管線鋼焊接接頭斷裂行為研究

管線鋼焊接接頭斷裂行為研究

0斷裂行為的定量規(guī)定焊接各部分的斷裂強(qiáng)度是評(píng)價(jià)焊接結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。然而大量的試驗(yàn)結(jié)果表明,材料的斷裂韌度值(如臨界CTOD、JIC等)并不像材料的屈服點(diǎn)應(yīng)力等參量那樣為材料常數(shù),強(qiáng)度匹配狀態(tài)、試樣幾何形式的不同所造成的裂紋尖端拘束狀態(tài)差異對(duì)接頭斷裂行為(斷裂韌度值)會(huì)產(chǎn)生很大影響。近來(lái)提出了兩種研究裂紋尖端拘束狀態(tài)對(duì)斷裂韌度影響的方法。一種是用T-應(yīng)力或Q參量來(lái)定量描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的J-T和J-Q理論;另一種是基于概率斷裂力學(xué)的方法——局部法,采用考慮裂紋尖端斷裂控制區(qū)的應(yīng)力大小和體積效應(yīng)的威布爾應(yīng)力來(lái)描述試樣的斷裂行為。在脆性斷裂起裂時(shí),與試樣幾何尺寸及試驗(yàn)溫度無(wú)關(guān),威布爾應(yīng)力遵從雙參數(shù)威布爾分布。研究表明,采用概率的方法能更有效地評(píng)定結(jié)構(gòu)部件的斷裂行為。在材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū),材料發(fā)生脆性失穩(wěn)之前,可能會(huì)產(chǎn)生明顯的延性裂紋擴(kuò)展。由于延性裂紋擴(kuò)展,不可避免地造成裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的變化(裂尖應(yīng)力峰值提高,高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大),因此在評(píng)定結(jié)構(gòu)在材料轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)的斷裂行為時(shí),必須考慮延性裂紋擴(kuò)展對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的影響。作者根據(jù)局部法,采用考慮延性裂紋擴(kuò)展的三維有限元數(shù)值模擬,定量研究了焊接接頭中強(qiáng)度匹配、試樣幾何形式對(duì)接頭斷裂行為的影響。根據(jù)管線用鋼接頭的標(biāo)準(zhǔn)斷裂力學(xué)試樣(深裂紋三點(diǎn)彎曲試樣)的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)同種接頭和不同匹配狀態(tài)接頭的拉伸試樣的斷裂行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。1試驗(yàn)結(jié)果及分析在保持施焊材料相同條件下,通過(guò)改變母材強(qiáng)度,制備不同強(qiáng)度匹配的焊接接頭。采用標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣和雙邊裂紋拉伸試樣測(cè)定焊接接頭中焊縫金屬的斷裂韌度值。試驗(yàn)選取Z3312YGW15焊絲施焊的管線用X80鋼和X65鋼(板厚19mm,K形坡口)焊接接頭,對(duì)于X80鋼接頭,焊縫和母材屈服點(diǎn)之比(σs,W/σs,M)為0.98(等匹配接頭);而X65鋼接頭,σs,W/σs,M=1.17(高匹配接頭)。對(duì)X80鋼接頭,制備三點(diǎn)彎曲試樣和雙邊裂紋拉伸試樣,研究試樣幾何形式對(duì)斷裂韌度的影響;對(duì)X80鋼接頭制備雙邊裂紋拉伸試樣,通過(guò)X80和X65鋼接頭的試驗(yàn)結(jié)果,研究強(qiáng)度匹配對(duì)斷裂行為的影響。圖1給出了所采用試樣的幾何形式及尺寸。為使強(qiáng)度非均質(zhì)的影響更為顯著,使裂紋位于焊縫金屬,距熔合線1mm處。對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣,裂紋深度與板寬之比為0.5,對(duì)于雙裂紋拉伸試樣為0.3。對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣,裂紋尖端張開(kāi)位移(CTOD)值按BS7448計(jì)算,對(duì)雙邊裂紋拉伸試樣按Dugdale模型進(jìn)行。試驗(yàn)在材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)-50℃下進(jìn)行。圖2給出了在威布爾坐標(biāo)下,斷裂韌度的累積分布頻率。其中δc與δu分別表示脆性斷裂發(fā)生前無(wú)明顯(延性裂紋擴(kuò)展量小于0.2mm)和有明顯的延性裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界斷裂韌度值;δm表示最大載荷CTOD值。圖2a給出了X80鋼焊接接頭試樣幾何形式對(duì)斷裂韌度的影響,由圖可見(jiàn)試樣的幾何形式對(duì)斷裂行為有相當(dāng)影響,由拉伸試樣所得到的CTOD值明顯高于彎曲試樣。圖2b表示了試樣幾何形式相同情況下(雙邊裂紋拉伸試樣),接頭強(qiáng)度匹配對(duì)斷裂韌度值的影響。高匹配接頭(X65鋼接頭)焊縫的斷裂韌度值明顯高于等匹配接頭。