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预应变下高强结构钢低温断裂性能
点击次数:278 发布时间:2018-02-22 返回

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 Q345 强度

等级的钢材,与国外先进水平( 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)

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

12 ,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

11 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

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 200 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

4 W ±02 W,实际记录跨距时偏差为 ±05%)

( 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( 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)

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

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( 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.

( 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.

 

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