田越

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

Q500qE高性能橋梁鋼斷裂韌性CTOD試驗(yàn)研究

田越

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

針對(duì)不同厚度規(guī)格的Q500qE高性能橋梁鋼母材和焊接接頭，在不同溫度條件下進(jìn)行了斷裂韌性CTOD試驗(yàn)，旨在系統(tǒng)研究Q500qE高性能橋梁鋼母材及其焊接接頭的斷裂抗力隨溫度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著溫度的降低，32和44 mm板厚 Q500qE母材的斷裂韌性變化不大，但60 mm板厚Q500qE母材的斷裂韌性在溫度降至－40℃以下后，有較大幅度的降低;各種板厚的Q500qE焊縫的斷裂韌性都比母材低;隨著溫度的下降，Q500qE焊縫的斷裂韌性大幅降低，特別是44和60 mm板厚Q500qE焊縫。說(shuō)明Q500qE焊縫的抗斷性能，尤其是低溫抗斷性能比母材要差很多。評(píng)定結(jié)果表明:除60 mm板厚Q500qE母材－50℃時(shí)的CTOD值外，其它各種板厚Q500qE母材的CTOD值均在失效評(píng)定曲線FAD圖的可接受區(qū)域內(nèi)，其斷裂韌性值是合格的;32，44，60 mm板厚的Q500qE焊縫，僅有常溫及32 mm板厚在－20℃的斷裂韌性是合格的，與母材相比，Q500qE焊縫的低溫抗斷性能較差。所以，對(duì)于Q500qE高性能橋梁鋼需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)焊縫性能的改善研究。

Q500qE高性能橋梁鋼 斷裂韌性(CTOD) 結(jié)果評(píng)定 試驗(yàn)研究

迄今為止，國(guó)內(nèi)外的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范都是通過(guò)控制鋼材的沖擊韌性指標(biāo)來(lái)對(duì)鋼橋的低溫?cái)嗔堰M(jìn)行控制。沖擊韌性指標(biāo)由沖擊試驗(yàn)得到，用來(lái)表征材料的低溫防脆斷能力。但是隨著鋼橋的荷載和跨徑越來(lái)越大，橋梁鋼結(jié)構(gòu)中采用了更多的厚鋼板及其焊接接頭，對(duì)于它們的低溫防脆斷能力，用沖擊韌性來(lái)衡量，局限性較大。這主要是由于沖擊試驗(yàn)在試樣取樣時(shí)受到限制。按相關(guān)規(guī)范，沖擊試驗(yàn)試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是10 mm ×10 mm×55 mm。對(duì)于厚度＞10 mm的鋼板，試驗(yàn)結(jié)果就不能代表整個(gè)鋼板的斷裂韌性。

另外，材料表現(xiàn)為韌性斷裂還是脆性斷裂，還與材料所受的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。而沖擊試驗(yàn)局部取樣的方法，改變了材料的應(yīng)力狀態(tài)。大跨度鋼橋的鋼板厚度往往較大(南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋的鋼板最大厚度已達(dá)80 mm)，而沖擊韌性試樣的尺寸只有10 mm×10 mm ×55 mm，按規(guī)范，對(duì)厚度為60～100 mm的鋼板，沿厚度方向不同位置取3個(gè)試樣來(lái)測(cè)量。這樣，從力學(xué)上看，是把厚板材料原本所處的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為平面應(yīng)力狀態(tài)，然后再測(cè)量沖擊韌性，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，并且偏于危險(xiǎn)。例如，船體上的厚鋼板90%以上都是結(jié)晶斷口的脆性斷裂，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后卻發(fā)生完全纖維斷口的韌性斷裂［1］。另一個(gè)典型的例子是，1950年美國(guó)北極星導(dǎo)彈試驗(yàn)發(fā)射時(shí)，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生了爆炸。殼體材料是超高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度1 400 MPa)，按V型夏比沖擊試驗(yàn)，殼體材料的斷裂韌性是合格的。

因此對(duì)于大跨度鋼橋的厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)，再用沖擊韌性來(lái)驗(yàn)收母材、評(píng)定焊接工藝就不夠合理，也難以對(duì)脆性斷裂的發(fā)生進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。必須取整塊鋼板厚度、整個(gè)焊接接頭厚度來(lái)制備試樣(全厚度試樣)進(jìn)行斷裂韌性測(cè)定，才能夠保證斷裂韌性測(cè)定的可靠性。這就必須借助于基于斷裂力學(xué)的CTOD試驗(yàn)技術(shù)對(duì)鋼材裂紋的擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行定量的準(zhǔn)確分析。

