预应变下高强结构钢低温断裂性能

预应变下高强结构钢低温断裂性能

钢结构因其具有良好的力学性能、经济性能和

使用性能等优点，在工业厂房、桥梁、大型工业设备

和高层建筑等领域得到广泛地应用． 但结构钢材的

塑性和断裂韧性随着温度的降低而下降，构件的断

裂行为也由韧性断裂向脆性断裂发生转变． 在低温

环境下，即使在低应力下也会容易发生脆性破坏．

脆性断裂的发生具有突发性，事先毫无征兆，破坏过

程瞬间发生，根本来不及采取补救措施，从而大大增

加了钢结构破坏的危险性．

以往国内钢结构普遍采用 Q235 和 Q345 强度

等级的钢材，与*水平( Q450 及以上) 相比，

强度偏低，结构用钢量偏大，增加了建设投资． 近年

来，国内采用了生产技术较成熟、强度等级更高的

Q420 高强结构钢． 但在大量的工程建设过程中，结

构钢材不可避免会承受大的塑性变形，即钢结构在

使用前已经产生了一定塑性变形( 即为预应变) ． 预

应变的产生会直接影响钢结构的变形能力和断裂抗

力，引起材料断裂韧性的下降，甚至会引起裂纹

的应力集中，导致脆性断裂的发生

［1，2］ ，使钢结构失

效的几率大增． 因此，在钢结构的断裂评定中必须

考虑预应变对材料变形和断裂行为的影响．

国内外曾发生过许多钢结构破坏事故，造成了

很大的经济损失和人员伤亡． 钢结构的破坏一般不

是单一因素引起的，往往是多个因素综合作用的结

果． 目前，国外主要对管道用钢进行了预应变下的

低温断裂研究

［1 －3］ ． 对于结构钢，国内外少有研究．

文中主要对国内目前普遍采用的高强结构钢 Q420

原材料及具有一定预应变水平材料进行了低温断裂

试验研究，分析了温度和预应变对其断裂韧性的影

响，为钢结构的工程设计及应用提供依据．

1 试验方法

1．1 试验材料及其力学性能

试验用材选取典型建筑高强结构钢 Q420 角

钢，规格为 200 mm( 支宽) ×16 mm( 厚度) ，热处理

状态为控轧 + 控冷．

试验过程

断裂试验是在 300 kN 的材料试验机上进

行，试验过程中通过电脑软件自动记录 F-V 曲线( F

为施加载荷，V 为试样裂纹嘴张开位移) 并存储试验

数据． 整个试验步骤如下．

( 1) 对每个试样测量其厚度 B、宽度 W 及刀口

厚度 z，测量精度为 0． 02 mm．

( 2) 试验之前对载荷、位移测量系统进行标定，

标定过程在室温条件下进行．

( 3) 将试样放在盛有干冰、酒精低温介质的低

温槽中进行冷却． 试验温度分别为 －20，0 和20 ℃，

应保证测温计距裂纹不超过 2 mm 范围，精度为

±2 ℃，保温时间为每毫米不少于 30 s( 试验跨距 S

为4 W ±0．2 W，实际记录跨距时偏差为 ±0．5%) ．

( 4) 采用一次加载的方式直到试样失稳破坏，

加载速率 K 在线弹性变形时应保证在 0． 5 ～ 3． 0

MPa·m 0． 5 /s 之间，并同时记录试样载荷—位移曲

线． 需要注意的是试样加载到 F-V 曲线达到zui大载

荷并刚刚开始下降时卸载，或试样发生脆断失稳破

坏时立刻开始卸载．

( 5) 试样失稳破坏后，从低温槽中取出，对断口

进行烘干处理后在试验机上快速压断试样． 从断裂

试样上取下断口形貌用工具显微镜测量试样的初始

裂纹长度的平均值 a 0 和裂纹长度的平均值 a，由此

计算出裂纹扩展量△a． 测量的具体方法为沿试样

厚度方向取 9 个测量位置分别进行测量( 图 4) ，其

中zui外侧的两个点位于距试样表面 1% B 处，然后

在这两个点之间等间距的取 7 个测量位置． 裂纹长

度按下述公式计算。

( 6) 数据处理． 根据 F-V 曲线上的zui大载荷 F

( N) 和对应zui大载荷时的塑性张开位移 V P ( mm) 按

BS7448 Part Ⅰ中的下述式( 7) 计算 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: 弹性模量 E =2． 01 ×10 5 MPa; 泊松比 υ =0． 3;

