低温环境下桥梁钢Q345qD疲劳裂纹扩展行为研究

(1．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；2．清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084)

摘要:为了明确在寒冷地区服役桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为，以16 mm厚桥梁钢Q345qD为研究对象，完成了室温和低温下的夏比冲击韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值试验。结果表明，夏比冲击功和试样断口剪切断面率随温度的降低而减少；在应力比0.1、0.2和0.5条件下，疲劳裂纹扩展速率均随温度降低而变缓，该桥梁钢的疲劳韧-脆转变温度点在-60 ℃以下；在室温～-60 ℃，其裂纹扩展速率均对应力比的变化不敏感；应力比0.1条件下的疲劳裂纹扩展门槛值随温度的降低有略微增大的趋势。该批次桥梁钢表现出了良好的抵抗低温疲劳裂纹扩展性能，防止低温脆性破坏成为疲劳设计的重点；试验数据能为钢结构桥梁的进一步抗低温疲劳和防低温冷脆断裂设计提供参考。

关键词:Q345qD桥梁钢；疲劳裂纹扩展；低温；门槛值；韧-脆转变温度

在我国存在着大范围的冬季寒冷和严寒地区，最低环境温度达-54 ℃[1―2]。虽然钢结构桥梁的常温疲劳破坏问题得到了关注和研究，但是为保障低温寒冷地区钢结构桥梁的设计和运营安全，还需要进一步明确低温条件下桥梁钢的疲劳裂纹扩展性能，提供低温疲劳参数。

从基于断裂力学研究的材料层面出发，在室温条件下，已有大量学者针对不同类型的桥梁钢疲劳裂纹扩展性能进行了研究[3―7]。但是，对低温条件下，桥梁钢的疲劳裂纹扩展性能还缺乏系统全面的研究、较为明确的结论以及可靠的疲劳数据。张玉玲[8]进行了-50 ℃条件下的14MnNbq桥梁钢及对接焊缝的疲劳裂纹扩展速率试验；Walters等[9]着重研究了 S460结构钢的疲劳韧-脆转变温度与断裂韧-脆转变温度之间的关系；Lü和 Zhang[10]研究了16 Mn钢的低温疲劳裂纹扩展性能，指出其疲劳韧-脆转变温度在-143 ℃附近；其他学者的相关研究主要针对海洋平台用钢[11]、管道用钢[12―13]和航空航天用铝合金[14]、耐寒结构钢[15]等。

因此，以我国铁路钢桥中广泛采用的 Q345qD桥梁钢为研究对象[16]，在室温～-80 ℃范围，完成了夏比V型缺口冲击韧性试验；在室温、-20 ℃和-60 ℃下，完成了疲劳裂纹扩展速率试验和门槛值测试；探讨了低温对桥梁钢疲劳裂纹扩展行为和门槛值的影响；为进一步研究低温环境下钢桥的焊接细节和构件的疲劳性能提供基础。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料

试验用桥梁钢Q345qD由安阳钢铁厂生产，板厚 16 mm，其在室温、-20 ℃和-60 ℃温度点下的基本力学性能，包括屈服强度fy、抗拉强度fu、弹性模量E、断后伸长率A和断面收缩率z，如表1所示。结果表明，本试验批次桥梁钢性能指标均能满足GB/T 714―2008《桥梁用结构钢》[17]的要求。

表1 不同温度下Q345qD钢的基本力学性能
Table 1 Mechanical properties of Q345qD bridge steel at low temperatures

1.2 疲劳裂纹扩展速率试验

疲劳裂纹扩展试验按照GB/T 6398―2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》[18]进行，对16 mm厚的Q345qD桥梁钢采用标准紧凑拉伸C(T)试件，具体尺寸如图1所示，试样的裂纹扩展方向与轧制方向垂直，预制疲劳裂纹长度约2 mm～3 mm。在室温、-20 ℃和-60 ℃三个温度点下，分别完成应力比为R=0.1、0.2和0.5条件下的裂纹扩展速率试验，每个工况至少3个有效试样，共计27个。

试验在MTS Landmark电液伺服疲劳试验机上完成，加载频率20 Hz，如图2所示。试验中，用液氮和空气的混合气体实现低温环境的模拟，通过贴附在试件上的热电偶来调控试件的温度；采用引伸计，基于柔度法原理测量裂纹扩展长度；试验结束后，先对试件进行氧化发蓝和降温拉断，采用工具显微镜对 C(T)试件断口的预制疲劳裂纹长度和扩展终止裂纹长度进行测量，然后进行曲率修正。

