Q500qE高性能橋梁鋼斷裂韌性CTOD試驗研究

田越

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

Q500qE高性能橋梁鋼斷裂韌性CTOD試驗研究

田越

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

針對不同厚度規格的Q500qE高性能橋梁鋼母材和焊接接頭，在不同溫度條件下進行了斷裂韌性CTOD試驗，旨在系統研究Q500qE高性能橋梁鋼母材及其焊接接頭的斷裂抗力隨溫度的變化規律。試驗結果表明:隨著溫度的降低，32和44 mm板厚 Q500qE母材的斷裂韌性變化不大，但60 mm板厚Q500qE母材的斷裂韌性在溫度降至－40℃以下后，有較大幅度的降低;各種板厚的Q500qE焊縫的斷裂韌性都比母材低;隨著溫度的下降，Q500qE焊縫的斷裂韌性大幅降低，特別是44和60 mm板厚Q500qE焊縫。說明Q500qE焊縫的抗斷性能，尤其是低溫抗斷性能比母材要差很多。評定結果表明:除60 mm板厚Q500qE母材－50℃時的CTOD值外，其它各種板厚Q500qE母材的CTOD值均在失效評定曲線FAD圖的可接受區域內，其斷裂韌性值是合格的;32，44，60 mm板厚的Q500qE焊縫，僅有常溫及32 mm板厚在－20℃的斷裂韌性是合格的，與母材相比，Q500qE焊縫的低溫抗斷性能較差。所以，對于Q500qE高性能橋梁鋼需要進一步加強對焊縫性能的改善研究。

Q500qE高性能橋梁鋼 斷裂韌性(CTOD) 結果評定 試驗研究

迄今為止，國內外的鋼橋設計規范都是通過控制鋼材的沖擊韌性指標來對鋼橋的低溫斷裂進行控制。沖擊韌性指標由沖擊試驗得到，用來表征材料的低溫防脆斷能力。但是隨著鋼橋的荷載和跨徑越來越大，橋梁鋼結構中采用了更多的厚鋼板及其焊接接頭，對于它們的低溫防脆斷能力，用沖擊韌性來衡量，局限性較大。這主要是由于沖擊試驗在試樣取樣時受到限制。按相關規范，沖擊試驗試樣的標準尺寸是10 mm ×10 mm×55 mm。對于厚度＞10 mm的鋼板，試驗結果就不能代表整個鋼板的斷裂韌性。

另外，材料表現為韌性斷裂還是脆性斷裂，還與材料所受的應力狀態有關。而沖擊試驗局部取樣的方法，改變了材料的應力狀態。大跨度鋼橋的鋼板厚度往往較大(南京大勝關長江大橋的鋼板最大厚度已達80 mm)，而沖擊韌性試樣的尺寸只有10 mm×10 mm ×55 mm，按規范，對厚度為60～100 mm的鋼板，沿厚度方向不同位置取3個試樣來測量。這樣，從力學上看，是把厚板材料原本所處的三向應力狀態轉變成為平面應力狀態，然后再測量沖擊韌性，結果會導致較大的誤差，并且偏于危險。例如，船體上的厚鋼板90%以上都是結晶斷口的脆性斷裂，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后卻發生完全纖維斷口的韌性斷裂［1］。另一個典型的例子是，1950年美國北極星導彈試驗發射時，固體燃料發動機殼體發生了爆炸。殼體材料是超高強度鋼(屈服強度1 400 MPa)，按V型夏比沖擊試驗，殼體材料的斷裂韌性是合格的。

因此對于大跨度鋼橋的厚鋼板焊接結構，再用沖擊韌性來驗收母材、評定焊接工藝就不夠合理，也難以對脆性斷裂的發生進行準確的判斷。必須取整塊鋼板厚度、整個焊接接頭厚度來制備試樣(全厚度試樣)進行斷裂韌性測定，才能夠保證斷裂韌性測定的可靠性。這就必須借助于基于斷裂力學的CTOD試驗技術對鋼材裂紋的擴展和斷裂進行定量的準確分析。

Q500qE高性能橋梁鋼作為一種新型鋼材，將在滬通鐵路長江大橋及今后建設的大跨度鐵路橋梁中大規模應用，其母材和焊接接頭的斷裂韌性CTOD指標就成為橋梁設計和建設者非常關注的問題。

