Q460C高強鋼材對接焊縫的低溫力學性能試驗*

王元清，林 云，張延年，石永久

(1．土木工程安全與耐久教育部重點實驗室清華大學土木工程系，北京100084;2．沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽110168)

焊縫連接是鋼結構最主要的連接形式，焊接鋼結構的脆性斷裂與疲勞問題，關系著鋼結構的安全可靠性與使用壽命。焊接鋼結構往往在焊接接頭處產生裂紋，甚至發生斷裂破壞。影響焊接鋼結構斷裂韌性的因素，主要有荷載環境條件、材料性質、結構構件尺寸、焊接殘余應力、缺口應力集中、焊接工藝、焊接缺陷等［1］。近年來，寒冷地區鋼結構房建大規模開展，加之高強度鋼材在建筑行業中的應用，低溫冷脆隱患不可避免;高強鋼焊接難度較大，易產生焊接缺陷，并且對應力敏感，其斷裂韌性有待于研究。對高強度建筑鋼結構低溫脆性斷裂與疲勞的研究，將關系著高強度鋼結構在低溫地區應用的安全與耐久性［2－5］。力學性能的研究正是該領域的前提和基礎，其中低溫下的塑性指標表征著高強度鋼材在低溫下的變形能力及限度;其力學性能可通過屈服強度、抗拉強度等強度以及斷后伸長率、斷面收縮率、屈強比等塑性指數表現出來。本文針對厚度為14 mm的Q460C高強度結構鋼材對接焊縫的力學性能進行了垂直于軋制方向的低溫拉伸試驗研究。

1 試驗概況

1．1 試驗目的

試驗依據《金屬材料室溫拉伸試驗方法》［6］(GB/T 228—2002)和《金屬材料低溫拉伸試驗方法》［7］(GB/T 13239—2006)在20，0，－20，－40 和－60℃共5個溫度點下對厚度為14 mm的Q460C高強度結構鋼材的對接焊縫鋼板進行拉伸試驗;在每個溫度點各選取3個試樣，得到各個試驗點的強度指標(包括抗拉強度fu、屈服強度fy)以及塑性指標(包括伸長率δ、斷面收縮率ψ、屈強比)等，并獲得各項力學指標隨溫度的變化規律，為焊接高強度鋼結構在建筑行業中的應用考慮低溫脆斷的工程設計提供必要的試驗資料。

1．2 試樣用材和尺寸

采用V型坡口全熔透氣體保護焊對厚度為14 mm的Q460C高強度建筑鋼材進行焊接，此項工作在河北唐山二十二冶完成，并已通過焊接工藝評定，執行了《建筑鋼結構焊接規程》(JGJ 81—2002)、《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》(GB/T 8110—95)、《鋼結構工程施工質量及驗收規范》(GB50205—2001)等標準，焊接工藝參數見表1，對接焊縫尺寸見圖1，鋼材的供貨狀態為控軋，技術條件符合《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591—2008)，碳當量Ceq=0．468%，主要化學成分見表2。

圖1 對接焊縫的尺寸Fig．1 The size of butt weld

拉伸試樣垂直于鋼板軋制方向，加工成圓棒型，焊縫中心為試件的幾何中心，總長為120 mm，平行段總長L=60 mm，平行段表面粗糙度為0．8，原標距長度l0=40 mm，工作段截面的直徑為d0=8 mm;過渡部分曲率半徑R=10 mm;兩夾持端采用規格為M12X1．75的標準螺紋頭，夾持長度為25 mm。

焊縫機加工試樣、詳細尺寸和拉斷后的試件如圖2所示。

圖2 焊縫試件Fig．2 Butt weld tensile sample

表1 焊接工藝參數Table 1 Parameter of welding procedure

1．3 試驗設備

采用人工創造低溫環境將試樣進行拉伸。對試樣進行冷卻有若干種方法，本次試驗采用空氣和液氮的混合蒸汽在專門容器中對拉伸試件進行冷卻。

試驗在清華大學航天航空學院的力學系強度試驗室進行，該試驗室有全套進行低溫試驗的裝置設備，如圖3所示。

圖3 低溫拉伸試驗裝置設備Fig．3 Installations of test

1．4 試驗過程及注意事項

在試驗過程中應符合下列要求:

