基于断裂韧性的钢厚板防脆断性能研究(Ⅰ)——分级评定方法.pdf

'E元清等：基于断裂韧性的钢厚板防脆断性能研究(I)基于断裂韧性的钢厚板防脆断性能研究(I)——分级评定方法王元清，胡宗文，石永久，周晖，陈宏(1．土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学士木工程系．北京100084；2．清华大学建筑设计研究院，北京100084)【摘要】低温和厚度增大是钢材断裂韧性变差的重要因素，随着我国钢结构厚板的广泛应用和低温寒冷地区建筑业的快速发展，钢结构脆性破坏问题会越来越突出。现行规范中指导钢材选材的冲击功指标无法对断裂破坏做出准确的评定，因此引入基于断裂力学缺陷评估方法的断裂韧性指标非常必要。本文在钢结构厚板低温断裂韧性试验结果的基础上提出了一种钢结构厚板断裂韧性的分级评定方法，为选材方法的讨论奠定了基础。【关键词】钢厚板；低温；断裂韧性；裂纹尖端张开位移【中图分类号JTU391【文献标识码JA【文章编号】1001—6864(2011)01—0001—04STUDYoNBRrrrLEFRACTUREoFTHICKSTEELPLATEBASEDoNFRACTUREToUGHNEINDEX——CLASSⅡICATIoNMETHoDWANGYuan．qing，HUZong．wen，SHIYong-jiu，ZHOUHui，CHENHong(1．KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaEducationMinistry，Dept．ofCivilEngineering，TsinghuaUniv．，Beijing100084，China；2．ArchitecturalDesignandResearchInstitute，TsinghuaUniv．，Beijing100084，China)Abstract：Lowtemperatureandlargeplatethicknessareimportantfactorsfortoughnessdeteriorationofstructuralsteels．Withalargenumberofapplicationsofstructuralsteelthickplateandtherapidde-velopmentofconstructionindustryincoldregions，brittlefracturesofsteelstructuresbecomemoreandmoreprominent．Theimpacttoughnessindexadoptedbythecurrentdesigncodescan’tmakeaccurateevaluationsaboutfracturefailures，SOtheintroductionoffracturetoughnessindexusedinfractureme—chanicsbecomesverynecessary．Afracturetoughnessclassificationmethodofthicksteelplateisputfor．wardinthispaperfollowingtheresultsoffracturetoughnesstestsatlowtemperature．Thispaperprovidesbasisformaterialselectiondiscussionsinthesucceedingpaper．Keywords：thicksteelplate；lowtemperature；fracturetoughness；cracktipopeningdisplacement研究表明，影响结构钢材力学性能和断裂韧性的广泛关注。钢结构防止脆性断裂的选材和设计方法急因素主要有温度、几何尺寸、加载速率、化学成分和加需进一步改进和完善。工工艺等’。