960MPa高强度钢材及其焊缝低温冲击韧性试验研究

王元清，刘希月，石永久

（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 土木工程系，北京 100084）

目前，高强度钢材已在国内外多个实际工程中得到了成功应用［1］，而随着结构工程不断向超高层和大跨度方向发展［2］，对钢材性能的要求也将不断提高.然而，随着钢材强度的提高，其冶炼轧制工艺、化学成分等与普通强度钢材相比，均有较大的差别，因此高强度钢材的断裂与疲劳性能等将有所变化.高强钢焊接难度较大，易产生焊接缺陷，而焊接产生的热影响也将使焊缝附近的材质变差［3－5］.此外，中国大部分国土面积处于寒冷地区，低温冷脆问题不容忽视［4，6］.相对于普通强度钢材钢结构，高强度钢材钢结构的设计应力水平明显提高，基于断裂力学的观点［7］，高强度钢结构对裂纹缺陷将更加敏感，更易于发生脆断破坏.因此，新型高强度钢材及其焊缝的韧性是其推广应用的重要制约因素.

由于冲击韧性指标测定较简便，试验结果也较为成熟［8］，很多规范如GB 50017—2003《钢结构设计规范》采用冲击韧性判据指标指导结构选材.基于上述情况，本文对960MPa高强度钢材及其焊缝的低温冲击韧性进行了试验研究，并将其夏比冲击功Akv（J）与其他结构钢材进行了比较，以期得到冲击韧性有关强度影响、低温影响的相关变化规律，为其在低温地区的推广应用提供参考数据，同时也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 试验概况

1.1 试验依据及目的

本次试验依据GB／T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，选取－60，－40，－20，0，20℃这5个温度点，对14mm 厚960MPa高强度钢材及其焊接钢材进行冲击试验，取样区包括母材、焊缝区及热影响区（HAZ），对3种不同取样位置的试件在不同温度点上各选用3个，总计45个.采用V 型缺口试件，测量每个温度点的Akv，得到Akv随温度变化的规律，进而研究其韧脆转变温度，为960 MPa高强度钢材的应用及其防低温脆断设计提供试验数据.

1.2 试验材料、试件尺寸及试验设备

试验采用鞍钢新研制的960MPa高强度钢板，厚14mm，其主要化学组成见表1.采用V 型坡口全熔透埋弧焊，平焊焊接，焊剂为SJ101，电压30～34V，电流530～570A，送丝速度40～45cm／min，在中冶焊接研究所对其进行了焊接工艺评定，执行JG J81—2002《建筑钢结构焊接规程》标准，焊缝几何尺寸见图1（a）.

表1 960MPa高强度钢材的化学组成Table 1 Chemical composition（by mass）of 960MPa high－strength steel plate %

试件参照GB 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》切取样坯，焊缝区、热影响区取样如图1（b），（c）所示，并按规定尺寸制作标准试件，试件尺寸见图1（d）.试验在SANS摆锤式冲击试验机上进行.冲击前将试件在保温箱中冷却，冷却介质采用液氮与酒精的混合液体.

2 试验结果

2.1 960MPa高强度钢材及其对接焊缝的冲击韧性随温度变化规律

对960MPa高强度钢材及其对接焊缝在5 个温度点下的Akv进行了比较分析，结果见图2.热影响区的Akv总体上小于母材及焊缝区，表明焊接产生的热影响使焊缝附近钢材的韧性变差，在焊接结构的抗脆断设计中为薄弱环节，这也与文献［5］的结论一致；当温度高于－20℃时，焊缝区的Akv小于母材，且焊缝区的Akv较为离散，可能是由于V 型缺口对材料缺陷和差异较敏感所致；当温度降至－20℃以下时，焊缝区的Akv大于母材，表现出较好的冲击韧性.由图2可见，夏比冲击功随温度的变化曲线体现了960MPa高强度钢材及其焊接钢材的韧脆转变特征，表现出较明显的低温脆性.

2.2 960MPa高强度钢材与其他结构钢材的冲击韧性比较

图1 试件取样及几何尺寸示意图Fig.1 Sampling and geometry of test specimen（size：mm）

图2 Akv随温度的变化曲线Fig.2 Akv versus temperature curves

钢材断裂性能与其强度、厚度有着密切联系，本文将14mm 厚960 MPa高强度钢材的Akv与同厚度的460MPa高强度钢材［9］，以及345MPa普通强度钢厚板［8］进行了分析比较，结果见图3.由图3可以看出，960 MPa 高强度钢材的Akv总体上大于460MPa高强度钢材，但其断裂韧性在5个温度点下均低于460MPa高强度钢材，表明960MPa高强度钢材较高的冲击功大部分是其过高的强度所带来的弹性功，因此抵抗裂纹扩展的能量较小；在常温下，4种厚度的345 MPa钢厚板的Akv均大于460，960MPa高强度钢材，但随着温度的降低，Akv的下降幅度较大，当温度降至－60 ℃时，其值均小于2种高强度钢材.上述结果说明结构钢材的厚度和强度对其冲击韧性有较大影响，但随着温度的降低，厚度对其冲击韧性的影响较强度更为明显.

图3 960MPa高强度钢材与其他结构钢材的Akv比较Fig.3 Comparison with other structural steels

3 韧脆转变温度

工程中常采用韧脆转变温度作为防脆断的重要判据.试验［9］表明，采用式（1）对Akv和温度的关系进行拟合，具有较小的残差和较好的相关性，能较好地描述Akv与温度的关系.

式中：A2为 上平台 能，J；A1为下平台能，J；tT为韧脆转变温度，℃，tT越高，越容易发生韧脆转换；tR为材料韧脆转换温度区的范围，℃.Akv的拟合结果见表2.

