肖光春，荊洪陽，徐連勇

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

預(yù)應(yīng)變對(duì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼低溫?cái)嗔秧g性的影響

肖光春1,2，荊洪陽1,2，徐連勇1,2

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

對(duì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼 Q420試樣及具有 2%預(yù)應(yīng)變?cè)嚇臃謩e進(jìn)行了不同溫度下的拉伸試驗(yàn)和斷裂韌性試驗(yàn)，測試了其力學(xué)性能和斷裂韌性.試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌性具有明顯的作用，鋼材的斷裂韌性隨著溫度的降低顯著減小，斷裂方式也由延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩焕A(yù)應(yīng)變因工作硬化提高了鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，而壓預(yù)應(yīng)變因包申格效應(yīng)降低了鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，但兩者都降低了鋼材的塑性及斷裂韌性，進(jìn)一步增加了脆性斷裂發(fā)生的可能性，而且壓預(yù)應(yīng)變對(duì)鋼材斷裂韌性的影響略大一些.為此，在重要工程設(shè)計(jì)、選材、安全分析及評(píng)定時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度和預(yù)應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)斷裂行為的影響.

高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼；預(yù)應(yīng)變；力學(xué)性能；斷裂韌性

高壓輸電線路大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗電力輸送的特點(diǎn)要求電力鐵塔必須具有足夠的承載能力，致使塔型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、外形尺寸龐大.以往我國輸電線路鐵塔用鋼主要采用 Q235和 Q345強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，與發(fā)達(dá)國家相比，強(qiáng)度偏低、鋼材用量偏大，增加了建設(shè)投資.近年來，我國采用了強(qiáng)度等級(jí)更高的Q420高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼作為電力鐵塔的主材，不僅可降低6%～8%的塔重，還減小了橫擔(dān)主材規(guī)格.從理論上講，由于減小了塔身擋風(fēng)面積因而減小了塔身風(fēng)壓；從經(jīng)濟(jì)角度上講，使用 Q420高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼可節(jié)省整體造價(jià)2%～6%.Q420高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼在我國電網(wǎng)特別是特高壓電網(wǎng)建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景.

輸電線路鐵塔在使用過程中會(huì)受到各種條件的影響，其中最為重要的兩個(gè)影響因素是溫度和塑性變形.在低溫環(huán)境下，結(jié)構(gòu)鋼材具有較低的塑性和斷裂韌性，其斷裂行為也由延性斷裂向脆性斷裂發(fā)生轉(zhuǎn)變.此外，輸電線路鐵塔由于受到風(fēng)力、覆冰、導(dǎo)線自重及斷線受載的作用，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，即為預(yù)應(yīng)變.預(yù)應(yīng)變的產(chǎn)生會(huì)直接影響鋼結(jié)構(gòu)的變形能力和斷裂抗力，引起材料斷裂韌性的下降，甚至在裂紋尖端引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂的發(fā)生[1-2]，使鋼結(jié)構(gòu)失效的幾率大增.因此，無論是在鋼結(jié)構(gòu)的選材或設(shè)計(jì)，還是在安全分析及評(píng)定中都必須考慮溫度和塑性預(yù)應(yīng)變對(duì)材料變形和斷裂行為的影響.

目前，預(yù)應(yīng)變對(duì)材料力學(xué)性能的影響主要在管線鋼應(yīng)用中進(jìn)行了研究[1-6]，對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼國內(nèi)外少有研究.筆者主要對(duì)我國普遍采用的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼Q420原材料及具有一定預(yù)應(yīng)變水平材料進(jìn)行了低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)研究，分析了溫度和預(yù)應(yīng)變對(duì)其斷裂韌性的影響，為鋼結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材選取典型的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼 Q420角鋼，規(guī)格為 200,mm(支寬)×16,mm(厚度)，熱處理狀態(tài)為控軋+控冷.該材料的化學(xué)成分如表1所示.

