低温对结构钢材强度与韧性指标影响分析

低温对结构钢材强度与韧性指标影响分析 武延腭等:低韫对结掏钢材强度与韧性指标影响分析 低温对结构钢车才强度与韧牲指标影响分析 武延民王元清王晓哲石永久 (清华大学土木系北京100984J 【摘要】温度的变化对于结构钢材的性能影响很大.尤其是在低温下,结构容易发 生脆性断裂破坏本文 根据一段时期以来这一方面的研究成果,了结构钢材力学性能和常用力学指 标在低温下的变化规律. 【关键词】低温;结构钢材;力学性能 【中图分类号】TU391【文献标识码】A【文章编号】1001—6864{2oo2)m(300l03 MECHANICAlJPROPERTIESOFs11刚c兀1RAI.s11匝LATLoWTE11_KE WUYanminwANGYuanqingWANGXiaozheSH[Yongjiu (DepartmentofCivilEngineeringofTsinghuaUnlvers~b",Being,100084) Ahsct:MechanicalpropertiesofstueturalsteelvariesI}】 temperature,especiallyIstructuralsteels leantobrittlefractureatlowtemperature.BasedOilpastresearch.thispapersurr~zesvarieties ofsomeme— chanicalpropertiesofstructuralsmdaccoIdingtotemperature.TheresultsCallbeconsu1.ted byenginee~inde— esan4promotefurtherresearchinthe&Yel1. signofstee[s?uc"? Keywords:Lowtemperature;Structuralsteel;Mechanicalpmperty 钢材的很多力学指标随着温度的变化而发生改变=尤 其随着温度的降低.钢结构发生脆性破坏时的名义应力非常 低.随着温度的降低.钢材的脆性增太,塑性降低,结构的性 能也发生襁大的变化.为了保证结构的安全,不仅要考 虑结构在其个温度下的状态.更需要了解在某个温度范围结 构力学}生能的变化规律. 1低温对钢材强度指标的影响 结构钢材的机械性能随着温度的不同而有些变化从 常温(20%)起.随着温度的降低,钢材的屈服强度(,极限 强度(L),弹性模量(E)上升,同时,钢材的塑性下降,伸长率 (6),截面收缩率()等指标的数值下降.在温度降低至一定 程度时.钢材的韧性急剧下降,在很小的温度范围内,钢材的 破坏形态由韧性破坏转向脆性破坏.图1列出了钢材常用 的机械指标随着温度降低的发展趋势J. 1.1屈服强度'和极限强度'. 钢材的屈服强度'和极限强度随温度的降低而提高, 而且目的增大速度比要决,理论上,钢材的断裂强度不随 温度的变化而变化. 大量试验结果证明J.,'.随温度的变化规律可近似用 下公式表示: =cxp[.cI/T一1/7')(1) ^=A[pc1/r一1/r)J(2) 其中'和分别为钢材在T温度下的屈服强度和极限 强度,和j分别为屈服强度和极限强度对温度变化的敏感 系数l/k) 根据一些已有的试验数据可以指出一J,系数a依赖于钢 材的屈服强度L.两者的关系见圈2. 通过对大量理论分析和试验研究结果进行总.进一步 表明,在通常的环境低温范围内,公式(I)和(2)可以简化为: 工=唧ltr一』t3) 工=工唧[cr一Jc4j 式中,qs和qb是与温度元关的常数,反映材料本身的性 质对普通碳素钢和低台盘钢,在0(x】,0.0050~C之间 12弹性模量E 在一定范围内,钢材的弹性模量按指数规律单调变化. 随着温度的降低,钢材的弹性模量增大 但是对于常用的结构钢材,从常温至一卯的范围内, 弹性模量的变化很小.只有20N/mrn2左右,对于实际结构的 受力影nINE&. 13伸长率8和截面收缩率 钢材的塑性通过伸长率(8)和断裂截面收缩率()两个 指标反映出来,这两个指标都可以在单轴拉伸试验中获得. 随着温度的降低.钢材的塑性下降. 图3是在前苏鞋黑色冶金学院的金属热加工试验室进 行了结构钢村在低温下机械性能的试验结果在试验中 选用了如下几种钢:QgI'2c型钢BC~3c.型钢和]]CT3crl一3"2 型钢,后者是热处理加固钢,这些都是在实际钢结构工程广 泛采用的钢材.试验在普通低温范围内的三个温度点下(+ 20,,20,一6.),最后得到伸长率(d),截面收缩率()随温度 速两个指标的值随着温度的降低而降低. 的关系曲线, 2低温对钢结构韧性指标的影响 传统的强度设计的指标不能解释钢结构在低名义应力 作用下的脆性破坏,通过分析钢材在不同温度下吸收能量的 低温建筑技术20ff2年第l删(总第87埘) 脆性破坏区准脆性破坏区塑性破坏医 rU\\,(%l一 \\ bi T=20? 0 t 1 ' . \ \ ,, ' l钢丝其构件主力学参新随温度变化特征肌线阿2HAMaxyT硼出的j州咒呆 能力可以定性的分析钢材而最有意义的是以断裂力学为基 础的断裂韧性指标随着温度降低的发展趋势.从断裂力学 的角度对结构进行分析.可定量的得到结构在特定条件下 承受脆性断裂的能力. 21冲击韧性 结构钢材的冲击韧性A随温度降低而下降,典型的曲 线如图4所示.在韧脆转变区,冲击韧性对温度的变化非常 敏感,随温度的降低急剧下降.