Q390鋼韌脆轉變區(qū)沖擊吸收功的類主曲線模型-Journalof

1、第卷第 期東北大學學報(自然科學版).?.年 月() :./.鋼韌脆轉變區(qū)沖擊吸收功的類主曲線模型孔祥偉 ? 李緒清 ? 蘭亮云? 岳夢龍 ?(東北大學 機械工程與自動化學院 ? 遼寧 沈陽 ?東北大學航空動力裝備振動及控制教育部重點實驗室?遼寧沈陽)摘要: 采用夏比沖擊試驗 、主曲線法思想及沖擊吸收功與斷裂韌性的經(jīng)驗公式對低合金高強度鋼在韌脆轉變區(qū)沖擊吸收功的分布規(guī)律進行了研究. 通過夏比沖擊試驗得到的沖擊試驗特征溫度?求得主曲線的參考溫度 ?進而獲得 鋼的主曲線表達式. 在考慮沖擊試樣厚度的影響下?結合最適用于鋼的經(jīng)驗公式 ?最終得到鋼韌脆轉變區(qū)內沖擊吸收功的類主曲線分布模型. 結果表明

2、?該模型能很好地描述鋼韌脆轉變區(qū)內沖擊吸收功、溫度以及累計失效概率之間的關系?在一定程度上拓展了主曲線法的應用 .關 鍵詞:鋼?沖擊吸收功 ?主曲線 ?韌脆轉變區(qū) ?夏比沖擊試驗 ?經(jīng)驗公式中圖分類號 :文獻標志碼 : 文章編號 : ( )? ? ? ?( .?.?.:?:.):?.?.?.?.:?低合金高強鋼是壓力容器、橋梁和大型鋼結重處 ?尤其是焊接接頭處 . 因此 ?對韌脆轉變區(qū)的構工程中常用的材料 ?但由于工作環(huán)境惡劣?材料斷裂行為進行預測和分析是國內外工程領域廣泛突然的脆性斷裂會導致許多重大事故的發(fā)生. 這關注的課題 ?具有重要的理論和實用意義 .些脆斷事故大多發(fā)生在韌脆轉變溫度區(qū)和

3、沖擊嚴對于材料的斷裂破壞分析? 通常有兩大斷裂收稿日期 :基金項目 :國家自然科學基金資助項目( .)作者簡介 :孔祥偉 ( )? 男 ?遼寧鞍山人 ?東北大學教授.東北大學學報判據(jù)指標?即沖擊韌性指標( 沖擊吸收功) 和基于斷裂力學的斷裂韌性指標( 例如應力強度因子、積分臨界值或臨界裂紋尖端張開位移 ) . 其中斷裂韌性指標雖然可直接用于結構完整性評定 ?比沖擊吸收功更合理安全 ?但斷裂韌性試驗方法復雜 、成本高 、費時費力 ?有時甚至難以進行 . 而沖擊韌性指標 ?即沖擊吸收功 ?能評價材料抵抗沖擊載荷的斷裂能力 ?對材料的宏觀缺陷 、顯微組織變化都很敏感 ? 可揭示和反映材料的脆斷傾向和

4、程度 . 夏比沖擊試驗作為沖擊吸收功最常用的測量方法 ?有設備簡單 、試樣小 、加工簡便 、試驗時間短、費用低等優(yōu)點?在實際生產中得到了廣泛應用 .大量試驗表明 ?韌脆轉變區(qū)沖擊試驗數(shù)據(jù)的分布存在分散性問題 ?用確定性的傳統(tǒng)斷裂參量來描述材料的斷裂行為是不科學的 .故本課題以焊接接頭的母體材料 低合金高強度鋼為研究對象 ? 利用主曲線法 ( 一種在韌脆轉變區(qū)中對斷裂韌性基于統(tǒng)計 、微觀結構的分析的方法 )的思想來研究韌脆轉變區(qū)的斷裂行為 ? 并結合沖擊吸收功與斷裂韌性的關系 ?給出韌脆轉變區(qū)間沖擊吸收功的類主曲線分布模型 .( 自然科學版 )第 卷率下的斷裂韌性隨溫度的變化關系?缺點是 求解按