表1 Q420鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Q420 steel %

1.1 試樣制備

預(yù)應(yīng)變?cè)嚇拥闹苽溥^程為：首先由 Q420角鋼加工如圖1和圖2所示的板狀拉伸試樣和壓縮試樣，試樣的取樣方向均為縱向取樣，然后在 300,kN的萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行預(yù)應(yīng)變拉伸和壓縮處理，當(dāng)每個(gè)試樣的工程應(yīng)變e達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)停止加載并卸載，則預(yù)應(yīng)變preε的計(jì)算式為

圖1 拉預(yù)應(yīng)變?cè)嚇覨ig.1 Tensile prestraining specimen

圖2 壓預(yù)應(yīng)變?cè)嚇覨ig.2 Compressive prestraining specimen

本研究中工程應(yīng)變 e定為 2%，由于 Q420鋼彈性階段的應(yīng)變量很小，e和preε相差很小，認(rèn)為兩者相等，并把預(yù)應(yīng)變水平記為pre2eε≈=%.拉預(yù)應(yīng)變裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement，CTOD)試樣是從拉伸預(yù)應(yīng)變?cè)嚇?見圖 1)的平行部分中心處截取材料，并加工成如圖3所示的符合英國標(biāo)準(zhǔn) BS7448[7]PartⅠ的三點(diǎn)彎曲(SEB)標(biāo)準(zhǔn)試樣.壓預(yù)應(yīng)變CTOD試樣直接由圖2所示的壓預(yù)應(yīng)變?cè)嚇蛹庸こ蓸?biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣.沒有預(yù)應(yīng)變的 CTOD試樣直接從角鋼上縱向截取加工成標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣.試樣缺口采用直徑為 0.10,mm的鉬絲線切割11,mm 長度缺口后，再用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制 2,mm長度的疲勞裂紋模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的初始尖銳裂紋.在預(yù)制疲勞裂紋過程中，控制裂紋擴(kuò)展不要太快以免裂紋尖端發(fā)生塑性變形，試樣的最終裂紋深度與板寬之比控制在 0.45～0.55，具體試樣尺寸如圖 3所示.

圖3 Q420鋼CTOD試樣Fig.3 CTOD specimen of Q420 steel

1.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)試樣的取樣方向均為縱向取樣.由于預(yù)應(yīng)變下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線幾乎遵循原材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，因此預(yù)應(yīng)變下的屈服強(qiáng)度Yσ為原材料在真應(yīng)變preε時(shí)的真應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度Tσ的計(jì)算式[8]為

式中：Tε為原材料的均勻延伸率(在最大載荷時(shí)的工程應(yīng)變)，且其隨著預(yù)應(yīng)變的增大而減??；Tσ為原材料的抗拉強(qiáng)度.根據(jù)原材料室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖 4)及 Q420鋼在電力鐵塔中的實(shí)際應(yīng)用情況，本文對(duì) 2%預(yù)應(yīng)變水平進(jìn)行了分析研究.拉、壓預(yù)應(yīng)變拉伸試樣分別由圖1和圖2所示的試樣截取加工，原材料拉伸試樣由角鋼直接截取加工.

圖4 Q420鋼常溫下工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Nominal stress-strain curve of Q420 steel

為了評(píng)價(jià)臨界CTOD，低溫下的屈服強(qiáng)度σY(t)和抗拉強(qiáng)度σT(t)可以通過式(4)[1]及式(5)[9]計(jì)算得到，即

式中：Yσ和Tσ為室溫條件下沒有預(yù)應(yīng)變時(shí)的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度；bq為溫度敏感系數(shù)；t和t′分別為室溫和試驗(yàn)溫度.

通過拉伸試驗(yàn)及式(2)計(jì)算得到 Q420材料及2%預(yù)應(yīng)變水平材料的力學(xué)性能見表 2.由表可見，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度由于拉伸預(yù)應(yīng)變引起的工作硬化而提高，由于壓預(yù)應(yīng)變引起的包申格效應(yīng)而降低，但二者都降低了材料的塑性.此外，無論是拉預(yù)應(yīng)變還是壓預(yù)應(yīng)變對(duì)屈服強(qiáng)度的影響程度都大于對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響程度.

