Q460C高强钢材对接焊缝的低温力学性能试验*

王元清，林 云，张延年，石永久

(1．土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学土木工程系，北京100084;2．沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168)

焊缝连接是钢结构最主要的连接形式，焊接钢结构的脆性断裂与疲劳问题，关系着钢结构的安全可靠性与使用寿命。焊接钢结构往往在焊接接头处产生裂纹，甚至发生断裂破坏。影响焊接钢结构断裂韧性的因素，主要有荷载环境条件、材料性质、结构构件尺寸、焊接残余应力、缺口应力集中、焊接工艺、焊接缺陷等［1］。近年来，寒冷地区钢结构房建大规模开展，加之高强度钢材在建筑行业中的应用，低温冷脆隐患不可避免;高强钢焊接难度较大，易产生焊接缺陷，并且对应力敏感，其断裂韧性有待于研究。对高强度建筑钢结构低温脆性断裂与疲劳的研究，将关系着高强度钢结构在低温地区应用的安全与耐久性［2－5］。力学性能的研究正是该领域的前提和基础，其中低温下的塑性指标表征着高强度钢材在低温下的变形能力及限度;其力学性能可通过屈服强度、抗拉强度等强度以及断后伸长率、断面收缩率、屈强比等塑性指数表现出来。本文针对厚度为14 mm的Q460C高强度结构钢材对接焊缝的力学性能进行了垂直于轧制方向的低温拉伸试验研究。

1 试验概况

1．1 试验目的

试验依据《金属材料室温拉伸试验方法》［6］(GB/T 228—2002)和《金属材料低温拉伸试验方法》［7］(GB/T 13239—2006)在20，0，－20，－40 和－60℃共5个温度点下对厚度为14 mm的Q460C高强度结构钢材的对接焊缝钢板进行拉伸试验;在每个温度点各选取3个试样，得到各个试验点的强度指标(包括抗拉强度fu、屈服强度fy)以及塑性指标(包括伸长率δ、断面收缩率ψ、屈强比)等，并获得各项力学指标随温度的变化规律，为焊接高强度钢结构在建筑行业中的应用考虑低温脆断的工程设计提供必要的试验资料。

1．2 试样用材和尺寸

采用V型坡口全熔透气体保护焊对厚度为14 mm的Q460C高强度建筑钢材进行焊接，此项工作在河北唐山二十二冶完成，并已通过焊接工艺评定，执行了《建筑钢结构焊接规程》(JGJ 81—2002)、《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》(GB/T 8110—95)、《钢结构工程施工质量及验收规范》(GB50205—2001)等标准，焊接工艺参数见表1，对接焊缝尺寸见图1，钢材的供货状态为控轧，技术条件符合《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2008)，碳当量Ceq=0．468%，主要化学成分见表2。

图1 对接焊缝的尺寸Fig．1 The size of butt weld

拉伸试样垂直于钢板轧制方向，加工成圆棒型，焊缝中心为试件的几何中心，总长为120 mm，平行段总长L=60 mm，平行段表面粗糙度为0．8，原标距长度l0=40 mm，工作段截面的直径为d0=8 mm;过渡部分曲率半径R=10 mm;两夹持端采用规格为M12X1．75的标准螺纹头，夹持长度为25 mm。

焊缝机加工试样、详细尺寸和拉断后的试件如图2所示。

图2 焊缝试件Fig．2 Butt weld tensile sample

表1 焊接工艺参数Table 1 Parameter of welding procedure

1．3 试验设备

采用人工创造低温环境将试样进行拉伸。对试样进行冷却有若干种方法，本次试验采用空气和液氮的混合蒸汽在专门容器中对拉伸试件进行冷却。

试验在清华大学航天航空学院的力学系强度试验室进行，该试验室有全套进行低温试验的装置设备，如图3所示。

图3 低温拉伸试验装置设备Fig．3 Installations of test

1．4 试验过程及注意事项

在试验过程中应符合下列要求:

(1)拉伸试样的直径＞5 mm，冷却介质为混合蒸汽，则保温时间应≥15 min，并且在试验过程中保证环境温度偏差在±2℃范围内;

(2)试验从20～60℃进行，多试样同时降温冷却，以提高试验效率;

(3)使试样尽量只受轴向力的作用，保证试样拉伸过程中轴心受拉;

(4)加载速率保持恒定，整个拉伸过程中控制试验机横梁位移速度为1 mm/min;