5、照標準 有單溫度法和多溫度 法兩種方法 ?但試驗過程比較復雜?試驗較多 ?且難以掌控 . 故本課題在夏比沖擊試驗的基礎上 利用沖擊試驗的特征溫度求解參考溫度. 夏比擺錘沖擊試驗與結果分析試樣制備與夏比沖擊試驗試驗所用材料為厚的連鑄坯?經(jīng)過熱輥軋工藝后 ?機加工為厚的鋼板 ?板厚方向兩邊分別除去和 的加工余量 ?沿縱向統(tǒng)一切取試樣? 選取軋制方向作為缺口位置的方向. 利用擺錘沖擊試驗機按照國家標準/金屬材?料夏比擺錘沖擊試驗方法 ? 對 鋼進行沖擊試驗? 并采用標準 × 沖擊試樣 ?如圖 所示 . 主曲線法首先世紀 年代 ?芬蘭科學家 提出使用三參數(shù) 函數(shù)的分布來研究斷裂韌性在韌脆轉變

6、區(qū)的離散性分布?隨后經(jīng)過芬蘭技術研究中心()和美國材料試驗協(xié)會( )的共同研究 ? 于 年第一次提出了確定“鐵素體鋼韌脆轉變區(qū)參考溫度 的標準測試方法”?即主曲線法. 目前 ?主曲線法在描述鐵素體鋼在韌脆轉變區(qū)的斷裂韌性分布方面有了巨大的發(fā)展 ?已廣泛應用在核電用鋼或壓力容器鋼的斷裂分析中?例如華東理工大學已經(jīng)利用該技術在反應堆壓力容器鋼、加氫反應器用鋼 、天然氣長輸管道用鋼 等方面進行了探索性研究 .相比于傳統(tǒng)斷裂韌性實驗中需要大量的實驗數(shù)據(jù) ?主曲線法的優(yōu)點是只需要少量試樣數(shù)據(jù) ( 最少為 個 ) 就可以獲得材料的脆性斷裂特征 ?并能直接用于小試樣的斷裂韌性研究 . 基于最弱鏈統(tǒng)計方法和

7、分布理論 ? 同時考慮斷裂韌性的分散性 、尺寸效應和溫度 個因素的影響 ?使三者能有效地聯(lián)系起來 . 最后只用一個特征參量 ?即參考溫度 的關系式來確定不同失效概圖 試樣的尺寸 ( 單位 : ) 沖擊試驗結果分析對于離散的沖擊試驗數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計學方法處理后 ?材料沖擊吸收功隨溫度的變化關系用雙曲正切函數(shù)進行擬合?結果如圖 所示 . 由此計算出沖擊試 驗 的 特 征 溫 度 和 ?作為預測斷裂韌性試驗溫度所需要的參量?并且根據(jù)雙曲正切函數(shù)擬合曲線關系式中的個參數(shù)的物理意義 ?可知 鋼韌脆轉變點的溫度為 ?韌脆轉變的溫度寬度為 ?進而估算材料的韌脆轉變溫度區(qū)間大約為 .沖擊試驗的主要結果是得到?jīng)_擊吸

8、收功與溫度間存在的變化規(guī)律?如圖 所示 ?其關系曲線大致可分為 部分 : 溫度較低時 ?沖擊吸收功變化較平緩 ?在達到完全脆性斷裂后?沖擊吸收功基本不會隨著溫度變化?曲線表現(xiàn)為一段穩(wěn)定的下平臺區(qū)?屬于脆性斷裂區(qū)?溫度較高時?沖擊吸收功的第 期孔祥偉等 : 鋼韌脆轉變區(qū)沖擊吸收功的類主曲線模型變化也很小 ?曲線表現(xiàn)是一段穩(wěn)定的上平臺區(qū)?屬舌狀花樣和河流狀花樣 ?屬于明顯的脆性斷裂. 可于韌性斷裂區(qū) ? 在上平臺區(qū)和下平臺區(qū)之間是一以看出電鏡掃描的分析結果和沖擊吸收功與溫度段很陡的過渡區(qū) ?稱為韌脆轉變溫度區(qū) ?在該區(qū)域變化曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致 .內 ?材料的沖擊吸收功變化急劇 ?且試驗數(shù)據(jù)相差

