夏比v型缺口沖擊試驗(yàn)鋼板可靠度的確定

夏比v型缺口沖擊試驗(yàn)鋼板可靠度的確定

斷裂性是材料固有的特征，是確定含裂紋損傷結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)的基礎(chǔ)。眾所周知，當(dāng)擾動(dòng)前端的應(yīng)力強(qiáng)度因素值大于材料的斷裂性時(shí)，斷裂會(huì)變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，在評(píng)估包括斷裂破壞的船體結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)時(shí)，需要確定用螺釘?shù)臄嗔研灾?。用螺釘通常采用普通?qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼。這兩種鋼板按質(zhì)量分為四個(gè)級(jí)別。對(duì)于具有相同強(qiáng)度和不同質(zhì)量的鋼，它們的強(qiáng)度和性能相同，但材料的不同斷裂性。因此，確定船板的斷裂性時(shí)，需要研究不同強(qiáng)度和質(zhì)量的相應(yīng)擾動(dòng)?，F(xiàn)在，“金屬平面變形衰減行為的c試驗(yàn)方法”被認(rèn)為是測(cè)量材料斷裂性特性最準(zhǔn)確的方法，被用作參考參考。然而，這種方法存在最大的試驗(yàn)規(guī)模、長(zhǎng)維和高成本的缺點(diǎn)。因此，許多科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定工程材料的斷裂性。通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)試，可以估計(jì)材料的斷裂性值。其中，最多的是夏比v型開(kāi)口的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)示意圖如圖1所示。換言之，將規(guī)定的重量錘應(yīng)用于簡(jiǎn)單支撐體的v形切口試驗(yàn)書(shū)，并在切割試驗(yàn)材料時(shí)測(cè)量影響吸收。由于夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)方法費(fèi)用低廉、速度較快等優(yōu)點(diǎn),盡管其沖擊特性值的力學(xué)意義不明確,船用鋼板的抗斷裂能力仍舊采用沖擊試驗(yàn)吸收能描述.因此,為了獲得船用鋼板的斷裂韌性值,需要建立材料吸收能和斷裂韌性二者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系.國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各自所研究的金屬材料已提出多種吸收能與斷裂韌性二者之間的函數(shù)關(guān)系.然而,這些函數(shù)關(guān)系由于各自的局限性,無(wú)法推廣到船用鋼板等其他材料.本文根據(jù)日本造船研究會(huì)和日本焊接協(xié)會(huì)所確定的規(guī)范,利用矢導(dǎo)浩給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù),由船用鋼板吸收能計(jì)算出大量不同板厚和使用溫度下船用鋼板對(duì)應(yīng)的斷裂韌性值,進(jìn)而擬合出材料斷裂韌性與鋼板厚度和使用溫度之間的函數(shù)關(guān)系,為含裂紋構(gòu)件安全狀態(tài)的評(píng)估提供依據(jù).1鋼板斷裂韌性的確定圖2和圖3是日本三菱重工技術(shù)部長(zhǎng)崎研究所的矢島浩教授針對(duì)不同質(zhì)量等級(jí)的普通強(qiáng)度和高強(qiáng)度的船用鋼板所做的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)材料及試驗(yàn)溫度如表1所示.圖2和圖3中縱坐標(biāo)表示夏比Ⅴ型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)吸收能的測(cè)量值,橫坐標(biāo)表示不同材料各自的試驗(yàn)溫度與相應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差值.采用這樣的橫坐標(biāo),能夠消除不同型號(hào)鋼板在夏比Ⅴ型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)中的差異,使試驗(yàn)結(jié)果服從公式(1)所示的分布規(guī)律.EΤ=A√2πB∫Τ-ΤrE-∞expET=A2π√B∫T?TrE?