输电铁塔主材角钢的低温拉伸和冲击试验

低温会影响输电铁塔钢材的力学性能,容易导致塔材的脆性断裂事故,危及铁塔乃至整个电力系统的安全。笔者针对Q345B和Q420C高强度钢材角钢及其焊接接头,通过低温拉伸试验和夏比冲击试验,研究了不同材质、不同厚度角钢及其焊接接头的低温力学性能。结果发现,Q345B角钢和焊接接头、Q420C角钢和焊接接头的韧脆转变温度分别为-2.59,-15.28,-32.33和-6.76℃,低温会使4种钢材的的抗拉强度和屈服强度均有所提高,在-45℃的高寒地区的输电铁塔,选择Q420C角钢可以满足设计要求,但是应该尽量避免对Q420C进行焊接处理。     

两种缺口Q420钢的低温断裂韧度

结合工程应用背景,采用Q420桥梁用钢板,加工成W/B=2、S/W=5的非标准三点弯曲试样,通过线切割和线切割后预制疲劳裂纹两种方式得到相同长度的初始缺口,对其-30 ℃的低温断裂韧度进行试验研究,分析比较两种缺口试样断裂韧度测试条件值Kq和强度比Rsb,评价具有以上两种缺口时材料对脆性失稳扩展的不同抵抗能力,并求得相应的缺口修正系数;最后,从试样的P-V曲线图和断口分析其中的原因.试验分析结果为Q420钢的具体工程应用提供依据.     

Q345低合金钢连铸板坯的高温力学性能

采用Gleeble-1500型热模拟试验机测试了Q345B和Q345C钢连铸板坯的高温力学性能,用扫描电镜观察了断口形貌,并分析了脆化机理。结果表明:Q345B和Q345C钢的第Ⅲ脆性区温度范围为700～825℃和600～980℃,在600～1 350℃下的抗拉强度均随温度的升高而降低,Q345C钢在780～840℃内断面收缩率小于30%,Q345B钢断面收缩率均大于30%;两种钢在1 350℃时均发生过熔断裂,1 000℃时均发生塑性穿晶断裂,而900℃时Q345B仍为塑性穿晶断裂,Q345C为穿晶与沿晶混合断裂,两种钢在800℃为脆性断裂,600℃时转化为塑性断裂;Q345钢脆化原因有两个,一是细小Nb(CN)等第二相在奥氏体单相区晶界处析出导致应力集中产生脆化;二是原奥氏体晶界处析出的网状铁素体强度低导致脆化。     

冲击功与断裂韧度经验关系式对Q345R钢的适用性

以我国最常用的压力容器用Q345R钢为研究对象,进行了冲击和断裂韧性试验;收集整理了国际标准中应用广泛的断裂韧度经验关系式,结合实测的材料性能数据,对这些关系式用于估算Q345R钢在转变温度区内断裂韧度的准确性进行了对比分析。结果表明:Sailors-Corten及Wallin关系式对断裂韧度的预测结果与实测的结果符合性最好,在转变温度区内,可用于估计Q345R钢的断裂韧度;在实测材料性能数据的基础上,修订建立了适用于Q345R钢的冲击功与断裂韧度的经验关系式。     

焊接接头在预应变下断裂性能试验研究

以常用建筑结构钢Q345为研究对象，进行了母材与焊缝在预应变下的冲击、拉伸和断裂韧度试验。结果表明，预应变下，母材和焊缝的冲击韧度均有所降低，韧一脆转变温度有所提高，109／6预应变后的焊缝其韧一脆转变温度低于室温(20℃)，仍可在室温下安全使用，随预应变增加，材料的屈服强度与抗拉强度均有所提高，脆性断裂危险性增加。研究发现，为建立客观的材料韧度指标及进行更有效的安全分析时，预应变应作为一个考虑因素。     

