鋼結構厚板對接焊縫的低溫斷裂韌性試驗

王元清，周 暉，石永久，胡宗文，陳 宏

(1.清華大學土木工程系土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，100084北京; 2.清華大學建筑設計研究院，100084北京)

近年來，我國建筑鋼結構工程迅速發展，特別是一些超高層建筑和大跨度結構，應用了大量厚板鋼材［1］.例如，國家體育場“鳥巢”采用了110 mm的Q460E-Z35厚板和100 mm的Q345GJD厚板［2］;央視新臺址大樓采用了80、100、110 mm的Q420D和S460M厚板［1］;北京新保利大廈采用的軋制H型鋼(ASTM A913 Gr60)，翼緣厚度達125 mm［3］.

隨著鋼板厚度的增加，焊接難度大大提高，存在焊接缺陷的可能性也相應增加［2］.厚板焊接較大的熱輸入量對焊接熱影響區的抗裂性及韌性產生了顯著影響.厚板鋼材的冶煉軋制工藝，使厚板的韌性和塑性均有所降低，特別是中心偏析使鋼板厚度方向的性能明顯劣化.因此，厚板焊接接頭非常容易在焊接施工和使用過程中，發生脆性斷裂事故［3］.另一方面，我國冬季覆蓋范圍廣，且部分地區長期處于低溫，冬季施工或低溫下服役都容易引發鋼結構的脆性斷裂，尤其是厚板焊接工程.

斷裂韌性反映了材料抵抗斷裂的能力，其受到材質、構件厚度、環境溫度和加載速率等因素的影響［4－5］.斷裂力學方法能對鋼結構的斷裂行為做出準確、定量的判斷［6－8］，而斷裂韌性是斷裂力學分析所必需的基本材性指標.因此，開展鋼結構厚板對接焊縫斷裂韌性的試驗測定及其影響規律研究，對防止厚板焊接接頭的脆性斷裂具有重要意義［9］.低溫對鋼材及焊縫的韌性具有顯著影響［10－12］，本文將在低溫環境下，采用三點彎曲試樣，對150 mm的Q345B厚板對接焊縫進行裂紋尖端張開位移試驗，分別測定焊縫金屬和熱影響區材料各低溫點下的斷裂韌性，并研究其隨溫度的變化規律.

1 試驗

1.1 試驗依據與目的

根據GB/T 2358—94《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法》的規定［13］，在 20、0、－20、－40、－60℃五個溫度點下，對結構用鋼材Q345B的150 mm厚鋼板對接焊縫的熔敷金屬和熱影響區材料進行三點彎曲試驗.

試驗直接測定試樣跨中荷載P和刀口張開位移V，得到P－V曲線，從而按照試驗標準［13］給出的公式計算最大載荷點對應的裂紋尖端張開位移CTOD值δm，以表征相應材料的斷裂韌性.并得到焊縫金屬和熱影響區材料CTOD值δm隨溫度和厚度方向位置的變化規律.最大載荷點對應的CTOD值δm為［13］

式中:μ=0.3為泊松比;E=2.06×105MPa為彈性模量;σy為焊縫金屬或熱影響區材料的屈服強度［14］;rp=0.44為塑性轉動因子;W為試樣寬度;a0為試樣原始裂紋長度，由斷口測定;Vmp為P－V曲線最大載荷點對應的塑性位移;Z為固定引伸計的刀口厚度;KI=YPm/［BW1/2］為I型應力強度因子，其中Pm為P－V曲線上的最大載荷值，B為試樣厚度，Y由(a0/W)按照試驗標準［13］查表得到.

1.2 試樣材料與尺寸

試驗選用首鋼生產的結構用厚板鋼材Q345B，厚度t=150 mm，主要化學成分見表1.對接焊縫采用單邊V形坡口，坡口形式見圖1.焊接在常溫下進行，焊接位置為平焊，焊接方法為CO2氣體保護焊，焊絲型號 H08Mn2SiA、直徑1.2 mm，電流250～300 A、電壓28～35 V、送絲速度30～45 cm/min.

表1 Q345B鋼板主要化學成分(質量分數) %

圖1 對接焊縫坡口形式示意

試驗采用的三點彎曲試樣的幾何尺寸見圖2，試樣厚度B=10 mm、寬度W=2B=20 mm、跨度S=4W=80 mm、總長度L=110 mm，裂紋長度為7 mm的線切割和約3 mm的預制疲勞裂紋.

