钢结构厚板力学性能的低温试验研究

摘要：钢结构厚板由于具有良好的受力特性和可加工的特点，被越来越多地用于高层建筑、大跨度桥梁和海洋平台等工程中。但钢结构厚度的焊接困难及对缺陷的敏感程度显著提高，尤其是在较低温度下，更容易出现脆性破坏，给构件的安全带来了严峻的挑战。为此，研究钢结构厚板在低温环境下的力学性能变化规律，对于提高结构的安全性和可靠性具有重要意义。

关键词：钢结构厚板；力学性能；低温试验

厚板钢材在高层建筑和大跨结构中得到了广泛应用，然而厚度的增加会引起钢板力学性能的变化，特别是厚度方向的性能。例如：在低温环境下，钢结构力学性能会发生变化，尤其是钢结构厚板的抗脆性断裂能力和韧性会下降，使钢结构安全和可靠性受到有效影响。本篇文章就对钢结构厚板力学性能的低温试验进行研究，从而保障钢结构厚板的质量。

一、钢结构厚板力学性能的低温试验方案设计

（一）试验材料选择

一方面，根据钢结构厚板，力学性能的低温试验目标，应该对厚板，材料进行合理选择，并且为了能够使钢结构厚板能够充分体现工程师工作特性，通常选择在建筑，桥梁等工程中应用的钢结构厚板，根据低温环境的特点，应该对材料的化学性能和，制作流程进行有效关注。另一方面，根据钢结构厚板的厚度，并且对实际工程中常用的参数进行有效了解，从而更好的了解钢结构厚板在低温条件下工作特点，同时，必须对选取的试验材料进行质量检测，从而保障钢结构厚板材料，满足相关规范指标，从而确保试验结果的准确性。

（二）试验设备与仪器

在低温试验过程中，应该对试验设备与仪器进行合理选择，例如：能够对温度进行精确调控的低温试验箱，以此来保证试验环境温度处于低温条件下。同时，还需要硬度计来对钢结构厚板的硬度变化进行有效检测，利用检测仪对厚板内部是否存在缺陷进行有效检验，并且需要对试验设备与仪器进行定期维护，从而确保试验结果的准确性[1]。

（三）试验内容与方法

钢结构厚板试验内容包括拉伸试验，冲击试验以及硬度试验等，例如，通过拉伸试验，对厚板的屈服强度以及抗拉强度，还有延伸率等力学性质进行有效试验，并且开展不同条件下的拉伸试验，对钢结构厚板随温度变化的规律进行有效研究，通过采用撞击实验方法，对，钢结构厚板在不同温度下的断裂韧度进行有效试验，此外，开展硬度试验过程中，能够得到在低温下钢结构厚板的硬度值，并且，实验方法应严格按照有关规定确保试验流程的规范化进行。

（四）试件制备

在拉伸试验中，应按规范的要求，对加工试件进行的尺寸和形状的处理，并确保平行段的长度、直径及厚度满足规范。在实际生产中，要防止由于制造方法的不合理而产生的残留应力，从而对试验的结果产生不利的作用。在冲击试验中，由于切口大小、外形等因素的变化，必须保证切口的大小和外形的准确性。试样制作完毕后，应该将试件进行编号并标注，便于试件在试验时的操作及相关材料的保存。此外，还应该对试样进行外形及大小检验，以保证满足试验条件，防止由于试样本身存在的问题而造成试验数据的偏离[2]。

二、试验过程与数据采集

（一）试验准备工作

1.试件制备

试样的制备要遵循三个重要环节：材料的选择、加工和编号。一是试件的选材，依据研究目标选取钢结构厚板材质，并对其进行品质检查，保证其化学成分、轧制方向等满足有关规范及试验需求，例如对常见的建筑结构钢Q345等，应按国家标准测定其碳、硅、锰、硫、磷等元素的含量。二是试件加工，厚板按照规范切出试样，拉深试样采用哑铃形试样，冲裁试样采用沙比V形切口。三是试件编号，即将已制作好的试样进行统一编号，并将各试样的有关资料（如批次、样件类型、生产日期等）进行登记，使试验结果能够精确地与后面的试验结果进行比对与溯源，钢结构试件制备流程如表1所示。

表1：钢结构试件制备流程表

2.试验设备准备

在进行有关试验时，需要进行相应的仪器的制备和调试。选用适当的低温试验箱，其控温精度要符合试验的需要，通常的温差应在±1摄氏度之内，并且要对试验箱进行标定与调整，使其能够在40℃以下的低温条件下，能够稳定地为试验工作所需要的低温条件，例如，对于40℃以下的钢材的机械特性的试验，必须确保试验箱能够精确地获得并保持这个温度。制作拉伸试验机、冲击试验机等机械特性试验仪器，并对其进行周期性的标定与维修，确保其测量的准确性与可靠性，如拉伸试验机的力测定精度要在±1%之内，而位移的测定也要符合相关规范的规定。

3.试验环境准备

在进行各种类型的试验时，要认真选择适宜的试验场地，以保证试验点的稳定性。稳定性是保证试验数据准确可靠的关键因素。任何外界因素的干扰，都可能导致试验数据出现偏差，进而影响整个试验的结论和后续的研究方向。为了确保试验的安全，试验场所必须有良好的通风、照明及防火设备，以确保试验环境的稳定性。要有较好的光照，以便于观测及使用仪器，必须保证没有光线死角。而良好的消防安全保障，如配备充足的灭火设备，疏散通道标识，并进行定期的防火巡查与演习，是防止发生火灾，降低财产损失的重要途径[3]。

