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预应变下高强结构钢低温断裂性能

更新时间:2018-02-22      点击次数:1176

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*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App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

坏时立即开始卸载.

( 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

46 采用 ABAQUS Ver 6 9-1 三维有限

元App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App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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