Q500qE高性能桥梁钢断裂韧性CTOD试验研究

田越

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

Q500qE高性能桥梁钢断裂韧性CTOD试验研究

田越

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

针对不同厚度规格的Q500qE高性能桥梁钢母材和焊接接头，在不同温度条件下进行了断裂韧性CTOD试验，旨在系统研究Q500qE高性能桥梁钢母材及其焊接接头的断裂抗力随温度的变化规律。试验结果表明:随着温度的降低，32和44 mm板厚 Q500qE母材的断裂韧性变化不大，但60 mm板厚Q500qE母材的断裂韧性在温度降至－40℃以下后，有较大幅度的降低;各种板厚的Q500qE焊缝的断裂韧性都比母材低;随着温度的下降，Q500qE焊缝的断裂韧性大幅降低，特别是44和60 mm板厚Q500qE焊缝。说明Q500qE焊缝的抗断性能，尤其是低温抗断性能比母材要差很多。评定结果表明:除60 mm板厚Q500qE母材－50℃时的CTOD值外，其它各种板厚Q500qE母材的CTOD值均在失效评定曲线FAD图的可接受区域内，其断裂韧性值是合格的;32，44，60 mm板厚的Q500qE焊缝，仅有常温及32 mm板厚在－20℃的断裂韧性是合格的，与母材相比，Q500qE焊缝的低温抗断性能较差。所以，对于Q500qE高性能桥梁钢需要进一步加强对焊缝性能的改善研究。

Q500qE高性能桥梁钢 断裂韧性(CTOD) 结果评定 试验研究

迄今为止，国内外的钢桥设计规范都是通过控制钢材的冲击韧性指标来对钢桥的低温断裂进行控制。冲击韧性指标由冲击试验得到，用来表征材料的低温防脆断能力。但是随着钢桥的荷载和跨径越来越大，桥梁钢结构中采用了更多的厚钢板及其焊接接头，对于它们的低温防脆断能力，用冲击韧性来衡量，局限性较大。这主要是由于冲击试验在试样取样时受到限制。按相关规范，冲击试验试样的标准尺寸是10 mm ×10 mm×55 mm。对于厚度＞10 mm的钢板，试验结果就不能代表整个钢板的断裂韧性。

另外，材料表现为韧性断裂还是脆性断裂，还与材料所受的应力状态有关。而冲击试验局部取样的方法，改变了材料的应力状态。大跨度钢桥的钢板厚度往往较大(南京大胜关长江大桥的钢板最大厚度已达80 mm)，而冲击韧性试样的尺寸只有10 mm×10 mm ×55 mm，按规范，对厚度为60～100 mm的钢板，沿厚度方向不同位置取3个试样来测量。这样，从力学上看，是把厚板材料原本所处的三向应力状态转变成为平面应力状态，然后再测量冲击韧性，结果会导致较大的误差，并且偏于危险。例如，船体上的厚钢板90%以上都是结晶断口的脆性断裂，而从这种船板上取下的小试样在整体屈服之后却发生完全纤维断口的韧性断裂［1］。另一个典型的例子是，1950年美国北极星导弹试验发射时，固体燃料发动机壳体发生了爆炸。壳体材料是超高强度钢(屈服强度1 400 MPa)，按V型夏比冲击试验，壳体材料的断裂韧性是合格的。

因此对于大跨度钢桥的厚钢板焊接结构，再用冲击韧性来验收母材、评定焊接工艺就不够合理，也难以对脆性断裂的发生进行准确的判断。必须取整块钢板厚度、整个焊接接头厚度来制备试样(全厚度试样)进行断裂韧性测定，才能够保证断裂韧性测定的可靠性。这就必须借助于基于断裂力学的CTOD试验技术对钢材裂纹的扩展和断裂进行定量的准确分析。

Q500qE高性能桥梁钢作为一种新型钢材，将在沪通铁路长江大桥及今后建设的大跨度铁路桥梁中大规模应用，其母材和焊接接头的断裂韧性CTOD指标就成为桥梁设计和建设者非常关注的问题。