图2 低温疲劳裂纹扩展速率试验装置
Fig.2 Experimental scene of fatigue crack growth test at low temperatures

根据GB/T 6398―2000[18]，采用七点递增多项式拟合法对进行曲率修正后的a-N曲线进行拟合，计算疲劳裂纹扩展速率da/dN和相应的应力强度因子幅值ΔK，得到裂纹扩展速率曲线da/dN-ΔK。

1.3 疲劳裂纹扩展门槛值试验

根据GB/T 6398―2000[18]的规定，采用降K程序测定疲劳裂纹扩展门槛值。门槛值试验用 C(T)试件尺寸和疲劳试验装置均与扩展速率试验相同。其中，有效试样共 3件，室温、-20 ℃和-60 ℃三个温度点下各一件，应力比R=0.1。试验过程中，采用恒K控制的K梯度法实现降力程序，K梯度C0值取-0.08 mm-1。

采用割线法，对a-N曲线数据进行处理，得到(da/dN,ΔK)数据对；选取 10-10mm/次～10-9m/次区间内至少5对有效数据，在对数坐标系下，以对数扩展速率lg(da/dN)为自变量，进行Paris公式线性拟合；取da/dN=10-10m/次对应的ΔK值为疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth。

2 夏比冲击韧性试验与断裂韧-脆转变温度

在室温、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃和-80 ℃六个温度点下，根据GB/T 229―2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》[19]的规定，在标准打击能量为 750 J的摆锤冲击试验机(NI750C)上完成了Q345qD桥梁钢的标准夏比V型缺口冲击试验。

如图3和图4分别所示为冲击吸收功KV2和试样断口剪切断面率SA试验结果。其中，冲击试件的剪切断面率由一名经验丰富的试验技术人员采用显微镜和数字图像技术处理得到。可以看出，随着温度的降低，钢材的冲击韧性和剪切断面率逐渐减小；并且满足 GB/T 714―2008[17]对桥梁钢Q345qD在-20 ℃时冲击功大于47 J的规定。

已有研究指出[20―24]，低合金结构钢材具有疲劳韧-脆转变温度(TFDBT)，如桥梁钢Q345qD。当环境温度高于TFDBT时，随着温度的降低，疲劳裂纹扩展速率降低；当温度低于TFDBT时，随着温度的降低，疲劳裂纹扩展速率增加。由于冲击韧性试验相比疲劳裂纹扩展速率试验，更方便、成本更低。笔者力求从钢桥的最低预期服役温度，桥梁钢的疲劳韧-脆转变温度(TFDBT)和由冲击试验得到的断裂韧-脆转变温度三者之间的关系出发，为低温抗疲劳设计提供有益的建议参考。

虽然关于断裂韧-脆转变温度的定义没有统一的标准，但是基于冲击韧性试验得到的断裂韧-脆转变温度却应用最为广泛[9]，如冲击吸收功为27 J和10%目标钢材屈服强度值 34 J时，对应的断裂韧-脆转变温度T27J和T34J，剪切断面率等于50%时的断裂韧-脆转变温度TSA。结合Boltzmann函数拟合曲线[25―26]，给出了断裂韧-脆转变温度T27J、T34J、TSA和 Boltzmann函数拟合冲击功曲线得到的断裂韧-脆转变温度T0，见表2。虽然根据本文试验温度范围的冲击吸收功试验结果无法得到T27J，但可以明确的是T27J要远小于最低试验温度-60 ℃。整体来看，本批次Q345qD桥梁钢具有较好的抗低温冷脆性能。

图3 冲击功随温度变化曲线
Fig.3 Impact energy versus temperature

图4 剪切断面率随温度变化曲线
Fig.4 Percent shear area versus temperature

表2 基于冲击数据的断裂韧-脆转变温度
Table 2 Fracture ductile-brittle transition temperatures from Charpy test data

3 扩展速率试验结果与分析

3.1 裂纹扩展速率试验结果

如图5所示，给出了Q345qD钢材C(T)试件在应力比R=0.1、0.2和0.5和不同温度工况下的疲劳裂纹扩展a-N曲线。可以看出，由于试验过程中采用略微差别的荷载，以及初始预制疲劳裂纹长度的不同，单从a-N曲线的角度还难于判断低温对疲劳裂纹扩展速率的影响规律。

