李文亮，高義斌，冀晉川

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼Q420低溫?cái)嗔秧g性研究

李文亮，高義斌，冀晉川

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

針對(duì)不同板厚的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼Q 420角鋼進(jìn)行了不同溫度下的斷裂韌性試驗(yàn)，計(jì)算得出了試樣的裂紋尖端張開(kāi)位移指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材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??？傮w趨勢(shì)上來(lái)講，試樣厚度的增大也引起鋼材斷裂韌性的降低。因此，在重要工程設(shè)計(jì)、選材及安全分析時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度和厚度對(duì)結(jié)構(gòu)斷裂行為的影響。

高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼；裂紋尖端張開(kāi)位移；斷裂韌性

0 引言

以往，我國(guó)架空輸電線路鐵塔普遍采用Q235和Q345強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，與國(guó)外先進(jìn)水平（Q450及以上）相比，強(qiáng)度偏低、結(jié)構(gòu)用鋼量偏大，增加了建設(shè)投資。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，塔型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、外形尺寸龐大，因此對(duì)材料提出了新的要求。我國(guó)采用強(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，而且從經(jīng)濟(jì)角度上講，也可以節(jié)省整體造價(jià)2%～6%[1]。因此，Q420高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼在我國(guó)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。

高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼材在常溫下表現(xiàn)出良好的塑性和韌性，但隨著溫度的降低，鋼材的塑性和韌性逐漸變差，其斷裂行為也由延性斷裂向脆性斷裂發(fā)生轉(zhuǎn)變，極易發(fā)生脆性斷裂[2]。脆性斷裂是鋼結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的破壞形式之一，這主要是它的發(fā)生具有突然性，破壞前沒(méi)有明顯的塑性變形，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的承載能力很低，即在低應(yīng)力下就會(huì)發(fā)生脆性破壞，從而大大增加了鋼結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)性。因此，無(wú)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對(duì)材料變形和斷裂行為的影響。本文主要對(duì)不同板厚的Q420角鋼進(jìn)行了低溫下裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD（Crack Tip OpeningDisplacement）的斷裂韌性試驗(yàn)研究，為工程設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供依據(jù)。

1 斷裂韌性試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材選取典型電力鐵塔用鋼Q420角鋼，規(guī)格為支寬200mm，厚度分別為12mm、14mm、16mm、18mm和20mm。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

1.2 試樣制備

斷裂韌性試驗(yàn)采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7448[3]：1991-PartⅠ的3點(diǎn)彎曲SEB（Single-Edge Notch Bend Specimen） 標(biāo)準(zhǔn)試樣，所有試樣均從角鋼上縱向截取并加工成厚度分別為10mm、12mm、14mm、16mm和18mm標(biāo)準(zhǔn)3點(diǎn)彎曲試樣。試樣缺口采用直徑為0.10mm的鉬絲線切割相應(yīng)長(zhǎng)度缺口后，再用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制2mm長(zhǎng)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(guò)程中，應(yīng)控制裂紋擴(kuò)展不要太快，避免裂紋尖端發(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，試樣厚度為14 mm的具體試樣尺寸如圖1所示。

圖1 Q420結(jié)構(gòu)鋼CTOD試樣尺寸，mm

2 斷裂韌性試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

試驗(yàn)是在30 t的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)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(kāi)位移）并存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)試驗(yàn)步驟如下。

a）試驗(yàn)前精確測(cè)量每個(gè)試樣的厚度B、寬度W及刀口厚度z，測(cè)量精度為0.02mm。

b）按試驗(yàn)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(cè)溫計(jì)距裂紋尖端不超過(guò)2mm范圍為試驗(yàn)溫度，精度為±2℃，保溫時(shí)間為每毫米不少于30 s（試驗(yàn)跨距S為4W±0.2W）。

c）采用一次加載方式直到試樣失穩(wěn)破壞，加載速率K在線彈性變形階段應(yīng)控制在0.5～3.0MPa·m0.5/s之間，并同時(shí)記錄試樣載荷—位移曲線。當(dāng)試樣加載到P—V曲線達(dá)到最大載荷并剛剛開(kāi)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(kāi)始卸載。

d）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。用工具顯微鏡對(duì)試樣斷口測(cè)量初始裂紋長(zhǎng)度的平均值a0和裂紋長(zhǎng)度的平均值a，由此計(jì)算出裂紋擴(kuò)展量Δa。測(cè)量的具體方法為：沿試樣厚度方向取9個(gè)測(cè)量位置分別進(jìn)行測(cè)量，其中最外側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)位于距試樣表面1%B處，然后在這兩個(gè)點(diǎn)之間等間距地取7個(gè)測(cè)量位置。裂紋長(zhǎng)度按式（1）、式（2）、式（3）計(jì)算。

e）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(kāi)位移VP（mm），按BS7448 PartⅠ中的式（4） 計(jì)算CTOD值，

式（4）中取彈性模量E=2.01×105MPa；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。

2.2 載荷—裂紋嘴張開(kāi)位移曲線（P—V曲線）

典型的載荷—裂紋嘴張開(kāi)位移曲線如圖2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(kāi)位移的塑性部分VP，為計(jì)算裂紋尖端張開(kāi)位移δ提供數(shù)據(jù)。

