钢结构厚板母材及其焊接影响区的Z向冲击性能试验*

王元清，张元元，石永久

(土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学土木工程系，北京 100084)

近年来，随着高层、桥梁及海洋平台等重要建筑的发展，不得不越来越广泛的使用厚板钢结构，由于结构承载力的巨大及复杂性，连接及构造多样，钢材质量缺陷或者焊接不合理，环境温度过低，容易导致引起Z向破坏。Z向冲击韧性是衡量钢结构厚板Z向性能的一个重要指标，虽然未在有关规范中加以提出，但是，在实际工程中，由于结构经常受到动载或者冲击荷载，比如海洋平台及大型起重机械和巨型轮船，因而，考虑Z向冲击韧性是非常有必要的。Z向冲击韧性目前难以定量评价结构安全与否，但仍然可以用实验测得的Z向冲击韧性数据作为重要资料来估计厚板抵抗Z向冲击及断裂的能力，以后可能作为一个重要方面纳入规范中。各国规范没有明确说明Z向冲击韧性对于厚板Z向性能的重要性。但给出了常规纵向力学性能(包含冲击韧性)的要求，以此类推，当结构受到Z向冲击荷载时，有必要考虑Z向冲击韧性对结构承受Z向破坏的衡量作用。有关厚板冲击韧性的文献有:18 mm板对接接头在不同焊接工艺下的焊缝金属及热影响区在－20℃及－50℃下的冲击功实验［1］;20，30和50 mm厚国产Z向钢钢板的横向及纵向取样在－80℃到20℃下的冲击韧性实验［2］;12 mm厚Q235B超级钢中厚板单焊道及双焊道对接接头的焊缝、熔合线、热影响区及母材的冲击韧度实验［3］;国家体育场用 100 mm和 110 mm厚Q460E－Z35特厚板在－40℃下的焊缝，热影响区及熔合线的冲击韧性实验［4］;441 MPa级高强度低合金钢15MnVNq钢的板厚，焊接工艺及低温对冲击韧性的影响［5］;150 mm厚钢板对接焊缝的母材、热影响区及焊缝区沿不同厚度位置在不同温度下的冲击韧性试验［6］。

但是，作为Z向冲击韧性实验，已有试验研究比较缺乏。Girenko等［7］比较了纵向、横向及Z向的厚钢板的冲击韧性。Granstron等进行了从厚度方向向轧制方向过渡的不同取样角度的冲击试验［8］;文献［9］引用了 Hodge 等针对不同含硫量，不同温度下厚板3个取样方向的冲击韧性试验。本实验针对类似欧洲规范，日本规范，中国规范的Z向性能指标影响因素:板厚，焊接形式，焊缝厚度。在不同取样方向进行取样，在常温和低温下进行夏比V形缺口冲击试验，从而得到不同影响因素下冲击韧性变化规律，此规律可以综合拉伸试验及断裂试验结果统一分析钢结构厚板的Z向性能。

1 试验概述

1.1 试验规范及目的

本实验参照的规范有:GB－T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，GB—T 12778—2008［10］，GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》［11］。

试验采用夏比V形缺口冲击试样，将测得每个试样的冲击功，分析冲击功随板厚、焊缝尺寸、取样方法的变化规律;然后用规范GB－T 12778—2008(《金属夏比冲击断口测定方法》)［10］对试样的断口进行分析。

1.2 试验材料，取样方法及试样尺寸

试验所用钢材为舞阳钢铁厂生产的Q345B结构用钢，加工与焊接由二十二冶公司进行，焊接参数如下:焊接方法为二氧化碳气体保护焊，焊丝为ER50－6，直径为1.2 mm，送丝速度为30 ～35 cm/min。

试验为在母材及十字连接影响下的母材内取样(十字连接采用T形接头K形坡口全熔透焊)。按照以下2个参数变化进行取样:

(1)厚度分别为60，80，100，120 和165 mm5 种。

(2)取样方向及有无焊缝影响: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48 mm焊缝影响下Z向(Z －T1，Z－T2，Z－T3和 Z－T4)。