1 Q500qE高性能桥梁钢CTOD试验

为研究Q500qE高性能桥梁钢的断裂韧性，采用32，44，60 mm板厚的 Q500qE母材和对接焊缝，进行室温、－20℃，－40℃ 和 －50℃ 共计 4种温度的CTOD试验。

断裂韧性试验参照《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》(GB/T 21143—2007)进行，试验采用标准中的单试样方法，在MTS-810C电液伺服材料试验机和高低温环境箱上进行［2-4］。

试验采用GB/T 21143—2007中带单边预制疲劳裂纹的标准三点弯曲试样，所有板厚的Q500qE母材和对接焊缝试样的宽度和厚度比W/B均为2。

试验过程中，利用液氮对高低温环境箱进行降温，同时在试样上粘贴温度传感器，当温度达到试验要求时进行试验。整个试验过程中，试样的温度误差控制在±2℃以内。

CTOD试验采用位移控制加载方式，加载速率为0.08 mm/s。

CTOD试验装置见图1和图2。

图1 CTOD试验低温环境箱

图2 CTOD试验装置

2 Q500qE高性能桥梁钢CTOD试验结果

根据 GB/T 21143—2007，对于三点弯曲试样，CTOD值即δ可按下式计算。

式中:S为试样的跨距;W为试样的宽度;F为施加的力;B为试样的厚距，对于无侧槽试样，BN=B;a0为初始裂纹长度;Δa为包括钝化区的稳定裂纹扩展量; v为泊松比;RP0.2为在试验温度下材料在垂直于裂纹平面方向0.2%的规定非比例延伸强度;E为试验温度下的弹性模量;VP为V的塑性分量;z为用于测定缺口张开位移的引伸计装卡位置距离试样表面的距离。

表1、图3、图4是CTOD试验结果，表中δc，δu和δm为不同板厚 Q500qE母材和焊缝在室温、－20℃，－40℃和－50℃ 4种温度下的CTOD值。

表1CTOD试验结果

从图 3可以看出，随着温度的降低，32 mm和44 mm板厚 Q500qE母材的 CTOD值变化不大，但60 mm板厚 Q500qE母材的 CTOD值在温度降至－40℃以下后，有较大幅度的降低。

图3 不同板厚Q500qE母材断裂韧性(CTOD)

由图4可以看出，各种板厚的 Q500qE焊缝的CTOD值都比母材低。随着温度的下降，Q500qE焊缝的CTOD值大幅降低，特别是44 mm和60 mm板厚Q500qE焊缝，说明 Q500qE焊缝的抗断性能，尤其是低温抗断性能比母材要差很多。

3 Q500qE高性能桥梁钢CTOD的评定

国际上已较多运用CTOD试验评定钢板和焊接接头的断裂韧度，但在有关规范中很少规定钢板和焊接接头CTOD的允许值 δmin。同样，国内规范也没有对钢板和焊接接头 CTOD的允许值 δmin作出规定。因此，在许多情况下，运用CTOD试验评定钢板和焊接接头的断裂韧性缺少依据［5-7］。

图4 不同板厚Q500qE焊缝断裂韧性(CTOD)

采用文献［8-9］相同的CTOD评定方法，将CTOD试样的单边疲劳预裂纹作为缺陷，结合《金属结构缺陷可接受性评定方法指南》(BS 7910)的失效评定曲线FAD方法对桥梁钢的CTOD值进行评定。

Q500qE高性能桥梁钢CTOD值的评判结果汇总见表2。

CTOD的评定结果表明:除60 mm板厚 Q500qE母材－50℃时的CTOD值外，其它各种板厚的Q500qE母材的CTOD值均在失效评定曲线FAD图的可接受区域内，其断裂韧性 CTOD值是合格的。而32，44，60 mm板厚的 Q500qE焊缝，仅有常温及32 mm板厚在－20℃的断裂韧性CTOD是合格的。评定结果说明Q500qE焊缝的低温抗断性能较差。

表2 Q500qE高性能桥梁钢CTOD值的评判结果

4 结论

通过断裂韧性CTOD试验可以得到如下结论:

1)随着温度的降低，32 mm 和 44 mm 板厚Q500qE母材的 CTOD值变化不大，但 60 mm板厚Q500qE母材的 CTOD值在温度降至 －40℃以下后，有较大幅度的降低。

2)各种板厚的Q500qE焊缝的CTOD值都比母材低。随着温度的下降，Q500qE焊缝的CTOD值大幅降低，特别是44 mm和60 mm板厚Q500qE焊缝，说明Q500qE焊缝的抗断性能，尤其是低温抗断性能比母材要差很多。

3)评定结果表明:除60 mm板厚 Q500qE母材－50℃时的CTOD值外，其它各种板厚Q500qE母材的CTOD值均在失效评定曲线FAD图的可接受区域内，其CTOD值是合格的。

4)32，44，60 mm板厚的 Q500qE焊缝，仅有常温及32 mm板厚在－20℃的CTOD值是合格的，与母材相比，Q500qE焊缝的低温抗断性能较差。

5)对于Q500qE高性能桥梁钢需要进一步加强对焊缝材料和工艺的改善研究。

［1］肖纪美.金属的韧性与韧化［M］.上海:上海科学技术出版社，1980.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 21143—2007 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［3］中华人民共和国国家机械工业局.JB/T 4291—1999 焊接接头裂纹尖端张开位移(COD)试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2001.

［4］British Standards Institution.BS7448:Part 1 Method for Determination of KIc，Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials［S］.London:British Standards Institution，1991.

［5］British Standards Institution.BS7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures［S］.London:British Standards Institution，2005.

［6］苗张木，陶德馨，杨荣英.焊接接头韧度CTOD评定的适用性与允许值研究［J］.机械强度，2006，28(1):150-155.

［7］杨新歧，王东坡，李小巍，等.海洋石油平台焊接接头大型CTOD试验［J］.焊接学报，2002(4):48-52.

［8］张玉玲.大型铁路焊接钢桥疲劳断裂性能与安全设计［D］.北京:清华大学，2004.

［9］田越.CTOD与BS 7910结合的桥梁钢断裂韧度评定方法.［J］.中国铁道科学，2010，31(2):40-44.

Research on fracture toughness of Q500qE high-performance bridge steel by CTOD(Crack Tip Opening Displacement)test

TIAN Yue
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he fracture toughness(CT OD)of Q500qE high-performance bridge steel and welded joints were studied in this paper，with consideration of different steel thickness.T he focus was the anti-fracture properties of Q500qE high-performance bridge steel and welded joints at different temperature.Research results reveal that the fracture toughness(CT OD)of 32 mm and 44 mm thickness Q500qE base metal changes little with decreasing temperature while that of 60 mm thickness Q500qE base metal is decreased obviously once temperatures down to －40℃.T he fracture toughness(CT OD)of various thickness of Q500qE weld metal is lower than that of the base metal.As the temperature drops，the fracture toughness(CT OD)of Q500qE weld metal is significantly reduced.In particular，the decrease of fracture toughness is more significant for 44 mm and 60 mm thickness Q500qE weld.It indicates that the fracture resistance of Q500qE weld metal is lower than that of the base metal，especially at low-temperature.Except for the base metal of 60 mm thickness Q500qE at－50℃，the CT OD values of other Q500qE base metal was within the acceptable areas of failure assessment curve(FAD diagram)and the fracture toughness(CT OD)values are qualified.For 32，44，60 mm thickness of Q500qE weld metal，the fracture toughness(CT OD)at room temperature is qualified.On the other hand，only the fracture toughness(CT OD)of 32 mm thickness of Q500qE weld metal is qualified at－20℃.Compared with the base metal，the fracture resistance of Q500qE weld metal at low temperature is poor.It is suggested that further research is needed for the performance of Q500qE welded material.

Q500qE high-performance bridge steel;T he fracture toughness(CT OD);Evaluation;Experimental study

U441+.6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.04

(责任审编 孟庆伶)

2015-07-02;

:2015-09-10

铁道部科技研究开发计划项目(2007G029)

田越(1965— )，男，研究员，博士。

1003-1995(2015)11-0014-04