WASPALOY合金长期时效过程中的组织演变和性能变化

研究了WASPALOY合金在高温长期时效过程中的组织演变和相关性能的变化。结果表明：合金在704℃时效后显微组织稳定性良好,大、小γ’相生长缓慢,在760℃时效后大γ’相趋于在晶界处聚集长大;室温冲击韧度随时效时间的延长整体下降,为韧性断裂;室温硬度随时效时间的延长而降低;室温拉伸强度和塑性不随时效时间的延长而变化。     

Q420高强钢在输电线路铁塔中的焊接应用

通过对全国首次采用Q420高强钢的"2005年西北750示范工程"中的焊接工艺的了解,几个加工厂采用了E50和E60系材料焊接;不同程度的出现一些问题,我们进行认真分析探讨后,归纳出用混合气体保护焊焊接,Q420焊接时选用ER55-G;Q420/Q345焊接时选用ER50-6。经工艺评定合格,在兰-宁750kV输电线路铁塔工程中焊接最终达到满意的效果。     

高强度钢材低温冲击韧性试验研究

随着钢材强度的增加,相应的韧性等方面的性能会出现对应的下降,尤其是在低温环境下更为显著。因此,研究高强度结构用钢材在低温下的冲击韧性很有必要。本文通过对厚度为10mm的结构用钢材开展低温冲击韧性试验,同时把夏比冲击功值与和其它不同厚度的钢材的Akv值进行比较分析。试验结果表明,该高强度结构用钢材的冲击韧性随着温度的降低而降低,在温度区间为20~-20℃时,厚度为10mm的高强度结构用钢材的低温冲击功值则比不同厚度的Q345钢的Akv值低。在温度低于-20℃时,该结构用钢材的强度对低温脆性的影响和Q345钢的厚度对低温脆性的影响就弱许多。此外,还借助Boltzmann函数对试验数据进行拟合,可获得该结构用钢材的韧脆转变温度点为-11.2℃。因此,应足够重视该结构用钢材在低温下的低温脆性。     

基于LS-DYNA的锤片机筛板冲击过程数值模拟

针对锤片机筛板在高转速下容易发生磨损断裂问题,利用LS-DYNA显式动力学分析软件,建立了Q345和Q420两种材料的本构模型和与应变率相关的失效模型,对比分析了不同的冲击速度对筛板强度的影响规律;通过与理论分析对比证明了数值模拟的可行性和有效性。模拟结果表明,筛板孔边缘强度对材料的依赖性不强,筛板在小角度偏置冲击下更容易断裂失效,在大角度偏置冲击下更容易剥落磨损,模拟结果可为筛板强度的优化以及锤片机的加工工艺参数制订提供理论依据。     

输电铁塔用耐候钢的研制

耐候钢在大气中能形成致密和粘附良好的稳定锈层,使其耐腐蚀性能明显优于普通碳钢。西方国家已将耐候钢应用于输电杆塔中,而国内还未开始使用。采用新型环保耐腐蚀钢是未来输电铁塔选材方向。采用金相、拉伸、扫描、周期浸润和盐雾加速腐蚀、电化学等实验方法,对实验室冶炼轧制输电铁塔用耐候钢进行了组织、力学性能研究,以及对比试样Q345B钢模拟实际应用环境中的腐蚀行为规律,探讨了铬元素对耐候钢耐腐蚀性能的影响。结果表明,试验耐候钢具有优异的力学性能;耐腐蚀性优于Q345B钢;随着铬含量的增加,耐候钢的耐腐蚀性逐渐提高。     

天然气分输减压阀阀体用铸钢的低温力学性能

以天然气分输减压阀阀体用1.6220铸钢为研究对象,采用低温拉伸以及低温冲击试验方法研究了其热轧态和调质态的力学性能随试验温度的变化规律,获得了其韧脆转变温度,观察了不同温度下冲击试样的断口形貌。结果表明:随着试验温度的降低,该铸钢的屈服强度和抗拉强度显著提高,断面收缩率和伸长率逐渐下降;调质处理明显改善了铸钢的低温力学性能,调质态铸钢的屈服强度、抗拉强度、塑性均比热轧态的高,韧脆转变温度由热轧态的2.76℃降低到-14.46℃;随着温度的降低,铸钢的断裂形式由韧性断裂向解理断裂转变。     

