低温环境中CCS-B 高强钢强度拟合

□李永强 孙华银 周维莉

近年来，钢结构不论在土木建筑领域还是在航天航空及船舶舰艇领域都有广泛的应用，钢结构设计中不论结构所处环境如何都基本保持常温下的材料力学性能，而钢结构材料的强度指标和塑性指标随着温度降低而发生相应的变化，低温环境中国内学者针对材料的强度随温度的变化做了一些研究，如王元清、武延民对钢结构材料Q235、Q345、Q390 和Q460 进行了低温下的力学性能试验研究，得到了温度在-100℃～100℃范围内屈服强度、极限强度随温度的变化规律，并运用参数拟合的方法得到了在该范围内的参数拟合公式;孙玉萍对船用CCS-B 低合金高强钢的低温力学性能做了试验研究，得到了温度在-60℃～20℃范围内屈服强度和极限强度随温度的变化规律及在各温度下材料的应力应变曲线。随着钢结构材料化学成分的不同，其强度在正常使用范围内一般都随温度的降低而提高，但变化速率却有所不同，在试验研究中我们一般都是在离散的温度节点进行材料的力学性能试验，得到在该温度节点下的强度，并且材料强度随温度的降低而提高的同时塑性降低，脆性破坏逐渐表现出来。因此，本文在低温力学性能试验的基础上对材料强度随温度变化进行数值拟合，并将试验结果与两种参数拟合进行比较，得到更接近实际的拟合方法，为设计与计算机模拟研究提供可靠依据。

一、试验结果

在试验过程中以20℃为温度变化跨度，在-60℃、-40℃、-20℃、0℃和20℃这5 个温度节点下，对CCS-B 高强钢的母材与焊缝位置进行屈服强度fy 与抗拉强度fu 测试，表1 为各试件在各条件下3 组试件测试过程的平均值。

二、参数拟合

国内学者在研究材料强度随温度变化规律过程中都基于传统的参数拟合公式，在一般服役的低温环境下，钢材的屈服强度与抗拉强度可用下式表示:

式中:T、T'为温度;fy、f'u分别为T'下的屈服强度拉伸强度，qs、qb分别为f'y、f'u的温度敏感系数。

采用上式通用的参数拟合公式，根据试验数据上式中所有拟合参数见表2 所示。

表1 试件测试过程平均值

表2 材料温度敏感系数

由表2 可以看出，温度系数qs、qb均为正值，说明与常温下相比CCS-B 高强钢母材与焊缝的屈服强度和极限强度整体上都随温度的降低而提高;并且母材两个方向与焊缝两个方向的qs均大于qb，说明随温度降低屈服强度比拉伸强度提高的速率大，从而从侧面反映随温度的降低材料塑性降低，强化阶段在逐渐减弱，尤其在焊缝处qs远大于qb;一方面是由于在激光焊接过程中聚冷聚热使材料内部发生相变与残余应力，并可能出现微裂缝与断层等缺陷，另一方面是由于在焊接过程中因电流、焊接速度及焊接工艺的影响在材料内部出现了气孔与杂质，使得材料在常温中塑性较好，在拉伸过程中不断在试件内部应力重分布，而在低温环境中材料脆性不断表现出来极限强度的提高，速率减缓。

另一种拟合是本文尝试将试验数据用多项式进行拟合，其拟合公式为:

式中A、B、C 为多项式系数，各种材料的多项式系数见表3。

表3 多项式系数

三、两种拟合与试验强度指标的比较

根据两种拟合方法分别可得到强度随温度变化的变化曲线，则试验结果与上面两种拟合曲线见图4 所示。由图4中的拟合比较可以看出:温度在20℃～-60℃范围内，母材在平行轧制方向和垂直轧制方向两种模拟曲线都比较接近于试验结果，尤其是在20℃～-20℃范围内两种拟合基本等效，但平行轧制方向的母材，在温度低于-20℃时，材料的冷脆性能逐渐突出，材料内部应力与缺陷逐渐平衡。理论上材料因温度降低使得强度提高，从图中可直观看出多项式拟合更接近于实测值，在试件服役阶段更反映材料真实的工作性能;接头强度与母材很类似，且强度有所提高，主要是由于接头在拉伸过程中因焊缝处强度高于母材强度，破坏位置仍在母材处，但因焊接过程中焊接作用与试件尺寸效应的影响而在宏观上提高了材料的强度，同时也反映了焊接过程对材料强度的影响;焊缝强度两种拟合相差较大，但多项式拟合更接近于试验值，尤其是温度低于-40℃时两种拟合曲线偏差较大，到-60℃时，参数拟合值的屈服强度与拉伸强度比是实测值分别提高12.5%和14.3%，而多项式拟合与实测值较吻合，分别相差1.7%和1.3%，因此，该材料在通常的温度服役范围内多项式拟合更接近于实测值，更能真实反映材料因温度降低冷脆性能凸显而使强度降低的变化，同时也显示焊接过程对母材及焊缝本身的影响。

图4 拟合曲线与强度指标随温度变化的比较

四、结语

通过两种参数拟合的比较，在高于-20℃工作时，材料强度随温度变化趋于线性，且两种拟合都较为吻合，材料的冷脆性能与内部因素对强度随温度的变化影响较小;在低于-20℃工作时，材料的冷脆性能逐步凸显，多项式拟合更接近于试验数据，更能反映材料强度随温度变化的低温冷脆性与低温塑性强化性能。接头强度的实验结果与两种拟合离散性较大，表明焊缝材料在低温条件下冷脆性能更为明显，焊缝材料的低温冷脆转变温度远低于母材，在焊缝连接区段内因材料化学成分复杂、高温相变、焊接孔洞、微裂缝等多种不确定因素，在设计和研究中应引起重视。

［1］武延民.钢结构脆性断裂的力学机理及其工程设计方法研究［D］.清华大学，2004

［2］王元清，武延民，石永久等.低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2005