(5)试样拉断全过程的荷载与位移完整的关系由自动记录仪记录。

2 强度指标的试验结果

2．1 强度指标随温度的变化规律

通过五组低温拉伸试验得到了20，0，－20，－40和－60℃ 5个温度点下Q460C钢材对接焊缝的屈服强度fy、抗拉强度fu及屈强比如表3所示。

根据表3中5个温度点下的强度绘制如图4的曲线，以便看出Q460C对接焊缝钢板强度指标随温度的变化趋势。

(1)分析图4(a)可知:在温度20～40℃时，Q460C钢板对接焊缝屈服强度随温度的降低而升高，并且趋势较明显;当温度从20℃降至0℃时，屈服强度均值提高的幅度最大，0℃时对Q460C焊接钢材性能产生了较明显的影响;当温度为－40～60℃时，屈服强度不再随温度的下降而纯粹上升却略有降低，与预期结果不吻合。分析原因如下:限于试件个数，加上焊缝性能的复杂性，出现数据的离散性;温度从－20℃降至－40℃时，3个数据点出现较大的落差，由于各试件焊缝在较低温度下收缩凝固的面积不一致，并受到其两边母材的约束，产生了不同方位的复杂应力。同样，温度降至－60℃，焊缝收缩，并且焊缝缺陷对温度更加敏感，两者或者更多主导因素比例不一，造成－60℃时测得的3个屈服强度介于－40℃时测得的最大值与最小值之间;若不考虑－40℃测得的最大值与最小值，取中间值543，与－60℃3个数据的均值550．7比较，还是呈上升的趋势。

表3 对接焊缝的低温强度指标Table 3 Strength index of butt weld

(2)分析图4(b)可知:Q460C焊接钢板的抗拉强度随温度的降低而上升，并且上升趋势较均匀。当温度降至0℃时，抗拉强度均值提高的幅度也是最大，这与同温度下的屈服强度变化相似;当温度为－40℃时，抗拉强度数据出现较大的离散性，这与图4(a)的分析相似。则0℃已使Q460C焊接钢材表现温度敏感性;当温度降至－40℃或更低时，则较大影响其延性，且提高了脆断的可能性。

(3)分析图4(c)可知:当温度为20～－40℃时，屈强比随温度降低而上升;当温度为－40℃时，屈强比下降，由于数据离散性造成此温度点的屈服强度不再上升反而下降，则屈服强度与抗拉强度的比值也相应下调，不影响整体趋势;总体上仍体现Q460C焊接钢材具有低温冷脆性能。

图4 强度指标随温度的变化规律Fig．4 Strength index with temperature

(4)《钢结构设计规范》［GB 50017—2003］里规定钢材的力学性能应满足强屈比fu/fy≥1．2，换算成屈强比大约为fy/fu≤0．83;而《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)里规定，钢结构的钢材应符合屈强比不应大于0．85;《建筑结构用钢板》(GB．T19879—2005)里规定，Q460C钢材公称厚度≤40 mm时的屈强比不大于0．85。则本文在5个温度点下测得的Q460C焊接钢材的屈强比都满足以上规范标准要求。

2．2 强度指标的参数拟合

大量试验研究及理论分析表明，钢材在一般服役低温环境下，其屈服强度与抗拉强度可用式(1)和(2)来分别表示［8－9］:

其中:fu和fy分别表示钢材在温度T下的抗拉强度和屈服强度;fy′和fu′则分别表示钢材在温度T′下的屈服强度和抗拉强度;敏感系数 qs和qb(1/℃)是根据试验来确定的。同时，两者之间也存在着以下关系:

式中:k为常数。由式(1)和(2)可类似得出钢材随温度而变化的屈强比关系式:

表4所示是根据图4的试验数据拟合出来的参数。

表4 拟合参数Table 4 Fitting parameters

温度敏感系数当为正值时表示钢材的强度随温度的下降而增大，为负值时则表示随温度降低，强度也减小。从表3和表4可以看出:参数qs和qb均为正值，表明温度的下降使Q460C钢材对接焊缝的抗拉强度和屈服强度均有所提高;qs的均值比qb的大，k小于1，表明Q460C钢材对接焊缝的抗拉强度在低温下的提高幅度比屈服强度小，即低温使其塑性下降，韧性也随之降低。

3 塑性指标的试验结果

本次试验测得Q460C钢材连接焊缝的低温塑性包括断后伸长率δ，断面收缩率ψ以及屈强比。δ和ψ2个参数都与拉伸试件的尺寸相关，其值越大，其塑性也相对好些。实测数据如表5所示，绘成曲线图见图5。

表5 低温塑性指标Table 5 Plasticity index at low temperature

图5 连接焊缝塑性指标随温度的变化规律Fig．5 Plasticity index growing with temperature

(1)分析图5(a)可知:当温度为20～－20℃时，Q460C焊接钢材的断后伸长率随温度降低而下降，但在－20～－60℃时，伸长率δ的变化出现异常。观察各个温度点下拉断的试件位置，发现温度越低，拉断的位置越靠近焊缝中心;当温度为－20℃时，试件断裂位置偏向热影响区，由于热影响区特殊的金相组织及力学性能受低温影响导致其延性较差;当温度为－40～－60℃时，焊缝缺陷对温度的敏感占主导因素，其延伸性能较热影响区好，较母材区差。

(2)图5(b)反映了Q460C焊接钢材的断面收缩率随温度的降低呈直线下降趋势，在－20～40℃区间有个平缓阶段，从－40℃开始断面收缩率又快速下降，在 －60℃时ψ比20℃时下降了8.73%，即塑性逐渐变差，反映Q460C焊接钢材的低温冷脆性。