R eL 为材料屈服强度; f( a 0 /W) 为几何形状因子，可根

据 a 0 /W 的数值直接查表得到．

( 7) 有效性判别． BS7448 标准对母材金属有效

试样规定如下: 平均裂纹长度为 a 0 =0． 45 ～0． 55 W;

裂纹前缘任意两个裂纹长度差值均不大于10%a 0 ．

试验结果及其分析

典型的载荷—位移曲线如图 5 所示，曲线上zui

大载荷处的拐点即为试样发生失稳断裂破坏时刻．

通过计算得到的 Q420 原材料和 2% 预应变试样在

不同温度下的 CTOD 值，如图 6 所示． 由图 6 可以

清楚地看到，温度对结构钢的断裂韧性有明显的影

响，随着温度的降低钢材的断裂韧性显著减小，使钢

材由延性断裂向脆性断裂转变． 在同一个温度下，

预应变的存在也显著降低了钢材的断裂韧性，进一

步促进了脆性断裂的发生． 因此，具有一定塑性预

应变的钢结构在低温环境下具有低的安全性，极易

发生脆性断裂破坏．

有限元分析

裂纹周围的应力场对断裂韧性特性具有重

要的作用

［4，6］ ． 采用 ABAQUS Ver． 6． 9-1 三维有限

元软件分析了预应变对 CTOD 试样裂纹应力场

的作用． 由于采用有限元计算的三点弯曲试样具有

对称性，取试样的 1/4 建模( 图 7) ，采用八节点六面

体线性减缩积分单元． 裂纹zui小尺寸为 0． 002

mm ×0． 005 mm ×0． 04 mm，其局部网格划分如图7b

所示，共分 8 590 个单元、10 854 个节点． 采用裂纹

张开位移 CTOD 表征裂纹的载荷水平．

( δ

0 =0． 1 mm) 两种 CTOD 试样板厚中部裂纹

区域zui大主应力 σ 1 的分布，由图8 可见裂纹区

域的应力由于预应变而升高． 对于其它温度情况，

也有相同的趋势． 这就定性说明了预应变对裂纹尖

端区域应力的这种增大作用促进了 CTOD 试样由延

性断裂向脆性断裂的转变．

结 论

( 1) 温度对结构钢的断裂韧性有明显的影响，

随着温度的降低，钢材的断裂韧性显著减小，使钢材

由延性断裂向脆性断裂转变．

( 2) 预应变提高了钢材的屈服强度与抗拉强

度，但显著降低了钢材的断裂韧性，进一步增加了发

生脆性断裂的可能性． 在重要工程设计、选材、安全

分析及评定时，应同时考虑预应变作用的影响．

( 3) 通过有限元软件对断裂过程模拟分析得

出，预应变的存在引起裂纹区域应力场的增大，

这种作用促进了 CTOD 试样由延性断裂向脆性断裂

的转变．

  深圳市泰立仪器仪表有限公司成立于2005年11月，是专业从事测试仪器仪表设备的代理、销售和服务工作。并与国外仪表生产厂商有着广泛的技术与销售合作的良好基础。作为德国FOERSTER霍释特、美国Dakota达高特、英国SONATEST声纳、英国ETHER NDE易德、美国GE通用、日本SHIMPO新宝、日本KANOMAX加野麦克斯、中国台湾Motive一诺等公司的中国销售代理。主要销售的仪器有：超声波测厚仪、超声波探伤仪、汽车点焊探伤仪、超声波硬度计、电导率仪、磁导率仪、涡流探伤仪、涂层测厚仪、工业内窥镜、风速计、粒子计数器、推拉力计、扭力计等测试仪器。

    为客户提供高品质的产品，是我们公司改变的诺言。