E43厚钢板焊接接头的断裂韧性试验

余启明 ，孙代文，张智

（1.武汉工业学院 土建学院，湖北武汉430023；2.武汉市公路勘察设计院，湖北武汉430015）

随着我国特大型钢结构桥梁的建设规模越来越大，特大钢桥由以前的铆接逐步发展到现在的全焊接，呈现出大型化、厚壁化的发展趋势，而焊接结构容易受到各种复杂自然环境、日益增加的交通流量和动荷载作用而发生突发性事故，因此其断裂韧度的控制显得尤为重要。厚钢板的焊接接头韧性直接关系到结构的安全性能，因此对其韧性评定和控制成为设计人员和业主关注的焦点。

CTOD即带裂纹的材料受到张开型荷载后，裂纹尖端两点张开的相对距离，其值越大，表示材料断裂韧性越强；反之，CTOD值越小，韧性就越差，如图1所示。CTOD断裂韧度技术因为其科学性、适用性广、费用适中广泛地为各个主要的发达国家所广泛采用。本文以18根E43厚钢板等尺寸试件的裂纹尖端张开位移（CTOD）试验数据为依据，研究厚钢板焊接接头以及母材，热影响区的断裂韧度，并且对工程结构断裂韧性做出评估。

图1 CTOD的定义

1 试样及其制备

试验采用武汉钢铁股份公司生产的厚度为58mm的E43高强度钢板，其力学性能如表1所示。根据英国标准BS7448，制备3点弯曲（TPB）标准试样[1]。

表1 母材和焊材力学性能

在板厚为58mm钢板上截取厚度B为52mm的试样，对试样进行分组编号登记；将切割下的试样进行对接焊接；焊接材料采用J507（E5015）焊条。焊接工艺基本参数：母材为E43；电流为130～160A；电压为20～26V；最低预热温度为60℃；最高层间温度为300℃；坡口形式为双V型；保护气体为CO2。

依据规范对CTOD试件进行线切割加工，然后在试样单侧加工缺口，使缺口沿厚度方向，切割后的试件尺寸如图2所示。最后采用JXG-200型高频疲劳试验机预制疲劳裂纹。

图2 切割后试件的缺口尺寸

2 试验过程和结果处理

试验在2000kN的微机控制电液伺服万能试验机上进行，试验现场见图3。

图3 CTOD测试实验照片

试验主要步骤和结果处理方法如下：把各组试件分别放置在20℃的环境中24h后取出，立即进行保温；调整好跨距，安放试样进行加载直到试样开裂破坏，然后对断口进行测量：

1）在断口（图4）0、0.125B、0.25B、0.375B、0.5B、0.625B、0.75B、0.875B、1B的位置上测量长度并划线。

图4 典型的断口照片

2）从断裂试样上取下断口，用工具显微镜测量试件的裂纹长度a0。具体方法：沿试件厚度方向取9个测试位置（图5），分别测量总的预制裂纹a1～a9，在厚度方向之间取等间距的取7个测试位置。随后按式（1）计算裂纹平均长度：

图5 试样划线

3）获得必要的测量数据后，计算各个试件的CTOD值δ：

式中：δe为裂纹尖端部位的张开位移的弹性分量；δp为裂纹尖端部位的张开位移的塑性分量。

即

式中：μ为0.3；ReL为470MPa；W为52mm；a0为原始裂纹长度；E为210 MPa；Vp为F-V曲线上取值点对应的夹式引伸计位移的塑性部分；rp为旋转因子，按照规范取0.45；Z为刀口厚度。

3 试验结果

试验结果见表2，对于所有试件的破坏分为3种情况：脆性失稳、脆性稳定失稳和韧性失稳，其中试件的断口照片见图3。母材试件、热影响区和焊缝试样的在20℃下的CTOD试验结果及其主要尺寸如表2所示，其中δu、δm分别为脆性失稳CTOD值、最大载荷CTOD值。由式（2）可以知道试件的CTOD值只跟弹性分量δe和塑性分量δp有关。

表2 试件在常温下的CTOD特征值mm

从表2可知，在20℃常温条件下，塑性分量δp对CTOD的特征值影响非常大，决定了试件的断裂韧性的好坏；焊缝的CTOD特征值最大，因此其韧性优于母材和热影响区。

目前各主要的国家都有相应的规范，但是对其CTOD允许值还没有确定值，部分规范给出了推荐允许值，例如挪威船级社对近海结构物给出了许用值0.15mm，对海底管线系统给出了0.20mm的许用值；考虑到实际工程与近海结构物具有相近的类似性，采用0.15mm的许用值，而试验的平均值均超过规范的推荐值，因此认为该结构的断裂韧度符合要求。

4 结 论

1）厚钢板E43的CTOD试验破坏临界状态有脆断、脆性稳定失稳和韧性破坏，临界值可根据实际应用情况确定。根据挪威挪威船级社对结构物给出了许用值，该结构的断裂韧度符合规范要求。

2）20℃常温条件下CTOD值由高到底的顺序为焊缝、热影响区、母材。

3）经过分析可知，钢材E43的母材、热影响区、焊缝张开位移的塑性分量对材料的断裂韧性起决定性作用。

[1]BS7448∶Part 1＆2∶1991，Method for determination of Kic,critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[2]马涛，曹忠孝，陈小娟，苗张木.厚钢板EH40低温CTOD 韧性试验研究[J].船海工程，2010（5）：230-233.

[3]苗张木，陶德馨，杨荣英，李永信.焊接接头韧性CTOD评定的适用性与允许值研究[J].机械强度，2006（1）：150-154.

[4]Qiming Yu,Weiguo Wu，Jin Gan.CTOD fracture toughness tests and numerical simulation for welded joints of Q370qE[J].OMAE，2009：79858.

[5]苗张木，吴华方.海洋钢结构韧性问题与CTOD试验技术[J].钢结构，2008，23（2）：18-22.

[6]张玉玲.低温环境下铁路钢桥疲劳断裂性能研究[J].中国铁道科学，2008，29（1）：22-25.