(3)参考《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)的规定，钢材的伸长率要满足δ≥15%;并参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，钢结构的钢材应符合伸长率不应小于20%;同时参考了《低合金高强度结构钢》(GB T1591—2008)，当Q460C钢材的公称厚度≤40 mm时，保证其断后伸长率≥17%;以及《建筑结构用钢板》(GB T19879—2005)，当Q460C钢材公称厚度≤40 mm，断后伸长率≥17%。则本文测得的Q460C焊接钢材的断后伸长率在各低温下都满足以上规范的要求。

4 与母材试验之比较

4．1 强度指标的对比

Q460C焊接钢材，由于其焊接工艺，焊缝强度与母材的匹配以及焊接残余应力等的影响与纯粹的Q460C钢材存在较大的差别，因此，两者低温塑性指标也存在一定的差异。图6所示为文献［10］中母材强度指标与本文Q460C焊接钢材低温塑性的对比结果。

图6 Q460C焊缝与其母材强度指标变化规律的比较Fig．6 Comparison of the strength index

(1)分析图6(a)可知:Q460C焊接钢材的屈服强度大于其母材的屈服强度，但两者较接近，随温度发展趋势一致。

(2)分析图6(b)可知:Q460C母材的抗拉强度大于其焊缝，温度0～60℃，两者有一定的偏值，在－40℃时有最大偏离值为5．68%，随温度变化趋势较一致。

4．2 塑性指标的对比

图7为文献［10］中母材塑性数据与本文Q460C焊接钢材低温塑性的对比曲线图。

图7 Q460C焊缝与其母材塑性指标变化规律的比较Fig．7 Comparison of the plasticity index

(1)分析图7(a)可知:Q460C焊接钢材的断后伸长率小于其母材，偏离最大出现在－20℃，其偏离幅值达到14．15%，并且在20～40℃之间其偏离母材的值在7．46%～14．15%之间，表明Q460C焊接钢材的塑性较母材的差。

(2)图7(b)中Q460C焊接钢材的断面收缩率在20～－40℃之间小于母材的值，并在－20℃时偏离母材最大，其偏离值为4．30%，且总体上与母材的偏离程度没有伸长率的明显。但从－40～－60℃之间，Q460C焊接钢材的ψ值反而比母材的高，在 －60℃时只比此温度下的母材值高1.83%，仍然反映了Q460C焊接造成了其低温韧性下降，使其性能变脆。

(3)图7(c)中Q460C焊接钢材的屈强比也明显高过其母材的屈服比。3幅对比图均从一定程度上体现了Q460C钢材的焊接连接使得其低温塑性变得更差，需考虑在其焊接工艺和焊接流程中改进各项有关技术。

5 断口电镜扫描分析

本文对制备好的Q460C焊接钢材拉伸试件断口进行了电子显微镜下的扫描观察，如图8所示。图8(a)～(e)所示分别为试件在20，0，－20，－40和－60℃下拉断后的断口微观形貌，拍摄部位为断口中心纤维区附近，放大倍数为1 000倍。

图8 5个温度点断口微观形貌Fig．8 Scanning electron micrographs at 5 temperature points

(1)分析图8(a)与(b)可知:随温度的降低，断口的韧窝和撕裂棱逐渐减少，在20℃和0℃下断口形貌表现为微孔聚集型，断口遍布大小不一的韧窝，但随温度降低，韧窝由大变小，从深变浅，由长变短，总体上以韧性变形为主，没有明显的脆性特征。

(2)图8(c)中有晶间缺陷与可见显微空洞迹象，图8(d)和(e)中没有太多宏观塑性变形迹象，可以观察到明显的解理台阶和舌状花纹，有许多强烈反光的小平面，断面呈结晶状，则塑性变形极小;在－60℃温度点上，试件断口几乎无纤维区，以放射区为主，基本呈解理断裂微观机制，有较明显的脆性断裂特征。

6 结论

(1)随温度的降低，Q460C焊接钢材的抗拉强度和屈服强度均有所提高，且屈服强度比抗拉强度提高的幅度大，体现Q460C焊接钢材具有低温冷脆性。

(2)低温强度指标实测数据与公式拟合数据比较分析表明:在低于－20℃下服役的Q460C焊接钢材，其强度对温度变化反应敏感，韧性随之明显下降，脆性随之急剧扩展。

(3)Q460C焊接钢材的断面收缩率随温度的降低而下降明显，即塑性变差，低温冷脆较明显。

(4)Q460C焊接钢材的塑性指标与其母材的比较表明:虽然Q460C焊接钢材的断面收缩率在－40～－60℃之间比其母材的高，但是其断后伸长率和屈强比明显比其母材的小，在一定程度上反映了焊接使Q460C的低温韧性变差，脆性增大。

(5)采用本文焊接工艺且有焊接质量保证的Q460C焊接钢结构当厚度≤14 mm时，可在较低温度的地区中使用，但要考虑采取防低温脆断措施。

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