9、比較明顯 ?離散特性明顯 ?因而基于主曲線法思想研究沖擊吸收功的分布規(guī)律是科學合理的 . 選擇圖 關系曲線不同區(qū)域的典型沖擊試樣進行斷口掃描分析 ?如圖 所示 ? ? 與 ? 分別對應于圖中的韌性斷裂區(qū)、韌脆轉變區(qū)和脆性斷裂區(qū). 時斷口存在較明顯的撕裂棱和典型的韌窩分布?塑性變形較大 ?屬于韌性斷裂 ? 與 時?隨著溫度降低?撕裂棱和韌窩的數(shù)量逐漸減少? 斷口表現(xiàn)出準解理的趨勢 ?并開始具有河流狀花樣 ?說明斷口特征由韌性逐漸向脆性轉變 ? 時 ?斷口呈現(xiàn)出明顯的圖 沖擊吸收功與溫度變化曲線 .圖 不同溫度下斷口微觀形貌( )缺口位置 ? ( ) 缺口位置 ? ( ) 缺口位置 ? ( ) 缺

10、口位置 .為由 積分換算得到的等效斷裂韌性?在韌脆轉鋼的主曲線求解變區(qū)和下平臺區(qū) ?可與應力強度因子相互換算 .按照標準 試樣的形式 ? 累計失效概率為主曲線理論基礎時式 (與)式 (相)等 ?即可得到主曲線的理論基礎是關于解理斷裂概率分布(/()的斷裂韌性統(tǒng)計模型?從微觀的角度去分析解理)( () .()式( )斷裂萌生和擴展的概率把主曲線和斷裂韌性的三參數(shù)到一個三參數(shù)?經(jīng)過推導后 ? 最終得分布綜合在一起? 在求得材料參考溫度分布的表達式 ?即?的情況下 ?即可得到厚試樣在任一累計失?÷( )效概率時 ?斷裂韌性與溫度的關系 .( è? ) . 式中 : 為累計失效概率

11、 ?為所用試樣的厚度 ? 主曲線參考溫度的求解與驗證? 為標準 試樣的厚度 ? 為? 文獻 根據(jù)目前主曲線法的計算標準? 通為當 值 ? ?為斷裂韌過分析大量實驗數(shù)據(jù)? 提出在夏比沖擊試驗的基時的 礎上 ?利用小尺寸沖擊試樣的特征溫度計算主曲性的門檻值 .其中當累計失效概率為線參考溫度的經(jīng)驗公式( )和公式 ( )?確定材料的中值斷的主曲線 .裂韌性 溫度曲線被稱為主斷裂韌性曲線?即主曲線?不同材料的主曲線都可以用表達式 ()?()描述 :.()( )? 將求得的沖擊試().()根據(jù)沖擊試驗的結果分析驗特征溫度 代入式 () 和式()計算出 式中 : 為 厚試樣 分布的中值斷裂韌性等?于 時的

12、溫度 ?即主曲線參考溫度 ? .由文獻 可知此經(jīng)驗公東北大學學報 ( 自然科學版 )第 卷式 取更高的溫度值 ?故 .通過沖擊試驗預估的斷裂韌性試驗溫度可以對參考溫度 進行驗證 ?給出估算斷裂韌性試驗溫度的經(jīng)驗公式 :()式中 : 為沖擊吸收功 .或 所對應的溫度 ?為常數(shù) ? ?因試樣尺寸而異 ?詳細數(shù)據(jù)參照文獻 .根據(jù)標準 厚斷裂韌性試樣 ?參照文獻 選擇 時試樣尺寸對應的常數(shù)?沖擊吸收功為和時計算得到的推薦溫度分別為 ? ?相差 ?與主曲線經(jīng)驗公式計算的參考溫度相差左右?按照 規(guī)范中 有效性判定的要求?測試溫度在 ± 范圍內 ? 滿足標準要求 ?說明主曲線經(jīng)驗公式計算的參考溫度