取样位置及方法如图1和图2所示。

图1 母材X向及Z向取样Fig.1 Samples by X and Z direction from base metal

图2 受到不同尺寸焊缝影响下的母材Z向取样Fig.2 Samples by Z direction from base metal affected by different size welds

试样取样分组情况如表1所示，每种试样取4个，实验结果取平均值。

1.3 试验环境、设备及参数

本实验在清华大学航空航天大学实验室进行试验，冲击试验器材型号为SANS摆锤式冲击试验机，标准冲击能量为300 J，如图3所示。

表1 冲击试样取样后分类表Table 1 Classification of impact samples

图3 摆锤式冲击试验器材Fig.3 Equipment for pendulum impact test

试样先在冷冻箱内用液氮冷却至相应温度，然后迅速放到试验机上冲断并读数，记录。试样应在规定温度下保持足够时间，不小于8 min。考虑到试样冷却后拿出会温度回升，将冷却温度调至比预定低2℃。

2 试验结果

2.1 冲击韧性随取样方法变化的试验结果

冲击功随取样方式变化的试验结果如图4所示。

图4 冲击功随取样方式不同变化规律Fig.4 Change regulations of A kv from sampling type

(1)从图4可见:沿X向各厚度钢板的取样，冲击功非常接近，在150～170之间;沿X取样的冲击韧性远大于沿Z向取样的各类试样，例如对于60 mm的X向取样冲击功约为170 J，远远大于Z向取样值50～70 J，而且这个差距在更厚的板表现得更加悬殊。

(2)对于所有的Z向取样方式，不论是Z向沿板材中心还是沿板材1/4处，还是受到焊缝影响的沿板材中心，冲击韧性皆很小，但没有较大变化，可以认为沿Z向的冲击韧性已经降低到很低的程度，焊缝等因素对已经因为Z向取样降低的冲击韧性已经不是主要因素。

另外，对不同厚度的母材板的Z向取样，不管是沿1/2厚度，还是1/4厚度，冲击功并无明显差别。

2.2 冲击韧性随试验温度变化的试验结果

冲击功随温度变化试验结果如图5所示。

图5 冲击功随温度变化规律Fig.5 Change regulations of A kv from temperature

(1)由图5可见:随温度的降低，X向取样的冲击韧性迅速降低，Z向取样无焊缝和Z向取样有焊缝影响的试样也随之降低，但幅度没有X向明显。曲线表现出明显的S型韧脆转变特征，从而随着温度的降低，材料冲击韧性表现出明显的低温冷脆。

(2)由于Z向试样本身的冲击韧性已经降低到很低水平，故温度对其降低程度不如X向试样明显，但仍要密切关注温度对Z向试样的影响。

图6 冲击功随板厚变化规律Fig.6 Change regulations of A kv from plate thickness

2.3 冲击韧性随板厚变化的试验结果

冲击功随板厚变化试验结果如图6所示，其中试验温度为20℃。从图6可见:

(1)随板厚的增加，各类型试样的冲击功皆有稳定的下降，各Z向试样冲击功随板厚增加而降低的幅度比 －X试样略大。

(2)对于60 mm厚的板，对于不同焊缝尺寸影响下母材的Z向，冲击韧性无明显变化规律，故可能在Z向取样时，焊缝的热影响对冲击韧性的降低程度已经不是很明显。

3 韧脆转变温度的参数拟合分析

工程中将韧脆转变温度作为防止断裂的重要依据。韧脆转变温度越高，材料越容易在比较高的温度下发生韧脆转变，从而表现出更明显的低温脆性。

对于冲击试验来说，冲击功随温度变化的典型曲线为S型，随着温度区域不同分为3个区域:温度较高位置的上平台，较低位置的下平台以及韧脆转变温度内下降段。理想的韧脆转变曲线如图7所示。

虽然实际中实验结果离散性可能很大，很难得到如此典型的曲线，但是仍可以采用Boltzmann函数对冲击功和温度的变化关系进行拟合［6，12－14］，Boltzmann公式如下:

其中:Akv为冲击功(J);T为温度(℃);A1为下平台能(J);A2为上平台能(J);x0为韧脆转变温度(℃);d x为转变温度的区间范围。

对于60 mm厚的3种类型试样(60－X，60－Z和60－Z－T1)进行Boltzmann函数拟合，结果见表2。从表2可见:

图7 典型的冲击功－温度曲线Fig.7 Typical A kv～ temperature curve

表2 冲击功的Boltzmann函数拟合结果Table 2 Akv fitted by Boltzmann function

(1)对于X向冲击试样，不管是上平台下平台都大大高于Z向取样;而对于未受和受到焊缝影响的母材，Z向取样的上下平台值非常接近，受到焊缝热影响的母材Z向冲击韧性略低。这说明X向冲击性能大大优于Z向，而对于Z向的冲击韧性，焊缝的影响已经不是控制因素。

(2)X向试样的韧脆转变温度(－25.0℃)大大低于Z向试样的(－15.0℃和－12.0℃)，说明Z向试样更容易受到温度降低的影响呈现低温脆性。

4 试样断口分析

4.1 不同取样类型的断口分析

对20℃下几种不同取样类型的试样，图8为断口宏观照片，图9所示为放大1 000倍的电子显微镜照片。

图8 不同类型取样在20℃下冲击断口Fig.8 Fracture of samples tested at 20 ℃

(1)从宏观看，这4种类型取样由很明显的塑性颈缩变形过度到整齐的脆断。

(2)从微观看，对于X向取样，断口有很明显的纤维区，且韧窝分布较密集表现明显的塑性变形;对于母材的Z向取样，韧性仍较为明显;在厚度为21 mm焊缝影响下的母材Z向试样，渐渐出现解理面，但仍表现出一定的韧性，在一定区域有两者的过渡;在厚度为39 mm的焊缝影响下的母材Z向试样，有明显的解理面特征，表现出明显的脆性断裂。

图9 不同类型取样在20℃下冲击断口电镜扫描Fig.9 Electron microscopy scanning of fracture from samples tested at 20℃

4.2 不同温度下的断口分析

对60－Z－T1的试样在20，－20和－60℃下的断口进行宏观和电子显微镜分析，图10所示为断口宏观照片，图11所示为放大1 000倍的电子显微镜照片。

图10 60－Z－T1的试样在不同温度下的断口Fig.10 Fracture of 60－Z －T1 samples tested in different temperature

图11 60－Z－T1的试样在不同温度下的断口电子显微镜扫描Fig.11 Electron microscopy scanning of 60－Z －T1 samples tested in different temperatures

(1)从宏观看，这3种试样皆表现较大的脆性，尤其是60℃下的试样为基本没有变形的整齐切断。

(2)从微观看，试样皆表现出脆性的解理面特征，但是，随着温度的降低解理特征更加明显，解理台阶也越加明显。

4.3 不同板厚下的断口分析

对60，120和165 mm厚板的母材Z向取样60－Z和120－Z和165－Z在20℃下试验的断口进行宏观和电子显微镜分析，图12所示为断口宏观照片，图13所示为放大1 000倍的电子显微镜照片。

图12 不同厚度的母材Z向试样的断口Fig.12 Fracture of Z direction samples of different plate thicknesses

图13 不同厚度的母材Z向试样的断口电子显微镜扫描Fig.13 Electron microscopy scanning of Z direction samples from different plate thicknesses

(1)从宏观看，板厚越大，断口的变形反而更大，可能是取样不能遍历各个厚度位置所致。或者由于更厚的板夹杂物的分布较少，脆性较不明显。

(2)从微观上看，没有特别明显的规律，120 mm厚的断口扫描比60 mm有更强的解理面脆性断裂特征，但165 mm厚的试样有更多的孔洞和缺陷。

5 结论

(1)Z向的冲击韧性比X向大大降低，受焊接热影响后的Z向冲击韧性更加降低。

(2)板厚增加导致板内层状分布非金属杂质增多，降低材料的Z向冲击性能。

(3)温度导致材料的冲击韧性降低，但对X向的冲击韧性降低幅度较对Z向大。

(4)母材区Z向冲击韧性比热影响区要高，焊缝金属的Z向冲击韧性略低于母材。

(5)总的来说，Z向取样，温度降低，焊缝热影响增加及板厚增加都会影响结构的冲击韧性，但是幅度及效果不同，前两者是最主要因素。

［1］李世斌，吴玉柱.香港昂船洲大桥现场焊接工艺综述［J］.桥梁建设，2009(2):61 －64.LI Shibin，WU Yuzhu.Summarization of site welding procedures for stonecutters bridge in Hongkong［J］.Bridge Construction，2009(2):61 －64.