9Ni钢焊接接头的力学性能与失效评定曲线

通过试验获得9Ni钢焊接接头、母材和焊缝在室温20℃和低温-158℃下的拉伸和断裂性能,对比分析了温度对性能的影响;建立了母材和焊缝的近似R6选择2失效评定曲线(FAC)以及9Ni钢焊接接头的FAC,并进行了对比。结果表明：低温下母材的拉伸和断裂性能以及接头和焊缝的拉伸性能均高于室温下,焊缝的断裂韧度几乎不随温度改变;不同温度下焊缝的屈服强度和断裂韧度均低于母材,焊缝是9Ni钢焊接接头的薄弱区域。由室温拉伸性能构建的近似选择2 FAC包络面积均略小于采用低温拉伸性能构建的FAC,故可用室温拉伸性能构建近似选择2 FAC对9Ni钢焊接接头进行安全评定;分段选取室温下母材和焊缝的近似选择2 FAC构建的焊接接头FAC能最保守地对低温9Ni钢含缺陷结构进行安全评定。     

Q345D钢高温力学性能试验研究

在Gleeble1500D热力模拟试验机上,对Q345D钢在室温(20 ℃)、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃不同温度条件下进行拉伸试验研究,通过回归分析,得出屈服强度σs、极限强度σb、弹性模量E等力学性能随温度变化的规律.在500 ℃～750 ℃之间,Q345D钢的屈服强度σs、极限强度σb随温度升高而降低,而弹性模量E的变化不大.     

利用声音信号能量比在线识别钢材材质

针对在铁塔加工过程中角钢在冲孔时会发出一定的声音,提出一种利用声音信号能量比在线识别Q235和Q345两种材质角钢的方法。搭建实验系统,现场采集加工Q235和Q345两种材质角钢的声音信号,分析不同型号角钢对应声音信号的频谱特征,计算信号在特定高频频带与低频频带的能量比值,以及能量比均值和标准差,找到其区别两种材质的能量比取值范围。并且现场采集一定量的信号样本,根据统计学原理并经过试验验证,识别两种钢材材质的正确率可达到95%以上。     

Q235B环形铸坯显微组织和力学性能的研究

针对短流程铸辗复合成形工艺,以法兰常用材料Q235B碳素钢作为研究对象,通过金相观察、力学性能测试和断口扫描等试验,研究砂型铸造方式和离心铸造方式对环形铸坯组织和力学性能的影响。结果表明,Q235B碳素钢的室温组织主要由铁素体和珠光体组成;砂型铸坯中的铁素体以块状的形式存在,且晶粒较为粗大,离心铸坯中的铁素体以针状和块状的形式存在,且晶粒较为细小。离心铸坯的抗拉强度和塑性、冲击韧度均明显优于砂型铸坯。砂型铸坯的拉伸断口呈现韧窝和准解理并存的混合断裂特征,冲击断口几乎为完全的脆性解理断裂特征;离心铸坯的拉伸断口几乎为完全的韧性断裂特征,冲击断口由撕裂韧窝区域和解理区域组成。     

两种高速铁路用新型鱼尾板材料的力学性能评价

对国产和德国产两种新型鱼尾板材料在室温和低温下的拉伸性能和冲击性能进行了对比研究;用扫描电镜观察不同温度下拉伸断口和冲击断口的形貌,并讨论了材料的断裂方式.结果表明:两种材料均为低合金钢;室温和低温下的拉伸、冲击性能均高于国内现用的B7钢及日本产鱼尾板材料,在室温和-55℃下,国产材料的屈服强度、伸长率分别为568,700 MPa和22.0 %,21.5%,德国产材料屈服强度、伸长率分别为615,675 MPa和24.4%,22.0%;德国产鱼尾板材料力学性能比国产材料稳定.     