（二）试验实施

1.低温环境设定

将制备好的试件放置于低温试验箱内，根据试验规程设置试验温度。通常在20℃，40℃，60℃等条件下，按研究需要选用了相应的低温点。设置冷却速度时，通常冷却速度不能太大，否则会导致试样出现温度应力而对试验的结果造成不利的影响。冷却速度一般被调节为13℃/分钟。在试验箱中，待测温至规定范围后，应将试验箱内的温度维持在一个较高的水平。保温时间按试样的厚度和其他影响因子来决定，通常情况下，厚板试件的保温期在12 h以内。

2.力学性能试验

拉力试验及冲击试验均需要迅速取得设定温度的试片。在拉拔实验中，将试样从低温试验箱中迅速抽出，然后将其精确地装入拉力试验仪中，最大限度地降低试样的温升，然后按预定的拉伸率进行试验，并对其进行加载－位移曲线、屈服强度、抗拉强度、延伸率等机械特性参数的测定。在撞击实验中，迅速将低温试样放置于试验仪底座，调整摆高和振动能量，执行规范试验，记录撞击吸能功等数据，并观察试样的断口形态。

（三）数据采集与处理

在实验之前，需要对各种传感器进行合理布置，以保证能够精确地捕获到较低温度下厚板的受力状态。在试验期间，利用高精密的数据采集仪，以适当的取样频率，即时地记录温度、应力、应变及位移等重要参数，以确保资料的完整与准确。实验完成后，对所收集的大量原始资料进行初筛，去除明显异常的数据，同时利用专用的数据处理程序，对数据进行拟合和插值处理，使数据更加平滑和精确。最终，整理归档处理后的数据，绘制图表，为评估和分析钢结构厚板在低温环境下的力学性能提供依据[4]。 

三、试验结果与分析

（一）拉伸试验结果分析

在低温下对钢结构厚板进行拉伸试验，钢结构厚板的屈服、抗拉强度都得到了改善。这主要是因为，在较低温度下，合金中的位错运动受到抑制，导致其难以成形；而在提高其原子之间的结合强度的情况下，则更不易断裂。但是，随着温度的下降，延伸率下降。在较低温度时，其韧性降低，脆化趋势增加，从而使其在破坏之前的塑性变形性能降低。板材在不同厚度和低温条件下，内应力复杂且易产生应力集中，影响其力学行为。分析拉伸试验结果有助于为钢结构在低温环境下的设计和应用提供强度和变形性能的关键数据[5]。

（二）冲击试验结果分析

冲击试验评估了钢结构厚板在较低温度下的耐撞性。研究表明，低温使材料的冲击韧度有所下降。高温时，材料塑性变形吸收冲击能量，所以具有很好的韧性。低温使合金发生脆性转化，使冲击韧度急剧下降。厚板的微观组织对其抗冲击能力有很大的影响，而粗晶、夹杂物等非均匀的微观组织更容易导致材料的脆断。不同制备方法的厚板抗冲击强度不同，热影响区微观结构变化导致局部冲击韧度降低。研究这些数据有助于指导厚板在低温下的安全使用，预防撞击引发的灾害。

（三）疲劳试验结果分析

针对钢结构厚板在较低温度下的疲劳试验，结果反映出在不同温度下的疲劳行为。在较低温度下，其力学性能得到改善，对其抗疲劳开裂起到了很好的抑制作用。但是，由于温度过高，材料的塑性降低，从而加速了裂纹的发展。实验结果表明：钢结构厚板的表面状况及剩余应力是决定其疲劳性能的重要因素，材料的表层缺陷及残留的拉伸应力会引起材料的疲劳开裂，从而加快材料的失效[6]。

结论：

综上所述，在低温环境下，钢结构厚板的力学性能会发生较大的改变，这是一个值得关注的问题。因此，必须针对不同工作情况下，采用合理的钢结构厚板类型及厚度，优化焊接工艺，加强焊缝质量检验，才能保证钢结构厚板在较低温度下的安全可靠运行。

参考文献：

[1]张雷,莊初立,唐承志,等.钢结构厚钢板的工程应用及脆性破坏研究[J].企业技术开发,2013,32(Z2):3-4.

[2]舒欣欣,孙紫麾,顾天宝,等.结构钢厚板焊接接头CTOD断裂韧性试验与分析[J].知识经济,2013,(05):95-96.

[3]王元清,周晖,石永久,等.钢结构厚板的低温断裂韧性试验[J].沈阳工业大学学报,2013,35(02):224-229.

[4]王元清,周晖,石永久,等.钢结构厚板对接焊缝的低温断裂韧性试验[J].哈尔滨工业大学学报,2012,44(06):115-120.

[5]王元清,周晖,胡宗文,等.钢结构厚板力学性能的低温试验研究[J].土木建筑与环境工程,2011,33(05):7-12.

[6]曾志斌,史志强,史永吉.大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究[J].中国铁道科学,2009,30(03):33-39.