預應變下高強結構鋼低溫斷裂性能

鋼結構因其具有良好的力學性能、經濟性能和

使用性能等優點，在工業廠房、橋梁、大型工業設備

和高層建筑等領域得到廣泛地應用． 但結構鋼材的

塑性和斷裂韌性隨著溫度的降低而下降，構件的斷

裂行為也由韌性斷裂向脆性斷裂發生轉變． 在低溫

環境下，即使在低應力下也會容易發生脆性破壞．

脆性斷裂的發生具有突發性，事先毫無征兆，破壞過

程瞬間發生，根本來不及采取補救措施，從而大大增

加了鋼結構破壞的危險性．

以往國內鋼結構普遍采用 Q235 和 Q345 強度

等級的鋼材，與*水平( Q450 及以上) 相比，

強度偏低，結構用鋼量偏大，增加了建設投資． 近年

來，國內采用了生產技術較成熟、強度等級更高的

Q420 高強結構鋼． 但在大量的工程建設過程中，結

構鋼材不可避免會承受大的塑性變形，即鋼結構在

使用前已經產生了一定塑性變形( 即為預應變) ． 預

應變的產生會直接影響鋼結構的變形能力和斷裂抗

力，引起材料斷裂韌性的下降，甚至會引起裂紋

的應力集中，導致脆性斷裂的發生

［1，2］ ，使鋼結構失

效的幾率大增． 因此，在鋼結構的斷裂評定中必須

考慮預應變對材料變形和斷裂行為的影響．

國內外曾發生過許多鋼結構破壞事故，造成了

很大的經濟損失和人員傷亡． 鋼結構的破壞一般不

是單一因素引起的，往往是多個因素綜合作用的結

果． 目前，國外主要對管道用鋼進行了預應變下的

低溫斷裂研究

［1 －3］ ． 對于結構鋼，國內外少有研究．

文中主要對國內目前普遍采用的高強結構鋼 Q420

原材料及具有一定預應變水平材料進行了低溫斷裂

試驗研究，分析了溫度和預應變對其斷裂韌性的影

響，為鋼結構的工程設計及應用提供依據．

1 試驗方法

1．1 試驗材料及其力學性能

試驗用材選取典型建筑高強結構鋼 Q420 角

鋼，規格為 200 mm( 支寬) ×16 mm( 厚度) ，熱處理

狀態為控軋 + 控冷．

試驗過程

斷裂試驗是在 300 kN 的材料試驗機上進

行，試驗過程中通過電腦軟件自動記錄 F-V 曲線( F

為施加載荷，V 為試樣裂紋嘴張開位移) 并存儲試驗

數據． 整個試驗步驟如下．

( 1) 對每個試樣測量其厚度 B、寬度 W 及刀口

厚度 z，測量精度為 0． 02 mm．

( 2) 試驗之前對載荷、位移測量系統進行標定，

標定過程在室溫條件下進行．

( 3) 將試樣放在盛有干冰、酒精低溫介質的低

溫槽中進行冷卻． 試驗溫度分別為 －20，0 和20 ℃，

應保證測溫計距裂紋不超過 2 mm 范圍，精度為

±2 ℃，保溫時間為每毫米不少于 30 s( 試驗跨距 S

為4 W ±0．2 W，實際記錄跨距時偏差為 ±0．5%) ．

( 4) 采用一次加載的方式直到試樣失穩破壞，

加載速率 K 在線彈性變形時應保證在 0． 5 ～ 3． 0

MPa·m 0． 5 /s 之間，并同時記錄試樣載荷—位移曲

線． 需要注意的是試樣加載到 F-V 曲線達到zui大載

荷并剛剛開始下降時卸載，或試樣發生脆斷失穩破

壞時立刻開始卸載．

( 5) 試樣失穩破壞后，從低溫槽中取出，對斷口

進行烘干處理后在試驗機上快速壓斷試樣． 從斷裂

試樣上取下斷口形貌用工具顯微鏡測量試樣的初始

裂紋長度的平均值 a 0 和裂紋長度的平均值 a，由此

計算出裂紋擴展量△a． 測量的具體方法為沿試樣

厚度方向取 9 個測量位置分別進行測量( 圖 4) ，其

