厚钢板焊缝断裂试样疲劳裂纹预制的_高K比法_苗张木

应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响徐威华;苗张木【摘要】通过30CrMnSiNi2A钢在不同应力比下疲劳裂纹扩展试验数据,讨论了在相同裂纹长度时应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响,并提出了R-p-da/ dN-a概率模型.分析表明疲劳裂纹扩展速率与裂纹长度之间存在幂函数关系da/dN=C(R)(a)n(R),且lgC(R)和n(R)是应力比R的线性相关函数,lgC(R)随着应力比R增大而减小、n(R)随着应力比R增大而增大.但是在相等裂纹长度下,应力比增大,疲劳裂纹扩展速率是减小的.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】4页(P117-120)【关键词】疲劳;疲劳裂纹扩展速率概率模型;数据拟合;应力比【作者】徐威华;苗张木【作者单位】武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063【正文语种】中文疲劳裂纹扩展速率是研究工程结构疲劳断裂的重要内容，也是含裂纹材料抵抗裂纹扩展能力的一项韧性指标.1963年Paris P.C 提出了著名的Paris公式：式中:a是裂纹长度;N为应力循环次数;ΔK是应力强度因子幅值;m和C是与应力比R有关的材料参数.在Paris公式的基础上提出了许多的修正公式，其中有代表性的考虑到应力比R对da/dN-ΔK曲线影响的公式也有很多如：Forman公式[1]、Walker公式[2]、Forman&Mettu公式[3]等.有许多文献研究应力比对Paris公式中疲劳裂纹扩展速率以及两个参数的影响[4-7].而这些研究存在的一个局限就是没有考虑到应力比R对ΔK的影响.实际使用中的构件承受的随机载荷由应力幅值和平均应力二元变量控制，且这二元变量对疲劳裂纹扩展均起到主导作用[8].在恒幅正弦循环载荷作用下,应力循环随时间做周期性变化的一个完整过程如图1.应力比R为最小应力值σmin与最大应力值σmax的比值，ΔK是与(σmax-σmin=2σa)线性正相关的.研究表明当应力幅值σa为定值时，应力比R增大只引起平均应力σm增大，对应力强度因子幅值ΔK是没有影响的，相当于应力循环曲线的整体向上平移，此时由于平均应力的增大疲劳裂纹扩展速率是增大的[1].在固定最大应力σmax改变最小应力σmin,采用不同应力比R预制疲劳裂纹时，应力比R的增大会同时引起平均应力σm增大和σa减小(即ΔK减小).但是许多学者都只是研究相同应力强度因子幅值ΔK下应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响.单一考虑以ΔK为自变量比较同一ΔK时疲劳裂纹扩展速率da/dN的大小会忽略应力比R对ΔK的影响，本文将同时考虑应力比R对平均应力σm和应力强度因子幅值ΔK的影响，通过对以裂纹长度a为自变量不同于Paris公式的疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN=Can的分析，研究应力比R对疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响，并且通过分析发现了公式中的两个重要参数C和n与应力比R之间明确的函数关系.考虑到疲劳裂纹扩展的随机性，采用概率计算的方法，得到每个应力比下具有概率统计意义的疲劳裂纹扩展速率曲线da/dN-a，并提出了形如da/dN=C(R)(a)n(R)的R-p-da/dN-a概率模型研究应力比R对p-da/dN-a曲线的影响规律.本实验的实施和数据分析，严格按照《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》GB/T6398-2000[9]进行.1.1 试件情况材料：30CrMnSiNi2A热处理：240℃等温1 h，900℃淬火，250℃回火3 h试样形状：CT试样，B=20 mm，W=80 mm1.2 试验条件加载条件: 正弦波，恒幅频率:13.33 Hz试验温度:室温，15～25℃相对湿度:70%～80%应力比:R=0.1, 0.3, 0.4，0.6最大载荷:1.96×104 N采用固定最大载荷，改变最小载荷达到改变应力比R的方法；试件数目为每个应力比R下各5个；起始裂纹长度为32 mm，指定裂纹长度为51 mm.采用分组试验法进行试验，考虑到试验数据的分散性，同种应力比条件下的试件有5个，这5个试样的实验数据经过概率统计的方法处理得到的概率平均值作为该应力比下的有效数据.具体操作为：通过试验测得5个试件在恒幅载荷下的疲劳裂纹扩展长度a及对应循环数N的一系列数据对，即a-N曲线，记录这5个试件在同一循环载荷作用下，裂纹从起始长度32 mm扩展到指定裂纹长度(51 mm)的循环数Nij，其中i=1， 2,3,4,5表示试件序号，共有5个试件，j=1,2,…20表示指定裂纹长度aj共有20个.以同种应力比R对应的5个a-N试样数据为一个总样本，由于裂纹扩展寿命N成对数正态分布[10]，则实验数据可进行以下处理，得到一条具有统计意义的a-N 曲线：取对数裂纹扩展循环数xji=lgNji为随机变量，并将对应同一aj的不同xji 值作为一个子样本进行统计处理.当给定j时，由i个试样xji可以得到子样本均值和子样本标准差Sj具有可靠度p的对数裂纹扩展寿命为其中:b(p)的值取决于可靠度p.则具有可靠度p的安全裂纹扩展寿命为：将同种应力比的20组(aj,Nj,p)值画在a-N坐标上得到该应力比R的P-a-N曲线，然后采用七点递增多项式的数据处理方法对P-a-N数据求切线斜率得到da/dN.于是得到各个应力比下的P-da/dN-a曲线，取P为50%、99%时的a-(da/dN)50和a-(da/dN)99数据的拟合曲线分别绘制在同一坐标下，如图2和图3：由图可以看出应力比R与疲劳裂纹扩展速率有明显的相关性，在同一裂纹长度a条件下，应力比R增大，疲劳裂纹扩展速率是减小的.