圖2 三點彎曲試樣尺寸及試驗裝置示意

如圖3所示，取樣方向垂直于焊縫方向，分別在距鋼板表面0、1/4、1/2、3/4厚度位置取樣;焊縫金屬試樣的裂紋平面大致位于所在厚度位置焊縫寬度的中心，熱影響區試樣的裂紋平面大致位于距熔合線2 mm的母材一側.試樣分組情況見表2.

圖3 三點彎曲試樣的取樣位置

表2 三點彎曲試樣的分組情況

1.3 試驗設備與注意事項

試驗在清華大學航空航天學院力學系實驗室進行，采用的全套低溫試驗設備見圖4.試驗中試樣由空氣和液氮的混合氣體進行冷卻，并由溫度傳感器、控制器、混合氣體伺服閥等調節保溫箱內的溫度保持某一設定值，該溫度控制設備調節溫度的精度在±1℃.測量刀口張開位移的引伸計為專門的低溫夾式引伸計.

圖4 三點彎曲低溫試驗的設備

試驗過程中應注意的事項如下:

1)試驗機應保證試樣在跨中位置受壓，壓頭位移速率為2 mm/min，保證為靜力加載;

2)試驗從高溫到低溫進行，多試樣同時在低溫箱內冷卻，提高試驗效率;

3)冷卻試樣的時間不少于15 min，且在加載過程中溫度偏離設定值不超過±2℃;

4)由計算機采集系統記錄試樣破壞前荷載與位移的全過程曲線.

2 試驗結果

2.1 CTOD值δm隨溫度的變化

GB/T 2975—1998《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》規定，對于厚度大于50 mm的鋼板，取樣位置為距表面1/4厚度處.因此，在CTOD試驗中，將1/4厚度位置試樣的試驗值作為鋼板或焊縫整體性能的代表值.母材、焊縫金屬和熱影響區材料的斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化關系見圖5(δm為3個試樣試驗的平均值，母材數據來自前期試驗［14］).

圖5 斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化

由圖5可見，隨著溫度的降低，焊縫金屬、熱影響區和母材的CTOD值δm均迅速降低;如熱影響區CTOD值δm由20℃的0.56 mm降低至－60℃的0.05 mm.相同溫度點下，焊縫金屬的CTOD值δm相對較高，而熱影響區CTOD值δm低于母材.造成這一結果的可能原因:對接焊縫采用CO2氣體保護焊，氬弧焊絲H08Mn2SiA熔敷金屬具有優良的塑性、韌性和抗裂性能，尤其是低溫沖擊韌性較高［12］;而對于焊接熱影響區，在焊接熱循環作用下焊縫兩側的母材發生明顯的組織和性能變化，奧氏體晶粒長大，使熱影響區的塑性和韌性均低于母材.

2.2 CTOD值δm隨取樣位置的變化

為研究沿板厚方向不同位置的斷裂韌性分布，試驗在20、0、－40℃三個溫度點下，對焊縫金屬和熱影響區材料進行了沿厚度方向不同位置的取樣.焊縫金屬材料和熱影響區材料的試驗結果見圖6和圖7，圖7還列出了母材的試驗結果.

由圖6三個溫度點下CTOD值δm隨厚度位置的分布可見，焊縫金屬CTOD值δm沿厚度位置的變化沒有明顯規律，是隨機波動的.

由圖7可見，熱影響區CTOD值δm沿厚度位置的分布規律和母材保持一致，均表現出從表面至中心位置不斷降低的趨勢;且同一溫度點下相同厚度位置上，熱影響區的CTOD值δm均比母材的小.

圖6 焊縫金屬CTOD值δm隨厚度位置的變化

圖7 熱影響區CTOD值δm隨厚度位置的變化

3 韌脆轉變溫度分析

韌脆轉變溫度是反映材料低溫冷脆性能的一個重要指標，轉變溫度越高，材料越容易發生低溫冷脆.見圖8，斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的變化曲線總體上呈S形，分為上平臺區、轉變區和下平臺區3個部分.采用Boltzmann函數可以較好地擬合斷裂韌性－溫度曲線［15］

式中:δ1、δ2分別為斷裂韌性CTOD值的下平臺、上平臺值(mm);T為溫度變量(℃);Tt為韌脆轉變溫度(℃)，ΔT為轉變溫度區范圍(℃).

