在役Q345钢及焊缝金属力学性能试验研究*

黎 佳，宁朝阳

(湖南工业职业技术学院，湖南长沙410208)



在役Q345钢及焊缝金属力学性能试验研究*

黎 佳，宁朝阳

(湖南工业职业技术学院，湖南长沙410208)

以在役Q345钢、埋弧焊焊缝金属为研究对象，进行了拉伸性能和断裂韧性测试，并进行了试验数据的分析研究。结果表明：材料当前的拉伸性能、条件断裂韧性的数值和不同概率水平下的最小断裂韧性值；Q345钢的抗拉强度要高于埋弧焊焊缝金属；埋弧焊焊缝金属的屈强比高于Q345钢，这预示着其抵抗局部应力偶然过载的能力较低。引入数学方法分析材料的断裂韧性，是必要可行的。

Q345钢 焊缝金属 力学性能 试验研究

0 引言

Q345钢是一种低合金钢，广泛应用于压力管道、压力容器、桥梁、车辆、船舶、建筑等产品，在国民经济的许多部门起着重要的作用。随着使用年限的增加，受焊接、使用条件严酷、超负荷等因素的影响[1]，材料的力学性能等是否发生了变化、有无继续使用的价值，都是应该关注的问题。

近年发展起来的断裂力学理论，结合应力分析方法，缺陷位置及尺寸的检测，运用R6失效评定图、API579-1等一些评价标准，能够就产品中存在的缺陷对安全性产生的影响进行评估。但评估中有关材料本身的参数显然不能采用目前同类材料的数据。并且，由于材料已使用了数十年，完全采用出厂时的有关数据也欠妥，按照有关国际国内评定规范[2]要求，材料性能数据在缺陷评定中应优先采用实测数据。

研究采用了从产品本体上直接取样的方法，进行了产品使用的Q345钢、埋弧自动焊焊缝金属H08MnA等组织力学性能[3]的相关测试，并引入了多种数学方法分析测试结果，以了解材料力学性能随使用时间增加的变化情况,为研究产品的安全程度奠定基础。

1 拉伸性能测试

本试验板材直接取材于某压力容器上一直径2 800 mm、厚度40 mm的椭圆封头。对于Q345钢和埋弧焊焊缝金属都直接从上面截取。拉伸实验的主要目的是得到当前多种材料的屈服强度，抗拉强度，作为缺陷评定过程的材料力学性能支持数据，并为后续计算断裂韧性提供数据依据。

图1 拉伸试样

拉伸试样参考GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》[4]加工，母材Q345钢取样方向垂直轧向，焊缝拉伸试样为全焊缝金属。试样标准的形式与尺寸如图1所示。

拉伸试验在日本岛津产的万能试验机上进行,拉伸速率为0.1 mm/s。为了保证试验的准确性，共采用了6个Q345钢(M01-M06)、6个埋弧自动焊焊缝金属(Y01-Y06)试样。通过试验并计算，得到的结果见表1。

表1 拉伸试验结果

以表1中部分数据为依据，可以计算得到Q345钢、埋弧自动焊焊缝金属屈服强度、抗拉强度的平均值和最低值，如表2。

表2 材料强度的平均值和最低值

从以上数据可看出，在抗拉强度的平均值和最低值方面，Q345钢都要大于埋弧自动焊焊缝金属。值得注意的是，埋弧自动焊焊缝金属的屈强比大于Q345钢，这即是预示着其抵抗局部应力偶然过载的能力较低。表2中的实验数据结果可用于后续断裂韧性的分析，也可作为缺陷评定过程中的材料性能的数据，为材料上缺陷的安全评估提供依据。

2 断裂韧性测试

图2 断裂韧性试样图

断裂韧性测定试样按照国家标准规定加工，母材为轧制状态，由于有层状裂纹，试样裂纹面取向为L(轧制方向)-T(宽度方向)或T-L和T-S(厚度方向)，焊缝试样取自封头与筒体连接处，裂纹面取向为T-S。试样为带侧槽的三点弯试样，如图2所示。