(1)拉伸試樣的直徑＞5 mm，冷卻介質為混合蒸汽，則保溫時間應≥15 min，并且在試驗過程中保證環境溫度偏差在±2℃范圍內;

(2)試驗從20～60℃進行，多試樣同時降溫冷卻，以提高試驗效率;

(3)使試樣盡量只受軸向力的作用，保證試樣拉伸過程中軸心受拉;

(4)加載速率保持恒定，整個拉伸過程中控制試驗機橫梁位移速度為1 mm/min;

(5)試樣拉斷全過程的荷載與位移完整的關系由自動記錄儀記錄。

2 強度指標的試驗結果

2．1 強度指標隨溫度的變化規律

通過五組低溫拉伸試驗得到了20，0，－20，－40和－60℃ 5個溫度點下Q460C鋼材對接焊縫的屈服強度fy、抗拉強度fu及屈強比如表3所示。

根據表3中5個溫度點下的強度繪制如圖4的曲線，以便看出Q460C對接焊縫鋼板強度指標隨溫度的變化趨勢。

(1)分析圖4(a)可知:在溫度20～40℃時，Q460C鋼板對接焊縫屈服強度隨溫度的降低而升高，并且趨勢較明顯;當溫度從20℃降至0℃時，屈服強度均值提高的幅度最大，0℃時對Q460C焊接鋼材性能產生了較明顯的影響;當溫度為－40～60℃時，屈服強度不再隨溫度的下降而純粹上升卻略有降低，與預期結果不吻合。分析原因如下:限于試件個數，加上焊縫性能的復雜性，出現數據的離散性;溫度從－20℃降至－40℃時，3個數據點出現較大的落差，由于各試件焊縫在較低溫度下收縮凝固的面積不一致，并受到其兩邊母材的約束，產生了不同方位的復雜應力。同樣，溫度降至－60℃，焊縫收縮，并且焊縫缺陷對溫度更加敏感，兩者或者更多主導因素比例不一，造成－60℃時測得的3個屈服強度介于－40℃時測得的最大值與最小值之間;若不考慮－40℃測得的最大值與最小值，取中間值543，與－60℃3個數據的均值550．7比較，還是呈上升的趨勢。

表3 對接焊縫的低溫強度指標Table 3 Strength index of butt weld

(2)分析圖4(b)可知:Q460C焊接鋼板的抗拉強度隨溫度的降低而上升，并且上升趨勢較均勻。當溫度降至0℃時，抗拉強度均值提高的幅度也是最大，這與同溫度下的屈服強度變化相似;當溫度為－40℃時，抗拉強度數據出現較大的離散性，這與圖4(a)的分析相似。則0℃已使Q460C焊接鋼材表現溫度敏感性;當溫度降至－40℃或更低時，則較大影響其延性，且提高了脆斷的可能性。

(3)分析圖4(c)可知:當溫度為20～－40℃時，屈強比隨溫度降低而上升;當溫度為－40℃時，屈強比下降，由于數據離散性造成此溫度點的屈服強度不再上升反而下降，則屈服強度與抗拉強度的比值也相應下調，不影響整體趨勢;總體上仍體現Q460C焊接鋼材具有低溫冷脆性能。

圖4 強度指標隨溫度的變化規律Fig．4 Strength index with temperature

(4)《鋼結構設計規范》［GB 50017—2003］里規定鋼材的力學性能應滿足強屈比fu/fy≥1．2，換算成屈強比大約為fy/fu≤0．83;而《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)里規定，鋼結構的鋼材應符合屈強比不應大于0．85;《建筑結構用鋼板》(GB．T19879—2005)里規定，Q460C鋼材公稱厚度≤40 mm時的屈強比不大于0．85。則本文在5個溫度點下測得的Q460C焊接鋼材的屈強比都滿足以上規范標準要求。