［2］万木运，周师儒，金启源，等.Z向钢的研制及工艺研究［J］.鞍钢技术，1987(3):15 －20.WAN Muyun，ZHOU Shiru，JIN Qiyuan，et al.Manufacture of Z－direction property steel and its technical study［J］.Aisc Techniques，1987(3):15 －20.

［3］高彩茹，马金龙，王佳夫，等.超级钢中厚板焊接工艺对接头冲击韧度的影响［J］.机械工程材料，2006，30(4):5－8.GAO Cairu，MA Jinlong，WANG Jiafu，et al.Effect of welding process on weld joint impact toughness of ultrafine grained steel plate［J］.Materials for Mechanical Engineering，2006，30(4):5 －8.

［4］高树栋，李久林，邱德隆，等.国家体育场钢结构工程Q460E－Z35特厚板焊接技术研究［J］.工业建筑，2008，38(7):85 －88.GAO Shudong，LI Jiulin，QIU Delong，et al.Study on the welding technique of the Q460E－Z35 extra thick steel plate of steel structure for Beijing national stadium［J］.Industrial Construction，2008，38(7):85 －88.

［5］李克中，苏本伟.15MnVNq钢56 mm厚板在九江长江大桥上应用的研究［J］.桥梁建设，1989(3):67－72.LI Kezhong，SU Benwei.Research of the application of 15MnVNq steel 56 mm thick plate［J］.Bridge construction.1989(3):67－72.

［6］王元清，胡宗文，石永久，等.钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2010，7(5):1－5.WANG Yuanqing，HU Zongwen，SHI Yongjiu，et al.Experimental study on the impact toughness of thick plate butt weld of steel structure at low temperature［J］.Journal of railway science and engineering，2010，7(5):1 －5.

［7］Girenko V S，Bernatskii A V，Rabkina M D，et al.Lamellar，lamellar－brittle，and lamellar－ ductile failure of welded joints［J］.Physicochemical Mechanics of Brittle Fracture of Structural Materials，1985:372 －378.

［8］Barsom J M，Korvink SA.Through－thickness properties of structural steels［J］.Journal of Structural Engineering，1998:727－735.

［9］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.GB/T 229－2007，金属材料夏比摆锤冲击试验方法［Z］.中国标准出版社，北京，2008.General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People＇s Republic of China，Standardization Administration of the People＇s Republic of China.GB/T 229－2007，Metallic materials－Charpy pendulum impact test method［Z］.China Standards Press，Beijing，2008.

［10］GB－T 12778—2008，金属夏比冲击断口测定方法［S］.GB－T 12778—2008，Determination of charpy impact fracture surface for metallic materials［S］.

［11］GB/T 2975—1998，钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备［S］.GB/T 2975—1998，Steel and steel products－Location and preparation of test pieces for mechanical testing［S］.

［12］周昌玉，夏翔鸣.CrMo钢材料韧脆转变温度曲线的回归分析［J］.压力容器，2003，20(6):13－18.ZHOU Changyu，XIA Xiangming.Regression analysis of ductile－brittle transition temperature curve for CrMo steel［J］.Pressure Vessel，2003，20(6):13 － 18.

［13］赵建平，张秀敏，沈士明.材料韧脆转变温度数据处理方法探讨［J］.石油化工设备，2004，33(4):29 －32.ZHAO Jianping，ZHANG Xiumin，SHEN Shiming.On the method of data processinmg for ductile－brittle transition temperature［J］.Petro chemical equipment，2004，33(4):29－32.

［14］王元清，奚望，石永久.钢轨钢材低温冲击功的试验研究［J］.清华大学学报:自然科学版，2007，47(9):1414－1417.WANG Yuanqing，XI Wang，SHI Yongjiu.Experimental study of the impact toughness of rail steel at low temperatures［J］.Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2007，47(9):1414 －1417.