结构钢厚板低温冲击韧性试验研究

王元清，胡宗文，石永久，周 晖，陈 宏

(1.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京100084;2.清华大学 建筑设计研究院，北京100084)

目前，结构钢厚板使用越来越广泛，包括超高层及大跨建筑等.随着板厚的增大，钢板的应力应变状态、应力集中等因素迅速恶化.而冶金工艺的现状，不可避免的会导致厚板的中心偏析，位于中心部位的碳、磷、硫、锰等元素集聚变化而使含量突然升高(成分出格)，使得厚板增加了裂纹和疏松的敏感性，降低了韧性［1］.另一方面，我国拥有大面积的寒冷地区，低温会降低钢材的韧性性能，低温脆断现象更加不能忽视.

基于上述情况，结构钢厚板的脆性断裂研究很有意义.本文采用了结构钢厚板低温下冲击韧性的试验研究.冲击韧性指标虽然目前仍难于给出是否安全的有效评价，不能直接代替断裂韧性试验指标，但因为其材料能量指标的测定比较容易，试验结果也较为丰富成熟［2］，因此目前仍旧有很多规范采用了冲击韧性判据指标，如我国的钢结构设计规范(GB50017-2003)［3］就对低温环境中结构所用钢材的冲击韧性指标进行了规定，以防止脆性断裂破坏的发生.在一定条件下，冲击韧性判据指标和断裂力学指标存在着一定对应关系，因此在基于断裂力学的缺陷评价方法中，传统的能量指标仍旧作为断裂力学方法的重要辅助手段和替代手段.

试验要求在钢厚板厚度方向的不同位置取样，同时设置不同温度点，试图得到有关低温影响和沿厚度方向性能差异的相关变化规律，并为研究冲击韧性和断裂韧性2个指标之间的关系提供依据.

1 冲击试验概况

1.1 试验目的

本文试验根据［GB/T 229-1994］中“金属夏比缺口冲击试验方法”［4］，在 20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃这5个温度点下对结构钢材Q345的厚板(60、90、120、150 mm这 4 种厚度)进行冲击试验.每种厚度钢板要在全厚度取样(距表面1/8 L、1/4 L、3/8 L、1/2 L，L 为板厚)，同一条件点选用 4个试样，沿中心对称各2个.试验采用V型缺口试样，测量每个试验点的冲击功Akv值，得到冲击功和板厚度大小、沿厚度的位置以及温度的相互变化规律，进而深入研究韧脆转变温度，为工程设计提供试验依据.

1.2 试样用材和尺寸

试验选用钢厚板由首钢生产，是目前建筑行业广泛使用的Q345型号钢板，60～150 mm厚.要求测量的是纵向冲击功，因此试件缺口方向和钢板轧制方向保持一致，试件尺寸及取样位置如图1、2所示.

图1 冲击试件Fig.1 Impact sample

图2 冲击试件取样位置Fig.2 Schematic sampling location

1.3 试验设备

本试验在SANS摆锤式冲击试验机上进行，标准打击能量为300 J.试验要求将冲击试样冷却至规定温度并保温一段时间后再进行冲击.冷却介质采用酒精和液氮的混合液体，在保温箱中将试件冷却，这种方法可以将试样冷却到-80℃左右.试验用温度计量程为-80～50℃，最小分度值1℃.试验装置如图3所示.

图3 冲击试验机Fig.3 Impact test equipment

1.4 试验过程及注意事项

1)为提高效率，试验从高温到低温进行，多试样同时冷却;

2)试样应在规定温度下保持足够时间，这里要求不少于5 min;

3)移取试样时，夹具的温度应与介质温度尽量相同;

4)试样紧贴支座放置，并使其缺口背面朝向摆锤刀刃，缺口对称面位于两支座对称面上，其偏差不应大于0.5 mm;

5)试样移除后必须在3～5 s内打断试样，并参照GB/T 229-1994附录A［4］补偿温度损失.

2 冲击试验结果

2.1 不同厚度钢板冲击韧性随温度的变化规律

有关试样取样的相关规范里，往往把距表面1/4 L处的试验值作为一个整体性能的代表值.4种厚度钢板该位置随温度变化的冲击试验结果如图4所示.从图中看出:1)随着温度降低，冲击功值迅速降低，表现出明显的低温脆性;2)同样温度下，随着板厚增大，冲击功也随之降低，即冲击韧性随板厚增大而降低.具体来看，板厚从90 mm增大到120 mm时曲线有较大下降，而从120 mm增大到150 mm曲线的形状呈现出了清晰的韧脆转变温度，低温脆性特征越来越明显.

图4 不同厚度钢板冲击韧性随温度的变化规律Fig.4 Variation of impact toughness within temperature

2.2 不同厚度钢板冲击韧性随沿厚度位置的变化规律

为了研究沿板厚度方向不同位置的冲击韧性分布，试验中在常温20℃和低温-40℃这2个温度点，对每种钢板进行了沿厚度的取样，试验结果如图5所示.

