Q420q橋梁鋼動態斷裂韌性的研究①

黃　飛， 朱興江， 張久峰， 張曉麗

(國家鋼鐵及制品質量監督檢驗中心，安徽 馬鞍山　243000)

引　言

橋梁鋼主要用于架造鐵路橋梁、公路橋梁、跨海大橋等，要求有較高的強度、沖擊韌性；此外，橋梁在服役時承受機車車輛的高速加載，由于金屬材料對加載速率的敏感性不同，其抗斷能力隨加載速率的不同而變化，不同溫度、不同季節溫差較大。常溫下，靜態條件下測試強屈比和低周疲勞等已不能完全評價橋梁鋼在實際使用時抵抗斷裂的能力[1-3]；此外，幾乎所有的斷裂事故都是由于缺陷導致裂紋的生成和擴展引起的[4-5]。因此，通過應用斷裂力學的分析研究方法，把構件的裂紋尺寸，服役特點與材料的抗斷能力定量聯系起來，對含裂紋的構件進行動態斷裂韌性的評估，設計時考慮橋梁鋼的動態斷裂韌性，可以更準確地為橋梁的安全設計制定驗收標準提供理論依據[6]。

1　試驗過程

1.1　試驗材料

試驗材料為取自某鋼廠生產的Q420q橋梁鋼板，厚度δ=16 mm，其化學成分如表1所示；金相組織為鐵素體+珠光體，如圖1所示。

表1　 試驗用鋼化學成分分析結果/%

圖1　試樣的金相組織照片

1.2　試驗方法

根據GB/T 2975-1998[7]由鋼板的縱向截取試驗鋼樣坯，按照GB/T 229-2007[8]制成55 mm×10 mm×10 mm夏比沖擊試樣，開V型缺口，動態斷裂韌性測試試樣依據GB/T 4161-2007[9]進行疲勞裂紋的預制。

分別在20 ℃，0 ℃，-20 ℃，-40 ℃，-60 ℃五個試驗溫度條件下進行沖擊吸收能量(KV2)的測試和動態斷裂韌性(動態應力強度因子KId)的測試，每個溫度條件下測試3件，沖擊試樣低溫槽冷卻介質采用無水乙醇。在國家鋼鐵及制品質檢中心NI500C儀器化沖擊試驗機上進行，試驗機標稱能量500 J，初始速率V0=5.3 m/s，動態斷裂韌性測試試樣用夏比沖擊試樣(55 mm×10 mm×10 mm)在日本島津EHF-EM200k1-070-0A電液伺服疲勞試驗機上預制裂紋，裂紋比為a/w=0.45。試驗時儀器化沖擊試驗機軟件自動記錄F-t和F-s曲線，由計算機軟件自動計算出各階段消耗的能量和動態應力強度因子。

2　結果與討論

2.1　沖擊吸收能量及韌脆轉變規律

不同試驗溫度條件下沖擊吸收能量如表2所示。由表可知，隨著試驗溫度的下降，沖擊吸收能量呈下降趨勢，其沖擊試樣斷口的纖維斷面率亦呈現下降趨勢。

表2　不同試驗溫度條件下夏比沖擊試樣測試結果

沖擊吸收能量隨試驗溫度的變化曲線圖及纖維斷面率隨試驗溫度的變化曲線如圖2，3所示，其變化規律隨溫度的變化較平緩，無明顯的拐點。在室溫20 ℃時，其纖維斷面率為100%，呈韌性斷裂，隨著試驗溫度的下降，其纖維斷面率下降，在-40 ℃時，其纖維斷面率為50%，在-60 ℃時，纖維斷面率為0，斷口完全脆化，試樣在試驗溫度范圍內呈現韌脆轉變現象。按照GB/T 229-2007中規定的斷口形貌以纖維斷面率為50%所對應的溫度記為FATT50，即由沖擊吸收能量和纖維斷面率測試所得，該鋼的韌脆轉變溫度為-40 ℃。

圖2　沖擊吸收能量隨試驗溫度的變化曲線圖

圖3　沖擊斷口纖維斷面率隨試驗溫度的變化曲線圖

2.2　動態斷裂韌性及韌脆轉變規律

不同試驗溫度條件下帶預制裂紋的夏比沖擊試樣儀器化沖擊測試結果如表3所示。由表可知，隨著試驗溫度的下降，動態應力強度因子呈明顯下降趨勢，其沖擊吸收能量亦呈現下降趨勢。

表3不同試驗溫度條件下帶預制裂紋的夏比沖擊試樣測試結果

試驗溫度/℃沖擊吸收能量/J動態應力強度因子/(MPa·m1/2)20255.4246.5202.8650.85700.86625.990196.7225.1250.2640.22602.16611.32-20110.395.2108.6465.78425.35469.57-4068.954.260.1225.67215.42131.20-6021.220.518.8106.2281.3584.22

如圖4所示為該鋼在不同試驗溫度條件下的動態斷裂韌性測試結果曲線，其具有明顯的韌脆轉變特征，具有明顯的平臺和拐點。在小于-40 ℃區域，材料失穩后以解理方式擴展，屬于脆性斷裂，在-20 ℃，裂紋擴展既有脆性的解理斷裂，又有止裂帶，在0℃以上，斷口主要呈現韌性斷裂，相比較-20～-40 ℃，其動態應力強度因子(KId值)急劇下降。此種變化規律表明，在-20～-40 ℃溫度范圍內，此種帶預制裂紋的橋梁鋼存在韌脆轉變特征。如圖5所示為帶預制裂紋的夏比沖擊試樣沖擊吸收能量隨試驗溫度的變化曲線圖，其呈現出與動態應力強度因子類似的變化規律，但離散性較大。

圖4　動態斷裂韌性隨試驗溫度的變化曲線圖

圖5　沖擊吸收能量隨試驗溫度的變化曲線圖(試樣帶預制裂紋)

3　結束語

(1)用儀器化沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗，測出不同試驗溫度下沖擊吸收能量和沖擊試樣斷口纖維斷面率，得出該鋼板的韌脆轉變溫度為-40 ℃。

(2)用儀器化沖擊試驗機進行帶預制裂紋的夏比沖擊試驗，得出其不同試驗溫度條件下的動態應力強度因子(KId值)，并從該KId變化曲線可以看出，其具有韌脆轉變特征，其轉變的溫度區間為：-40～-20 ℃。

(3)從實際橋梁鋼的服役特點以及鋼鐵材料中均會有一定缺陷的角度考量，用動態斷裂韌性的韌脆轉變溫度來進行安全設計更具有應用價值，從動態應力強度因子的變化特征來看，該Q420q橋梁鋼的安全服役溫度不應低于-20 ℃。

參考文獻：

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[8]GB/T 229-2007.金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2008.

[9]GB/T 4161-2007.金屬材料 平面應變斷裂韌度KIC試驗方法[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2008.