2.1 埋弧自动焊焊缝金属的测试结果及分析

埋弧自动焊焊缝金属断裂韧性测试在HPH-500疲劳机上进行。采用X-Y记录仪记录，测量显微镜精度为0.01 mm。单试样法时，采用部分卸载柔度法通过J积分阻力曲线测JIC的暂定值JQ。其中，JIC为张开型临界J积分值，JQ指的是J阻力曲线与钝化线的向右0.2 mm偏置线相交点的J值，称为条件断裂韧性值。

在数据处理中， 综合参照有关资料，以及考虑到实际情况，对钝化线采用式(1)表示[5]：

J= 4σ0Δa

(1)

式(1)中，σ0为流变应力或有效屈服强度，流变应力值是由实验得来的，它取材料拉伸实验的屈服强度与抗拉强度的平均值，Δa为裂纹韧性扩展量，单位mm。

测试所得有效实验数据分别见表3。

表3 埋弧焊焊缝J积分测试的有效数据

表3中，各数据的含义如下：

Ci—J阻力曲线单试样测试过程中的裂纹张开柔度，Pi为J阻力曲线单试样测试过程中的载荷，Upi—J阻力曲线单试样测试过程中的塑性形态功，Δai为裂纹韧性扩展量，Ji为J阻力曲线单试样测试过程中的J积分值。

通过回归分析[6]，我们可以得到以下各表达式及有关数据：

根据表2中的屈服强度和抗拉强度的数据：σs=385 MPa、σb=529 MPa，可以求出流变应力值σ0=457 MPa，那么，由式(1)可以求出钝化线方程J=4×457Δa=1 828Δa。

而J积分阻力曲线可用式(2)表示，如下：

J=C1ΔaC2

(2)

为了计算的方便，对式(2)两边取对数，得到：

lnJ=lnC1+C2lnΔa

绘制直角坐标系，以Δa为横坐标，以J为纵坐标。取出表3中Δai和Ji的5组实验数据：

1)Δai=0.275 6，Ji=145.60；2)Δai=0.337 8，Ji=168.94；3)Δai=0.389 8，Ji=211.08；4)Δai=0.595 4，Ji=244.76；5)Δai=0.643 4，Ji=288.49。

图3 条件断裂韧性分析结果

根据这些实验数据，在坐标系中绘制坐标点，如图3中的5个点。

为了分析的方便，用最小二乘法[7]对Δai和Ji的这5组数据进行幂乘回归，可以得到：Y=5.953+0.73X， XY的相关系数R=0.95 ，标准离差SD=0.073。其中，Y=lnJ，lnC1=5.953，C2=0.73，lnΔa=X，即lnJ=5.953+0.73lnΔa。

经过换算，可以得到J=385Δa0.73，并绘制了图3中一条直线。

该表达式所代表的曲线即J积分阻力曲线，它与利用式(1)计算的钝化线的向右0.2 mm偏置线的交点定义为JQ-J1C的暂定值。

JQ设计的求法如下：先估计一个JQ(1)值，按式(1)可以推出： Δa(1)=(JQ(1)/4σ0)+0.2 计算Δa(1)，再根据幂乘关系，利用式(2)计算JQ(2)，即JQ(2)=C1[Δa(1)]C2。

重复以上过程，直到JQ(i)和JQ(i+1)的差值不大于2%为止，按此程序求得JQ=157 kJ/m2。

将前面的分析结果用图3综合表示。

从概率的角度分析，lnJ的数值实际上是正态分布的，又已知Y=5.953+0.73X，标准离差SD=0.073，那么有：

1)Y=5.953±2×0.073+0.73X， 即lnJ=5.953± 2×0.073+0.73lnΔa范围内,概率为95.4%。为确保安全，取J的低限，可求出J=332.6Δa0.73，利用前面提到的JQ的求法，可以得到JQ=131 kJ/m；

2)Y=5.953±3×0.073+0.73X，即lnJ=5.953±3×0.073+0.73lnΔa范围内，概率为99.7%。为确保安全，取低限，可求出J=309.2Δa0.73，进一步可求得JQ=119 kJ/m。

