臺(tái)能也大于460 MPa高強(qiáng)度鋼材，這可能是由于強(qiáng)度過(guò)高，導(dǎo)致吸收的彈性功較大，從而表現(xiàn)出較好的沖擊韌性，但其轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍大于460MPa高強(qiáng)度鋼材，表明其低溫冷脆特征明顯.不過(guò)，當(dāng)強(qiáng)度提高到一定值后，960MPa高強(qiáng)度鋼材對(duì)溫度的敏感性有所下降.

表3 5種結(jié)構(gòu)鋼材Akv的擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters for Akv of 345MPa and 460MPa steels

4 斷口掃描電鏡分析

為進(jìn)一步了解960 MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫的斷裂微觀機(jī)理，對(duì)母材、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)3種沖斷試件的斷口進(jìn)行了掃描電鏡分析.在每個(gè)溫度點(diǎn)下各選取1 個(gè)試件進(jìn)行掃描，掃描儀器為Quanta FEG450，掃描位置為斷口表面中心附近，放大倍數(shù)為3 000倍.圖4～6分別為母材、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)3種試件在不同溫度點(diǎn)下的斷口微觀形貌.

從圖4可以看出，在20℃時(shí)，母材沖斷試件斷口存在較多的撕裂棱和韌窩，隨著溫度的下降，撕裂棱和韌窩減少，在－20℃時(shí)，僅有少量韌窩和撕裂棱，出現(xiàn)河流狀花紋，斷口形貌以脆斷特征為主，當(dāng)溫度降至－40，－60℃時(shí)，斷口呈現(xiàn)出明顯的舌狀花紋和河流狀花紋，為解理斷裂機(jī)制.

圖4 母材試件在5個(gè)溫度點(diǎn)下的斷口微觀形貌Fig.4 Micro－morphologys of fracture surface for base metal

圖5 焊縫區(qū)試件在5個(gè)溫度點(diǎn)下的斷口微觀形貌Fig.5 Micro－morphologys of fracture surface for butt weld

對(duì)焊縫區(qū)沖斷試件斷口進(jìn)行分析可知，在20℃時(shí)，斷口布滿大小不一的韌窩，表現(xiàn)出微孔聚集型的斷裂機(jī)制，隨著溫度的降低，韌窩變小變淺，在－20℃下即出現(xiàn)光滑的解理面，－40 ℃下呈現(xiàn)出明顯的河流狀花紋，具有穿晶脆斷特征，當(dāng)溫度降至－60℃時(shí)，斷面呈冰糖狀，沿晶脆斷特征明顯.與母材、焊縫區(qū)相比，熱影響區(qū)試件斷口的韌窩及撕裂棱較少，在0℃時(shí)即出現(xiàn)解理面，而母材和焊縫區(qū)試件在0℃時(shí)仍以韌斷特征為主，表明熱影響區(qū)韌性有所惡化，這也與熱影響區(qū)較低的沖擊功值一致；在－20℃下裂紋由晶界向晶內(nèi)定向發(fā)展，呈現(xiàn)出河流狀花樣，當(dāng)溫度降至－40，－60 ℃時(shí)，斷口呈結(jié)晶狀，具有沿晶脆斷特征.

圖6 熱影響區(qū)試件在5個(gè)溫度點(diǎn)的斷口微觀形貌Fig.6 Micro－morphologys of fracture surface for HAZ

5 結(jié)論

（1）960MPa高強(qiáng)度鋼材及其焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的夏比沖擊功均隨溫度降低呈明顯下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了材料的韌脆轉(zhuǎn)變特征，表現(xiàn)出較明顯的低溫脆性.960MPa高強(qiáng)度焊接鋼材熱影響區(qū)的夏比沖擊功低于母材及焊縫區(qū)；焊縫區(qū)的夏比沖擊功較為離散，可能由于V 型缺口對(duì)材料缺陷和差異較敏感所致.

（2）結(jié)構(gòu)鋼材的厚度和強(qiáng)度對(duì)其沖擊韌性有較大影響.與普通強(qiáng)度鋼厚板相比，460，960MPa高強(qiáng)度鋼材在常溫下的夏比沖擊功小于4 種厚度的345MPa鋼厚板，但在低溫下厚度對(duì)沖擊韌性的影響較強(qiáng)度更為明顯.960MPa高強(qiáng)度鋼材的夏比沖擊功總體上大于460MPa高強(qiáng)度鋼材，表明鋼材強(qiáng)度過(guò)高使其吸收的彈性功較高.為對(duì)高強(qiáng)度鋼材的韌性作出安全有效的評(píng)價(jià)，還應(yīng)采用更準(zhǔn)確的斷裂韌性指標(biāo).

（3）對(duì)于960MPa高強(qiáng)度焊接鋼材，其熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高（－12.74℃），沖擊韌性較差；母材低溫的夏比沖擊功小于焊縫區(qū)，但由于焊接缺陷等影響，焊縫區(qū)更容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變，母材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為－19.51℃，低于焊縫區(qū)的－13.86 ℃，體現(xiàn)了960MPa高強(qiáng)度焊接鋼材較大的缺陷敏感性.960MPa高強(qiáng)度鋼材的低溫脆性特征明顯，但當(dāng)強(qiáng)度提高到一定值后，其對(duì)溫度的敏感性有所下降.

（4）熱影響區(qū)試件的斷口韌窩及撕裂棱較少，在0℃時(shí)即出現(xiàn)了解理面，而母材和焊縫區(qū)試件在0℃時(shí)仍以韌斷特征為主，再次表明熱影響區(qū)的沖擊韌性有所惡化.

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