而在温度高于和低于转变区 域时,变化非常平缓,基本不随温度变化 通过对大量试验结果的分析,钢材的冲击韧性随温度的 f% 740 72.0 70+0 680 660 6(%) 32.0 300 280 260 240 22O Tf?)一60—50—40—30—20—1o0+10+20 MP) 变化规律可用下面的公式表示J: ^=^P[一B()](5) 上式中.A是钢材在300K温度下的冲击韧性,B为与 钢材本身特性相关的常数,T为当前温度(单位:K),AKv为当 前温度下的冲击韧性(单位:J). 如果把转变温度定义为对应于0.4A时的温度,根 据(8)式.转变温度的计算公式为: = 300(1?) 该温度对应的曲线斜率印为 图l面长率与脚4A随温度变化的f线试验温度的关系曲线'"一,…... = A唧()2] 2.2断裂强度因子K和KH 里 ? 犀 监 一 400—300—200—1000100 温度 日5不同戟速率下断裂强度 因子随温度的变化 (6) (71两个部分: =+(8) l(】c是I型裂纹,平面应变状态及缓慢加载时应力强度因 子的临界值,图5显示了断裂强度因子l(】c随温度变化的关 系,图中口=(Kic/ct~.)/B,‰是钢材的屈服强度,B是试件的 厚度.断裂强度因子随着温度的降低而降低,但在一定温度 时下降的趋势突然变缓,温度继续降低趋于某一值[41. 通过三点弯曲试件的是研究结果,不同加载速度下,合 金钢材的断裂强度因子随温度的变化规律如图6所示. 从试验结果发现,温度在?7K以下,的值变化非常缓 堡,可以认为是常量这样,断裂强度因子的数值可以分为 上式中.K地表示温度低于77K时,断裂强度因子不变的 部分,K则代表断裂强度因子随温度变化的部分. 结构钢材的断裂,断裂强度因子随温度的变化规律和材 料中合金元素的吉量有关系.c.StraffellnJ等人的研究还表 明,纯铁的断裂强度因子随温度的变化表现出与合金钢材相 反的特性l6J图7中,FeS(X),FeTO0为纯铁树料,强度分别为 500Mp,7oo~p.D500,13700是合金钢材,强度分别为500Mp, ?OOMp.从图中可以看出,纯铁材料的断裂强度因子表现出 不同的趋势,随着温度的下降.断裂强度因子反而上升.这 种反常的现象可从断裂的微观机理和变形进行解释 武延阢等:低温时结掏钢材强度与韧性指标影响分析3 23J税骨 对16MrR钢材的研究结果表明,J积分与冲击韧性的变 化规律不,{E够更好的反映结构钢材在静荷载下抵抗脆性 断裂的能力,而对J积分随温度变化的规律的研究也非常 ,一 图8是16MnR钢材的J随温度变化的规律(实线为J积 分.虚线为A), 由图8r看出: (1)AKv的韧脆转变温度在,10~C左右,而J积分的转 变温度在一4oJ积分的转变温度要低于冲击韧性,并且 温度(K 罔6不同加载速率下断裂强度 因子随温度的变化 E 团 世 嘿 瞢 一 20之间两者的变化趋势并不一致; (')J积分的最大值出现在一20左右,温度高于一 20'C,J积分的数值开始下降; (3)在韧脆转变温度区间,J积分的变化趋势比更 为明显,这在设计时必须加考虑. 2.4焊缝的断裂韧性Jc 通过对16MnR和A508一?钢材的实验研究,焊缝的断 裂韧I生Jc的下降速度高于A,并且在断裂韧性迅速-F降之 前都有缓慢上升并具有双峰的特征 /弓703 / / <一 \ \Ee700, ' —— B0——60——40——2002040 温度【K) 图7纯铁和台盘钢材断裂强度 因子随温度的曲线 焊缝是钢结构中比较容易发生脆性破坏的部分,无论是A 还是J.都比母材更为敏感.16MnR焊缝的J在,60以后 迅速下降.A508一?焊缝的在一5o后迅速下降,如图9 所示 3结论 (1)从钢材力学性能随温度的变化趋势可看出,对 于防止脆性断裂的设计.最危险的温度范围是在韧脆转变温 度区间.在这个区间里,随着温度的变化,钢材的一些韧I生 指标会发生急剧的变化. (2)不同的指标确定的韧脆转变区间是不同的,有的 变化很平缓,有的变化比较急剧.不同的韧'I生指标适合于不 同的环境,荷载条件,需要根据设计的实际情况选择分析. (3)目前对国内结构钢材低温下的性能指标及其变化 需要进行进一步的理论与试验研究. 了解不多, , ? 王 ' 犀 葛 图9]6MnR焊缝的Jlc的韧脆转变曲线 号 ; 《 番 柑 量 口 瘩 繁 > 图836mm厚16MnR钢板的J和 随温度变化的曲线 参考文献 [1,王元清钢特构在低媪下脆性破坏r低温砖脆现象)!f勺研究[J] 低韫建筑技术.19982 [2:王元清.王晓哲,武延融结构钢材低温J主蛩学性能指标 的试验研究[J],工业建筑,200112 [3]XN.ch.QxDai,A.DWang.【ChengEffect0fall.)]ngde lnentsandtemperatu~_l?inrpacttmldme聃ofc~,ogenieaustenitic steels.NaterlalsScienceandEngineeringA31】(2001)211,216 [4]李少甫.王元清锕结构的断裂与疲劳分析[c清华太学土木 工程系.19996 [5]秦江阳.王印培,柳曾典16MnR钢弹蛔性断裂协性的韧脆转 变温度特性[M]理化检验一物理分册,第36卷l2瑚. 2ooo.】2. 收稿日期]2001,12,6 作者简介】武延民.男,1978年2月生,啊北店山^,博生 现从事土东工程专业. 年《低