中zui外側的兩個點位于距試樣表面 1% B 處，然后

在這兩個點之間等間距的取 7 個測量位置． 裂紋長

度按下述公式計算。

( 6) 數據處理． 根據 F-V 曲線上的zui大載荷 F

( N) 和對應zui大載荷時的塑性張開位移 V P ( mm) 按

BS7448 Part Ⅰ中的下述式( 7) 計算 CTOD 值，即

δ 0 =［

FS

BW 1． 5

× f

a 0

( )

W

］

2 ( 1 － υ

2 )

2R eL E

+

0． 4( W － a 0 ) V p

0． 6a 0 +0． 4W + z

( 7)

式中: 彈性模量 E =2． 01 ×10 5 MPa; 泊松比 υ =0． 3;

R eL 為材料屈服強度; f( a 0 /W) 為幾何形狀因子，可根

據 a 0 /W 的數值直接查表得到．

( 7) 有效性判別． BS7448 標準對母材金屬有效

試樣規定如下: 平均裂紋長度為 a 0 =0． 45 ～0． 55 W;

裂紋前緣任意兩個裂紋長度差值均不大于10%a 0 ．

試驗結果及其分析

典型的載荷—位移曲線如圖 5 所示，曲線上zui

大載荷處的拐點即為試樣發生失穩斷裂破壞時刻．

通過計算得到的 Q420 原材料和 2% 預應變試樣在

不同溫度下的 CTOD 值，如圖 6 所示． 由圖 6 可以

清楚地看到，溫度對結構鋼的斷裂韌性有明顯的影

響，隨著溫度的降低鋼材的斷裂韌性顯著減小，使鋼

材由延性斷裂向脆性斷裂轉變． 在同一個溫度下，

預應變的存在也顯著降低了鋼材的斷裂韌性，進一

步促進了脆性斷裂的發生． 因此，具有一定塑性預

應變的鋼結構在低溫環境下具有低的安全性，極易

發生脆性斷裂破壞．

有限元分析

裂紋周圍的應力場對斷裂韌性特性具有重

要的作用

［4，6］ ． 采用 ABAQUS Ver． 6． 9-1 三維有限

元軟件分析了預應變對 CTOD 試樣裂紋應力場

的作用． 由于采用有限元計算的三點彎曲試樣具有

對稱性，取試樣的 1/4 建模( 圖 7) ，采用八節點六面

體線性減縮積分單元． 裂紋zui小尺寸為 0． 002

mm ×0． 005 mm ×0． 04 mm，其局部網格劃分如圖7b

所示，共分 8 590 個單元、10 854 個節點． 采用裂紋

張開位移 CTOD 表征裂紋的載荷水平．

( δ

0 =0． 1 mm) 兩種 CTOD 試樣板厚中部裂紋

區域zui大主應力 σ 1 的分布，由圖8 可見裂紋區

域的應力由于預應變而升高． 對于其它溫度情況，

也有相同的趨勢． 這就定性說明了預應變對裂紋尖

端區域應力的這種增大作用促進了 CTOD 試樣由延

性斷裂向脆性斷裂的轉變．

結 論

( 1) 溫度對結構鋼的斷裂韌性有明顯的影響，

隨著溫度的降低，鋼材的斷裂韌性顯著減小，使鋼材

由延性斷裂向脆性斷裂轉變．

( 2) 預應變提高了鋼材的屈服強度與抗拉強

度，但顯著降低了鋼材的斷裂韌性，進一步增加了發

生脆性斷裂的可能性． 在重要工程設計、選材、安全

分析及評定時，應同時考慮預應變作用的影響．

( 3) 通過有限元軟件對斷裂過程模擬分析得

出，預應變的存在引起裂紋區域應力場的增大，

這種作用促進了 CTOD 試樣由延性斷裂向脆性斷裂

的轉變．

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