表2 Q420鋼的拉伸力學(xué)性能Tab.2 Tensile mechanical properties of Q420 steel

1.3 CTOD試驗(yàn)

斷裂韌性試驗(yàn)在300 kN的萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中通過電腦軟件自動(dòng)記錄 P-V曲線(P為施加載荷，V為試樣裂紋嘴張開位移)并存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù).整個(gè)試驗(yàn)步驟如下.

(1) 對(duì)每個(gè)試樣測量其厚度 B、寬度 W 及刀口厚度z，測量精度為0.02,mm.

(2) 試驗(yàn)之前對(duì)載荷、位移測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程在室溫條件下進(jìn)行.

(3) 按要求裝夾好試樣并在低溫槽中進(jìn)行冷卻，低溫槽內(nèi)盛有干冰、酒精低溫介質(zhì).試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證測溫計(jì)距裂紋尖端不超過 2,mm范圍為試驗(yàn)溫度，精度為±2,℃，保溫時(shí)間為每毫米不少于 60,s(試驗(yàn)跨距 S為(4±0.2)W，實(shí)際記錄跨距時(shí)偏差為±0.5%).

(4) 采用一次加載方式直到試樣失穩(wěn)破壞，加載速率K˙在線彈性變形時(shí)應(yīng)保證在 0.5～3.0,MPa·m1/2/s之間，并同時(shí)記錄試樣載荷-位移曲線.需要注意的是試樣加載到P-V曲線達(dá)到最大載荷并剛剛開始下降時(shí)卸載，或試樣發(fā)生脆斷失穩(wěn)破壞時(shí)立刻開始卸載.

(5) 試樣失穩(wěn)破壞后，從低溫槽中取出，對(duì)斷口進(jìn)行烘干處理后在試驗(yàn)機(jī)上快速壓斷試樣.從斷裂試樣上取下斷口形貌用工具顯微鏡測量試樣的初始裂紋長度的平均值a0和裂紋長度的平均值a，由此計(jì)算出裂紋擴(kuò)展量Δa.測量的具體方法為：沿試樣厚度方向取9個(gè)測量位置分別進(jìn)行測量(如圖5所示)，其中最外側(cè)的 2個(gè)點(diǎn)位于距試樣表面 1%B處，然后在這 2個(gè)點(diǎn)之間等間距地取 7個(gè)測量位置.裂紋長度計(jì)算式為

(6) 數(shù)據(jù)處理：根據(jù) P-V曲線上的最大載荷P(N)和對(duì)應(yīng)最大載荷時(shí)的塑性張開位移 VP(mm)按英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448 Part Ⅰ中的公式計(jì)算CTOD值，即

式中：取彈性模量 E＝2.01×105,MPa；泊松比ν＝0.3；σY為材料屈服強(qiáng)度；f(a0/W )為幾何形狀因子，可根據(jù)a0/W的數(shù)值直接查表得到.

圖5 CTOD試樣裂紋長度的測量Fig.5 Measure of crack length of CTOD specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 載荷-裂紋嘴張開位移曲線(P -V曲線)

典型的載荷-裂紋嘴張開位移曲線如圖 6所示，曲線上最大載荷處的拐點(diǎn)即為試樣發(fā)生失穩(wěn)斷裂破壞時(shí)刻，并由該曲線求出裂紋嘴張開位移的塑性部分VP，為后續(xù)計(jì)算裂紋尖端張開位移δ提供數(shù)據(jù).

