q345b結構鋼板z向沖擊性能試驗研究

近年來，隨著重要建筑的發展，厚板鋼結構已被廣泛使用。由于結構承載量大、復雜性，連接和結構多樣，鋼的質量和焊接不充分，環境惡劣，容易造成z向破壞。Z向沖擊韌性是衡量鋼結構厚板Z向性能的一個重要指標，雖然未在有關規范中加以提出，但是，在實際工程中，由于結構經常受到動載或者沖擊荷載，比如海洋平臺及大型起重機械和巨型輪船，因而，考慮Z向沖擊韌性是非常有必要的。Z向沖擊韌性目前難以定量評價結構安全與否，但仍然可以用實驗測得的Z向沖擊韌性數據作為重要資料來估計厚板抵抗Z向沖擊及斷裂的能力，以后可能作為一個重要方面納入規范中。各國規范沒有明確說明Z向沖擊韌性對于厚板Z向性能的重要性。但給出了常規縱向力學性能(包含沖擊韌性)的要求，以此類推，當結構受到Z向沖擊荷載時，有必要考慮Z向沖擊韌性對結構承受Z向破壞的衡量作用。有關厚板沖擊韌性的文獻有:18mm板對接接頭在不同焊接工藝下的焊縫金屬及熱影響區在-20℃及-50℃下的沖擊功實驗但是，作為Z向沖擊韌性實驗，已有試驗研究比較缺乏。Girenko等1一般介紹1.1試驗驗證試驗本實驗參照的規范有:GB-T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，GB—T12778—2008試驗采用夏比V形缺口沖擊試樣，將測得每個試樣的沖擊功，分析沖擊功隨板厚、焊縫尺寸、取樣方法的變化規律;然后用規范GB-T12778—2008(《金屬夏比沖擊斷口測定方法》)1.2試驗2:熔噴母材取樣試驗所用鋼材為舞陽鋼鐵廠生產的Q345B結構用鋼，加工與焊接由二十二冶公司進行，焊接參數如下:焊接方法為二氧化碳氣體保護焊，焊絲為ER50-6，直徑為1.2mm，送絲速度為30～35cm/min。試驗為在母材及十字連接影響下的母材內取樣(十字連接采用T形接頭K形坡口全熔透焊)。按照以下2個參數變化進行取樣:(1)厚度分別為60,80,100,120和165mm5種。(2)取樣方向及有無焊縫影響:母材X向(X)，母材板厚中心Z向(Z)，母材1/4厚度Z向(Z#);21,30,39和48mm焊縫影響下Z向(Z-T1,Z-T2,Z-T3和Z-T4)。取樣位置及方法如圖1和圖2所示。試樣取樣分組情況如表1所示，每種試樣取4個，實驗結果取平均值。1.3試樣制備和沖擊強度本實驗在清華大學航空航天大學實驗室進行試驗，沖擊試驗器材型號為SANS擺錘式沖擊試驗機，標準沖擊能量為300J，如圖3所示。試樣先在冷凍箱內用液氮冷卻至相應溫度，然后迅速放到試驗機上沖斷并讀數，記錄。試樣應在規定溫度下保持足夠時間，不小于8min。考慮到試樣冷卻后拿出會溫度回升，將冷卻溫度調至比預定低2℃。2試驗結果2.1沖擊韌性隨試驗樣本尺寸的變化沖擊功隨取樣方式變化的試驗結果如圖4所示。(1)從圖4可見:沿X向各厚度鋼板的取樣，沖擊功非常接近，在150～170之間;沿X取樣的沖擊韌性遠大于沿Z向取樣的各類試樣，例如對于60mm的X向取樣沖擊功約為170J，遠遠大于Z向取樣值50～70J，而且這個差距在更厚的板表現得更加懸殊。(2)對于所有的Z向取樣方式，不論是Z向沿板材中心還是沿板材1/4處，還是受到焊縫影響的沿板材中心，沖擊韌性皆很小，但沒有較大變化，可以認為沿Z向的沖擊韌性已經降低到很低的程度，焊縫等因素對已經因為Z向取樣降低的沖擊韌性已經不是主要因素。另外，對不同厚度的母材板的Z向取樣，不管是沿1/2厚度，還是1/4厚度，沖擊功并無明顯差別。2.2材料沖擊韌性分析沖擊功隨溫度變化試驗結果如圖5所示。(1)由圖5可見:隨溫度的降低，X向取樣的沖擊韌性迅速降低，Z向取樣無焊縫和Z向取樣有焊縫影響的試樣也隨之降低，但幅度沒有X向明顯。