在役Q345鋼及焊縫金屬力學性能試驗研究*

黎 佳，寧朝陽

(湖南工業職業技術學院，湖南長沙410208)

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在役Q345鋼及焊縫金屬力學性能試驗研究*

黎 佳，寧朝陽

(湖南工業職業技術學院，湖南長沙410208)

以在役Q345鋼、埋弧焊焊縫金屬為研究對象，進行了拉伸性能和斷裂韌性測試，并進行了試驗數據的分析研究。結果表明：材料當前的拉伸性能、條件斷裂韌性的數值和不同概率水平下的最小斷裂韌性值；Q345鋼的抗拉強度要高于埋弧焊焊縫金屬；埋弧焊焊縫金屬的屈強比高于Q345鋼，這預示著其抵抗局部應力偶然過載的能力較低。引入數學方法分析材料的斷裂韌性，是必要可行的。

Q345鋼 焊縫金屬 力學性能 試驗研究

0 引言

Q345鋼是一種低合金鋼，廣泛應用于壓力管道、壓力容器、橋梁、車輛、船舶、建筑等產品，在國民經濟的許多部門起著重要的作用。隨著使用年限的增加，受焊接、使用條件嚴酷、超負荷等因素的影響[1]，材料的力學性能等是否發生了變化、有無繼續使用的價值，都是應該關注的問題。

近年發展起來的斷裂力學理論，結合應力分析方法，缺陷位置及尺寸的檢測，運用R6失效評定圖、API579-1等一些評價標準，能夠就產品中存在的缺陷對安全性產生的影響進行評估。但評估中有關材料本身的參數顯然不能采用目前同類材料的數據。并且，由于材料已使用了數十年，完全采用出廠時的有關數據也欠妥，按照有關國際國內評定規范[2]要求，材料性能數據在缺陷評定中應優先采用實測數據。

研究采用了從產品本體上直接取樣的方法，進行了產品使用的Q345鋼、埋弧自動焊焊縫金屬H08MnA等組織力學性能[3]的相關測試，并引入了多種數學方法分析測試結果，以了解材料力學性能隨使用時間增加的變化情況,為研究產品的安全程度奠定基礎。

1 拉伸性能測試

本試驗板材直接取材于某壓力容器上一直徑2 800 mm、厚度40 mm的橢圓封頭。對于Q345鋼和埋弧焊焊縫金屬都直接從上面截取。拉伸實驗的主要目的是得到當前多種材料的屈服強度，抗拉強度，作為缺陷評定過程的材料力學性能支持數據，并為后續計算斷裂韌性提供數據依據。

圖1 拉伸試樣

拉伸試樣參考GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[4]加工，母材Q345鋼取樣方向垂直軋向，焊縫拉伸試樣為全焊縫金屬。試樣標準的形式與尺寸如圖1所示。

拉伸試驗在日本島津產的萬能試驗機上進行,拉伸速率為0.1 mm/s。為了保證試驗的準確性，共采用了6個Q345鋼(M01-M06)、6個埋弧自動焊焊縫金屬(Y01-Y06)試樣。通過試驗并計算，得到的結果見表1。

表1 拉伸試驗結果

以表1中部分數據為依據，可以計算得到Q345鋼、埋弧自動焊焊縫金屬屈服強度、抗拉強度的平均值和最低值，如表2。

表2 材料強度的平均值和最低值

從以上數據可看出，在抗拉強度的平均值和最低值方面，Q345鋼都要大于埋弧自動焊焊縫金屬。值得注意的是，埋弧自動焊焊縫金屬的屈強比大于Q345鋼，這即是預示著其抵抗局部應力偶然過載的能力較低。表2中的實驗數據結果可用于后續斷裂韌性的分析，也可作為缺陷評定過程中的材料性能的數據，為材料上缺陷的安全評估提供依據。

2 斷裂韌性測試

圖2 斷裂韌性試樣圖

斷裂韌性測定試樣按照國家標準規定加工，母材為軋制狀態，由于有層狀裂紋，試樣裂紋面取向為L(軋制方向)-T(寬度方向)或T-L和T-S(厚度方向)，焊縫試樣取自封頭與筒體連接處，裂紋面取向為T-S。試樣為帶側槽的三點彎試樣，如圖2所示。