Q500qE高性能橋梁鋼作為一種新型鋼材，將在滬通鐵路長(zhǎng)江大橋及今后建設(shè)的大跨度鐵路橋梁中大規(guī)模應(yīng)用，其母材和焊接接頭的斷裂韌性CTOD指標(biāo)就成為橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)者非常關(guān)注的問(wèn)題。

1 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD試驗(yàn)

為研究Q500qE高性能橋梁鋼的斷裂韌性，采用32，44，60 mm板厚的 Q500qE母材和對(duì)接焊縫，進(jìn)行室溫、－20℃，－40℃ 和 －50℃ 共計(jì) 4種溫度的CTOD試驗(yàn)。

斷裂韌性試驗(yàn)參照《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》(GB/T 21143—2007)進(jìn)行，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)中的單試樣方法，在MTS-810C電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)和高低溫環(huán)境箱上進(jìn)行［2-4］。

試驗(yàn)采用GB/T 21143—2007中帶單邊預(yù)制疲勞裂紋的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，所有板厚的Q500qE母材和對(duì)接焊縫試樣的寬度和厚度比W/B均為2。

試驗(yàn)過(guò)程中，利用液氮對(duì)高低溫環(huán)境箱進(jìn)行降溫，同時(shí)在試樣上粘貼溫度傳感器，當(dāng)溫度達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試樣的溫度誤差控制在±2℃以內(nèi)。

CTOD試驗(yàn)采用位移控制加載方式，加載速率為0.08 mm/s。

CTOD試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 CTOD試驗(yàn)低溫環(huán)境箱

圖2 CTOD試驗(yàn)裝置

2 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù) GB/T 21143—2007，對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣，CTOD值即δ可按下式計(jì)算。

式中:S為試樣的跨距;W為試樣的寬度;F為施加的力;B為試樣的厚距，對(duì)于無(wú)側(cè)槽試樣，BN=B;a0為初始裂紋長(zhǎng)度;Δa為包括鈍化區(qū)的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量; v為泊松比;RP0.2為在試驗(yàn)溫度下材料在垂直于裂紋平面方向0.2%的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度;E為試驗(yàn)溫度下的彈性模量;VP為V的塑性分量;z為用于測(cè)定缺口張開(kāi)位移的引伸計(jì)裝卡位置距離試樣表面的距離。

表1、圖3、圖4是CTOD試驗(yàn)結(jié)果，表中δc，δu和δm為不同板厚 Q500qE母材和焊縫在室溫、－20℃，－40℃和－50℃ 4種溫度下的CTOD值。

表1CTOD試驗(yàn)結(jié)果

從圖 3可以看出，隨著溫度的降低，32 mm和44 mm板厚 Q500qE母材的 CTOD值變化不大，但60 mm板厚 Q500qE母材的 CTOD值在溫度降至－40℃以下后，有較大幅度的降低。

圖3 不同板厚Q500qE母材斷裂韌性(CTOD)

由圖4可以看出，各種板厚的 Q500qE焊縫的CTOD值都比母材低。隨著溫度的下降，Q500qE焊縫的CTOD值大幅降低，特別是44 mm和60 mm板厚Q500qE焊縫，說(shuō)明 Q500qE焊縫的抗斷性能，尤其是低溫抗斷性能比母材要差很多。

3 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD的評(píng)定

國(guó)際上已較多運(yùn)用CTOD試驗(yàn)評(píng)定鋼板和焊接接頭的斷裂韌度，但在有關(guān)規(guī)范中很少規(guī)定鋼板和焊接接頭CTOD的允許值 δmin。同樣，國(guó)內(nèi)規(guī)范也沒(méi)有對(duì)鋼板和焊接接頭 CTOD的允許值 δmin作出規(guī)定。因此，在許多情況下，運(yùn)用CTOD試驗(yàn)評(píng)定鋼板和焊接接頭的斷裂韌性缺少依據(jù)［5-7］。

圖4 不同板厚Q500qE焊縫斷裂韌性(CTOD)

采用文獻(xiàn)［8-9］相同的CTOD評(píng)定方法，將CTOD試樣的單邊疲勞預(yù)裂紋作為缺陷，結(jié)合《金屬結(jié)構(gòu)缺陷可接受性評(píng)定方法指南》(BS 7910)的失效評(píng)定曲線FAD方法對(duì)橋梁鋼的CTOD值進(jìn)行評(píng)定。

Q500qE高性能橋梁鋼CTOD值的評(píng)判結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

CTOD的評(píng)定結(jié)果表明:除60 mm板厚 Q500qE母材－50℃時(shí)的CTOD值外，其它各種板厚的Q500qE母材的CTOD值均在失效評(píng)定曲線FAD圖的可接受區(qū)域內(nèi)，其斷裂韌性 CTOD值是合格的。而32，44，60 mm板厚的 Q500qE焊縫，僅有常溫及32 mm板厚在－20℃的斷裂韌性CTOD是合格的。評(píng)定結(jié)果說(shuō)明Q500qE焊縫的低溫抗斷性能較差。

