低溫拉伸試驗(yàn)中鋼的斷裂韌度

低溫拉伸試驗(yàn)中鋼的斷裂韌度

近年來(lái)，隨著世界氣候變化，環(huán)境變得更加嚴(yán)峻。因此,船舶及海洋結(jié)構(gòu)對(duì)使用鋼材的性能有了更高要求:在要求其強(qiáng)度較高的同時(shí),也希望能夠保證其低溫環(huán)境下的斷裂韌性達(dá)到需求,以求結(jié)構(gòu)安全,不發(fā)生脆性斷裂。然而,鋼材的強(qiáng)度和斷裂韌度通常是相悖發(fā)展的。所以,如何在強(qiáng)度和韌度之間取得較好的平衡成為亟待解決的問(wèn)題。影響高強(qiáng)海洋用鋼斷裂韌度的眾多因素之中,影響較大的一個(gè)是鋼材的服役溫度。大量試驗(yàn)表明,當(dāng)其他條件相同時(shí),溫度越低,鋼材的斷裂韌性越差。其影響關(guān)系曲線大致形狀見圖1,斷裂韌度隨溫度轉(zhuǎn)變的曲線呈S形,可分為上平臺(tái),韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)及下平臺(tái)3個(gè)部分。由試驗(yàn)可知,溫度對(duì)鋼材韌性影響的離散性較大,特別是當(dāng)試驗(yàn)溫度處于韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)尤為明顯。而這種現(xiàn)象導(dǎo)致準(zhǔn)確測(cè)試出處于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)高強(qiáng)鋼的斷裂韌性難度較大。處理離散性較大的傳統(tǒng)方法是增加試樣數(shù)量,從而得到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),然后擬合出溫度對(duì)鋼材韌性影響的關(guān)系曲線。但這會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)材料、時(shí)間及人力成本的浪費(fèi)。而另一種解決方案是,通過(guò)降低材料強(qiáng)度的利用率來(lái)保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力較小,但這樣又過(guò)于保守。因此,解決離散性較大的問(wèn)題對(duì)測(cè)試鋼材的斷裂韌性問(wèn)題有極大現(xiàn)實(shí)意義。1高強(qiáng)船舶用鋼此次試驗(yàn)所用鋼材為EH36-Z35及E-Z35兩種型號(hào),皆為高強(qiáng)船體及海洋工程用鋼,常被應(yīng)用于浪潮風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴(yán)峻的海洋工作環(huán)境中,具有高強(qiáng)度、高韌性、抗層狀撕裂、良好的可焊性等性能指標(biāo)。試樣均為母材,板厚為60mm。2樣品制備2.1單軸拉伸試樣的制備根據(jù)GB/T2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》及GB/T13239—2006《金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求,按照?qǐng)D2所示的尺寸進(jìn)行單軸拉伸試樣的制備加工。2.2試樣厚度的確定根據(jù)英國(guó)BS7448-Part1規(guī)范,進(jìn)行如圖3所示方式的取樣。采用三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣,其橫截面采用B×W型(即W=2B,B為試樣厚度;W為試樣寬度),裂紋尖端線位于貫穿厚度方向。由于此次試驗(yàn)主要研究的是溫度效應(yīng),故所取試樣的厚度均相同。考慮到厚度對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂韌性有很大的影響,所以取樣時(shí)盡量使試樣的厚度接近于鋼板的原始厚度,除去加工余量,最后所得的試樣厚度(B)為54mm。即最終試樣尺寸B×W×S=54mm×108mm×460mm,S為試樣長(zhǎng)度。3試驗(yàn)結(jié)果3.1單軸拉伸試驗(yàn)按照GB/T13239-2006的相關(guān)要求進(jìn)行低溫單軸拉伸試驗(yàn),其中溫度通過(guò)保溫箱保持恒定,最終試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。3.2cdd試驗(yàn)按照BS7448-Part1的要求,對(duì)試樣進(jìn)行常溫高頻疲勞,以模擬最接近真實(shí)情況的尖銳裂紋尖端。所有試樣的疲勞裂紋長(zhǎng)度均為5mm,最終的a0/W=0.5。然后,分別在-40℃及-60℃的情況下進(jìn)行三點(diǎn)彎曲CTOD試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。CTOD試驗(yàn)斷裂試樣見圖4。由表2、表3及圖4可得,強(qiáng)度較高的EH36-Z35試樣,斷面較為平整;而E-Z35出現(xiàn)了更多的非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展情況(即δu)。