其中，温度是重要影响因素，低温使钢现行钢结构设计规范中防止钢结构脆性断裂材的韧性降低，容易发生低温冷脆；另外，对于钢板的主要方法是通过合理的选材达到的，而指导选材的来说几何尺寸主要体现在厚度方面，厚度增大使钢板指标是冲击功。传统的冲击韧性指标无法对钢结构是的应力应变状态、应力集中等发生变化，厚板的中否发生脆性断裂进行准确分析，定量评定方法需要基心偏析现象大大降低了钢板厚度方向的韧性，容易产于断裂力学理论和相应的断裂韧性指标。生层状撕裂。针对上述情况，本文在已完成的Q345B钢结构厚随着我国钢结构厚板工程的广泛应用’和寒冷板断裂韧性CTOD低温试验结果的基础上，提出了钢地区钢结构的快速发展以及钢结构的冬季施工等，结构厚板断裂韧性的分级评定方法，为选材方法的提低温冷脆问题显得十分突出，引起了工程师和学者的出打下基础。[基金项目]国家自然科学基金资助项目(50778102) 2低温建筑技术2011年第1期(总第151期)1断裂韧性试验结果展，随着裂纹扩展的进行和裂纹尖端的钝化，试样最终试验根据GB／T2358-94(金属材料裂纹尖端张开发生脆性断裂，脆性断裂发生时裂纹的扩展长度大于位移试验方法》训和GB2038-91《金属材料延性断裂0．2ram。韧度试验方法》，在+20、0、一20、一40、一60~C表2值试验结果mm五个温度点下对结构钢材Q345B的厚板(t=60、90、120、150ram四种厚度)进行了三点弯曲试验。板厚位置20℃0~C一20℃一40℃一60~CQ345B厚板的化学成分如表1所示。01．31一一1．2l一60l／41．241．2O1．O81．10O．6O表1Q345B厚板化学成分wt％1／21．19一一1．o5—0l|l9一一1．o6—90l／41．21．040．980．83O．751／21．13一一O．77—00．87————1．04——1201／40．910．930．740．450．201／20．59一一0．18—每种厚度的钢板在不同位置取样(距表面0、1／00．830．900．820．760．448t、1／4t、3／8t、1／2t)。试验采用直三点弯曲试样，代号1／80．770．750．80．65O．15为sE(B)，尺寸如图1所示。‘150l／40．790．700．53O．3O．183／80．68O．65O．42O．24O．13l0r_11／20．540．420．2O0．110．15[口尺寸单位：Inmk试验中测量跨中荷载P和刀口张开位移，绘成P-曲线，计算出裂纹尖端张开位移CTOD值，选用最大载荷CTOD特征值艿作为代表值，即最大载荷点或最大载荷平台初始点对应的CTOD值。艿试验结果如表2所示(均为3个试样的平均值)。图2P．-y曲线类型【Iq试验结果分析得到CTOD值随钢板厚度、取样位置、温度的变化规律，结论如下：(3)e)曲线表明裂纹扩展前裂纹尖端发生较大(1)随温度降低，以及钢板厚度的增大，钢厚板变形，裂纹发生延性扩展，曲线达到最高点后开始进入的CTOD值均呈现降低趋势，断裂韧性变差。下降段，整个过程中没有脆性断裂的现象。(2)钢厚板因为中心偏析现象，沿厚度方向的由此可见，不同的曲线形式已经反映了钢材韧性断裂韧性不同，从表面到中心位置，CTOD值不断减的差异，因此可以利用曲线形式定性地评定钢材的断小，当厚度增大、温度降低时这种降幅更加明显。裂韧性，这是分级评定方法的基本思想。当然，为了保2钢材断裂韧性分级评定方法证结果的规范性和一致性，需要规定标准试件，这里参2．1P—V曲线类型照本试验的试件尺寸(如图1)。在试验标准GB／T2358—94《金属材料裂纹尖端2．2方法的具体实现张开位移试验方法》¨。。中列出了5种不同形式的P—不妨根据p—曲线的类型将钢材的韧性分为3个曲线，如图2所示。试验中b)、d)曲线的阶跃现象级别：I级断裂韧性(好)，对应曲线e)；II级断裂韧性并未出现，暂不考虑。(中)，对应曲线c)；III级断裂韧性(差)，对应曲线(1)a)曲线表明试样刚刚进人塑性阶段即发生a)。试验中4种厚度钢板的曲线类型统计如表3所示脆性断裂，脆性断裂发生时裂纹的延性扩展长度不超(每个试验点有3个试样)。