采用Boltzmann函數，基于1/4厚度位置每個試樣的斷裂韌性試驗值，對焊縫金屬、熱影響區和母材的斷裂韌性－溫度曲線進行擬合，圖8給出了熱影響區材料的韌脆轉變擬合曲線，參數結果見表3，由表3可見:

1)與熱影響區和母材相比，焊縫金屬的上平臺值和轉變溫度區范圍都較大，且韌脆轉變溫度較低(－30.8℃)，表現出較好的斷裂韌性;但擬合的相關系數較低，表明試驗結果的離散性較大.

2)熱影響區的上平臺值和轉變溫度區范圍均小于母材，而韌脆轉變溫度－17.0℃則高于母材的－25.4℃，表明熱影響區的斷裂韌性比母材差.

圖8 熱影響區CTOD值δm隨溫度的轉變曲線

表3 斷裂韌性－溫度曲線的擬合參數結果

4 試樣斷口分析

三點彎曲試樣斷口包括切割區、疲勞區、纖維區、剪切區、脆性斷裂區和沖擊斷裂區［16］，見圖9.切割區是試樣加工時線切割的區域;疲勞區是試樣進行疲勞裂紋加工的過程中形成的;纖維區是試樣加載過程中延性斷裂的斷口，低溫脆斷時該區域很小甚至沒有;剪切區出現在試樣表面，為剪切破壞;脆性斷裂區為試樣發生脆性斷裂形成的斷口，形成速度較快;沖擊斷裂區是加載結束后將試樣壓斷而形成的.

圖9 三點彎曲試樣斷口的組成示意

圖10和圖11分別為焊縫金屬和熱影響區試樣在不同試驗溫度下的宏觀斷口照片.通過宏觀斷口形貌，可以看出試樣斷裂時的塑性變形隨溫度的降低而不斷減小甚至消失，且試樣表面兩側的剪切區也越來越不明顯，表明韌性越來越差.

對三點彎曲試樣斷口進行電鏡掃描，放大倍數為1 000倍，焊縫金屬和熱影響區試樣斷口的掃描電鏡照片見圖12和圖13.

圖10 焊縫金屬試樣在不同試驗溫度下的斷口

圖11 熱影響區試樣在不同試驗溫度下的斷口

圖12 不同試驗溫度下焊縫金屬試樣斷口的掃描電鏡照片

由圖12可見，常溫20℃時斷口存在明顯的纖維區，有典型的韌窩分布，斷裂的微觀機理為微孔聚合型斷裂，韌性較好;當溫度降低至－20℃時斷口依然存在纖維區，但同時也有少量解理面出現;低溫－40～－60℃時斷口僅存在脆性斷裂區，顯示出非常清晰的解理斷裂的舌狀花樣.

由圖13可見，20℃時熱影響區試樣的纖維區分布著較明顯的韌窩和解理面;溫度達－20℃時纖維區完全消失而僅存在脆性斷裂區，具有河流狀花樣的解理斷裂特征;低溫－40～－60℃時，脆性斷裂特征更加明顯.

圖13 不同試驗溫度下熱影響區試樣斷口的掃描電鏡照片

由焊縫金屬和熱影響區試樣斷口的微觀形貌比較可見，熱影響區材料的脆性特征更加明顯一些，這與試驗中測得的熱影響區材料CTOD值δm更小的結果相一致.

5 結論

1)焊縫金屬和熱影響區的斷裂韌性CTOD值δm隨溫度的降低而降低，從20～－60℃，降幅分別達78%和91%;焊縫金屬的斷裂韌性最好、母材次之、熱影響區最差.

2)焊縫金屬的CTOD值δm隨厚度位置的分布無明顯規律;熱影響區的CTOD值δm隨厚度位置的分布規律與母材一致，表現出從表面到中心降低的趨勢，但熱影響區的斷裂韌性值δm比母材小.

3)焊縫金屬的韌脆轉變溫度最低(－30.8℃)，母材次之(－25.4℃)，熱影響區最高(－17.0℃).

4)焊縫金屬和熱影響區試樣斷口的宏、微觀形貌分析表明，熱影響區材料的脆性特征更加明顯，這與該材料較小的斷裂韌性試驗測定值δm相符.

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