h型鋼儀器化沖擊試驗性能測試與分析

h型鋼儀器化沖擊試驗性能測試與分析

1動態(tài)斷裂韌性試驗h鋼翼邊緣寬，側徑角大，抗彎能力強，材料剛性好，耐腐蝕性好，低溫影響強，耐脆，變質時間短，能夠吸收大量變形能量，具有優(yōu)越的抗彎性。廣泛應用于各種工業(yè)和民用結構中。高韌性的H型鋼失效方式一般為韌性破壞,即由塑性變形引起應力集中導致應力集中區(qū)形成裂紋并擴展,由于裂紋尖端塑性區(qū)尺寸超過平面應變條件的約束,裂紋尖端應力應變場由J積分控制。建筑用H型鋼要求材料具有高強度,高強屈比,高應變低周疲勞抗力,沒有應變時效脆化,沒有低溫脆性,有良好的焊接性。上述要求對H型鋼的抗震性能是有益的,但文獻從J積分的條件、裂紋尖端的特征、斷裂的微觀機理等方面對韌性材料J1d與抗拉強度和屈服強度之比(稱強屈比)關系進行了分析,指出兩者之間沒有明確的相關性,說明提高材料的強屈比不是保證缺陷(或微裂紋)抵抗其擴展的有效方法,有效的方法是提高強度的同時,不降低均勻塑性變形能力,這可以通過提高冶金質量如細化晶粒來實現。由于測試強屈比和低周疲勞性能是在靜態(tài)常溫條件下進行,而地震時H型鋼受力狀態(tài)為動載,另外,不同地區(qū)不同季節(jié)溫差較大,文獻指出加載速率、試驗溫度對裂紋形成能量影響較大,因此,常溫靜態(tài)條件下測試強屈比和低周疲勞試驗并不能完全評價H型鋼實際使用中抗震能力的優(yōu)劣,動態(tài)斷裂韌性J1d成為H型鋼抗震性能的判斷依據。動態(tài)斷裂特性試驗試樣類型有三種,標準V型缺口試樣(CVN)、線切割試樣(LCN)和預制疲勞裂紋試樣(PCN)。只要保證所選用的缺口類型一致,則試驗結果可以用來比較材料在相同試驗條件下的動態(tài)性能的差異。本文選擇軋態(tài)Q345BH型鋼標準V型缺口試樣,試驗在ZwickAmsler/RoellRKP450儀器化沖擊試驗機上進行,測試了-60℃～20℃動載條件下儀器化沖擊試驗性能,計算了不同溫度J1d,給出了0℃、20℃的J-Δa阻力曲線。2試驗原理和方法2.1深裂紋密度ld精確地求解裂紋尖端彈塑性應力應變場在數學上有相當大的困難,1968年賴斯(J.R.Rice)為了避開裂紋尖端應力應變場這一難點,提出了一個圍繞裂紋尖端的圍線積分,這個積分值與積分路徑無關,為一常數,認為這個常數的數值就反映了裂紋尖端應力應變場的強度,描述了這一應力應變場的特性,積分常數見表達式(1)J=∫Γ(ωdy-Τi?ui?xds)(1)J=∫Γ(ωdy?Ti?ui?xds)(1)式中,ω是在彈塑性條件下,在單調加載過程中裂紋體的應變能密度;Γ是自裂紋下表面的任意一點起,沿逆時針方向繞過裂紋尖端而止于裂紋上表面任意一點的任意一條曲線;Ti是作用在回路上弧線元素ds對應的面元素;ui是該處的位移矢量。文獻給出深裂紋(a/W≥0.4),短跨距(S/W=3～5)試樣J積分,見表達式(2)、(3)、(4)J=-1B(?w?a)δ=2B(W-a0)∫δ0Fdδ(2)J1d=2WiB(W-a0)(3)Wi=∫δi0Fdδ(4)J=?1B(?w?a)δ=2B(W?a0)∫δ0Fdδ(2)J1d=2WiB(W?a0)(3)Wi=∫δi0Fdδ(4)淺裂紋Rice修正后表達式為式(5)J1d=ηWiB(W-a0)(5)J1d=ηWiB(W?a0)(5)式中,η為試樣幾何尺寸常數,對于a/W=0.2的淺裂紋試樣,取值1.46;B為試樣厚度,mm;W為試樣寬度,mm;Wi為裂紋形成能量,J;a0為缺口深度,mm。2.2試驗假設及試驗常對于韌性斷裂的儀器化沖擊試驗,試樣裂紋尺寸、載荷、加載點位移之間的關系可由關鍵曲線函數表示W?F(t)b20=Κ[D(t)W]m(6)W?F(t)b20=K[D(t)W]m(6)式中,F(t)為沖擊載荷值,kN;b0為試樣的原始韌帶尺寸,b0=W-a0,mm;D(t)為塑性變形階段加載點位移量,mm;m、K為試驗常數。對(6)式取對數得logW?F(t)b20=mlogD(t)W+logΚ(7)logW?F(t)b20=mlogD(t)W+logK(7)擬合載荷-位移曲線屈服載荷Fgy至最大載荷Fm之間塑性變形范圍內的試驗點,可以得到試驗常數m、K值。在啟裂點過后的裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段,將瞬時加載點位移量D(t)和韌帶尺寸b(t)=W-(a0+Δa(t))代入式(6),即可得到裂紋實時擴展曲線,見式(8)Δa(t)=W-[√F(t)?Wm+1ΚD(t)m+a0](8)Δa(t)=W?