李文亮，高义斌，冀晋川

（山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

高强结构钢Q420低温断裂韧性研究

李文亮，高义斌，冀晋川

（山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

针对不同板厚的高强结构钢Q 420角钢进行了不同温度下的断裂韧性试验，计算得出了试样的裂纹尖端张开位移指标。试验结果表明，温度对结构钢材的断裂韧性具有明显的作用，钢材的断裂韧性随着温度的降低显著减小，断裂方式也由延性断裂转变为脆性断裂。总体趋势上来讲，试样厚度的增大也引起钢材断裂韧性的降低。因此，在重要工程设计、选材及安全分析时，应充分考虑温度和厚度对结构断裂行为的影响。

高强结构钢；裂纹尖端张开位移；断裂韧性

0 引言

以往，我国架空输电线路铁塔普遍采用Q235和Q345强度等级的钢材，与国外先进水平（Q450及以上）相比，强度偏低、结构用钢量偏大，增加了建设投资。输电线路大容量、远距离、低损耗电力输送的特点要求电力铁塔必须具有足够的承载能力，塔型结构设计复杂、外形尺寸庞大，因此对材料提出了新的要求。我国采用强度等级更高的Q420高强结构钢作为电力铁塔的主材，不仅可降低6%～8%的塔重，而且从经济角度上讲，也可以节省整体造价2%～6%[1]。因此，Q420高强结构钢在我国电网特别是特高压电网建设中具有广阔的应用前景。

高强结构钢材在常温下表现出良好的塑性和韧性，但随着温度的降低，钢材的塑性和韧性逐渐变差，其断裂行为也由延性断裂向脆性断裂发生转变，极易发生脆性断裂[2]。脆性断裂是钢结构最危险的破坏形式之一，这主要是它的发生具有突然性，破坏前没有明显的塑性变形，结构破坏时的承载能力很低，即在低应力下就会发生脆性破坏，从而大大增加了钢结构破坏的危险性。因此，无论是在钢结构的选材或设计，还是在安全分析及评定中都必须考虑温度对材料变形和断裂行为的影响。本文主要对不同板厚的Q420角钢进行了低温下裂纹尖端张开位移CTOD（Crack Tip OpeningDisplacement）的断裂韧性试验研究，为工程设计及其应用提供依据。

1 断裂韧性试验材料及试样制备

1.1 试验材料

试验用材选取典型电力铁塔用钢Q420角钢，规格为支宽200mm，厚度分别为12mm、14mm、16mm、18mm和20mm。热处理状态为控轧＋控冷。该材料的化学成分如表1所示。

表1 Q420钢的化学成分

1.2 试样制备

断裂韧性试验采用英国标准BS7448[3]：1991-PartⅠ的3点弯曲SEB（Single-Edge Notch Bend Specimen） 标准试样，所有试样均从角钢上纵向截取并加工成厚度分别为10mm、12mm、14mm、16mm和18mm标准3点弯曲试样。试样缺口采用直径为0.10mm的钼丝线切割相应长度缺口后，再用高频疲劳试验机预制2mm长度的疲劳裂纹模拟实际结构中的初始尖锐裂纹。在预制疲劳裂纹过程中，应控制裂纹扩展不要太快，避免裂纹尖端发生塑性变形，试样的最终裂纹深度与板宽之比控制在0.45～0.55，试样厚度为14 mm的具体试样尺寸如图1所示。

图1 Q420结构钢CTOD试样尺寸，mm

2 断裂韧性试验过程及结果分析

试验是在30 t的万能材料试验机上进行。

2.1 试验过程

试验过程中通过电脑软件自动记录P－V曲线（P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。

a）试验前精确测量每个试样的厚度B、宽度W及刀口厚度z，测量精度为0.02mm。

b）按试验要求装夹好试样并在低温槽中进行冷却，低温槽内盛有干冰、酒精低温介质。试验时应保证测温计距裂纹尖端不超过2mm范围为试验温度，精度为±2℃，保温时间为每毫米不少于30 s（试验跨距S为4W±0.2W）。

c）采用一次加载方式直到试样失稳破坏，加载速率K在线弹性变形阶段应控制在0.5～3.0MPa·m0.5/s之间，并同时记录试样载荷—位移曲线。当试样加载到P—V曲线达到最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刻开始卸载。

d）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。用工具显微镜对试样断口测量初始裂纹长度的平均值a0和裂纹长度的平均值a，由此计算出裂纹扩展量Δa。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，其中最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地取7个测量位置。裂纹长度按式（1）、式（2）、式（3）计算。

e）数据处理：根据P—V曲线上的最大载荷P（N）和对应最大载荷时的塑性张开位移VP（mm），按BS7448 PartⅠ中的式（4） 计算CTOD值，

式（4）中取弹性模量E=2.01×105MPa；泊松比ν＝0.3；σy为材料屈服强度；f（a0/W） 为几何形状因子，可根据a0/W的数值直接查表得到。

2.2 载荷—裂纹嘴张开位移曲线（P—V曲线）

典型的载荷—裂纹嘴张开位移曲线如图2所示，曲线上最大载荷处的拐点即为试样发生失稳断裂破坏时刻，并由该曲线求出裂纹嘴张开位移的塑性部分VP，为计算裂纹尖端张开位移δ提供数据。