图5 不同厚度钢板冲击韧性随沿厚度位置的变化规律Fig.5 Variation of impact toughness within locations alongthe thickness direction

从2个温度点的冲击功曲线依然可以看出冲击韧性随板厚增大而降低，不过更值得注意的是:冲击功值从钢板表面到中心不断下降，并且随着板厚的增加，下降幅度也增大，见表1.由表1看出:1)随着钢板厚度增大，中心偏析现象越严重，钢板中心位置的冲击韧性就越差;2)比较2个温度点，在低温下中心偏析对冲击韧性的影响更大，120～150 mm钢板的冲击功从表面到中心的降幅竟然达到了80%～90%，中心-40℃下的冲击功绝对值小于12 J.而钢结构设计规范(GB50017-2003)［3］中规定该温度的冲击功值不小于27 J，这说明中心位置的冲击功不能满足规范在该温度下的要求.

因此，厚板的冲击韧性性能务必要引起足够重视，不能低估中心偏析现象的影响.

表1 冲击功由中心到表面的降幅Table 1 Decreasing range of impact energy

2.3 150mm厚度钢板冲击韧性随温度及沿厚度位置的变化规律

仅针对150 mm厚钢板做进一步研究，试样遍历每个位置每个温度点.试验结果分别以位置和温度作为横坐标来显示，如图6所示.

图6(a)较清晰的展现出冲击功-温度曲线的特性，后面章节将结合韧脆转变温度进行分析;图6(b)指出了不同温度下冲击功沿厚度的分布规律，随着温度降低，由表面到中心的冲击功降幅是增大的趋势(降到-60℃时因为冲击功绝对值已经非常低，则不存在明显降幅).

上述结果再一次的说明了冲击韧性随温度降低而降低，随位置由表面到中心的改变而降低.

图6 150 mm厚度钢板冲击韧性随温度及沿厚度位置的变化规律Fig.6 Variation of impact toughness of 150 mmsteel plate within temperature and locations

3 韧脆转变温度分析

韧脆转变温度是衡量材料低温脆性的一个重要指标，值越大，越容易发生韧脆转变，具有更明显的低温脆性.工程界常常将其作为防断裂的重要判据.

冲击功-温度曲线总体呈S形，分为下平台、转变温度区和上平台3部分，典型的曲线形式如图7所示.对于韧脆转变温度的定义常用的是用最大冲击功(上平台能)和最小冲击功(下平台能)的算术平均值对应的温度.

但事实上，实验的数据离散性较大，几乎不可能得到如此典型的曲线，这时用合适的函数进行拟合更合理一些.大量的试验与实践表明，采用Boltzmann函数

对冲击功和温度的关系进行回归分析.式中:Akv为冲击功，J;T为温度，℃;A1为下平台能，J;A2为上平台能，J;x0即为韧脆转变温度，℃;Δx反映了转变温度区的温度范围，℃，Δx越小，转变温度区跨越的温度范围越窄，材料越易由塑性向脆性转变.当采用式(1)时，冲击功和温度具有较好的相关性和较小的残差，而且各参数的物理意义明确，可以很好地描述冲击功与温度之间的关系［5-6］.

本文利用Boltzmann函数对图4和图6(a)表示的试验结果进行了回归分析，基于-60℃时各种情况的冲击功值都很接近0，为保证拟合的合理性，避免处理过程中 A1出现负值，可近似 A1=0［6］.拟合结果回归系数均大于98%，结果见表2、3.

图7 冲击功-温度典型曲线Fig.7 Typical curve of impact energy-temperatures

表2 图4对应的Boltzmann函数参数Table 2 Parameters of Boltzmann function for Fig.4

表3 图6(a)150 mm厚板对应的Boltzmann函数参数Table 3 Parameters of Boltzmann function for Fig.6(a)

对表2、3数据进行分析得到:1)韧脆转变温度x0和上平台能A2均随板厚增大而升高(由-31.3℃升高至-12.1℃)，随位置从板表面到中心而升高(由-33.2℃升高至-6.1℃)，这说明冲击韧性显著变差，和前面的试验结论保持一致;2)表2中Δx值随厚度增大而降低，同样说明板厚增大更易发生韧脆转变;3)韧脆转变温度随温度及沿厚度方向不同位置的变化如图8.

图8 钢厚板韧脆转变温度变化规律Fig.8 Variation of ductile-brittle transition temperature

4 结论

1)随温度降低，钢材冲击功值迅速降低，冲击韧性变差.

2)同样温度下，钢板厚度的增大，会导致冲击韧性不断降低.

3)钢厚板因为中心偏析现象，沿厚度方向的冲击韧性不同，从表面到中心位置，冲击韧性成降低趋势，并且降幅随着板厚的增大而增大，-40℃时，120 mm以上厚度的钢板中心位置甚至小于12 J，不能满足规范在该温度下的规定.

4)Boltzmann函数拟合分析的结果表明韧脆转变温度随板厚增大以及由表面到中心的位置改变而升高，这从理论上进一步阐明了冲击韧性和温度、钢板厚度以及沿钢板厚度方向位置变化的相互关系规律.

综合以上结构钢厚板存在着明显的低温脆性特征，特别是因为中心偏析的影响，这一点要引起足够的重视.

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