Experimental study on brittle fracture with plastic strain at cruciform butt joints. Report 1: Effect of properties of weld metal

Abstract

In the Great Hanshin-Awaji Earthquake disaster, the general yield brittle fractures were observed in beam-column connections of steel building frames. It is considered that the mechanical properties of weld metal have a substantial effect on the fracture. In this paper, bi-axial loading test results are described using cruciform butt specimens welded by three types of welding consumable. The specimens are modeled on a cruciform joint by taking out the part of the beam-flange to column-flange connection. The purpose of this paper is to examine the effect of the mechanical properties of weld metal on fractures. The main results are summarized as follows. (1) In the case of the ductile weld metal, it presented a brittle fracture-surface at -40 C but the elongation is equal to or greater than that at room temperature that presented a ductile fracture-surface. But in the case of the ductile weld metal, the elongation fell to less than 1/2 mainly because the brittle fracture occurred after the plastic deformation. (2) The fracture-surface appearance only depends on the specimen temperature and not on the mechanical properties of the weld metal (The mechanical properties mean the absolute values of the elongation in the tensile test and Charpy absorbed energy in this paper). The elongation value in the bi-axial tests tends to become large and the fracture-surface also tends to appear ductile with specimen temperature rising. (3) It follows that the specimen that has the larger Charpy absorbed energy has the larger elongation in the bi-axial test, even if the elongation values by tensile tests are equal.

阪神淡路大震災では、鋼建築枠の梁と柱の接合部に一般降伏脆性破壊が観察された。溶接金属の機械的性質が破壊に本質的な影響を及ぼすと考えられる。本報では、3種類の溶接材で溶接した十字形突合わせ試験片を用いての2軸荷重試験結果を述べる。試験片は、梁フランジと柱フランジの結合部分から取り出した十字継手を模したものである。本研究の目的は、溶接金属の機械的性質の破壊に及ぼす影響を調べることにある。主な結果は以下のように要約される。(1)延性の溶接金属の場合には、-40度Cで脆性破面を示すが、その時の伸びは延性破面を示す室温でのそれと同等ないしそれ以上である。しかし脆性の溶接金属の場合には、伸びは1/2以下に低下する。これは主として塑性変形後に脆性破壊が起こることによる。(2)破面外観は試験片の温度のみに依存し、溶接金属の機械的性質には依存しない(機械的性質とは引張試験における伸びの絶対値と本報でのシャルピー吸収エネルギーを意味する)。試験片の温度が上がるにつれて、2軸試験での伸び値は大きくなる傾向にあり、破面もまた延性外観を示すようになる。(3)シャルピー吸収エネルギーの大きい試験片は、引張試験での伸び値が同じでも、2軸試験での伸びは大きい。