2．2 強度指標的參數擬合

大量試驗研究及理論分析表明，鋼材在一般服役低溫環境下，其屈服強度與抗拉強度可用式(1)和(2)來分別表示［8－9］:

其中:fu和fy分別表示鋼材在溫度T下的抗拉強度和屈服強度;fy′和fu′則分別表示鋼材在溫度T′下的屈服強度和抗拉強度;敏感系數 qs和qb(1/℃)是根據試驗來確定的。同時，兩者之間也存在著以下關系:

式中:k為常數。由式(1)和(2)可類似得出鋼材隨溫度而變化的屈強比關系式:

表4所示是根據圖4的試驗數據擬合出來的參數。

表4 擬合參數Table 4 Fitting parameters

溫度敏感系數當為正值時表示鋼材的強度隨溫度的下降而增大，為負值時則表示隨溫度降低，強度也減小。從表3和表4可以看出:參數qs和qb均為正值，表明溫度的下降使Q460C鋼材對接焊縫的抗拉強度和屈服強度均有所提高;qs的均值比qb的大，k小于1，表明Q460C鋼材對接焊縫的抗拉強度在低溫下的提高幅度比屈服強度小，即低溫使其塑性下降，韌性也隨之降低。

3 塑性指標的試驗結果

本次試驗測得Q460C鋼材連接焊縫的低溫塑性包括斷后伸長率δ，斷面收縮率ψ以及屈強比。δ和ψ2個參數都與拉伸試件的尺寸相關，其值越大，其塑性也相對好些。實測數據如表5所示，繪成曲線圖見圖5。

表5 低溫塑性指標Table 5 Plasticity index at low temperature

圖5 連接焊縫塑性指標隨溫度的變化規律Fig．5 Plasticity index growing with temperature

(1)分析圖5(a)可知:當溫度為20～－20℃時，Q460C焊接鋼材的斷后伸長率隨溫度降低而下降，但在－20～－60℃時，伸長率δ的變化出現異常。觀察各個溫度點下拉斷的試件位置，發現溫度越低，拉斷的位置越靠近焊縫中心;當溫度為－20℃時，試件斷裂位置偏向熱影響區，由于熱影響區特殊的金相組織及力學性能受低溫影響導致其延性較差;當溫度為－40～－60℃時，焊縫缺陷對溫度的敏感占主導因素，其延伸性能較熱影響區好，較母材區差。

(2)圖5(b)反映了Q460C焊接鋼材的斷面收縮率隨溫度的降低呈直線下降趨勢，在－20～40℃區間有個平緩階段，從－40℃開始斷面收縮率又快速下降，在 －60℃時ψ比20℃時下降了8.73%，即塑性逐漸變差，反映Q460C焊接鋼材的低溫冷脆性。

(3)參考《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)的規定，鋼材的伸長率要滿足δ≥15%;并參照《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)，鋼結構的鋼材應符合伸長率不應小于20%;同時參考了《低合金高強度結構鋼》(GB T1591—2008)，當Q460C鋼材的公稱厚度≤40 mm時，保證其斷后伸長率≥17%;以及《建筑結構用鋼板》(GB T19879—2005)，當Q460C鋼材公稱厚度≤40 mm，斷后伸長率≥17%。則本文測得的Q460C焊接鋼材的斷后伸長率在各低溫下都滿足以上規范的要求。

4 與母材試驗之比較

4．1 強度指標的對比

Q460C焊接鋼材，由于其焊接工藝，焊縫強度與母材的匹配以及焊接殘余應力等的影響與純粹的Q460C鋼材存在較大的差別，因此，兩者低溫塑性指標也存在一定的差異。圖6所示為文獻［10］中母材強度指標與本文Q460C焊接鋼材低溫塑性的對比結果。

