預(yù)應(yīng)變下高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼低溫?cái)嗔研阅?/h1>

更新時(shí)間：2018-02-22      點(diǎn)擊次數(shù)：1432

預(yù)應(yīng)變下高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼低溫?cái)嗔研阅?/span>

鋼結(jié)構(gòu)因其具有良好的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能和

使用性能等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)廠房、橋梁、大型工業(yè)設(shè)備

和高層建筑等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用． 但結(jié)構(gòu)鋼材的

塑性和斷裂韌性隨著溫度的降低而下降，構(gòu)件的斷

裂行為也由韌性斷裂向脆性斷裂發(fā)生轉(zhuǎn)變． 在低溫

環(huán)境下，即使在低應(yīng)力下也會(huì)容易發(fā)生脆性破壞．

脆性斷裂的發(fā)生具有突發(fā)性，事先毫無征兆，破壞過

程瞬間發(fā)生，根本來不及采取補(bǔ)救措施，從而大大增

加了鋼結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)性．

以往國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)普遍采用 Q235 和 Q345 強(qiáng)度

等級(jí)的鋼材，與*水平( Q450 及以上) 相比，

強(qiáng)度偏低，結(jié)構(gòu)用鋼量偏大，增加了建設(shè)投資． 近年

來，國(guó)內(nèi)采用了生產(chǎn)技術(shù)較成熟、強(qiáng)度等級(jí)更高的

Q420 高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼． 但在大量的工程建設(shè)過程中，結(jié)

構(gòu)鋼材不可避免會(huì)承受大的塑性變形，即鋼結(jié)構(gòu)在

使用前已經(jīng)產(chǎn)生了一定塑性變形( 即為預(yù)應(yīng)變) ． 預(yù)

應(yīng)變的產(chǎn)生會(huì)直接影響鋼結(jié)構(gòu)的變形能力和斷裂抗

力，引起材料斷裂韌性的下降，甚至?xí)鹆鸭y

的應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂的發(fā)生

［1，2］ ，使鋼結(jié)構(gòu)失

效的幾率大增． 因此，在鋼結(jié)構(gòu)的斷裂評(píng)定中必須

考慮預(yù)應(yīng)變對(duì)材料變形和斷裂行為的影響．

國(guó)內(nèi)外曾發(fā)生過許多鋼結(jié)構(gòu)破壞事故，造成了

很大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡． 鋼結(jié)構(gòu)的破壞一般不

是單一因素引起的，往往是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)

果． 目前，國(guó)外主要對(duì)管道用鋼進(jìn)行了預(yù)應(yīng)變下的

低溫?cái)嗔蜒芯?/span>

［1 －3］ ． 對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，國(guó)內(nèi)外少有研究．

文中主要對(duì)國(guó)內(nèi)目前普遍采用的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼 Q420

原材料及具有一定預(yù)應(yīng)變水平材料進(jìn)行了低溫?cái)嗔?/span>

試驗(yàn)研究，分析了溫度和預(yù)應(yīng)變對(duì)其斷裂韌性的影

響，為鋼結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供依據(jù)．

1 試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)材料及其力學(xué)性能

試驗(yàn)用材選取典型建筑高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼 Q420 角

鋼，規(guī)格為 200 mm( 支寬) ×16 mm( 厚度) ，熱處理

狀態(tài)為控軋 + 控冷．

試驗(yàn)過程

斷裂試驗(yàn)是在 300 kN 的材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)

行，試驗(yàn)過程中通過電腦軟件自動(dòng)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(chǔ)試驗(yàn)

數(shù)據(jù)． 整個(gè)試驗(yàn)步驟如下．

( 1) 對(duì)每個(gè)試樣測(cè)量其厚度 B、寬度 W 及刀口

厚度 z，測(cè)量精度為 0． 02 mm．

( 2) 試驗(yàn)之前對(duì)載荷、位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，

標(biāo)定過程在室溫條件下進(jìn)行．

( 3) 將試樣放在盛有干冰、酒精低溫介質(zhì)的低

溫槽中進(jìn)行冷卻． 試驗(yàn)溫度分別為 －20，0 和20 ℃，

應(yīng)保證測(cè)溫計(jì)距裂紋不超過 2 mm 范圍，精度為

±2 ℃，保溫時(shí)間為每毫米不少于 30 s( 試驗(yàn)跨距 S

為4 W ±0．2 W，實(shí)際記錄跨距時(shí)偏差為 ±0．5%) ．

( 4) 采用一次加載的方式直到試樣失穩(wěn)破壞，

加載速率 K 在線彈性變形時(shí)應(yīng)保證在 0． 5 ～ 3． 0

MPa·m 0． 5 /s 之間，并同時(shí)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(dá)到zui大載