16MnR钢不同晶粒尺寸及第二相尺寸对低温冲击韧度的影响

16MnR钢通过三种热处理工艺获得细晶细碳化物、细晶粗碳化物和粗晶粗碳化物三种不同组织,对这三种不同组织的材料进行系列低温(–99～20℃)下的Charpy-V冲击试验。通过冲击韧度比较、断口形貌观察以及断裂微观参数的测量,研究晶粒尺寸和碳化物尺寸对16MnR钢冲击韧度的影响。结果发现,不同微观组织的材料其冲击韧度随温度降低而减小;细晶细碳化物组织比细晶粗碳化物组织和粗晶粗碳化物组织韧脆转变温度低,同一温度下的断裂韧度好,而且晶粒尺寸对韧脆转变温度和断裂韧度值的影响要比碳化物尺寸显著得多。通过断口微观参数的测量得知,韧脆转变温度区的断裂能量主要消耗在裂纹尖端的钝化与塑性裂纹扩展中。韧脆转变低温区,裂纹尖端在钝化过程中吸收大量能量从而韧性陡升。     

自动球压痕法估测Q235B钢的断裂韧度

自动球压痕法作为一种可以用来测量材料力学性能的新方法,近年来已经得到越来越多的研究。为了探讨自动球压痕法对于估算金属材料断裂韧度的适用性,以常用碳素结构钢板Q235B为试验材料,对其进行自动球压痕试验,并与常规断裂试验测量值对比,结果表明,自动球压痕试验与常规断裂试验测量的断裂韧度值偏差在10%之内,可以用该方法估测Q235B钢的断裂韧度。     

预应变对管线钢低温断裂韧度影响研究

油气管线无论是在安装还是在服役过程中,都会不可避免地产生大塑性应变(即预应变).为了研究预应变对材料力学性能和断裂韧度的影响,对X80管线钢原材料和塑性变形材料分别进行不同温度下的拉伸试验和断裂韧度试验,并对试样断口形貌进行分析.试验结果表明,温度对管线钢的断裂韧度具有显著作用,钢材的断裂韧度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;拉伸预应变因工作硬化提高了钢材的屈服强度与抗拉强度,而压缩预应变因包申格效应降低了钢材的屈服强度与抗拉强度,但两者都降低了钢材的塑性及断裂韧度,进一步增加脆性断裂发生的概率.因此,在管道设计、选材、安全分析及评定时,应充分考虑温度和预应变对管线钢断裂行为的影响.     

ASTM和ISO标准断裂韧度测试方法比较研究

ASTM E1820-11和ISO 12135-2002标准是测试断裂韧度的主要标准,然而这两个测试标准在钝化线、有效数据区间和阻力曲线拟合等方面存在较大的差异,导致断裂韧度测试结果的较大不同。研究这两个测试标准钝化线的依据,比较它们的差异。ASTM标准采用理想弹塑性材料假设,ISO标准基于材料的真应力应变关系满足幂次定律,ISO标准钝化线斜率比ASTM标准钝化线斜率大;ASTM标准采用两参数方程阻力曲线,而ISO标准采用三参数方程阻力曲线。提出根据材料应力应变特性来选择合适的试验标准,对于带屈服平台的材料可选用ASTM标准,不带屈服平台的材料可选用ISO标准。选取Q345R钢进行断裂韧度试验,用ASTM和ISO两个标准对试验结果进行评估,试验结果表明:Q345R的应力应变曲线在屈服阶段存在屈服平台,ASTM钝化线能更好反映裂纹尖端钝化。ASTM和ISO两个标准测得的断裂韧度分别为235.29 kJ/m~2和179.37 kJ/m~2,两者相差24%。