表2 Akv的拟合参数Table 2 Fitting parameters for Akv

将母材、焊缝区及热影响区的拟合结果进行比较可以看出，热影响区韧脆转变温度最高（－12.74℃），上、下平台能相对较小，表现出较差的冲击韧性，与前文所得结论一致.母材的下平台能低于焊缝区，但其上平台能较高，且韧脆转变温度为－19.51℃，低于焊缝区的－13.86℃，转换温度区范围也较大，表明母材低温冲击韧性较焊缝区差，但由于焊接缺陷等影响，焊缝区更容易发生韧脆转变，体现了960 MPa高强度焊接钢材较大的缺陷敏感性.

5种结构钢材的拟合参数见表3.比较表2，3可以看出，460，960 MPa 高强度钢材的上平台能比345MPa普通强度钢厚板要低，转变温度区范围要小，其中460 MPa高强度钢材的韧脆转变温度最高，体现出较大的低温脆性；而960MPa高强度钢材的韧脆转变温度较低，上、下平台能也大于460 MPa高强度钢材，这可能是由于强度过高，导致吸收的弹性功较大，从而表现出较好的冲击韧性，但其转变温度区范围大于460MPa高强度钢材，表明其低温冷脆特征明显.不过，当强度提高到一定值后，960MPa高强度钢材对温度的敏感性有所下降.

表3 5种结构钢材Akv的拟合参数Table 3 Fitting parameters for Akv of 345MPa and 460MPa steels

4 断口扫描电镜分析

为进一步了解960 MPa高强度钢材及其焊缝的断裂微观机理，对母材、焊缝区及热影响区3种冲断试件的断口进行了扫描电镜分析.在每个温度点下各选取1 个试件进行扫描，扫描仪器为Quanta FEG450，扫描位置为断口表面中心附近，放大倍数为3 000倍.图4～6分别为母材、焊缝区、热影响区3种试件在不同温度点下的断口微观形貌.

从图4可以看出，在20℃时，母材冲断试件断口存在较多的撕裂棱和韧窝，随着温度的下降，撕裂棱和韧窝减少，在－20℃时，仅有少量韧窝和撕裂棱，出现河流状花纹，断口形貌以脆断特征为主，当温度降至－40，－60℃时，断口呈现出明显的舌状花纹和河流状花纹，为解理断裂机制.

图4 母材试件在5个温度点下的断口微观形貌Fig.4 Micro－morphologys of fracture surface for base metal

图5 焊缝区试件在5个温度点下的断口微观形貌Fig.5 Micro－morphologys of fracture surface for butt weld

对焊缝区冲断试件断口进行分析可知，在20℃时，断口布满大小不一的韧窝，表现出微孔聚集型的断裂机制，随着温度的降低，韧窝变小变浅，在－20℃下即出现光滑的解理面，－40 ℃下呈现出明显的河流状花纹，具有穿晶脆断特征，当温度降至－60℃时，断面呈冰糖状，沿晶脆断特征明显.与母材、焊缝区相比，热影响区试件断口的韧窝及撕裂棱较少，在0℃时即出现解理面，而母材和焊缝区试件在0℃时仍以韧断特征为主，表明热影响区韧性有所恶化，这也与热影响区较低的冲击功值一致；在－20℃下裂纹由晶界向晶内定向发展，呈现出河流状花样，当温度降至－40，－60 ℃时，断口呈结晶状，具有沿晶脆断特征.

图6 热影响区试件在5个温度点的断口微观形貌Fig.6 Micro－morphologys of fracture surface for HAZ

5 结论

（1）960MPa高强度钢材及其焊缝区、热影响区的夏比冲击功均随温度降低呈明显下降趋势，体现了材料的韧脆转变特征，表现出较明显的低温脆性.960MPa高强度焊接钢材热影响区的夏比冲击功低于母材及焊缝区；焊缝区的夏比冲击功较为离散，可能由于V 型缺口对材料缺陷和差异较敏感所致.

（2）结构钢材的厚度和强度对其冲击韧性有较大影响.与普通强度钢厚板相比，460，960MPa高强度钢材在常温下的夏比冲击功小于4 种厚度的345MPa钢厚板，但在低温下厚度对冲击韧性的影响较强度更为明显.960MPa高强度钢材的夏比冲击功总体上大于460MPa高强度钢材，表明钢材强度过高使其吸收的弹性功较高.为对高强度钢材的韧性作出安全有效的评价，还应采用更准确的断裂韧性指标.

（3）对于960MPa高强度焊接钢材，其热影响区韧脆转变温度最高（－12.74℃），冲击韧性较差；母材低温的夏比冲击功小于焊缝区，但由于焊接缺陷等影响，焊缝区更容易发生韧脆转变，母材的韧脆转变温度为－19.51℃，低于焊缝区的－13.86 ℃，体现了960MPa高强度焊接钢材较大的缺陷敏感性.960MPa高强度钢材的低温脆性特征明显，但当强度提高到一定值后，其对温度的敏感性有所下降.

（4）热影响区试件的断口韧窝及撕裂棱较少，在0℃时即出现了解理面，而母材和焊缝区试件在0℃时仍以韧断特征为主，再次表明热影响区的冲击韧性有所恶化.

［1］刘希月，王元清，石永久，等.高强度钢材钢结构构造及节点脆性断裂的研究［J］.钢结构，2012（S）：135－145.LIU Xiyue，WANG Yuanqing，SHI Yongjiu，et al.Progress on research for brittle facture of steel structure constructed with high－strength steel［J］.Steel Structure，2012（S）：135－145.（in Chinese）

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