低溫環境中CCS-B 高強鋼強度擬合

□李永強 孫華銀 周維莉

近年來，鋼結構不論在土木建筑領域還是在航天航空及船舶艦艇領域都有廣泛的應用，鋼結構設計中不論結構所處環境如何都基本保持常溫下的材料力學性能，而鋼結構材料的強度指標和塑性指標隨著溫度降低而發生相應的變化，低溫環境中國內學者針對材料的強度隨溫度的變化做了一些研究，如王元清、武延民對鋼結構材料Q235、Q345、Q390 和Q460 進行了低溫下的力學性能試驗研究，得到了溫度在-100℃～100℃范圍內屈服強度、極限強度隨溫度的變化規律，并運用參數擬合的方法得到了在該范圍內的參數擬合公式;孫玉萍對船用CCS-B 低合金高強鋼的低溫力學性能做了試驗研究，得到了溫度在-60℃～20℃范圍內屈服強度和極限強度隨溫度的變化規律及在各溫度下材料的應力應變曲線。隨著鋼結構材料化學成分的不同，其強度在正常使用范圍內一般都隨溫度的降低而提高，但變化速率卻有所不同，在試驗研究中我們一般都是在離散的溫度節點進行材料的力學性能試驗，得到在該溫度節點下的強度，并且材料強度隨溫度的降低而提高的同時塑性降低，脆性破壞逐漸表現出來。因此，本文在低溫力學性能試驗的基礎上對材料強度隨溫度變化進行數值擬合，并將試驗結果與兩種參數擬合進行比較，得到更接近實際的擬合方法，為設計與計算機模擬研究提供可靠依據。

一、試驗結果

在試驗過程中以20℃為溫度變化跨度，在-60℃、-40℃、-20℃、0℃和20℃這5 個溫度節點下，對CCS-B 高強鋼的母材與焊縫位置進行屈服強度fy 與抗拉強度fu 測試，表1 為各試件在各條件下3 組試件測試過程的平均值。

二、參數擬合

國內學者在研究材料強度隨溫度變化規律過程中都基于傳統的參數擬合公式，在一般服役的低溫環境下，鋼材的屈服強度與抗拉強度可用下式表示:

式中:T、T'為溫度;fy、f'u分別為T'下的屈服強度拉伸強度，qs、qb分別為f'y、f'u的溫度敏感系數。

采用上式通用的參數擬合公式，根據試驗數據上式中所有擬合參數見表2 所示。

表1 試件測試過程平均值

表2 材料溫度敏感系數

由表2 可以看出，溫度系數qs、qb均為正值，說明與常溫下相比CCS-B 高強鋼母材與焊縫的屈服強度和極限強度整體上都隨溫度的降低而提高;并且母材兩個方向與焊縫兩個方向的qs均大于qb，說明隨溫度降低屈服強度比拉伸強度提高的速率大，從而從側面反映隨溫度的降低材料塑性降低，強化階段在逐漸減弱，尤其在焊縫處qs遠大于qb;一方面是由于在激光焊接過程中聚冷聚熱使材料內部發生相變與殘余應力，并可能出現微裂縫與斷層等缺陷，另一方面是由于在焊接過程中因電流、焊接速度及焊接工藝的影響在材料內部出現了氣孔與雜質，使得材料在常溫中塑性較好，在拉伸過程中不斷在試件內部應力重分布，而在低溫環境中材料脆性不斷表現出來極限強度的提高，速率減緩。

另一種擬合是本文嘗試將試驗數據用多項式進行擬合，其擬合公式為:

式中A、B、C 為多項式系數，各種材料的多項式系數見表3。

表3 多項式系數

三、兩種擬合與試驗強度指標的比較

根據兩種擬合方法分別可得到強度隨溫度變化的變化曲線，則試驗結果與上面兩種擬合曲線見圖4 所示。由圖4中的擬合比較可以看出:溫度在20℃～-60℃范圍內，母材在平行軋制方向和垂直軋制方向兩種模擬曲線都比較接近于試驗結果，尤其是在20℃～-20℃范圍內兩種擬合基本等效，但平行軋制方向的母材，在溫度低于-20℃時，材料的冷脆性能逐漸突出，材料內部應力與缺陷逐漸平衡。理論上材料因溫度降低使得強度提高，從圖中可直觀看出多項式擬合更接近于實測值，在試件服役階段更反映材料真實的工作性能;接頭強度與母材很類似，且強度有所提高，主要是由于接頭在拉伸過程中因焊縫處強度高于母材強度，破壞位置仍在母材處，但因焊接過程中焊接作用與試件尺寸效應的影響而在宏觀上提高了材料的強度，同時也反映了焊接過程對材料強度的影響;焊縫強度兩種擬合相差較大，但多項式擬合更接近于試驗值，尤其是溫度低于-40℃時兩種擬合曲線偏差較大，到-60℃時，參數擬合值的屈服強度與拉伸強度比是實測值分別提高12.5%和14.3%，而多項式擬合與實測值較吻合，分別相差1.7%和1.3%，因此，該材料在通常的溫度服役范圍內多項式擬合更接近于實測值，更能真實反映材料因溫度降低冷脆性能凸顯而使強度降低的變化，同時也顯示焊接過程對母材及焊縫本身的影響。

圖4 擬合曲線與強度指標隨溫度變化的比較

四、結語

通過兩種參數擬合的比較，在高于-20℃工作時，材料強度隨溫度變化趨于線性，且兩種擬合都較為吻合，材料的冷脆性能與內部因素對強度隨溫度的變化影響較小;在低于-20℃工作時，材料的冷脆性能逐步凸顯，多項式擬合更接近于試驗數據，更能反映材料強度隨溫度變化的低溫冷脆性與低溫塑性強化性能。接頭強度的實驗結果與兩種擬合離散性較大，表明焊縫材料在低溫條件下冷脆性能更為明顯，焊縫材料的低溫冷脆轉變溫度遠低于母材，在焊縫連接區段內因材料化學成分復雜、高溫相變、焊接孔洞、微裂縫等多種不確定因素，在設計和研究中應引起重視。

［1］武延民.鋼結構脆性斷裂的力學機理及其工程設計方法研究［D］.清華大學，2004

［2］王元清，武延民，石永久等.低溫對結構鋼材主要力學性能影響的試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2005