这与文献[1,7]中：在相同的应力强度因子幅值ΔK下，随应力比R增大，疲劳裂纹扩展速率提高这一结论是相反的，这是因为选取的自变量不同所造成的，这为研究应力比对疲劳裂纹扩展速率影响提供了一个新的角度与思路.通过数据拟合发现疲劳裂纹扩展的速率与疲劳裂纹的长度呈现幂函数关系.本文用幂函数y=CXn对数据进行拟合，发现拟合结果非常理想，拟合结果如表1所示.表中R2是拟合的相关系数，是检验拟合效果的系数，介于0和1之间.R2越接近1说明变量之间相关程度越大，拟合效果越好.由拟合数据可以看出，参数C和n都随着应力比R的变化而变化.参数C随着应力比R增大而减小，参数n随着应力比R增大而增大.通过拟合lgC-R与n-R的数据关系，发现lgC，n都与应力比R有明显的相关性.其拟合曲线与关系式如图4～7所示.图中拟合数据看出lgC，n都与应力比R有明显的线性相关性，其相关系数R2都几乎接近1，拟合关系式如下：当p=50%时即p=50%的R-p-da/dN-a概率模型为当p=99%时即p=99%的Rp-da/dN-a概率模型为采用新的裂纹扩展速率表达式da/dN=Can还可以得到参数C，n与应力比R之间的明确函数关系.通过已知少数几个应力比R下的疲劳裂纹扩展速率就可以建立R-p-da/dN-a概率模型，从而得到任意应力比R和裂纹长度a下的疲劳裂纹扩展速率，达到预测不同工况下疲劳裂纹扩展速率的目的.该模型实际是一个曲面方程，表示R，a，da/dN三坐标中的一个曲面.通过这个曲面可以直观形象的看到疲劳裂纹曲线的变化趋势.(1)同时考虑应力比R对平均应力与应力强度因子幅值ΔK的影响，提出不同于Paris公式的疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN=Can.在相同的裂纹长度a下，应力比R增大，疲劳裂纹扩展速率是减小的.与在相同的应力强度因子幅值ΔK下，随应力比R增大，疲劳裂纹扩展速率提高这一结论相比，是从一个全新角度研究应力比对疲劳裂纹扩展速率影响.这也说明应力强度因子幅值ΔK对疲劳裂纹扩展速率的影响要比平均应力对疲劳裂纹扩展速率的影响大;(2)疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN=Can中的两个重要参数C和n与应力比R有明确的函数关系.不同应力比下的参数lgC(R)与n(R)是应力比R的线性相关函数，lgC(R)随着应力比R增大而减小、n(R)随着应力比R增大而增大;(3)考虑到了疲劳裂纹扩展的随机性，运用概率统计的方法计算循环次数Np，进而计算疲劳裂纹扩展速率(da/dN)P,保证了结论的可信度.并建立了形如da/dN=Cp(R)(a)np(R)的R-p-da/dN-a概率模型.通过模型可以得到任意应力比R的疲劳裂纹扩展速率，充分利用有限的实验数据所提供的信息.E-mail:***************.cn.【相关文献】[1]FORMAN R G,KEARNEY V E,ENGLES R M.Numerical analysis of crack propagation in cyclic loaded structures[J].Int.f.Fracture Mecb.,1967,12(89):459- 464.[2]WALKER K.The effect of stress ratio during crack propagation and fatigue for 2024- T3 and 7075- T6 aluminum[J].ASTM STP,1970,462(2):1- 14.[3]FORMAN R G,METTU S R.Behavior of Surface and Corner Cracks Subjected to Tensile and Bending Loads in Ti- 6A1- 4V Alloy[J].Fracture Mechanics:Twenty- second Symposium,1992,1131(1):519- 546.[4]赵荣国,罗希廷,任璐璐,等.航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹扩展行为研究[J].机械工程学报,2011,47(18):55- 65.[5]SUN CHENGQI,LEI ZHENGQIANG,HONG YOUSHI.Effects of Stress Ratio on Crack Growth Rate and Fatigue Strength for High Cycle and Veryhigh-cycle Fatigue of Metallic Materials[J].Mechanics of Materials,2014,69:227- 236．[6]韦龙,王时越,刘国寿,等.不同应力比下ADB610钢疲劳裂纹扩展速率的试验研究[J].机械强度,2016,38(1)：64- 68.[7]王坤茜,徐人平,林捷晖.考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型[J].航空动力学报,2009(9):2012- 2018.[8]熊峻江,李睿,高镇同.用于断裂可靠性设计的P-Km- da/dN-ΔK曲面[J].实验力学,1998,13(1):111- 114.[9]国家冶金工业局.GB/T 6398—2000.金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法[S].北京: 中国标准出版社,2000:19- 23.[10]高镇同,熊俊江.疲劳可靠性[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000:119- 125.。