[F(t)?Wm+1KD(t)m???????√+a0](8)2.3裂紋動態(tài)擴展力學t標準V型缺口沖擊試驗動態(tài)J積分可以通過淺裂紋Rice修正公式得到J1(t)=ηW(t)B(W-a0-Δa(t))(9)式中,W(t)為瞬時沖擊吸收能量,JΔa(t)為實時裂紋擴展量,mm在沖擊載荷-位移曲線上,將動態(tài)啟裂點直至裂紋失穩(wěn)斷裂整個裂紋動態(tài)擴展過程J1(t)與Δa(t)一一對應,可以繪制裂紋動態(tài)擴展J-Δa阻力曲線。2.4等效k1d的k1d動態(tài)斷裂韌性J1d按式(5)計算,其中Wi≈Wm。確定了J1d,便可以根據式(10)得到等效的K1dΚ1d=EJ1d1-v2(10)式中,E為彈性模量,MPav為泊松比3試驗溫度設定軋態(tài)Q345BH型鋼儀器化沖擊試驗結果見表1,其中力按0.03ms過濾。其中:Fgy為儀器化沖擊試驗屈服力;Fm為最大力;Fm/Fgy為動態(tài)強屈比;Wi為裂紋形成能量,本文設定為最大力時的能量Wm;Wp為裂紋擴展能量;Wt為總沖擊能量,常規(guī)沖擊試驗吸收功;J1d、K1d為動態(tài)斷裂韌性。-60℃～-20℃動態(tài)啟裂后裂紋迅速到達失穩(wěn)擴展點,難以檢測到裂紋穩(wěn)態(tài)擴展數據,因此,在此溫度區(qū)間不能給出J-Δa阻力曲線。當試驗溫度為-60℃時,動態(tài)屈服力Fgy與最大力Fm相同,試驗常數m、K無法計算。Wi、Wp與試驗溫度的關系,J1d、Wt與試驗溫度的關系,Fm/Fgy、Wt與試驗溫度的關系,0℃、20℃J-Δa阻力曲線分別見圖1、圖2、圖3、圖4。4根據強度變化測試文獻指出動態(tài)屈服力Fgy與最大力Fm相同時溫度為韌脆轉變溫度,圖3顯示軋態(tài)Q345BH型鋼Fgy與Fm相同時,試驗溫度為-60℃,按此方法確定韌脆轉變溫度為-60℃,本文認為此方法過于樂觀。如果根據動態(tài)斷裂韌性J1d降低至常溫時的一半來判斷材料韌脆轉變溫度,則其轉變溫度為-40℃左右。裂紋擴展能量Wp是試樣缺口根部裂紋萌生后進行擴展所消耗的能量,是評價材料抵抗韌性裂紋擴展能力的依據之一。當裂紋形成能量Wi小于裂紋擴展能量Wp時,以韌性斷裂為主;當裂紋形成能量Wi大于裂紋擴展能量Wp時,以脆性斷裂為主;當裂紋擴展能量Wp出現陡降時,預示著材料從韌性到脆性的轉變,此方法確定軋態(tài)Q345BH型鋼從韌性到脆性轉變溫度約為-20℃(見圖1)?？倹_擊能量Wt包括裂紋形成能量和裂紋擴展能量,從圖3中看出,其韌脆轉變溫度為-20℃,與裂紋擴展能量Wp一致。斷裂韌性反映的是材料抗斷裂的能力,主要受斷裂前材料的變形能力所影響,與裂紋擴展前位錯在外力作用下運動、聚集的能力及裂尖附近塑性區(qū)的大小及形狀密切相關,而與裂紋擴展后裂紋運動所消耗的能量無關。溫度較高時,在總的沖擊吸收能量Wt中,裂紋擴展能Wp占有相當大的比例,其間的動態(tài)斷裂韌性J1d與總沖擊能量Wt變化規(guī)律差異較大,溫度降低時,這種變化規(guī)律逐漸趨于一致,從中可以看出J1d、Wt反映了材料韌性性能的不同方面。對Q345BH型鋼來說,溫度較高時,韌性裂紋啟裂需要的能量占總沖擊能量較小的比例,裂紋形成后材料產生了一定的損傷,損傷不斷累積導致裂紋失穩(wěn)擴展,當溫度降低時,這種失穩(wěn)擴展的能力將進一步加大,因此,總沖擊吸收能量較高對防止裂紋形成不存在對應關系,用單純提高總沖擊吸收能量忽略動態(tài)斷裂韌性J1d的同步提高對評價H型鋼的抗震性并不科學,從使用安全性的角度看,在提高Wt的同時大幅度增加動態(tài)斷裂韌性J1d,尤其是提高低溫指標非常重要。最大載荷吸收能量Wi反映的正是裂紋擴展前材料抵抗裂紋形成所消耗的能量,與動態(tài)斷裂韌性J1d性質一致,都是反映材料抵抗裂紋形成的能力,所以它們之間隨溫度的變化規(guī)律基本一致(見圖1、圖2)。研究表明,通過測定材料的J-Δa阻力曲線,可以正確描述材料服役過程中裂紋起裂、穩(wěn)態(tài)擴展、失穩(wěn)擴展以及止裂行為,是目前發(fā)展較為完善的一種韌性評定方法。圖4給出了0℃、20℃J-Δa阻力曲線,曲線顯示出0℃J-Δa阻力曲線較高,這是因為0℃時試樣裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較小,平面應變比例較大,裂紋擴展限制條件較嚴格,相應J積分阻力較大,如果-20℃或以下也具有與0℃相當的J-Δa阻力曲線則表明材料抵抗裂紋擴展的性能更好。5韌脆轉變