超厚桥梁钢断裂韧度CTOD测试影响因素研究

刘　冬　杜丽影　添应宏　李荣锋

(武钢研究院　湖北　武汉：430080)



超厚桥梁钢断裂韧度CTOD测试影响因素研究

刘冬杜丽影添应宏李荣锋

(武钢研究院湖北武汉：430080)

以武钢研制新一代超厚桥梁钢Q420qD为研究对象，开展了温度、厚度、取样部位三项影响因素对超厚桥梁钢断裂韧度CTOD测试的影响研究。结果表明：厚板CTOD值对温度十分敏感，随着温度降低厚板断裂韧度降低十分明显；当取样时以1/2厚度位置为取样中心，试样厚度越厚，断裂韧度CTOD值越高；对于不同取样部位，板表取样CTOD测试结果最大，芯部取样CTOD测试结果最小。建议对于超厚桥梁钢在设备能力足够的情况下尽量采用全板厚试样测试材料断裂韧度CTOD才能最为精准的表征材料使用时的断裂性能。

桥梁钢；CTOD测试；断裂韧度；温度；厚度；取样部位

0　引言

目前，钢结构桥梁呈大型化、壁厚化发展趋势，且越来越多地采用中高强度钢。在这些大型厚壁钢结构的设计建造过程中，存在一个与强度、刚度和稳定性同等重要的问题——厚钢板的韧性控制[1-3]。厚钢板越厚，韧性问题越突出。这是因为钢板厚度越大以后，由于金属学冶金因素的影响，其韧性必定会有所下降。从力学上看，厚钢板内部呈三轴应力状态，这种应力状态会使材料不容易发生塑性变形而容易呈现脆性断裂。另外，钢的强度与韧性往往呈现二律背反，钢的强度提高后，其韧性往往会降低[4-6]。本文开展了超厚桥梁钢断裂韧度CTOD(Crack Tip Opening Pisplacement, CTOD)测试的多种影响因素研究，力求探明断裂韧性测试的最佳条件，从而为桥梁钢结构的设计与安全性评估提供最为准确可靠的韧性评估。

1　试验材料与方法

试验选用材料为武钢研制新一代超厚桥梁钢Q420qD，钢板厚度为40mm,该钢种的基本化学成分和力学性能如表1和表2所示。

表1　Q420qD钢化学成分(wt%)

表2　Q420qD钢的力学性能

CTOD试验选用试样沿钢板横向取样，缺口方向为纵向。试样形式为单边缺口(SEB)试样，如图1所示。试验选用设备为500kN的MTS Landmark材料试验机，试验方法参照国家标准GB/T21143-2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》[7]。

2　试验结果与讨论

2.1温度影响

为研究温度对超厚桥梁钢CTOD测试的影响，加工如图1所示厚度B=40mm的全板厚试样10件，分别测试温度为20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃下桥梁钢Q420qD母材的载荷随裂纹嘴张开位移COD值的变化规律如图2所示。观察图2中曲线可以发现，20℃、0℃时裂纹扩展经历了较长的稳态裂纹扩展阶段，裂纹嘴张开位移(COD)较大，测试CTOD值将明显大于其他温度，随着温度降低，稳态裂纹扩展阶段越来越短，当温度在-60℃时，试样在弹性变形阶段即发生了脆性断裂，无明显稳态裂纹阶段，测试CTOD值最小。

图1　Q420qD钢断裂韧度CTOD测试试样图

图2　桥梁钢Q420qD不同温度下CTOD试验的载荷-COD曲线

根据曲线上载荷F及裂纹嘴张开位移COD值塑性分量Vp原始数据，按照公式(1)计算裂纹尖端张开位移CTOD值δ如表3所示。

(1)

其中：S为跨距，S=4W；W为试样宽度；B为试样厚度；BN为试样净厚度，对于未开测槽试样BN=B；F为施加的力；ν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%的规定塑性延伸强度；E为弹性模量；a0为初始裂纹长度；Vp为裂纹嘴张开位移塑性分量；z为引伸计刀口高度。

根据表3中测试结果，对每个温度下两件试样测试δ值取平均值，统计桥梁钢Q420qD的CTOD值δ随温度变化规律如图3所示。从图中3可以看出，随着温度降低，Q420qD桥梁钢的断裂韧度呈陡降趋势，低于-40℃时趋势变平缓。但是低于-40℃时，断裂韧度值δ基本都低于0.2mm，这样的韧性状态，裂纹扩展过程很短就发生了断裂，在实际使用过程中将十分危险，因此该批桥梁钢Q420qD推荐在高于-40℃的环境下使用。

表3　低温对比试验CTOD测试结果

图3　桥梁钢Q420qD的CTOD值δ随温度变化曲线

2.2厚度影响

为研究厚度对超厚钢板低温CTOD测试的影响，加工如图1所示试样8件，所有试样中心厚度位置与原始板坯中心位置一致，试样厚度B分别取10mm、20mm、30mm、40mm，每种厚度加工2件，测试桥梁钢Q420qD母材的CTOD特征值。

依据4组试样试验过程中采集载荷及裂纹嘴张开位移COD的原始数据，绘制Force-COD曲线如图4所示。从4组曲线图对比发现，图4中曲线变化都很连续，未出现脆性断裂特征的Pop-in,但随着试样厚度的减小，载荷-COD曲线对应的载荷最大值F出现也越早，对应横轴上塑性裂纹嘴张开位移Vp也越小，根据公式(1)可以判断材料的断裂韧度CTOD越来越低。