∞exp-12(Τ-ΤrEB)2?12(T?TrEB)2dT.(1)式中:A、B是兩個(gè)常數(shù);T是試驗(yàn)溫度;TrE是50%沖擊吸收能轉(zhuǎn)變溫度,記為韌脆轉(zhuǎn)變溫度;ET是沖擊試驗(yàn)吸收能.基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和矢導(dǎo)浩教授所介紹的確定材料斷裂韌性的方法,實(shí)現(xiàn)了由沖擊試驗(yàn)吸收能確定船用鋼板斷裂韌性值的方法,如圖4所示.圖4涉及公式如下:{Τrs=ΤrE,基體Τrs=ΤrE+ΔΤrs.焊接(2){Trs=TrE,基體Trs=TrE+ΔTrs.焊接(2){ΤΚ=(0.00321σs+0.391)Τrs+2.74√t-5.44,基體ΤΚ=(0.00321σs+0.391)Τrs+2.74√t+4.96.焊接(3){k0=5.16ΤΚ-170,0<σs<42kgf/mm2;k0=5.16(ΤΚ-σs)+50,σs≥42kgf/mm2.(4)ΚC=Κ0exp(-k0/ΤΚ).(kgf?mm-3/2)(5)式中:Trs是50%脆性斷面率轉(zhuǎn)變溫度,記為脆斷轉(zhuǎn)變溫度,℃;TK是日本造船界評(píng)價(jià)船用鋼板斷裂韌性方法中鋼板斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度,K;t是鋼板厚度;σs是屈服極限;k0和K0為常數(shù).ΔTrs的取值如下:ΔTrs=25(手工電弧焊、低碳鋼),ΔTrs=40(埋弧焊、低碳鋼),ΔTrs=30(手工電弧焊、高強(qiáng)度鋼),ΔTrs=55(埋弧焊、高強(qiáng)度鋼).從圖4可以看出,根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定鋼板的斷裂韌性值,首先必須正確確定公式(1)中A、B值.采用最小二乘法原理,在保證圖5給定的擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間方差最小的條件下,獲得公式(1)中A、B值.然后代入公式(5)中的KIC0值.KIC0表示鋼板在TK溫度下所對(duì)應(yīng)的斷裂韌性值.它是根據(jù)日本造船界以圖6所示的船用鋼板進(jìn)行斷裂韌性值測(cè)量試驗(yàn)獲得的.該試驗(yàn)的基本方法是:保持外加載荷不變,逐漸降低試驗(yàn)溫度而使鋼板斷裂.由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒茷闊o(wú)限大板,因此可以確定鋼板的斷裂韌性為ΚΙC0=0.5σs√40π.由于擬合曲線(xiàn)的正確與否直接決定著船用鋼板斷裂韌性計(jì)算結(jié)果的可信程度.因此,將NK規(guī)范中給定的最小吸收能和對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度,代入圖5所示的擬合曲線(xiàn)中,確定不同強(qiáng)度不同質(zhì)量等級(jí)鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,并與規(guī)范中相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證擬合曲線(xiàn)的正確性.表2僅給出基體金屬中TrE的計(jì)算結(jié)果及其比較情況,充分說(shuō)明圖5中的擬合曲線(xiàn)是正確可靠的.2斷裂韌性與平板厚度的關(guān)系根據(jù)上述由夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)吸收能計(jì)算材料斷裂韌性的方法(見(jiàn)圖4),針對(duì)不同使用溫度(T=0～-50℃)和鋼板厚度(t=10～50mm),對(duì)船用鋼板的斷裂韌性進(jìn)行計(jì)算,得到大量船用鋼板的斷裂韌性值.本文僅列出E級(jí)高強(qiáng)度鋼的斷裂韌性值,結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知,在給定的平板厚度下,船用鋼板的斷裂韌性與其使用溫度呈線(xiàn)性關(guān)系;在給定的使用溫度下,船用鋼板的斷裂韌性與其板厚呈近似的線(xiàn)性關(guān)系.為了形象地闡述斷裂韌性與使用溫度和鋼板厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)表3中的數(shù)據(jù),利用MATLAB繪制了三者之間的曲面關(guān)系,如圖7所示,可用平面來(lái)代替圖7中的曲面.