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(mǎn)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.

［1］劉希月，王元清，石永久，等.高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2012（S）：135－145.LIU Xiyue，WANG Yuanqing，SHI Yongjiu，et al.Progress on research for brittle facture of steel structure constructed with high－strength steel［J］.Steel Structure，2012（S）：135－145.（in Chinese）

［2］SHI Y J，SHI G.Application of high strength structural steel in buildings［C］∥Proc of 4thInternational Symposium on Improvement of Structural Safety for Building Structures.Harbin：［s.n.］，2008：18－26.

［3］BROCKENBROUGH R L.Structural steel designer's handbook［M］.5th ed.Reston：ASCE，2011：123－125.

［4］王元清，林云，張延年，等.高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼材Q460C焊縫連接的斷裂韌性試驗(yàn)研究［J］.焊接學(xué)報(bào)，2012，33（9）：5－8.WANG Yuanqing，LIN Yun，ZHANG Yannian，et al.Experimental study on the fracture toughness of butt weld of Q460C high－strength construction steel［J］.Transactions of the China Welding Institution，2012，33（9）：5－8.（in Chinese）

［5］International Association for Bridge and Structural Engineering.Use and application of high－performance steels for steel structures［M］.Zurich：IABSE，2005：78－80.

［6］WU Y M，WANG Y Q，SHI Y J，et al.Effects of low temperature on properties of structural steels［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2004，11（5）：442－448.

［7］BARSOM J M，ROLFE S T.Fracture and fatigue control in structures：Applications of fracture mechanics［M］.3rd ed.West Conshohocken：ASTM，1999：21－23.

［8］王元清，胡宗文，石永久，等.結(jié)構(gòu)鋼厚板低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（9）：1179－1184.WANG Yuanqing，HU Zongwen，SHI Yongjiu，et al.Testing the impact resistance of thick structural steel plate at low temperatures［J］.Journal of Harbin Engineering University，2010，31（9）：1179－1184.（in Chinese）

［9］王元清，林云，張延年，等.高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材Q460C低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2012，42（1）：8－12.WANG Yuanqing，LIN Yun，ZHANG Yannian，et al.Experimental study on the impact toughness of Q460Chigh－strength construction steel at low temperature［J］.Industrial Construction，2012，42（1）：8－12.（in Chinese）