图4　桥梁钢Q420qD不同厚度试样CTOD试验的载荷-COD曲线

根据图4中最大力F及其对应的塑性裂纹嘴张开位移Vp计算CTOD值δ如表4所示。图5是对表4中测试不同厚度试样的CTOD值的统计。将每个厚度测试两件试样的CTOD值取平均作为Y轴，以试样厚度作为X轴，绘制CTOD值随厚度变化关系图(见图5)。对图5中数据点进行线性拟合，拟合直线相关系数高达0.9661。说明试样越厚测试CTOD值越高，全板厚试样的CTOD值最高。若对试样进行减薄，将大大降低试样的断裂韧度。

表4　厚度对比试验CTOD测试结果

图5　桥梁钢Q420qD的CTOD值δ随厚度变化曲线

2.3取样部位影响

在40mm厚桥梁钢Q420qD原始板料针上对不同取样部位1/2厚度位置、1/4厚度位置、板表面三处典型的取样部位，分别截取10mm厚试样开展CTOD试验。试样具体尺寸如表5所示。其中1#为1/2厚度位置取样,11#为1/4厚度位置取样，12#为板表面取样。

3种不同取样部位试样CTOD试验载荷-COD曲线如图6所示。从图5中可以看出，1#试样最早达到载荷最大值，其次是11#，最晚是12#，说明12#试样断裂韧度最高。

表5　取样部位对比试验CTOD测试结果

图6　桥梁钢Q420qD不同取样部位试样CTOD试验的载荷-COD曲线

3种不同取样部位测试CTOD值具体计算结果如表5所示。根据表5中计算CTOD值,对每个取样部位测试2件试样结果取平均值，比较不同取样部位测试CTOD值的差别，如图7柱状图所示。

图7　桥梁钢Q420qD不同取样部位测试CTOD值对比

比较图7中数值可以发现，对于同等厚度试样，板表测试CTOD值最大，芯部测试CTOD值最小。取样部位对于CTOD的测试影响也是很大的，10mm厚试样不同取样部位测试CTOD值最大相差约22%，如果取更厚试样进行不同取样部位对比，厚度越厚，CTOD测试结果离散性越大，测试不同部位CTOD值差别也将越大。

3　结论

(1)超厚钢板CTOD值对温度十分敏感，随着温度降低断裂韧度降低十分明显，温度是影响厚板CTOD测试的主要因素。在今后进行厚板CTOD测试时需提醒客户根据材料使用环境注明开展CTOD测试的温度范围，否则无法得到准确的厚板CTOD测试值。

(2)超厚钢板取样时以1/2厚度位置为取样中心，试样厚度越厚，断裂韧度CTOD值越高。想要测试材料的真实断裂韧度CTOD，不建议取减薄厚后的试样，最好保持原板厚。若由于设备能力有限无法测试全板厚试样的CTOD值,必须对试样进行减薄时，测试结果必须备注是什么厚度下测试CTOD值，仅供参考。

(3)取样部位对超厚钢板CTOD测试影响很大，板表取样CTOD测试结果最大，芯部取样CTOD测试结果最小。说明全板厚试样断裂韧度沿厚度方向分布不均，只有全板厚试样能完全表征材料使用时的真实断裂韧度，没有任何部位取样能代替。建议对于超厚板测试CTOD时不要取某一部位的试样来代替全板厚钢板测试断裂韧度CTOD。

[1]杜丽影，邱保文，李荣锋，等.桥梁用钢三点弯曲断裂试验研究与分析[J].武汉工程职业技术学院学报，2014，26(1)：13-15.

[2]马涛，曹忠孝，陈小娟，等.厚钢板EH40低温CTOD韧性试验研究[J].船海工程，2010，39(5)：230-233.

[3]王春生，段兰，胡景雨，等.桥梁高性能钢HPS485W断裂韧性试验研究[J].工程力学，2013,30(8)：54-59.

[4]王元清，武延民，石永久，等.温度对结构钢材裂纹尖端张开位移(CTOD)的影响分析[J].工程力学，2006,23(4)：74-78.

[5]张玉玲，王冒明，吴新如，等.铁路桥梁钢及焊缝的CTOD性能[J].清华大学学报(自然科学版)，2005,45(5):585-588.

[6]王元清，周晖，石永久，等.钢结构厚板的低温断裂韧性试验[J].沈阳工业大学学报，2013,35(2)：224-229.

[7]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，2007.

(责任编辑：李文英)

Study on the Influence Factors of Thick Bridge Steel in Fracture Toughness CTOD Testing

Liu DongDu LiyingTu YinghongLi Rongfeng

(Research and Development Center of WISCO， Wuhan 430080，Hubei)

For the purpose of studying the influence factors such as temperature, thickness and sampling location on fracture toughness testing of thick bridge steel, the latest bridge steel Q420qD was chosen as the research object. The results showed that the CTOD value of thick plate decreased when the temperature decreased. When we took the 1/2 thick location as the sampling center, the thicker the sample was, the higher CTOD we got. In view of the difference of sampling location, the maximum CTOD value was tested by sample from the surface, while the minimum one was tested by sample from the core. So it is suggested that the whole thickness sample would be tested in order to get accurate data.

bridge steel; CTOD test; fracture toughness; temperature; thickness; sampling location

2016-06-12

刘冬(1985～)，男，硕士，工程师.E-mail：martinlau@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)03-0009-04