表2 Q500qE高性能橋梁鋼CTOD值的評(píng)判結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)斷裂韌性CTOD試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論:

1)隨著溫度的降低，32 mm 和 44 mm 板厚Q500qE母材的 CTOD值變化不大，但 60 mm板厚Q500qE母材的 CTOD值在溫度降至 －40℃以下后，有較大幅度的降低。

2)各種板厚的Q500qE焊縫的CTOD值都比母材低。隨著溫度的下降，Q500qE焊縫的CTOD值大幅降低，特別是44 mm和60 mm板厚Q500qE焊縫，說(shuō)明Q500qE焊縫的抗斷性能，尤其是低溫抗斷性能比母材要差很多。

3)評(píng)定結(jié)果表明:除60 mm板厚 Q500qE母材－50℃時(shí)的CTOD值外，其它各種板厚Q500qE母材的CTOD值均在失效評(píng)定曲線FAD圖的可接受區(qū)域內(nèi)，其CTOD值是合格的。

4)32，44，60 mm板厚的 Q500qE焊縫，僅有常溫及32 mm板厚在－20℃的CTOD值是合格的，與母材相比，Q500qE焊縫的低溫抗斷性能較差。

5)對(duì)于Q500qE高性能橋梁鋼需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)焊縫材料和工藝的改善研究。

［1］肖紀(jì)美.金屬的韌性與韌化［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 21143—2007 金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家機(jī)械工業(yè)局.JB/T 4291—1999 焊接接頭裂紋尖端張開(kāi)位移(COD)試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［4］British Standards Institution.BS7448:Part 1 Method for Determination of KIc，Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials［S］.London:British Standards Institution，1991.

［5］British Standards Institution.BS7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures［S］.London:British Standards Institution，2005.

［6］苗張木，陶德馨，楊榮英.焊接接頭韌度CTOD評(píng)定的適用性與允許值研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2006，28(1):150-155.

［7］楊新歧，王東坡，李小巍，等.海洋石油平臺(tái)焊接接頭大型CTOD試驗(yàn)［J］.焊接學(xué)報(bào)，2002(4):48-52.

［8］張玉玲.大型鐵路焊接鋼橋疲勞斷裂性能與安全設(shè)計(jì)［D］.北京:清華大學(xué)，2004.

［9］田越.CTOD與BS 7910結(jié)合的橋梁鋼斷裂韌度評(píng)定方法.［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(2):40-44.

Research on fracture toughness of Q500qE high-performance bridge steel by CTOD(Crack Tip Opening Displacement)test

TIAN Yue
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he fracture toughness(CT OD)of Q500qE high-performance bridge steel and welded joints were studied in this paper，with consideration of different steel thickness.T he focus was the anti-fracture properties of Q500qE high-performance bridge steel and welded joints at different temperature.Research results reveal that the fracture toughness(CT OD)of 32 mm and 44 mm thickness Q500qE base metal changes little with decreasing temperature while that of 60 mm thickness Q500qE base metal is decreased obviously once temperatures down to －40℃.T he fracture toughness(CT OD)of various thickness of Q500qE weld metal is lower than that of the base metal.As the temperature drops，the fracture toughness(CT OD)of Q500qE weld metal is significantly reduced.In particular，the decrease of fracture toughness is more significant for 44 mm and 60 mm thickness Q500qE weld.It indicates that the fracture resistance of Q500qE weld metal is lower than that of the base metal，especially at low-temperature.Except for the base metal of 60 mm thickness Q500qE at－50℃，the CT OD values of other Q500qE base metal was within the acceptable areas of failure assessment curve(FAD diagram)and the fracture toughness(CT OD)values are qualified.For 32，44，60 mm thickness of Q500qE weld metal，the fracture toughness(CT OD)at room temperature is qualified.On the other hand，only the fracture toughness(CT OD)of 32 mm thickness of Q500qE weld metal is qualified at－20℃.Compared with the base metal，the fracture resistance of Q500qE weld metal at low temperature is poor.It is suggested that further research is needed for the performance of Q500qE welded material.

Q500qE high-performance bridge steel;T he fracture toughness(CT OD);Evaluation;Experimental study

U441+.6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.04

(責(zé)任審編 孟慶伶)

2015-07-02;

:2015-09-10

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2007G029)

田越(1965— )，男，研究員，博士。

1003-1995(2015)11-0014-04