用裂纹尖端张开位移法评价焊接接头韧性苗张木1 军2 王志坚2蒋 陶德馨1 李永信1 陈冰泉1 彭永春3(1 武汉理工大学交通学院; 2 深圳赤湾胜宝旺工程有限公司; 3 中国船级社)摘 要 用夏比 (ch a rp y ) 冲击试验值来评定焊接接头的韧性, 有一定的局限性, 而用裂纹 尖端张开位移 (简称 C T OD ) 试验方法能较准确地评价焊接接头的韧性。

介绍了裂纹尖端张开 位移的含义, C T O D 试验所用的主要设备及试验过程。

用 C T OD 试验方法对导管架焊接接头 的韧性进行了评定。

试验结果表明: 用 C T OD 试验评价焊接接头韧性, 效果良好, C TO D 试验 还可以作为焊接工艺认可试验, 也可用于评价不同焊接工艺的优劣。

关键词 焊接接头 韧性 裂纹尖端张开位移0 引 言性不足会造成失效, 但韧性过高也会使制造困难 从而增加成本。

因而工程实践中要求将焊接接头 的韧性控制在一个合理的范围内, 而要这样做, 首 先要能够准确评价焊接接头的韧性。

评价焊接接头韧性的传统试 验 方 法 是 夏 比(C h a rp y ) 冲击试验。

但是夏比冲击韧性实际上是一个衡量焊接接头抗冲击能力的指标, 它不能全 面反映焊接接头的真实韧性, 也不能解释焊接接 头的失效机制, 更不能反映焊接残余应力、焊接接 头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。