曲線表現出明顯的S型韌脆轉變特征，從而隨著溫度的降低，材料沖擊韌性表現出明顯的低溫冷脆。(2)由于Z向試樣本身的沖擊韌性已經降低到很低水平，故溫度對其降低程度不如X向試樣明顯，但仍要密切關注溫度對Z向試樣的影響。2.3沖擊功隨板厚的變化情況沖擊功隨板厚變化試驗結果如圖6所示，其中試驗溫度為20℃。從圖6可見:(1)隨板厚的增加，各類型試樣的沖擊功皆有穩定的下降，各Z向試樣沖擊功隨板厚增加而降低的幅度比-X試樣略大。(2)對于60mm厚的板，對于不同焊縫尺寸影響下母材的Z向，沖擊韌性無明顯變化規律，故可能在Z向取樣時，焊縫的熱影響對沖擊韌性的降低程度已經不是很明顯。3對于可靠試樣的沖擊性能工程中將韌脆轉變溫度作為防止斷裂的重要依據。韌脆轉變溫度越高，材料越容易在比較高的溫度下發生韌脆轉變，從而表現出更明顯的低溫脆性。對于沖擊試驗來說，沖擊功隨溫度變化的典型曲線為S型，隨著溫度區域不同分為3個區域:溫度較高位置的上平臺，較低位置的下平臺以及韌脆轉變溫度內下降段。理想的韌脆轉變曲線如圖7所示。雖然實際中實驗結果離散性可能很大，很難得到如此典型的曲線，但是仍可以采用Boltzmann函數對沖擊功和溫度的變化關系進行擬合其中:A對于60mm厚的3種類型試樣(60-X,60-Z和60-Z-T1)進行Boltzmann函數擬合，結果見表2。從表2可見:(1)對于X向沖擊試樣，不管是上平臺下平臺都大大高于Z向取樣;而對于未受和受到焊縫影響的母材，Z向取樣的上下平臺值非常接近，受到焊縫熱影響的母材Z向沖擊韌性略低。這說明X向沖擊性能大大優于Z向，而對于Z向的沖擊韌性，焊縫的影響已經不是控制因素。(2)X向試樣的韌脆轉變溫度(-25.0℃)大大低于Z向試樣的(-15.0℃和-12.0℃)，說明Z向試樣更容易受到溫度降低的影響呈現低溫脆性。4采樣斷口分析4.1材料的微觀組織對20℃下幾種不同取樣類型的試樣，圖8為斷口宏觀照片，圖9所示為放大1000倍的電子顯微鏡照片。(1)從宏觀看，這4種類型取樣由很明顯的塑性頸縮變形過度到整齊的脆斷。(2)從微觀看，對于X向取樣，斷口有很明顯的纖維區，且韌窩分布較密集表現明顯的塑性變形;對于母材的Z向取樣，韌性仍較為明顯;在厚度為21mm焊縫影響下的母材Z向試樣，漸漸出現解理面，但仍表現出一定的韌性，在一定區域有兩者的過渡;在厚度為39mm的焊縫影響下的母材Z向試樣，有明顯的解理面特征，表現出明顯的脆性斷裂。4.2斷口觀察和電子顯微鏡照片對60-Z-T1的試樣在20,-20和-60℃下的斷口進行宏觀和電子顯微鏡分析，圖10所示為斷口宏觀照片，圖11所示為放大1000倍的電子顯微鏡照片。(1)從宏觀看，這3種試樣皆表現較大的脆性，尤其是60℃下的試樣為基本沒有變形的整齊切斷。(2)從微觀看，試樣皆表現出脆性的解理面特征，但是，隨著溫度的降低解理特征更加明顯，解理臺階也越加明顯。4.3斷口電子顯微鏡照片分析對60,120和165mm厚板的母材Z向取樣60-Z和120-Z和165-Z在20℃下試驗的斷口進行宏觀和電子顯微鏡分析，圖12所示為斷口宏觀照片，圖13所示為放大1000倍的電子顯微鏡照片。(1)從宏觀看，板厚越大，斷口的變形反而更大，可能是取樣不能遍歷各個厚度位置所致。或者由于更厚的板夾雜物的分布較少，脆性較不明顯。(2)從微觀上看，沒有特別明顯的規律，120mm厚的斷口掃描比60mm有更強的解理面脆性斷裂特征，但165mm厚的試樣有更多的孔洞和缺陷。5沖擊韌性分析(1)Z向的沖擊韌性比X向大大降低，受焊接熱影響后的Z向沖擊韌性更加降低。(2)板厚增加導