2.1 埋弧自動焊焊縫金屬的測試結果及分析

埋弧自動焊焊縫金屬斷裂韌性測試在HPH-500疲勞機上進行。采用X-Y記錄儀記錄，測量顯微鏡精度為0.01 mm。單試樣法時，采用部分卸載柔度法通過J積分阻力曲線測JIC的暫定值JQ。其中，JIC為張開型臨界J積分值，JQ指的是J阻力曲線與鈍化線的向右0.2 mm偏置線相交點的J值，稱為條件斷裂韌性值。

在數據處理中， 綜合參照有關資料，以及考慮到實際情況，對鈍化線采用式(1)表示[5]：

J= 4σ0Δa

(1)

式(1)中，σ0為流變應力或有效屈服強度，流變應力值是由實驗得來的，它取材料拉伸實驗的屈服強度與抗拉強度的平均值，Δa為裂紋韌性擴展量，單位mm。

測試所得有效實驗數據分別見表3。

表3 埋弧焊焊縫J積分測試的有效數據

表3中，各數據的含義如下：

Ci—J阻力曲線單試樣測試過程中的裂紋張開柔度，Pi為J阻力曲線單試樣測試過程中的載荷，Upi—J阻力曲線單試樣測試過程中的塑性形態功，Δai為裂紋韌性擴展量，Ji為J阻力曲線單試樣測試過程中的J積分值。

通過回歸分析[6]，我們可以得到以下各表達式及有關數據：

根據表2中的屈服強度和抗拉強度的數據：σs=385 MPa、σb=529 MPa，可以求出流變應力值σ0=457 MPa，那么，由式(1)可以求出鈍化線方程J=4×457Δa=1 828Δa。

而J積分阻力曲線可用式(2)表示，如下：

J=C1ΔaC2

(2)

為了計算的方便，對式(2)兩邊取對數，得到：

lnJ=lnC1+C2lnΔa

繪制直角坐標系，以Δa為橫坐標，以J為縱坐標。取出表3中Δai和Ji的5組實驗數據：

1)Δai=0.275 6，Ji=145.60；2)Δai=0.337 8，Ji=168.94；3)Δai=0.389 8，Ji=211.08；4)Δai=0.595 4，Ji=244.76；5)Δai=0.643 4，Ji=288.49。

圖3 條件斷裂韌性分析結果

根據這些實驗數據，在坐標系中繪制坐標點，如圖3中的5個點。

為了分析的方便，用最小二乘法[7]對Δai和Ji的這5組數據進行冪乘回歸，可以得到：Y=5.953+0.73X， XY的相關系數R=0.95 ，標準離差SD=0.073。其中，Y=lnJ，lnC1=5.953，C2=0.73，lnΔa=X，即lnJ=5.953+0.73lnΔa。

經過換算，可以得到J=385Δa0.73，并繪制了圖3中一條直線。

該表達式所代表的曲線即J積分阻力曲線，它與利用式(1)計算的鈍化線的向右0.2 mm偏置線的交點定義為JQ-J1C的暫定值。

JQ設計的求法如下：先估計一個JQ(1)值，按式(1)可以推出： Δa(1)=(JQ(1)/4σ0)+0.2 計算Δa(1)，再根據冪乘關系，利用式(2)計算JQ(2)，即JQ(2)=C1[Δa(1)]C2。

重復以上過程，直到JQ(i)和JQ(i+1)的差值不大于2%為止，按此程序求得JQ=157 kJ/m2。

將前面的分析結果用圖3綜合表示。

從概率的角度分析，lnJ的數值實際上是正態分布的，又已知Y=5.953+0.73X，標準離差SD=0.073，那么有：

1)Y=5.953±2×0.073+0.73X， 即lnJ=5.953± 2×0.073+0.73lnΔa范圍內,概率為95.4%。為確保安全，取J的低限，可求出J=332.6Δa0.73，利用前面提到的JQ的求法，可以得到JQ=131 kJ/m；

2)Y=5.953±3×0.073+0.73X，即lnJ=5.953±3×0.073+0.73lnΔa范圍內，概率為99.7%。為確保安全，取低限，可求出J=309.2Δa0.73，進一步可求得JQ=119 kJ/m。