因此, 用夏 比冲击韧性值来评价焊接接头的韧性, 有明显的 局限性。

随着断裂力学学科的发展, 已有一种裂纹尖 端张开位移 ( 简称 C TO D ) 试验方法, 能较准确地 评价焊接接头的韧性。

1991 年, 英国焊接研究所 焊接是制造业的基础工艺与技术, 焊接结构 是结构物的重要组成部分。

焊接技术和焊接结构 广泛应用于经济建设的许多领域, 如航空航天、核 能利用、高层建筑、船舶与海洋工程等等。

焊接接 头是焊接结构的基本单元, 也是焊接结构强度和 韧性的薄弱环节。

由裂纹尖端张开位移设计曲线确定X70钢裂纹长度临界值叶运勤;苗张木;孙洋洋
【期刊名称】《钢结构》
【年(卷),期】2014(029)002
【摘要】裂纹长度临界值一直是结构安全性评估的重要指标,确定裂纹长度临界值的传统方法限于线弹性阶段且不适用于力学性能不均匀的焊接接头.在考虑焊接残余应力的情况下,使用有限元软件ANSYS计算出焊接残余应力的数值,依据英国BS 7448规范对X70钢断裂韧度裂纹尖端张开位移(CTOD)值进行测试,进而根据英国PD6493规范导出的CTOD设计曲线,对X70钢在ASME规范的设计应力下贯穿裂纹长度临界值进行确定.这种方法适用于弹塑性情况及力学性能不均匀的焊接接头.CTOD设计曲线在X70钢贯穿裂纹长度临界值中的应用科学严谨,兼顾了安全性与经济性,可供压力容器、管道生产和结构安全性评估时借鉴.
【总页数】5页(P24-27,47)
【作者】叶运勤;苗张木;孙洋洋
【作者单位】武汉理工大学交通学院,武汉 430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉 430063
【正文语种】中文
【相关文献】
1.利用ROC曲线确定PSA诊断女性乳腺癌最佳临界值 [J], 孙敏;徐永成;田军
2.应用ROC曲线确定流式细胞术髓过氧化酶检测结果在急性白血病分类中的最佳临界值 [J], 洪俊;饶永彩
3.ROC曲线确定急性脑梗死患者D-二聚体临界值诊断及意义 [J], 何秋贤;李锦荣;徐玉凤
4.应用ROC曲线确定产时出血量预测产后出血的最佳临界值 [J], 廖培培;孙境;江兰芝
5.ROC曲线确定血红蛋白A_2筛查α地中海贫血的临界值 [J], 李育敏;覃俊龙;熊丹;阚丽娟;张水兰;汤花梅;张秀明
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X80钢CTOD有限元计算及断裂韧度评估叶运勤;苗张木【摘要】针对钢结构在外力作用下由于自身材料断裂韧度不足引起的断裂事故，按照Wells提出的CTOD断裂判据，建立X80钢薄板在受外载作用下的力学模型，并对其断裂韧度的安全性进行了评估。

在裂纹体受载后，对原裂纹尖端垂直于裂纹方向的裂纹尖端张开位移δ进行了有限元计算，提出了K-δ方法、 COD-δ方法和J-δ方法等有限元计算方法，且与断裂力学理论计算的δ结果误差极小。

同时对X80钢断裂韧度按照BS 7448规范进行了测试，裂纹尖端张开位移的有限元计算方法和断裂韧度测试结果可供企业和科研院所参考。

%Aiming at the fracture accidents of steel structures caused by inadequate toughness of material under external forces,the security of the fracture toughness for the mechanical model of X80 thin steel plates under external forces was analyzed in accordance with Wells’ CTOD fracture criteria.For post-loaded crack,the crack tip opening displacement δperpendicular to the direction of crack within the original crack tip was calculated by finite element method.The K-δ method ,COD-δ method and J-δ method were presented,and the results are identical to the theoretical calculated resultsin fracture mechanics.Therefore the finite element calculating results havea high precision.The fracture toughness of X80 steel was tested accordingto BS 7448.The result for fracture toughness and finite element method of calculating crack tip opening displacement can be referred by enterprises and scientific research institutions.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P9-13)【关键词】钢结构;X80钢薄板;断裂韧度;CTOD;有限元计算【作者】叶运勤;苗张木【作者单位】武汉理工大学交通学院，武汉 430063;武汉理工大学交通学院，武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】TG142.120 前言钢材断裂韧性不足会导致钢结构脆断，其危害性非常大，前期难以监控，一旦发生就会迅速造成结构某部位甚至整体失效，无法采取有效的措施进行制止。