过0．2mm。为了更直观地表示断裂性能差异分布，将表3内(2)c)曲线表明在开始时裂纹的扩展为延性扩容进一步归纳划分，划分原则为：综合考虑3个试样的 王元清等：基于断裂韧性的钢厚板防脆断性能研究(I)3情况，eee、cee归于e)曲线形式，定为I级断裂韧性；4t、1／2t中的某一数值；对于120～150厚板时为0、1／eee、cec归于c)曲线形式，定为II级断裂韧性；acc，8t、1／4t、3／8t、1／2t中的某一数值)，取L：L2。例如，aac，aaa归于a)曲线形式，定为III级断裂韧性。将钢板厚80mm，切割处理后应力集中区距离钢板表面ace定为III级而不是II级断裂韧性，是因为a)曲线表15mm，距离在[0，1／4t]范围内，则取L=1／4t。现出明显的脆断特征，偏于安全考虑，只要存在a)曲表4断裂韧性级别分布线就归为III级。考虑到整个分布规律，对于个别试验点进行修正。断裂韧性级别分布结果如表4所示。板J~-／mm位置2Ooc0℃一2o℃一4o℃一60℃表3P_曲线类型分布I1ⅡIllIIIII11I∞加∞IⅡIII11ll1l1llJlOO00IIII1IIIIIIIInIIIInIIIII!(Ib)I钢I板经Ⅱ过U一段时间服役后在检测时发现存在裂纹，裂纹最深处距离表面在[￡。，￡]区间时，则L=L2。例如，钢板厚140ram，某裂纹距表面40ram，距●●ⅡⅡm从表4可见，钢板厚度增大、温度降低以及位置由离在[1／4t，3／8t]范围内，则取L=3／8t。板表面到中心的位置变化这三个因素对断裂韧性表IIlIIHl2．3假设的工程应用现出不利影响。利用表4进行选材或设计，思路如下：确定三个参数之后查表4，即可确定断裂韧性的(1)设定参数，参数包括钢板厚度、温度和潜在级别，下面列举若干假设的工程应用。断裂倾向的厚度范围，设计时根据钢板实际工作状况(1)某地区某高层建筑，采用80ram厚钢板来获得这三个参数，然后利用参数查表4确定断裂韧(Q345B)设计，当地最低气温达到一32℃。钢板未经性等级。过切割等工艺措施且经检测无裂纹缺陷。(2)钢板厚度参数t。当厚度在[t。，t]区间时确定参数，t=90，T=一40，L=0，查表得到断裂韧取厚度t=t2(t。、t2为60、90、120、150中的某一数值)。性级别为I级，韧性良好。例如，实际板厚为100mm时，取t：120。(2)某地区大跨建筑，采用130ram厚钢板(3)温度参数。当工作环境最低温度在[。，(Q345B)设计，当地最低气温达到一18℃。部分钢板]区间时取温度T=(71I、为一60、一40、一20、0、经过切割处理，拉应力集中区距离表面25mm。20℃中的某一数值)。例如，实际最低温度为一25％确定参数，t=150，T：一20，L=1／4t，查表得到断时，取T=一40~C。裂韧性级别为II级，需注意钢结构的低温脆断。(4)厚度位置参数。这个参数的情况比较复(3)某地区超高层建筑，采用100mm厚钢板杂，因为作为厚板其潜在断裂倾向的厚度范围并不容(Q345B)设计，当地最低气温达到一45℃。经过若干易界定，与应力状态、加工工艺等都有较大关系。这里年服役，在检测时发现钢板内存在类裂纹缺陷，深度达仅从钢板的宏观情况判定。到20mm。(a)厚板经过施工过程(切割或构造处理)，形确定参数，t：120，T=一60，L=I／4t，查表得到断成拉应力集中区或受力较大区，该区域距表面的距离裂韧性级别为III级，韧性非常差，需及时修复加固以在[L。，￡]区间时(L。、L对于60～120厚板时为0、1／避免脆断事故的发生。 4低温建筑技术2011年第1期(总第151期)2．4公式化探讨本文提出的相关观点为钢结构厚板防脆性断裂利用150nun厚度钢板继续探讨。为便于运用，对选材方法的进一步研究提供了基础和思路。表4中的级别分布做适当修正，得结果如表5所示。表5150mm厚钢板断裂韧性级别参考文献[I]武延民．钢结构脆性断裂的力学机理及其工程设计方法研究[D]．