13、 是有效的 ?主曲線法適用于 低合金高強度鋼 .鋼的主曲線式 ( )最終為(/ ( )( )() .(式()為)、/ ( )(? ) (/ ×)( ) .()/然后與沖擊試驗數(shù)據(jù)比較? 最終得到了基于夏比沖擊試驗和主曲線法思想的鋼韌脆轉變區(qū)內沖擊吸收功的分布曲線及其? 上下邊界與沖擊試驗數(shù)據(jù)的對比圖?如圖 所示 . 從圖 中可分析出 ? 在整個溫度定義域上? 鋼沖擊吸收功的分布曲線并不適合韌脆轉變溫度區(qū)間( ) 外的沖擊試驗數(shù)據(jù) ?通過對比兩圖韌脆轉變區(qū)的分布情況 ?發(fā)現(xiàn)由 等提出的經(jīng)驗式 ( )求得的沖擊吸收功分布曲線與沖擊試驗的離散性數(shù)據(jù)吻合程度更好. 進而確定鋼韌脆轉變區(qū)間內沖

14、擊吸收功的類主曲線分布模型關系式為式( )?適用范圍為 ?模型很好地描述鋼在韌脆轉變區(qū)間?內沖擊吸收功的分散性?同時可得在任意溫度下沖擊吸收功與累計失效概率的關系? 即沖擊吸收功在韌脆轉變溫度區(qū)間內的分布規(guī)律. 沖擊吸收功的類主曲線分布模型為得到 鋼韌脆轉變區(qū)間內沖擊吸收功的類主曲線分布模型? 首先根據(jù)國家標準/?金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法 ? 要求 ?沖擊試樣厚度為 ?在考慮厚度因素的影響下 ? 可得夏比沖擊試驗試樣下 鋼在任一累計失效概率時 ? 斷裂韌性與溫度的關系式():(/ ( )() .( )其次利用韌脆轉變區(qū)內沖擊吸收功與斷裂韌性的關系式 ? 將式 ( )中的斷裂韌性變量替換為

15、沖擊吸收功 ?即可得到?jīng)_擊吸收功 、溫度以及累計失效概率三者之間的關系式. 因而通過查閱文獻 ?總結了以下兩個適合鋼韌脆轉變溫度區(qū)的沖擊吸收功與斷裂韌性的經(jīng)驗公式:()( )?./ ()?彈性模量經(jīng)驗公式中 ?為沖擊吸收功按合金鋼材料取?為找到其中最適用于鋼沖擊吸收功與斷裂韌性的經(jīng)驗公式 ?根據(jù)上述求解分布模型的方法 ?可得 鋼韌脆轉變區(qū)間內沖擊吸收功的類主曲線分布模型關系式圖 鋼沖擊吸收功分布曲線與沖擊試驗數(shù)據(jù)對比( )式(的)沖擊吸收功 ? ( )式(的)沖擊吸收功.第 期孔祥偉等 : 鋼韌脆轉變區(qū)沖擊吸收功的類主曲線模型 .: 結論?.) 中華人民共和國國家技術監(jiān)督局: 金屬夏比缺口沖擊

16、試驗)通過對 鋼進行夏比沖擊試驗 ?分析方法 : /.北京 : 中國標準出版社 ?.得到?jīng)_擊吸收功與溫度的關系曲線可分為上平臺區(qū)、過渡區(qū)和下平臺區(qū)部分 ?分別對應斷口掃描( .分析中的韌性斷裂區(qū) 、韌脆轉變區(qū)和脆性斷裂區(qū)?:/.體現(xiàn)出 鋼的韌脆轉變特征 .:?.)通過小尺寸沖擊試樣的特征溫度計算主 .曲線參考溫度的經(jīng)驗公式? 求得參考溫度? ?并從斷裂韌性試驗的推薦溫度驗證了參. ?.考溫度 的合理性和有效性?證明利用此經(jīng)驗公 ?. ?說明主曲線式計算主曲線參考溫度具有可行性.:?法適用于 鋼 .)基于夏比沖擊試驗?利用主曲線法思想和沖擊吸收功與斷裂韌性的經(jīng)驗公式? 最終求得鋼韌脆轉變區(qū)內沖擊吸收功的類主曲線分布模型 ? 該模型表示沖