圖6 典型的載荷-位移曲線Fig.6 Typical load-displacement curve

2.2 CTOD試驗(yàn)結(jié)果

通過式(9)計(jì)算得到的 Q420原材料和 2%預(yù)應(yīng)變?cè)嚇釉诓煌瑴囟认碌腃TOD值，如圖7、圖8和圖9所示.由圖可見，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌性具有顯著作用，鋼材的斷裂韌性隨著溫度的降低而減小，斷裂方式也由延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?預(yù)應(yīng)變的產(chǎn)生也顯著降低了鋼材的斷裂韌性，進(jìn)一步促進(jìn)了脆性斷裂的發(fā)生，而且壓預(yù)應(yīng)變比拉預(yù)應(yīng)變對(duì)鋼材斷裂韌性的影響略大一些.Fukuda等[2]和 Minami等[8]通過數(shù)值模擬分析得出，塑性預(yù)應(yīng)變對(duì)鋼材斷裂韌性的決定性作用可以通過預(yù)應(yīng)變對(duì)裂紋尖端周圍應(yīng)力場的影響來解釋.預(yù)應(yīng)變降低了裂紋產(chǎn)生的阻力，降低了裂紋擴(kuò)展的阻力，提高了裂紋尖端周圍的應(yīng)力.預(yù)應(yīng)變對(duì)裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力的這種作用有利于 CTOD試樣的脆性斷裂.試驗(yàn)表明，具有塑性預(yù)應(yīng)變的鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下服役安全性下降，極易發(fā)生脆性斷裂破壞.

圖7 Q420原材料試樣不同溫度下的CTOD值Fig.7 CTOD values of Q420 virgin material under different temperatures

圖8 Q420拉預(yù)應(yīng)變?cè)嚇硬煌瑴囟认碌腃TOD值Fig.8 CTOD values of Q420 specimen with tensile prestrain under different temperatures

圖9 Q420壓預(yù)應(yīng)變?cè)嚇硬煌瑴囟认碌腃TOD值Fig.9 CTOD values of Q420 specimen with compressive prestrain under different temperatures

3 結(jié) 論

(1) 溫度對(duì) Q420結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌性有顯著影響，其隨著溫度的降低顯著減小，斷裂形式也由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

(2) Q420的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度因拉預(yù)應(yīng)變引起的工作硬化而提高，因壓預(yù)應(yīng)變引起的包申格效應(yīng)而降低，但兩者都降低了鋼材的斷裂韌性.此外，壓預(yù)應(yīng)變比拉預(yù)應(yīng)變對(duì)鋼材斷裂韌性的影響要大.

(3) 在重要工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)用鋼選材和安全評(píng)定分析時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度和塑性預(yù)應(yīng)變對(duì)鋼材斷裂行為的綜合影響.

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Effect of Prestrain on Fracture Toughness of High-Strength Structural Steel at Low Temperature

XIAO Guang-chun1,2，JING Hong-yang1,2，XU Lian-yong1,2
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300072，China)

To investigate the mechanical properties and fracture toughness of high-strength structural steel subjected to 2% plastic deformation with tensile or compressive prestrain，tensile tests and crack tip opening displacement(CTOD)tests were conducted on Q420 steel. The results indicate that the temperature has a significant influence on fracture toughness of structural steel and the fracture toughness reduces significantly with the decrease of temperature resulting to brittle fracture. The yield strength and tensile strength of the workpieces generally increase with tensile prestrain due to work hardening and decrease with compressed prestrain due to the Bauschinger effect. But both prestrains significantly reduce metal′s plasticity and fracture toughness，and further increase the possibility of brittle fracture. Compressive prestrain has a greater effect on the reduction of the critical fracture toughness than tensile prestrain. Thus the effects of the temperature and the prestrain should be considered in the important engineering design，material selection and safety analysis and evaluation.

high-strength structural steel；prestrain；mechanical property；fracture toughness

TG115.5

A

0493-2137(2011)04-0303-05

2010-08-12；

2010-10-08.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975196)；教育部博士點(diǎn)新教師基金資助項(xiàng)目(20070056096)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20090032110026)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(08JCYBJC09100).

肖光春（1979— ），男，博士研究生，xgc@tju.edu.cn.

徐連勇，xulianyong@tju.edu.cn.