恒静载降K法测定焊缝疲劳裂纹扩展门槛值研究刘秀国;邓冲;邓彩艳;梁行;张涛;牛得田【期刊名称】《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》【年(卷),期】2024(57)1【摘要】焊接残余拉应力会显著降低焊接接头疲劳性能,因此,焊接结构疲劳寿命评估参数的测定应对焊接残余应力予以充分考虑.为测得考虑焊接残余应力影响条件下的疲劳裂纹扩展门槛值,本文提出通过设定恒定平均外载以等效残余应力作用,进而逐级降低裂尖应力强度因子范围(ΔK)测得焊缝疲劳裂纹扩展门槛值的方法,即恒静载降K法.通过与ASTM E647-15等标准推荐测试方法所得结果对比,探究了恒静载降K法测量值适用性;通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等手段观察,对比分析了不同测量方法近门槛值载荷下的裂尖材料疲劳断口和变形行为.结果表明:采用恒静载降K法测量焊缝疲劳裂纹扩展门槛值最低,采用恒最大应力强度因子(K_(max))降载法的测量值次之,采用恒应力比(R)降载法的测量值最高.对比不同裂纹尖端K_(max)设定对门槛值测量的影响,发现随着K_(max)增大,门槛值测量值先快速下降,随后趋于平稳;采用恒静载降K法测定过程中K_(max)呈逐渐上升趋势,相应的门槛值测量值最低.疲劳断口显示,随着外加平均载荷增大,在近门槛值阶段断口形貌由疲劳辉纹转变为微区解理断裂;基于EBSD表征计算的裂尖材料几何必需位错密度表明,随着近门槛值外载的平均载荷增大,裂纹尖端位错密度增加.【总页数】8页(P79-86)【作者】刘秀国;邓冲;邓彩艳;梁行;张涛;牛得田【作者单位】天津大学材料科学与工程学院;天津市现代连接技术重点实验室;国家高速列车技术创新中心【正文语种】中文【中图分类】TG405【相关文献】1.用直流电位法测定高温疲劳裂纹扩展门槛值△Kth2.孔边角裂纹近门槛区疲劳裂纹扩展规律及门槛值研究3.核电汽轮机转子焊缝金属原奥氏体尺寸对疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区临界点的影响规律研究4.车轮钢Ⅱ型疲劳裂纹扩展门槛值的研究5.不同焊接工艺对Q460钢焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的影响研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