3.2 低温对疲劳裂纹扩展行为的影响

如图6所示，给出了满足C(T)试件数据有效性检验的疲劳裂纹扩展速率计算结果。可以看出，在三个不同应力比R=0.1、0.2、0.5条件下，随着温度的降低，Q345qD桥梁钢的疲劳裂纹扩展速率均明显变低。这意味着，低温环境增强了Q345qD桥梁钢疲劳裂纹扩展的抵抗能力。

图5 不同温度条件下C(T)试件的典型a-N曲线
Fig.5 Test results of typicala-Ncurves for C(T)specimens at room and low temperatures

图6 不同温度条件下疲劳裂纹扩展速率试验结果
Fig.6 Experimental results of fatigue crack growth rate test at room and low temperatures

相比应力比条件R=0.1，在R=0.5时，疲劳裂纹扩展速率在-60 ℃下的降低更为明显。另外，还可以发现，在应力比R=0.1和R=0.2下，随着应力强度因子幅值的增大，低温Q345qD桥梁钢裂纹扩展曲线有不断靠近常温扩展曲线的趋势。

由图6还可以看出，在本试验温度范围内，桥梁钢Q345qD没有发生疲劳韧-脆转变现象，表明该桥钢的TFDBT要低于-60 ℃，小于TSA=-36 ℃，这也与文献[9,24]指出TFDBT通常要小于TSA的结论是相吻合的。

我国钢桥服役地区的最低预期气候温度是-54 ℃，因此，本试验设定的温度范围为室温～-60 ℃。在此范围内，尚不能具体明确TFDBT与T27J、TSA等的定量关系。但可以确定的是，当钢桥具体服役地区的最低预期气候温度在TSA以上时，不需要再进行费时费力的低温疲劳裂纹扩展速率试验；当最低预期气候温度在TSA和试验最低温度-60 ℃之间时，防止低温冷脆断裂成为低温设计的控制重点。

3.3 低温条件下C和m值的对比

采用成组数据点处理方法和 Paris公式疲劳裂纹扩展模型，通过线性回归分析得到 Paris方程扩展参数C和m，如图6和表3所示。可以看出，拟合系数都在0.95以上，表现出很好的相关性、且具有较小的离散误差。值得注意的是，在常温条件，疲劳裂纹扩展速率在10-7m/次左右，出现了较为明显的双线性扩展行为。而在低温条件下，尚未观察到这种现象。因此，本文常温数据拟合主要针对10-7m/次～10-6m/次区间。

表3 不同温度下疲劳裂纹扩展试验拟合结果
Table 3 Linear fitting results of fatigue crack growth test data at room and low temperatures

整体来看，不同应力比条件下，随着温度降低，m值有逐渐增大的趋势，C值有逐渐减小的趋势，但这种变化不十分明显。在应力比R=0.2时，较为清楚地呈现出了这种随温度的变化规律。

3.4 应力比对裂纹扩展速率的影响

如图7所示，给出了室温、-20 ℃、-60 ℃温度点下，Q345qD桥钢在不同应力比条件下的疲劳裂纹扩展速率试验结果对比；可以看出，随着应力比的增大，裂纹扩展速率略微增加，Q345qD桥钢的裂纹扩展速率对应力比的影响并不敏感。

图7 不同应力比条件下疲劳裂纹扩展速率试验结果
Fig.7 Experimental results of fatigue crack growth test at various stress ratios

由于在不同温度条件下，不同应力比的Q345qD桥钢疲劳裂纹扩展速率相差较小，这与de Jesus等[27]的研究结果是一致的。因此，针对各个温度，将不同应力比的裂纹扩展速率试验数据进行了统一Paris公式拟合，如图7和表4所示。另外，表4还给出了文献[7]中10 mm厚Q345qD钢的室温扩展速率数据的拟合结果均值，与本文结果相近。根据国际焊接协会(International Institute of Welding,IIW)[28]的数据处理推荐方法，取lgC的均值加上2倍的标准差，得到了具有95%概率保证的Q345qD桥钢疲劳裂纹扩展速率曲线，如图7中虚线所示。从表4中仍然可以看出，随着温度的降低，m值有增大的趋势，C值有减小的趋势。

表4 不同应力比疲劳裂纹扩展试验数据统一拟合结果
Table 4 Linear fitting results of fatigue crack growth test data with different stress ratios