1 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD試驗

為研究Q500qE高性能橋梁鋼的斷裂韌性，采用32，44，60 mm板厚的 Q500qE母材和對接焊縫，進行室溫、－20℃，－40℃ 和 －50℃ 共計 4種溫度的CTOD試驗。

斷裂韌性試驗參照《金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》(GB/T 21143—2007)進行，試驗采用標準中的單試樣方法，在MTS-810C電液伺服材料試驗機和高低溫環境箱上進行［2-4］。

試驗采用GB/T 21143—2007中帶單邊預制疲勞裂紋的標準三點彎曲試樣，所有板厚的Q500qE母材和對接焊縫試樣的寬度和厚度比W/B均為2。

試驗過程中，利用液氮對高低溫環境箱進行降溫，同時在試樣上粘貼溫度傳感器，當溫度達到試驗要求時進行試驗。整個試驗過程中，試樣的溫度誤差控制在±2℃以內。

CTOD試驗采用位移控制加載方式，加載速率為0.08 mm/s。

CTOD試驗裝置見圖1和圖2。

圖1 CTOD試驗低溫環境箱

圖2 CTOD試驗裝置

2 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD試驗結果

根據 GB/T 21143—2007，對于三點彎曲試樣，CTOD值即δ可按下式計算。

式中:S為試樣的跨距;W為試樣的寬度;F為施加的力;B為試樣的厚距，對于無側槽試樣，BN=B;a0為初始裂紋長度;Δa為包括鈍化區的穩定裂紋擴展量; v為泊松比;RP0.2為在試驗溫度下材料在垂直于裂紋平面方向0.2%的規定非比例延伸強度;E為試驗溫度下的彈性模量;VP為V的塑性分量;z為用于測定缺口張開位移的引伸計裝卡位置距離試樣表面的距離。

表1、圖3、圖4是CTOD試驗結果，表中δc，δu和δm為不同板厚 Q500qE母材和焊縫在室溫、－20℃，－40℃和－50℃ 4種溫度下的CTOD值。

表1CTOD試驗結果

從圖 3可以看出，隨著溫度的降低，32 mm和44 mm板厚 Q500qE母材的 CTOD值變化不大，但60 mm板厚 Q500qE母材的 CTOD值在溫度降至－40℃以下后，有較大幅度的降低。

圖3 不同板厚Q500qE母材斷裂韌性(CTOD)

由圖4可以看出，各種板厚的 Q500qE焊縫的CTOD值都比母材低。隨著溫度的下降，Q500qE焊縫的CTOD值大幅降低，特別是44 mm和60 mm板厚Q500qE焊縫，說明 Q500qE焊縫的抗斷性能，尤其是低溫抗斷性能比母材要差很多。

3 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD的評定

國際上已較多運用CTOD試驗評定鋼板和焊接接頭的斷裂韌度，但在有關規范中很少規定鋼板和焊接接頭CTOD的允許值 δmin。同樣，國內規范也沒有對鋼板和焊接接頭 CTOD的允許值 δmin作出規定。因此，在許多情況下，運用CTOD試驗評定鋼板和焊接接頭的斷裂韌性缺少依據［5-7］。

圖4 不同板厚Q500qE焊縫斷裂韌性(CTOD)

采用文獻［8-9］相同的CTOD評定方法，將CTOD試樣的單邊疲勞預裂紋作為缺陷，結合《金屬結構缺陷可接受性評定方法指南》(BS 7910)的失效評定曲線FAD方法對橋梁鋼的CTOD值進行評定。

Q500qE高性能橋梁鋼CTOD值的評判結果匯總見表2。

CTOD的評定結果表明:除60 mm板厚 Q500qE母材－50℃時的CTOD值外，其它各種板厚的Q500qE母材的CTOD值均在失效評定曲線FAD圖的可接受區域內，其斷裂韌性 CTOD值是合格的。而32，44，60 mm板厚的 Q500qE焊縫，僅有常溫及32 mm板厚在－20℃的斷裂韌性CTOD是合格的。評定結果說明Q500qE焊縫的低溫抗斷性能較差。

表2 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD值的評判結果

4 結論

通過斷裂韌性CTOD試驗可以得到如下結論:

1)隨著溫度的降低，32 mm 和 44 mm 板厚Q500qE母材的 CTOD值變化不大，但 60 mm板厚Q500qE母材的 CTOD值在溫度降至 －40℃以下后，有較大幅度的降低。

2)各種板厚的Q500qE焊縫的CTOD值都比母材低。隨著溫度的下降，Q500qE焊縫的CTOD值大幅降低，特別是44 mm和60 mm板厚Q500qE焊縫，說明Q500qE焊縫的抗斷性能，尤其是低溫抗斷性能比母材要差很多。

3)評定結果表明:除60 mm板厚 Q500qE母材－50℃時的CTOD值外，其它各種板厚Q500qE母材的CTOD值均在失效評定曲線FAD圖的可接受區域內，其CTOD值是合格的。

4)32，44，60 mm板厚的 Q500qE焊縫，僅有常溫及32 mm板厚在－20℃的CTOD值是合格的，與母材相比，Q500qE焊縫的低溫抗斷性能較差。

5)對于Q500qE高性能橋梁鋼需要進一步加強對焊縫材料和工藝的改善研究。

［1］肖紀美.金屬的韌性與韌化［M］.上海:上海科學技術出版社，1980.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 21143—2007 金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［3］中華人民共和國國家機械工業局.JB/T 4291—1999 焊接接頭裂紋尖端張開位移(COD)試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2001.

［4］British Standards Institution.BS7448:Part 1 Method for Determination of KIc，Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials［S］.London:British Standards Institution，1991.

［5］British Standards Institution.BS7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures［S］.London:British Standards Institution，2005.

［6］苗張木，陶德馨，楊榮英.焊接接頭韌度CTOD評定的適用性與允許值研究［J］.機械強度，2006，28(1):150-155.

［7］楊新歧，王東坡，李小巍，等.海洋石油平臺焊接接頭大型CTOD試驗［J］.焊接學報，2002(4):48-52.

［8］張玉玲.大型鐵路焊接鋼橋疲勞斷裂性能與安全設計［D］.北京:清華大學，2004.

［9］田越.CTOD與BS 7910結合的橋梁鋼斷裂韌度評定方法.［J］.中國鐵道科學，2010，31(2):40-44.

Research on fracture toughness of Q500qE high-performance bridge steel by CTOD(Crack Tip Opening Displacement)test

TIAN Yue
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he fracture toughness(CT OD)of Q500qE high-performance bridge steel and welded joints were studied in this paper，with consideration of different steel thickness.T he focus was the anti-fracture properties of Q500qE high-performance bridge steel and welded joints at different temperature.Research results reveal that the fracture toughness(CT OD)of 32 mm and 44 mm thickness Q500qE base metal changes little with decreasing temperature while that of 60 mm thickness Q500qE base metal is decreased obviously once temperatures down to －40℃.T he fracture toughness(CT OD)of various thickness of Q500qE weld metal is lower than that of the base metal.As the temperature drops，the fracture toughness(CT OD)of Q500qE weld metal is significantly reduced.In particular，the decrease of fracture toughness is more significant for 44 mm and 60 mm thickness Q500qE weld.It indicates that the fracture resistance of Q500qE weld metal is lower than that of the base metal，especially at low-temperature.Except for the base metal of 60 mm thickness Q500qE at－50℃，the CT OD values of other Q500qE base metal was within the acceptable areas of failure assessment curve(FAD diagram)and the fracture toughness(CT OD)values are qualified.For 32，44，60 mm thickness of Q500qE weld metal，the fracture toughness(CT OD)at room temperature is qualified.On the other hand，only the fracture toughness(CT OD)of 32 mm thickness of Q500qE weld metal is qualified at－20℃.Compared with the base metal，the fracture resistance of Q500qE weld metal at low temperature is poor.It is suggested that further research is needed for the performance of Q500qE welded material.

Q500qE high-performance bridge steel;T he fracture toughness(CT OD);Evaluation;Experimental study

U441+.6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.04

(責任審編 孟慶伶)

2015-07-02;

:2015-09-10

鐵道部科技研究開發計劃項目(2007G029)

田越(1965— )，男，研究員，博士。

1003-1995(2015)11-0014-04