圖6 Q460C焊縫與其母材強度指標變化規律的比較Fig．6 Comparison of the strength index

(1)分析圖6(a)可知:Q460C焊接鋼材的屈服強度大于其母材的屈服強度，但兩者較接近，隨溫度發展趨勢一致。

(2)分析圖6(b)可知:Q460C母材的抗拉強度大于其焊縫，溫度0～60℃，兩者有一定的偏值，在－40℃時有最大偏離值為5．68%，隨溫度變化趨勢較一致。

4．2 塑性指標的對比

圖7為文獻［10］中母材塑性數據與本文Q460C焊接鋼材低溫塑性的對比曲線圖。

圖7 Q460C焊縫與其母材塑性指標變化規律的比較Fig．7 Comparison of the plasticity index

(1)分析圖7(a)可知:Q460C焊接鋼材的斷后伸長率小于其母材，偏離最大出現在－20℃，其偏離幅值達到14．15%，并且在20～40℃之間其偏離母材的值在7．46%～14．15%之間，表明Q460C焊接鋼材的塑性較母材的差。

(2)圖7(b)中Q460C焊接鋼材的斷面收縮率在20～－40℃之間小于母材的值，并在－20℃時偏離母材最大，其偏離值為4．30%，且總體上與母材的偏離程度沒有伸長率的明顯。但從－40～－60℃之間，Q460C焊接鋼材的ψ值反而比母材的高，在 －60℃時只比此溫度下的母材值高1.83%，仍然反映了Q460C焊接造成了其低溫韌性下降，使其性能變脆。

(3)圖7(c)中Q460C焊接鋼材的屈強比也明顯高過其母材的屈服比。3幅對比圖均從一定程度上體現了Q460C鋼材的焊接連接使得其低溫塑性變得更差，需考慮在其焊接工藝和焊接流程中改進各項有關技術。

5 斷口電鏡掃描分析

本文對制備好的Q460C焊接鋼材拉伸試件斷口進行了電子顯微鏡下的掃描觀察，如圖8所示。圖8(a)～(e)所示分別為試件在20，0，－20，－40和－60℃下拉斷后的斷口微觀形貌，拍攝部位為斷口中心纖維區附近，放大倍數為1 000倍。

圖8 5個溫度點斷口微觀形貌Fig．8 Scanning electron micrographs at 5 temperature points

(1)分析圖8(a)與(b)可知:隨溫度的降低，斷口的韌窩和撕裂棱逐漸減少，在20℃和0℃下斷口形貌表現為微孔聚集型，斷口遍布大小不一的韌窩，但隨溫度降低，韌窩由大變小，從深變淺，由長變短，總體上以韌性變形為主，沒有明顯的脆性特征。

(2)圖8(c)中有晶間缺陷與可見顯微空洞跡象，圖8(d)和(e)中沒有太多宏觀塑性變形跡象，可以觀察到明顯的解理臺階和舌狀花紋，有許多強烈反光的小平面，斷面呈結晶狀，則塑性變形極小;在－60℃溫度點上，試件斷口幾乎無纖維區，以放射區為主，基本呈解理斷裂微觀機制，有較明顯的脆性斷裂特征。

6 結論

(1)隨溫度的降低，Q460C焊接鋼材的抗拉強度和屈服強度均有所提高，且屈服強度比抗拉強度提高的幅度大，體現Q460C焊接鋼材具有低溫冷脆性。

(2)低溫強度指標實測數據與公式擬合數據比較分析表明:在低于－20℃下服役的Q460C焊接鋼材，其強度對溫度變化反應敏感，韌性隨之明顯下降，脆性隨之急劇擴展。

(3)Q460C焊接鋼材的斷面收縮率隨溫度的降低而下降明顯，即塑性變差，低溫冷脆較明顯。

(4)Q460C焊接鋼材的塑性指標與其母材的比較表明:雖然Q460C焊接鋼材的斷面收縮率在－40～－60℃之間比其母材的高，但是其斷后伸長率和屈強比明顯比其母材的小，在一定程度上反映了焊接使Q460C的低溫韌性變差，脆性增大。

(5)采用本文焊接工藝且有焊接質量保證的Q460C焊接鋼結構當厚度≤14 mm時，可在較低溫度的地區中使用，但要考慮采取防低溫脆斷措施。

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