图2 典型的载荷—位移曲线

2.3 CTOD试验结果

通过式（4）计算得到的不同板厚Q420角钢在不同温度下的临界CTOD值，见表2。由表2可以看出，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，同时，厚度对钢材的断裂韧性也有较大影响[4,5]。随着厚度的增加，裂纹尖端区域从平面应力向平面应变状态转变，并在缺口尖端区域出现三向拉应力状态，限制了裂纹尖端的塑性流动，同时，缺口尖端产生应力强化现象，使得裂纹尖端张开位移减小，导致钢材容易发生脆性断裂[6]。因此，厚度的增加会降低钢材的断裂韧性。

表2 Q420角钢的CTOD值

2.4 试样断口分析

图3 16mm板厚角钢CTOD试样断口形貌

根据试样断口形貌的不同，试样的断裂方式可分为δc、δu和δm3种类型，δc为试样直接发生脆性断裂，δu为试样裂纹发生少量延性扩展后脆断，δm为延性裂纹扩展。3种不同断裂方式的载荷—裂纹嘴张开位移曲线也有所区别，曲线形式见图2。

图3为16mm板厚角钢CTOD试样的3种不同断裂方式下的试样断口形貌。由图3a可以看出，由于厚度方向的离面应力约束作用和塑性变形，使得试样断面产生沿厚度方向收缩；在试样断口中部存在分层现象，而且分层裂纹充分张开，分层裂纹的出现削弱了离面应力的约束，从而削弱了厚度效应，消耗了裂纹扩展所需能量，可以提高材料的断裂韧性，对材料的性能有利。该断口形貌显示出裂纹具有一定的扩展长度，表明该试样为延性断裂，即m断裂方式。图3b为u断裂方式，从试样断口形貌可以看出，在疲劳裂纹开裂区域，裂纹先发生少量的延性扩展，然后发生脆性断裂。图3c为c断裂方式，由试样断口形貌可以清楚看到，试样没有发生裂纹延性扩展就发生断裂，是典型的脆性断裂。

3 结论

温度对结构钢材的断裂韧性有显著影响，随着温度的降低显著减小，钢材的断裂形式也由延性断裂向脆性断裂转变。钢材的断裂韧性随着试样厚度的增加也呈现降低的趋势。在重要工程设计、结构用钢选材和安全评定分析时，应充分考虑温度和板厚对钢材断裂行为的综合影响。

［1］ 韩钰，徐德录，陈玉成，等.输电铁塔用Q420高强钢及焊接材料的性能评价［J］.热加工工艺，2007，36（3）：43-45．

［2］ 殷瑞钰.中国钢铁业发展与评估［J］.金属学报，2002，38（6）：561-567．

［3］ The Iron and Steel Standards Policy Committee，The Non-ferrous Metals Standards Policy Committee．BS 7448：1991：Fracture mechanics toughness tests，Part1，Method for determination of KIC，critical CTOD and Jvalues ofmetallic materials［S］.Britain：BSI，1991．

［4］ 王元清，武延民，王晓哲，等.含缺口受拉平板三维应力场及其对脆性破坏的影响［J］.清华大学学报（自然科学版），2002，42（6）：832-834，842．

［5］ 王晓哲.低温和应力状态对钢结构脆性破坏的影响研究［D］.北京：清华大学，2003．

［6］ 武延民，王元清，石永久，等.结构钢材裂纹尖端张开位移的低温试验［J］.清华大学学报（自然科学版），2005，45（6）：730-732.

Research on Fracture Toughness of High-strength Structural Steel Q420 at Low Tem perature

LIWen-liang，GAO Yi-bin，JI Jin-chuan
（Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

The fracture toughness of high-strength structural steel Q420 with different thickness was studied by three-point bending test.The crack tip opening displacement values were calculated.The results indicated that the temperature had significant influence on fracture toughness of structural steel and the fracture toughness was reduced significantly with the decrease of temperature resulting to brittle fracture.Generally,the increase of specimen thickness also caused the decrease of fracture toughness of structural steel.Thus，the effects of temperature and the thickness should be considered in the important engineering design,material selection and safety analysis.

high-strength structural steel；crack tip opening displacement；fracture toughness

TG142.15

A

1671-0320（2012）04-0042-03

2012-03-09，

2012-04-11

李文亮（1982-），男，山西朔州人，2008年毕业于天津大学材料加工工程专业，从事金属监督技术和材料检测方面的工作；

高义斌（1979-），男，山西襄垣人，2005年毕业于太原理工大学材料加工工程专业，工程师，从事金属监督技术和材料检测方面的工作；

冀晋川（1963-），男，山西太原人，1984年毕业于武汉水利电力学院金属专业，高级工程师，从事金属监督技术和管理工作。