圖2 典型的載荷—位移曲線

2.3 CTOD試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)式（4）計(jì)算得到的不同板厚Q420角鋼在不同溫度下的臨界CTOD值，見(jiàn)表2。由表2可以看出，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌性有明顯的影響，隨著溫度的降低鋼材的斷裂韌性顯著減小，使鋼材由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，同時(shí)，厚度對(duì)鋼材的斷裂韌性也有較大影響[4,5]。隨著厚度的增加，裂紋尖端區(qū)域從平面應(yīng)力向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并在缺口尖端區(qū)域出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài)，限制了裂紋尖端的塑性流動(dòng)，同時(shí)，缺口尖端產(chǎn)生應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象，使得裂紋尖端張開(kāi)位移減小，導(dǎo)致鋼材容易發(fā)生脆性斷裂[6]。因此，厚度的增加會(huì)降低鋼材的斷裂韌性。

表2 Q420角鋼的CTOD值

2.4 試樣斷口分析

圖3 16mm板厚角鋼CTOD試樣斷口形貌

根據(jù)試樣斷口形貌的不同，試樣的斷裂方式可分為δc、δu和δm3種類型，δc為試樣直接發(fā)生脆性斷裂，δu為試樣裂紋發(fā)生少量延性擴(kuò)展后脆斷，δm為延性裂紋擴(kuò)展。3種不同斷裂方式的載荷—裂紋嘴張開(kāi)位移曲線也有所區(qū)別，曲線形式見(jiàn)圖2。

圖3為16mm板厚角鋼CTOD試樣的3種不同斷裂方式下的試樣斷口形貌。由圖3a可以看出，由于厚度方向的離面應(yīng)力約束作用和塑性變形，使得試樣斷面產(chǎn)生沿厚度方向收縮；在試樣斷口中部存在分層現(xiàn)象，而且分層裂紋充分張開(kāi)，分層裂紋的出現(xiàn)削弱了離面應(yīng)力的約束，從而削弱了厚度效應(yīng)，消耗了裂紋擴(kuò)展所需能量，可以提高材料的斷裂韌性，對(duì)材料的性能有利。該斷口形貌顯示出裂紋具有一定的擴(kuò)展長(zhǎng)度，表明該試樣為延性斷裂，即m斷裂方式。圖3b為u斷裂方式，從試樣斷口形貌可以看出，在疲勞裂紋開(kāi)裂區(qū)域，裂紋先發(fā)生少量的延性擴(kuò)展，然后發(fā)生脆性斷裂。圖3c為c斷裂方式，由試樣斷口形貌可以清楚看到，試樣沒(méi)有發(fā)生裂紋延性擴(kuò)展就發(fā)生斷裂，是典型的脆性斷裂。

3 結(jié)論

溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材的斷裂韌性有顯著影響，隨著溫度的降低顯著減小，鋼材的斷裂形式也由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。鋼材的斷裂韌性隨著試樣厚度的增加也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。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)充分考慮溫度和板厚對(duì)鋼材斷裂行為的綜合影響。

［1］ 韓鈺，徐德錄，陳玉成，等.輸電鐵塔用Q420高強(qiáng)鋼及焊接材料的性能評(píng)價(jià)［J］.熱加工工藝，2007，36（3）：43-45．

［2］ 殷瑞鈺.中國(guó)鋼鐵業(yè)發(fā)展與評(píng)估［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38（6）：561-567．

［3］ The Iron and Steel Standards Policy Committee，The Non-ferrous Metals Standards Policy Committee．BS 7448：1991：Fracture mechanics toughness tests，Part1，Method for determination of KIC，critical CTOD and Jvalues ofmetallic materials［S］.Britain：BSI，1991．

［4］ 王元清，武延民，王曉哲，等.含缺口受拉平板三維應(yīng)力場(chǎng)及其對(duì)脆性破壞的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，42（6）：832-834，842．

［5］ 王曉哲.低溫和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響研究［D］.北京：清華大學(xué)，2003．

［6］ 武延民，王元清，石永久，等.結(jié)構(gòu)鋼材裂紋尖端張開(kāi)位移的低溫試驗(yàn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，45（6）：730-732.

Research on Fracture Toughness of High-strength Structural Steel Q420 at Low Tem perature

LIWen-liang，GAO Yi-bin，JI Jin-chuan
（Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

The fracture toughness of high-strength structural steel Q420 with different thickness was studied by three-point bending test.The crack tip opening displacement values were calculated.The results indicated that the temperature had significant influence on fracture toughness of structural steel and the fracture toughness was reduced significantly with the decrease of temperature resulting to brittle fracture.Generally,the increase of specimen thickness also caused the decrease of fracture toughness of structural steel.Thus，the effects of temperature and the thickness should be considered in the important engineering design,material selection and safety analysis.

high-strength structural steel；crack tip opening displacement；fracture toughness

TG142.15

A

1671-0320（2012）04-0042-03

2012-03-09，

2012-04-11

李文亮（1982-），男，山西朔州人，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)材料加工工程專業(yè)，從事金屬監(jiān)督技術(shù)和材料檢測(cè)方面的工作；

高義斌（1979-），男，山西襄垣人，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)材料加工工程專業(yè)，工程師，從事金屬監(jiān)督技術(shù)和材料檢測(cè)方面的工作；

冀晉川（1963-），男，山西太原人，1984年畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院金屬專業(yè)，高級(jí)工程師，從事金屬監(jiān)督技術(shù)和管理工作。