荷并剛剛開始下降時(shí)卸載，或試樣發(fā)生脆斷失穩(wěn)破

壞時(shí)立刻開始卸載．

( 5) 試樣失穩(wěn)破壞后，從低溫槽中取出，對(duì)斷口

進(jìn)行烘干處理后在試驗(yàn)機(jī)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(cè)量試樣的初始

裂紋長(zhǎng)度的平均值 a 0 和裂紋長(zhǎng)度的平均值 a，由此

計(jì)算出裂紋擴(kuò)展量△a． 測(cè)量的具體方法為沿試樣

厚度方向取 9 個(gè)測(cè)量位置分別進(jìn)行測(cè)量( 圖 4) ，其

中zui外側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)位于距試樣表面 1% B 處，然后

在這兩個(gè)點(diǎn)之間等間距的取 7 個(gè)測(cè)量位置． 裂紋長(zhǎng)

度按下述公式計(jì)算。

( 6) 數(shù)據(jù)處理． 根據(jù) F-V 曲線上的zui大載荷 F

( N) 和對(duì)應(yīng)zui大載荷時(shí)的塑性張開位移 V P ( mm) 按

BS7448 Part Ⅰ中的下述式( 7) 計(jì)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(qiáng)度; f( a 0 /W) 為幾何形狀因子，可根

據(jù) a 0 /W 的數(shù)值直接查表得到．

( 7) 有效性判別． BS7448 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)母材金屬有效

試樣規(guī)定如下: 平均裂紋長(zhǎng)度為 a 0 =0． 45 ～0． 55 W;

裂紋前緣任意兩個(gè)裂紋長(zhǎng)度差值均不大于10%a 0 ．

試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)即為試樣發(fā)生失穩(wěn)斷裂破壞時(shí)刻．

通過計(jì)算得到的 Q420 原材料和 2% 預(yù)應(yīng)變?cè)嚇釉?/span>

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(duì)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變． 在同一個(gè)溫度下，

預(yù)應(yīng)變的存在也顯著降低了鋼材的斷裂韌性，進(jìn)一

步促進(jìn)了脆性斷裂的發(fā)生． 因此，具有一定塑性預(yù)

應(yīng)變的鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下具有低的安全性，極易

發(fā)生脆性斷裂破壞．

有限元分析

裂紋周圍的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)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(yù)應(yīng)變對(duì) CTOD 試樣裂紋應(yīng)力場(chǎng)

的作用． 由于采用有限元計(jì)算的三點(diǎn)彎曲試樣具有

對(duì)稱性，取試樣的 1/4 建模( 圖 7) ，采用八節(jié)點(diǎn)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(wǎng)格劃分如圖7b

所示，共分 8 590 個(gè)單元、10 854 個(gè)節(jié)點(diǎn)． 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(qū)域zui大主應(yīng)力 σ 1 的分布，由圖8 可見裂紋區(qū)

域的應(yīng)力由于預(yù)應(yīng)變而升高． 對(duì)于其它溫度情況，

也有相同的趨勢(shì)． 這就定性說明了預(yù)應(yīng)變對(duì)裂紋尖

端區(qū)域應(yīng)力的這種增大作用促進(jìn)了 CTOD 試樣由延

性斷裂向脆性斷裂的轉(zhuǎn)變．

結(jié) 論

( 1) 溫度對(duì)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變．

( 2) 預(yù)應(yīng)變提高了鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)

度，但顯著降低了鋼材的斷裂韌性，進(jìn)一步增加了發(fā)

生脆性斷裂的可能性． 在重要工程設(shè)計(jì)、選材、安全

分析及評(píng)定時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)變作用的影響．

( 3) 通過有限元軟件對(duì)斷裂過程模擬分析得

出，預(yù)應(yīng)變的存在引起裂紋區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的增大，

這種作用促進(jìn)了 CTOD 試樣由延性斷裂向脆性斷裂

的轉(zhuǎn)變．

 

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