2.2 母材Q345钢的测试结果及分析

考虑到母材Q345钢的各向异性，以及单试样法中，裂纹张开柔度测定不易精确等，对Q345钢采用多试样法测试其断裂韧性。同时，为了避免塑性流动，位移不好控制的缺点， 试验设备改用英国的instron model 1322型疲劳试验机，它可用位移控制方式加载。有关数据见表4。

表4 母材Q345钢的有效数据

表4中，各参数的含义如下：

B为断裂韧性试样厚度，BN为断裂韧性试样净厚度，W为三点弯断裂韧性试样宽度，a0为三点弯断裂韧性试样初始裂纹长，Δa为裂纹韧性扩展量，Ps指测试过程中的载荷，Up指测试过程中的塑性形态功，J为测试过程中的J积分值。

取出表4中Δa、J 的相关数据，用于前面类似的方法，通过回归分析可以得到以下表达式及有关数据。

对于母材Q345钢，幂乘回归可求得lnJ=5.77+0.57Δa，R=0.837，SD=0.095 9。换算得到：J=320.5Δa0.57，求得JQ=162 kJ/m2。

实际上述各种材料的试验数据一般在7个以上，但由于材料的各向异性，影响了数据的有效性，尤其是母材Q345钢，其层间带状夹杂及微裂纹较多，严重影响了试验裂纹的扩展。但作为对比，仍有参考价值。

3 结论

1)对在役产品的母材Q345钢、埋弧焊焊缝金属等处进行了力学性能的测试，实验方法数据如前述。当前测试的材料力学性能符合控制范围，但是仍在变化中。

2)当前状态下，Q345钢的抗拉强度要大于埋弧自动焊焊缝金属，但是，埋弧自动焊焊缝金属的屈强比大于Q345钢，这预示着其抵抗局部应力偶然过载的能力较低。

3)在测试结果的分析中，考虑到实验次数有限等因素，利用概率统计等数学方法对断裂韧性或类似对象进行分析和评定，是必要可行的。

[1] 赖永泉.基于合于使用原则的压力容器安全评定技术[J].中国特种设备安全，2014,30(11):21-25.

[2] 中国国家标准化委员会.在用含缺陷压力容器的安全评定:GB/T 19624-2004[S].北京：中国标准出版社，2005.

[3] 黄樱,李扬.超轻汽车材料高强度钢Q460D力学性能研究[J].热加工工艺，2016,45(6):151-153.

[4] 中国国家标准化委员会.金属材料室温拉伸试验方法:GB/T228.1-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[5] 臧启山，等.工程断裂力学简明教程[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2013.

[6] 甄任贺,高向东.大功率光纤激光焊焊缝识别回归算法研究[J].焊接技术，2014，43(4)：12-15.

[7] 关娟，梅国平.最小二乘法在复杂曲面拟合中的应用[J].航空精密制造技术，2013，49(2)：57-59.

The experimental research on the mechanical property of Q345 steel and weld metal in service

LI Jia，NING Zhaoyang

Taking the Q345 steel and submerged arc weld seam metal in service as the research objects, tensile properties and fracture toughness tests were carried out, and the research of the experimental data were conducted. The tensile property of the current material, the conditional fracture toughness and the minimum fracture toughness at different probability levels were showed. Results reflected that the tensile strength of the Q345 steel is higher than that of the submerged arc weld metal, the yield strength ratio of the submerged arc weld metal is higher than that of the Q345 steel，which indicates the ability of submerged arc weld metal to resist local stress overload is lower. It is necessary and feasible to introduce the mathematical method to analyze the fracture toughness of the material.

Q345 steel, weld metal, mechanical property, experimental research

TG457.11

A

1002-6886(2016)06-0098-04

湖南省教育厅科学研究项目(编号：15C0449)。

黎佳(1985-)，湖南郴州人，男，硕士研究生毕业，讲师，主要研究方向为工业设备安全及自动化。 宁朝阳(1973-)，湖南衡阳人，男，硕士研究生毕业，获硕士学位，系副主任，教授，主要研究方向机械制造与自动化。

2016-07-20