2.2 母材Q345鋼的測試結果及分析

考慮到母材Q345鋼的各向異性，以及單試樣法中，裂紋張開柔度測定不易精確等，對Q345鋼采用多試樣法測試其斷裂韌性。同時，為了避免塑性流動，位移不好控制的缺點， 試驗設備改用英國的instron model 1322型疲勞試驗機，它可用位移控制方式加載。有關數據見表4。

表4 母材Q345鋼的有效數據

表4中，各參數的含義如下：

B為斷裂韌性試樣厚度，BN為斷裂韌性試樣凈厚度，W為三點彎斷裂韌性試樣寬度，a0為三點彎斷裂韌性試樣初始裂紋長，Δa為裂紋韌性擴展量，Ps指測試過程中的載荷，Up指測試過程中的塑性形態功，J為測試過程中的J積分值。

取出表4中Δa、J 的相關數據，用于前面類似的方法，通過回歸分析可以得到以下表達式及有關數據。

對于母材Q345鋼，冪乘回歸可求得lnJ=5.77+0.57Δa，R=0.837，SD=0.095 9。換算得到：J=320.5Δa0.57，求得JQ=162 kJ/m2。

實際上述各種材料的試驗數據一般在7個以上，但由于材料的各向異性，影響了數據的有效性，尤其是母材Q345鋼，其層間帶狀夾雜及微裂紋較多，嚴重影響了試驗裂紋的擴展。但作為對比，仍有參考價值。

3 結論

1)對在役產品的母材Q345鋼、埋弧焊焊縫金屬等處進行了力學性能的測試，實驗方法數據如前述。當前測試的材料力學性能符合控制范圍，但是仍在變化中。

2)當前狀態下，Q345鋼的抗拉強度要大于埋弧自動焊焊縫金屬，但是，埋弧自動焊焊縫金屬的屈強比大于Q345鋼，這預示著其抵抗局部應力偶然過載的能力較低。

3)在測試結果的分析中，考慮到實驗次數有限等因素，利用概率統計等數學方法對斷裂韌性或類似對象進行分析和評定，是必要可行的。

[1] 賴永泉.基于合于使用原則的壓力容器安全評定技術[J].中國特種設備安全，2014,30(11):21-25.

[2] 中國國家標準化委員會.在用含缺陷壓力容器的安全評定:GB/T 19624-2004[S].北京：中國標準出版社，2005.

[3] 黃櫻,李揚.超輕汽車材料高強度鋼Q460D力學性能研究[J].熱加工工藝，2016,45(6):151-153.

[4] 中國國家標準化委員會.金屬材料室溫拉伸試驗方法:GB/T228.1-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[5] 臧啟山，等.工程斷裂力學簡明教程[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2013.

[6] 甄任賀,高向東.大功率光纖激光焊焊縫識別回歸算法研究[J].焊接技術，2014，43(4)：12-15.

[7] 關娟，梅國平.最小二乘法在復雜曲面擬合中的應用[J].航空精密制造技術，2013，49(2)：57-59.

The experimental research on the mechanical property of Q345 steel and weld metal in service

LI Jia，NING Zhaoyang

Taking the Q345 steel and submerged arc weld seam metal in service as the research objects, tensile properties and fracture toughness tests were carried out, and the research of the experimental data were conducted. The tensile property of the current material, the conditional fracture toughness and the minimum fracture toughness at different probability levels were showed. Results reflected that the tensile strength of the Q345 steel is higher than that of the submerged arc weld metal, the yield strength ratio of the submerged arc weld metal is higher than that of the Q345 steel，which indicates the ability of submerged arc weld metal to resist local stress overload is lower. It is necessary and feasible to introduce the mathematical method to analyze the fracture toughness of the material.

Q345 steel, weld metal, mechanical property, experimental research

TG457.11

A

1002-6886(2016)06-0098-04

湖南省教育廳科學研究項目(編號：15C0449)。

黎佳(1985-)，湖南郴州人，男，碩士研究生畢業，講師，主要研究方向為工業設備安全及自動化。 寧朝陽(1973-)，湖南衡陽人，男，碩士研究生畢業，獲碩士學位，系副主任，教授，主要研究方向機械制造與自動化。

2016-07-20