4 疲劳裂纹扩展门槛值

一般来说，门槛值随温度的降低而增加[29]。尽管如此，由于门槛值的测量成本非常高，尤其在低温环境下测量难度更大，关于钢材低温门槛值的研究数据仍然很少[22,24]。

如图8所示，给出了应力比R=0.1条件，桥梁钢 Q345qD 在室温、-20 ℃和-60 ℃温度下的疲劳裂纹扩展门槛值的测定结果。可以看出，随着温度的降低，门槛值略微增加，分别为3.106 MPa·m1/2、3.641 MPa·m1/2和 3.791 MPa·m1/2。意味着，低温条件下，该钢材表现出了更好的抵抗疲劳裂纹起始扩展的能力。

图8 疲劳裂纹扩展门槛值随温度的变化规律
Fig.8 Fatigue crack growth threshold versus temperature

5 结论

对16 mm厚桥梁钢Q345qD进行了常温和低温下的夏比冲击试验、疲劳裂纹扩展速率试验(应力比R=0.1, 0.2和0.5)和门槛值测试(应力比R=0.1)，通过试验数据对比分析，得到如下结论:

(1)相比常温，低温下本批次钢材表现出更低的疲劳裂纹扩展速率和更高的疲劳裂纹扩展门槛值，意味着低温增强了本批次钢材抵抗疲劳裂纹扩展和起始的能力。

(2)随着温度的降低，本批次钢材的冲击功和纤维断面率逐渐减小，表现出随温度降低而逐渐恶化的抗低温冷脆断裂性能。

(3)在试验最低温度-60 ℃以内，本批次钢材未发生疲劳韧-脆转变现象，其疲劳韧-脆转变温度要低于冲击试样断口剪切断面率为 50%时对应的断裂韧-脆转变温度。因此，防止脆性破坏成为低温疲劳设计的重点。

(4)对数线性拟合结果表明，随着温度的降低，本批次钢材的Paris扩展参数m有增大、C有减小的趋势。

(5)在室温和低温条件下，本批次钢材的裂纹扩展速率对应力比的变化并不敏感，表现为随应力比增大，裂纹扩展速率略微有所增加。

(6)本批次 Q345qD桥梁钢的常温和低温下疲劳裂纹扩展速率参数可用于钢桥的抗疲劳设计和寿命预测分析。

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EXPERIMENTAL STUDY ON THE FATIGUE CRACK GROWTH BEHAVIOR OF BRIDGE STEEL Q345qD AT LOW TEMPERATURES

(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry,Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Architectural Design and Research Institute of Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:To explore the fatigue crack growth behavior of bridge steel used in cold regions, a series of experimental studies, including Charpy impact test, fatigue crack growth rate test and fatigue crack growth threshold test, were carried out for bridge steel Q345qD with a plate thickness of 16 mm at room and low temperatures. The results show that the impact energy and percentage shear area reduce as the temperature declines. At stress ratios of 0.1, 0.2 and 0.5, the fatigue crack growth rate becomes lower with the declining temperatures, and the fatigue ductile- brittle transition temperature of the bridge steel is below-60 ℃. The fatigue crack growth rate is insensitive to the variation of the stress ratio at both room temperature and low temperatures. At the stress ratio of 0.1, the fatigue crack growth threshold increases with the reduced temperature.It can be concluded that this batch of bridge steel exhibits good resistant performance to fatigue crack growth at low temperatures, making the prevention of low-temperature brittle fracture become the first consideration. The experimental data obtained can be employed for further study on the fatigue & fracture resistant design and fatigue residual life prediction of fatigue detail for steel bridges in cold and extremely cold regions.

Key words:Q345qD bridge steel; fatigue crack growth; low temperature; threshold; ductile-brittle transition temperature

陈宏(1963―)，男，江苏人，教授级高工，博士，主要从事钢结构设计与研究(E-mail: chh13@tsinghua.org.cn).

石永久(1962―)，男，黑龙江人，教授，博士，博导，主要从事钢结构研究(E-mail: shiyj@mail.tsinghua.edu.cn);

廖小伟(1985―)，男，湖北人，博士生，主要从事钢结构疲劳与断裂研究(E-mail: liaoxw13@mails.tsinghua.edu.cn);

通讯作者:王元清(1963―)，男，安徽人，教授，博士，博导，主要从事钢结构研究(E-mail: wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn).