Q235 系列材料硬化前后的缺口敏感性试验研究

周 瑞，王学友，严 伟，李若谷，张蕴昕，何明霞，姜 洋，叶礼成

（1.南京电力金具设计研究院有限公司，江苏 南京 211500；2.中国能源建设集团南京线路器材有限公司，江苏 南京 211500）

0 引言

缺口敏感性试验的目的是了解在带有一定的应力集中的缺口条件和外加应力达到破坏的情况下，材料抵抗裂纹扩展的倾向和能力。目前，曹睿等[1]研究了K418 合金和TiAl 合金的缺口敏感性差异和断裂机理；李宝虎等[2]研究了不同时效条件下的TP310HCbN钢缺口敏感性；而对普通碳素结构钢Q235 系列的相关试验研究还没涉及。

耐张线夹是输电线路的重要金具之一，本体分为铝管和钢锚两部分，由于耐张钢锚中心同轴度公差超标、压接变形和钢锚压接部位存在夹杂物等因素，容易导致钢锚压接区出现微裂纹。以某500 kV 线路地线耐张线夹钢锚断裂事故为例，通过分析发现，钢锚断口附近裂纹中存在夹杂物，截面可见清晰的裂纹扩展纹络[3-4]。因此，有必要研究覆冰地区Q235 系列钢锚材料硬化前后的缺口敏感性。

1 缺口敏感性试验简介

通常用光滑试样的抗拉强度σb和缺口试样的抗拉强度σbH的比值作为缺口敏感性的指标；即qe，当qe<1 时，缺口处发生了塑性变形扩展，说明缺口敏感性小或不敏感。当qe>1 时，缺口处还未明显发生塑性变形扩展就早期断裂，说明缺口敏感。如图1 所示，为光滑试样和缺口试样的试件加工尺寸图[5-6]。

图1 缺口试样和光滑试样的试件尺寸图

本试验通过立式拉力机，在-30～20 ℃温度区间内选取5 个温度点，对压接硬化前后的缺口试样和光滑试样分别进行拉伸试验，通过拉伸试验确定材料的拉伸强度、屈服点和屈服强度等数值，进而分析出Q235 系列材料缺口敏感性指标。

2 Q235 系列材料试验对比分析

考虑到耐张线夹钢锚在安装过程中要进行压接，使钢锚与导线的钢芯融合为一体。因而，通过对材料硬化（压接）前后的Q235B、Q235C 和Q235D 进行缺口敏感性试验，分析同等情况下Q235 系列材料的缺口敏感性数值差异，进一步选出更适合覆冰地区使用的耐张线夹钢锚材料[7-8]。考虑到覆冰地区耐张钢锚的使用环境，因而在20 ℃～-30 ℃温度范围内选取5 个温度点，每个温度点对应材料硬化前后的光滑和缺口试样各1 各，通过材料抗拉强度数值比来衡量材料缺口敏感性。如图2 所示，为Q235 系列材料硬化前后试样加工照片。

图2 Q235 系列材料硬化前后试样

由表1 可知，在-30～20 ℃温度范围内，Q235B材料硬化前的缺口敏感性数值比在0.69～0.72 范围内，硬化后的缺口敏感性数值比在0.54～0.67 范围内，比值均无明显变化规律，呈现出一定的随机特征。通过进一步的对比分析发现，温度的变化对于Q235B材料缺口敏感性影响不明显，而材料硬化后，光滑试样与缺口试样的抗拉强度比值变小，说明Q235B 材料硬化后缺口敏感性降低，脆化倾向变小，材料的断裂韧性也越好。

表1 Q235B 材料硬化前后的缺口敏感性比值表

由表2 可知，在相同温度范围内，Q235C 材料硬化前的缺口敏感性数值比在0.70～0.72 范围内，硬化后的缺口敏感性数值比在0.56～0.60 范围内，比值变化范围比Q235B 减小，但同样呈现出一定的随机性。因此，温度的变化对于Q235C 材料缺口敏感性影响同样不明显，且材料硬化后的缺口敏感性比值qe在同等情况下也有所降低，说明Q235C 材料硬化后缺口敏感性与Q235B 一致，即缺口敏感性降低，脆化倾向变小，材料的断裂韧性更好。

表2 Q235C 材料硬化前后的缺口敏感性比值表

由表3 可知，在相同条件下，Q235D 材料硬化前的缺口敏感性数值比在0.68～0.71 范围内，硬化后的缺口敏感性数值比在0.55～0.81 范围内，比值变化范围比Q235B 和Q235C 都大，考虑到样本数量有限，试验结果存在一定的随机性。但是，Q235D 材料硬化后的光滑试样和缺口试样抗拉强度数值比均比材料硬化前的光滑试样和缺口试样抗拉强度数值要大，说明Q235D 材料硬化后，材料脆化倾向变小，材料的断裂韧性更好。

表3 Q235D 材料硬化前后的缺口敏感性比值表

表4 为Q235 系列材料硬化前后的缺口敏感数值均值对比表，在-30～20 ℃温度区间内，通过对比Q235B、Q235C 和Q235D 材料硬化前后的缺口敏感性比值可知，温度对于Q235 系列材料的缺口敏感性影响不大，而材料硬化后比硬化前的缺口敏感性比值均有所减小，说明Q235 系列材料硬化后缺口敏感性有所降低，脆化倾向变小，材料的断裂韧性也变好。且同等情况下，Q235B、Q235C 和Q235D 之间的缺口敏感性比值区别不大。

表4 Q235 系列材料硬化前后的缺口敏感性比值表

3 结论

（1）在-30～20 ℃温度区间内，温度对于Q235 系列材料（压接硬化前或压接硬化后）的缺口敏感性影响不明显。

（2）Q235 系列材料在压接硬化后缺口敏感性比值总体上有降低趋势，比值均小于1，都属于不敏感材料。

（3）仅从材料压接硬化前后的缺口敏感性方面考虑，Q235B、Q235C 和Q235D 均可运用于耐张线夹的钢锚材料选型，且材料硬化后脆化倾向均变小，材料的断裂韧性也都更好。