根據(jù)最小二乘法原理,采用多元一次平面擬合技術(shù),可以得到如式(6)所示的斷裂韌性KIC與使用溫度T、鋼板厚度t的函數(shù)關(guān)系:ΚΙC=1312.46-7.55t+8.05Τ.(6)對(duì)于基體金屬和焊縫金屬中其他不同強(qiáng)度不同質(zhì)量等級(jí)的船用鋼板,其斷裂韌性具有相似的分布規(guī)律,能夠得到與式(6)相似的表達(dá)式.3可靠度法確定綜合吸收能值由于圖2和圖3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(ET與T-TrE)存在較大分散性,使上述方法確定的斷裂韌性不可避免地存在較大分散性.因此,根據(jù)P-S-N曲線(xiàn)的思想,引入可靠度概念,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別確定出不同可靠度下船用鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度及其對(duì)應(yīng)的斷裂韌性.圖5中的擬合曲線(xiàn)具有50%的可靠度,擬合曲線(xiàn)上任意點(diǎn)的縱坐標(biāo)表示在確定的T-TrE下多次沖擊試驗(yàn)吸收能的平均值.根據(jù)P-S-N曲線(xiàn)思想確定不同可靠度的擬合曲線(xiàn)時(shí),需要獲得任意確定的T-TrE下多次沖擊試驗(yàn)吸收能其對(duì)數(shù)正態(tài)分布的特征值——均方差.然而,由于在任意確定的T-TrE下實(shí)施的沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)總量不足,如果直接根據(jù)各試驗(yàn)溫度下沖擊試驗(yàn)吸收能的均值和方差來(lái)確定不同可靠度下ET與T-TrE之間對(duì)應(yīng)曲線(xiàn),這樣擬合的效果會(huì)因數(shù)據(jù)少而很不理想.因此,本研究以整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)可靠度原理,通過(guò)式(7),模擬出60%、70%、80%、84.1%、90%和95%不同可靠度下基體金屬和焊縫金屬相對(duì)應(yīng)的整體樣本數(shù)據(jù).EΤp=ˉEΤ+upσ.(7)式中:ETp是p可靠度下吸收能值;ˉET是吸收能的平均值;σ是吸收能的均方差;up是p可靠度下正態(tài)分布值.對(duì)于基體金屬和焊縫金屬不同可靠度的整體樣本數(shù)據(jù),采用確定圖5中擬合曲線(xiàn)的方法,得到如圖8所示的不同可靠度下ET與T-TrE之間的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn).根據(jù)圖8中不同可靠度的擬合曲線(xiàn),采用“基于沖擊試驗(yàn)吸收能確定材料斷裂韌性”的方法,可以確定不同可靠度下任意等級(jí)鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度.本文僅列出基體金屬對(duì)應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果,見(jiàn)表4.確定不同可靠度下材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度后,通過(guò)式(2)～式(5),計(jì)算出不同可靠度下不同質(zhì)量等級(jí)的低碳鋼和高強(qiáng)度鋼的斷裂韌性值,本文僅列出可靠度為90%時(shí)基體金屬中B級(jí)低碳鋼的斷裂韌性,結(jié)果見(jiàn)表5.從表5中可以看出,B級(jí)低碳鋼船用鋼板的斷裂韌性值與使用溫度和鋼板厚度呈近似的線(xiàn)性關(guān)系.基于最小二乘原理和多元一次擬合技術(shù),可以建立斷裂韌性KIC與使用溫度T和鋼板厚度t之間簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系:ΚΙC=522.26-2.33t+3.35Τ.(8)對(duì)于其他可靠度下,基體金屬和焊接金屬中不同強(qiáng)度不同質(zhì)量等級(jí)的船用鋼板可獲得相似的函數(shù)關(guān)系.根據(jù)這些函數(shù)關(guān)系,采用線(xiàn)性插值的方法可以確定任意可靠度下(50%～95%)不同鋼板板厚和使用溫度所對(duì)應(yīng)的斷裂韌性值.4可靠度與鋼板斷裂韌性的函數(shù)關(guān)系1)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)夏比V型缺口沖擊