說(shuō)明在-40℃時(shí),E-Z35鋼材更容易發(fā)生脆性失穩(wěn)破壞。4溫度對(duì)加工材料力學(xué)性能的影響鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度f(wàn)y和抗拉強(qiáng)度f(wàn)u,此外屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值(屈強(qiáng)比)反映了鋼材的強(qiáng)度儲(chǔ)備和塑性變形能力,比值越小,表明鋼材的塑性性能越好,強(qiáng)度儲(chǔ)備越高。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn),1981年НAМаxyтов提出溫度對(duì)鋼材強(qiáng)度指標(biāo)(fy、fu)的影響公式:fy=fy′exp[α(1/T?1/T′)](1)fu=fu′exp[β(1/T?1/T′)](2)fy=fy′exp[α(1/Τ-1/Τ′)](1)fu=fu′exp[β(1/Τ-1/Τ′)](2)式中:fy′和fu′分別為鋼材在T′溫度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度;α和β分別為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度變化的敏感系數(shù),該參數(shù)越大,表明鋼材的強(qiáng)度隨著溫度降低提高的越快,即對(duì)溫度變化越敏感。通過(guò)對(duì)大量理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行匯總,НAМаxyтов指出,在通常的環(huán)境溫度范圍內(nèi)(-100～100℃),式(1)、式(2)可以簡(jiǎn)化為:fy=fy′exp[qs(T′?T)](3)fu=fu′exp[qb(T′?T)](4)fy=fy′exp[qs(Τ′-Τ)](3)fu=fu′exp[qb(Τ′-Τ)](4)式中:敏感系數(shù)qs、qb可根據(jù)單軸拉伸試驗(yàn)確定,單位為1/℃。清華大學(xué)的王元清、武延民等人也做過(guò)相關(guān)研究,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了公式的可靠性。根據(jù)單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果可得EH36-Z35和E-Z35兩種鋼材的qs和qb,見表4。分析表4,可得以下結(jié)論:1)對(duì)于兩種鋼材,溫度敏感系數(shù)qs和qb均為正值,表明溫度的下降使鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所提高;若溫度敏感系數(shù)為負(fù)值,則表示隨溫度降低,鋼材的強(qiáng)度也減小。2)兩種材料的qs均大于qb,且qs/qb均大于1,表明鋼材的屈強(qiáng)比均增大,即在相同的溫度變化下,抗拉強(qiáng)度的提高幅度比屈服強(qiáng)度的小,鋼材塑性下降,韌性和強(qiáng)度儲(chǔ)備也隨之降低。3)對(duì)于EH36-Z35而言,qs/qb比E-Z35的大得多,說(shuō)明低溫使EH36-Z35鋼材的屈強(qiáng)比有較大幅度增大,溫度對(duì)其韌性及強(qiáng)度儲(chǔ)備的影響比E-Z35鋼材的大。在一定范圍內(nèi),鋼材的彈性模量按指數(shù)規(guī)律單調(diào)變化,隨著溫度的降低,鋼材的彈性模量增大。但是對(duì)于常用的結(jié)構(gòu)鋼材,從常溫至50℃的范圍內(nèi),彈性模量的變化很小,只有20MPa左右,不超過(guò)0.01%,計(jì)算中可以忽略不計(jì)。相關(guān)研究表明,溫度對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋尖端張開位移δ的影響公式為:δ′=δeqs(T′?T)(5)δ′=δeqs(Τ′-Τ)(5)武延民及王元清分別從基于含中心裂紋受拉平板的理論分析、含裂紋三點(diǎn)彎曲試樣的理論分析、有限元計(jì)算與理論公式的對(duì)比分析及試驗(yàn)結(jié)果與理論公式的對(duì)比分析研究,證明了式(5)能夠較好地反映δ隨溫度變化的規(guī)律。根據(jù)式(5)以及拉伸試驗(yàn)得到的qs值,可分別由-40℃時(shí)的CTOD試驗(yàn)值推算出理論上-60℃時(shí)的CTOD斷裂韌度值及由-60℃時(shí)的CTOD試驗(yàn)值推算出理論上-40℃時(shí)的CTOD斷裂韌度值。具體計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示。實(shí)測(cè)值與理論值比較見圖5、圖6。5e-z33的影響1)在其他條件相同時(shí),對(duì)于EH36-Z35鋼材,通過(guò)強(qiáng)度得到的溫度敏感系數(shù)來(lái)推測(cè)不同溫度時(shí)的CTOD斷裂韌度值準(zhǔn)確度不高誤差較大;而當(dāng)對(duì)于E-Z35鋼材,此種方法預(yù)測(cè)的CTOD值與實(shí)測(cè)值較為接近,可作為設(shè)計(jì)或判定的依據(jù)。2)鋼材強(qiáng)度越高,溫度對(duì)材料