北京：清华大学，2004．[2]WangYQ，ZhouH，ShiYJ。ChenH．Studyonfracturetough—nessindicesofChinesestructuralsteelandweldmetalfc1／／Pro-eeedingsofthelntemationalOfshoreandPolarEngineeringCon—ference，Beijing，China，June20—25，2010，4：129一l34．【3]wuYM，WangYQ，ShiYJ。JiangJJ。Efectsoflow~mpem-tureonpropertiesofstructuralsteels[J]．JournalofUniversityof可以看出，修正后的分布结果规律性强，对于ScienceandTechnologyBeijing。2004，l1(5)：442—448．150ram的Q345B厚钢板，可简单表述如下：[4]KuwamumH，lyamaJ，MatsuiK．Efectsofmaterialtouness8L0．05T≤2，断裂韧性级别为I级；andplatethicknessonbrittlefme~mofstelmembers[J]．Jour-halofStructuralEngineering，2003，129(11)：1475—1483．2<8L0．05T≤4，断裂韧性级别为II级；¨二I[5]王元清，周晖，石永久．，陈宏，李少甫．钢结构厚板层状撕裂80．05T>4，断裂韧性级别为III级。及其防止措施的研究现状【j]．建筑钢结构进展，2010．(待其中，为存在脆断倾向的位置；T为工作环境发表)温度柴昶．厚板钢材在钢结构工程中的应用及其材性选用[J]．钢例如，150ram厚的Q345B钢板，检测存在的裂纹结构，2004，19(5)：47—53．距钢板表面深度为30ram，工作最低温度为一35~C，则胡宗文，王元清，石永久，陈宏．钢结构厚板的工程应用及其脆性破坏研究[J]．钢结构，2008(增刊)：38—45．L=30／150=0．2，T=一35，8L一0．05T=3．35，贝4断戴为志，刘景风．建筑钢结构焊接技术——“鸟巢”焊接工程裂韧性级别为II级，存在胞胜断裂倾向。实践[M]．北京：化学工业出版社，2008．该结果仅仅是根据150mm厚钢板试验结果得到GB50017—2003，钢结构设计规范[s]．的，用来说明钢材断裂韧性分级评定的思路。GB／T2358—94，金属材料裂纹尖端张开位移试验方法[s]．3结语GB2038—91，金属材料延性断裂韧度-，Ic试验方法[s]．本文在Q345B钢结构厚板断裂韧性指标CTOD胡宗文．钢结构厚板及焊缝脆性断裂的力学性能研究[D]．低温试验结果的基础上，利用P．V曲线的不同类型将北京：清华大学，2010．钢板断裂韧性进行分级(按断裂韧性由好到差分为I、[收稿日期]2010一l0一O3II、III共三级断裂韧性)，然后引入钢板厚度参数、温度[作者简介]王元清(1963一)，男，安徽霍山人，教授，博士生参数和厚度方向位置参数，利用参数确定钢板断裂韧导师，主要从事钢结构的研究。性的级别，以评定钢结构厚板脆性断裂倾向的大小。欢迎订阅《低温建筑技术》(月刊)《低温建筑技术》1979年创刊面向广大从事基本建设的设计、科研、教学、施工和管理人员，是指导我国三北地区建筑科学技术和冬期施工技术发展的唯一综合性的科技期刊。订阅办法：全年12期，每期定价l0．00元，全年120．00元整，另附邮资40元，即每套定价160元。全国各地邮局均可订阅，邮发代号14—122，请到当地邮局订购，也可通过邮局汇款到哈尔滨市南岗区清滨路60号《低温建筑技术》编辑部订阅。刊址：哈尔滨市南岗区清滨路60号邮政编码：150080电话：0451—8633409786335022传真：0451—86334097电子信箱：Lowtem@163．com网址：http：／／dwjzjs．periodicals．net．cn'