2裂紋端面開(kāi)裂位移采用三維有限元數(shù)值方法,分析研究試樣幾何形式和接頭匹配情況對(duì)斷裂行為的影響。有限元數(shù)值方法中裂紋尖端最小單元尺寸為0.1mm×0.1mm×0.5mm,對(duì)拉伸和彎曲試樣,均采取了相同的裂紋尖端單元?jiǎng)澐帧２捎昧鸭y尖端張開(kāi)位移CTOD表征裂紋尖端的載荷水平,計(jì)算方法和試驗(yàn)中所采用方法相同。有限元計(jì)算程序?yàn)閃ARP3D。圖3給出了在一定變形水平下(裂紋尖端張開(kāi)位移為0.18mm),板厚中部裂紋尖端區(qū)域張開(kāi)應(yīng)力σo,y的分布。圖3a給出了X80鋼焊接接頭拉伸和彎曲試樣裂紋尖端張開(kāi)應(yīng)力的分布,由圖可見(jiàn)試樣的幾何形式對(duì)應(yīng)力分布有相當(dāng)影響,彎曲試樣的裂紋尖端張開(kāi)應(yīng)力值明顯高于拉伸試樣。圖3b表示了試樣幾何形式相同條件下(均為拉伸試樣),接頭強(qiáng)度匹配對(duì)裂紋尖端應(yīng)力分布的影響,高匹配接頭(X65鋼接頭)裂紋尖端的張開(kāi)應(yīng)力明顯低于等匹配接頭。由此定性地解釋了拉伸試樣的斷裂韌度值高于彎曲試樣、高匹配接頭斷裂阻力優(yōu)于等匹配接頭這一試驗(yàn)現(xiàn)象。3斷裂行為預(yù)測(cè)作者基于概率斷裂力學(xué),采用局部法研究試樣幾何形式、接頭強(qiáng)度匹配狀態(tài)對(duì)材料斷裂韌度的影響。根據(jù)局部法,威布爾應(yīng)力σW(有效應(yīng)力在斷裂控制區(qū)上的積分)為裂紋起裂的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于此研究,裂紋位于焊縫,可以認(rèn)為裂紋的脆性起裂是由焊縫的應(yīng)力狀態(tài)控制。因此威布爾應(yīng)力σW可定義為σW=[1V0∫Vf,w(σef)mdVf,w]1m[1V0∫Vf,w(σef)mdVf,w]1m,(1)式中:m為焊縫的威布爾形狀參量;V0為所考慮的基本體積(大小任意);Vf,w為焊縫中斷裂控制區(qū)的體積;σef為有效應(yīng)力。威布爾應(yīng)力σW在斷裂起裂時(shí)遵從雙參數(shù)威布爾分布,即f(σW,c)=1-exp[?(σW,cσu)m][-(σW,cσu)m],(2)式中:σu為與試件幾何形式和尺寸無(wú)關(guān)的材料特有的常數(shù)。作者根據(jù)上述方法,由X80鋼接頭三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)X80鋼接頭和X65鋼接頭拉伸試樣的斷裂行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先,根據(jù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算供試材料的m及σu,由于幾乎所有三點(diǎn)彎曲試樣均呈現(xiàn)δc斷裂方式(失穩(wěn)斷裂前無(wú)明顯的延性裂紋擴(kuò)展),因此在有限元數(shù)值模擬中不考慮延性裂紋擴(kuò)展,對(duì)此研究所選用焊縫,局部斷裂參量m=36,σu=1665MPa;其次計(jì)算其它試樣的威布爾應(yīng)力σW;最后根據(jù)局部法,若兩類試樣威布爾應(yīng)力相同,則其應(yīng)具有相同的斷裂概率。這樣就可以由標(biāo)準(zhǔn)試件的斷裂韌度值對(duì)不同拘束條件的實(shí)際結(jié)構(gòu)的斷裂行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)定。圖4對(duì)比了考慮延性裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和不考慮延張開(kāi)位移(CTOD)關(guān)系曲線。圖中實(shí)線和虛線分別為考慮與不考慮延性裂紋擴(kuò)展的數(shù)值分析結(jié)果。在模擬延性裂紋擴(kuò)展行為時(shí),采用特殊單元模型來(lái)分析裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的變化。在CTOD值較高時(shí),延性裂紋開(kāi)始擴(kuò)展,裂紋尖端應(yīng)力增大,高應(yīng)力區(qū)面積擴(kuò)大,考慮裂紋擴(kuò)展的威布爾應(yīng)力σW高于不考慮裂紋擴(kuò)展的威布爾應(yīng)力σW。因此,在斷裂分析中,在出現(xiàn)穩(wěn)定延性裂紋擴(kuò)展后,采用含裂紋擴(kuò)展的威布爾應(yīng)力σW。圖5給出了考慮裂紋擴(kuò)展時(shí),所預(yù)測(cè)的X80鋼接頭和X65鋼接頭拉伸試樣臨界CTOD值與斷裂失效概率的關(guān)系曲線。圖中實(shí)線為預(yù)測(cè)結(jié)果,虛線為0.9置信水平下的分散帶,為方便比較,同時(shí)給出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖可見(jiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。因此根據(jù)局部法,可以由標(biāo)準(zhǔn)試樣的斷裂韌度值對(duì)不同拘束條件下實(shí)際結(jié)構(gòu)的斷裂行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)定,威布爾應(yīng)力σW為有效的斷裂參量。4斷裂斷裂率測(cè)試根據(jù)局部法定量研究了X80、X65管線用鋼焊接接頭韌脆轉(zhuǎn)變