超高强钢焊接接头CTOD评定的概率方法冷晓畅;陈刚;马涛;刘占国;苗张木【摘要】This paper is about CTOD toughness test on 60mm thick arc welding joints of EQ70 at low temperature ( -10 ℃) in accordance with the standard BS7448 Parti, BS7448 Part2 and DNV-OS-C401. The test showed the CTOD value of welded joint center and the fusion-line exists in a big way leaves divergence, and the CTOD value is generally low, the major part only above 0. 10 mm or with it is close. Based on the statistical analysis of test results, it gives a method of probability assessment methods of CTOD of ultra high strength steel welded joint. Metallographic test showed that the toughness of weld fusion line and the centre are better. Therefore, this article thought that the CTOD permissible value of ultra high tensile steel of weld joint should reduce suitably. The union this article findings suggested that the CTOD permissible value of the ultra high tensile steel of weld joint may take 0.10 mm.%按照规范BS7448与DNV-OS-CA 01,对60 mm厚EQ70高强钢手工电弧焊接接头进行了低温(-10℃)CTOD韧度试验.结果表明:焊缝中心与熔合线处的CTOD值离散性较大,并且一部分CTOD值较低,仅在0.10 mm附近.同时对试验结果进行了统计分析,提出CTOD韧度评定的概率方法.金相组织表明:焊缝中心与熔合线处的都是韧性较好组织.因此,超高强钢焊接接头的CTOD允许值应适当降低.结合试验研究结果,建议超高强钢焊接接头的CTOD允许值可以取0.10 mm.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2011(035)005【总页数】5页(P1090-1094)【关键词】高强钢;焊接接头;CTOD;金相试验;允许值【作者】冷晓畅;陈刚;马涛;刘占国;苗张木【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉430063;上海外高桥造船有限公司上海200137;武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉430063【正文语种】中文【中图分类】TB302.30 引言从20世纪40年代起，世界多个国家先后发生大型焊接结构的脆性破坏事故.焊接结构的韧度问题引起世界各国的高度重视.近年来，海洋石油开发的重点不断向深海转移，跨海大桥也不断向深水区域延伸，跨度越来越大.海洋平台与跨海大桥等海洋结构趋于大型化和高强化.大尺寸高强钢的焊接对焊接技术提出了更高的要求.大尺寸高强钢焊接接头的韧度问题更加突出［1］.本文对某大型结构的焊接接头进行了低温（－10℃）CTOD韧度试验，并对其进行了韧度评定.评定中，针对超高强钢焊接接头CTOD值离散性大的特点，提出了CTOD韧度评定的概率方法.同时，还综合考虑了CTOD试验结果与焊接接头的金相组织特征，对超高强钢焊接接头的CTOD允许值提出了新的观点和建议.为超高强钢焊接接头的CTOD韧度评定开拓了新的思路.1 焊接接头的CTOD试验1.1 焊接材料与焊接工艺母材为EQ70，板厚60mm.由日本住友金属工业株式会社鹿岛制铁所提供，供货状态为调质态.焊材是由美国Lincoln Smitweld B.V.公司提供的Conarc 80焊条，等级为AWS A5.5：E11018M－H4.母材及焊条的化学成分见表1.表1 母材与焊条的化学成分（质量分数）元素C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V ZrTi Nb Sol Al N母材0.12 0.08 0.85 0.01 0.003 0.24 0.47 0.74 0.35 0.04 0.005 0.013 0.016 0.048 0.0028焊条0.06 0.47 1.54 0.018 0.013 2.30 0.06 0.380.01 0.01焊接接头的形式为对接焊缝，等角K形坡口.K形坡口的直角边垂直于试板平面.采用手工电弧焊进行多层多道焊接.预热温度70℃，焊后保温（210～230℃）／1h.分别采用2种不同焊接工艺参数（A，B）焊成2批焊接接头，焊接工艺参数A、B均见表2.表2 焊接工艺参数A，B工艺类型焊道序号直径／mm 电流／A 电压／V 焊速／（mm·min－1）最大线能量／（kJ·mm－1）平均线能量／（kJ·mm－1）A 1 3.2 130～160 20～25 69 3.62 2.85其他 4.0 170～195 22～2777 4.10 3.51 B 1 3.2 120～145 23～30 104 2.88 2.02其他 4.0 180～196 25～35 112 3.68 3.02CTOD试样包括熔合线试样与焊缝中心试样两种类型.其中，工艺参数A下熔合线试样及焊缝中心试样均为3个，工艺参数B下熔合线试样及焊缝中心试样分别为7个和6个.1.2 试验过程与试验结果CTOD试验采用直三点弯曲试样.试样截面采用2B×B型.切口取向为NP方向.其中，N为垂直于焊缝方向，P为平行于焊缝方向.机械加工后，标准试样的实际厚度为52mm.熔合线与焊缝中心处的屈服强度σs、弹性模量E及泊松比μ均按照规范《金属材料室温拉伸试验方法》［2］由试验测得.试验结果见表3.表3 熔合线与焊缝中心处的屈服强度与弹性常数部位σs／MPa E／GPa μ熔合线784.7 213.4 0.259焊缝中心714.7 215.5 0.286试样制备、疲劳裂纹预制及试验过程均严格按照规范 BS7448Part1［3］与BS7448Part2［4］进行.CTOD值δ按照下式计算式中：δ为裂纹尖端张开位移（CTOD）；F为施加载荷；S为试样跨度；B为试样厚度；W 为试样宽度；a0为预制疲劳裂纹长度；f为三点弯曲试样a0／W 的函数；μ为泊松比；E为弹性模量；σs为材料的屈服强度；VP由F－V曲线图测得；Z为刀口厚度（本文试验取Z＝0）.CTOD试验结果见表4.按照规范BS7448Part2与Offshore Standard DNV－OS－C401对CTOD试样进行有效性检验.检验结果为全部有效.表4 焊接工艺A，B焊接接头试样的CTOD值δ／mm 熔合线焊缝中心1＃ 2＃ 3＃ 4＃ 5＃ 6＃ 7＃ 1＃ 2＃ 3＃ 4＃ 5＃ 6＃A 0.129 0.248 0.122 0.076 0.071 0.105 B 0.172 0.094 0.170 0.224 0.049 0.090 0.084 0.135 0.163 0.171 0.062 0.136 0.1462 焊接接头CTOD值的离散性表4中最大的CTOD值为0.248mm，最小值仅为0.049mm.整体来看，CTOD 值具有明显的离散性.为了对其离散性进行量化并便于比较，分别计算了各组试样的均值、标准差及离散系数.其中离散系数为标准差与均值的比值，表征了离散性的大小.统计结果见表5.表5 各组试样CTOD值的统计结果工艺类型A B开口位置熔合线焊缝中心熔合线焊缝中心均值／mm 0.166 0.084 0.126 0.136标准差／mm 0.071 0.018 0.063 0.039离散系数／%42.8 21.4 50.0 28.7本试验所依据的规范中只对焊接接头CTOD试样取样数量作了一般规定，而没有对熔合线试样与焊缝中心试样作分别的讨论.由表5知，熔合线试样与焊缝中心试样CTOD值的离散系数明显不同，前者约是后者的2倍.因此，两种试样取相同数量的做法是不科学的.对于离散性更大的熔合线试样，取样数量应比焊缝中心试样的更多.3 CTOD韧度评定的概率方法CTOD韧度评定时，若实测的CTOD值不小于允许值，视为合格.但当CTOD值的离散性较大时，若用最小CTOD实测值和允许值比较，有可能造成焊接接头的韧度储备过高，虽然安全，却不经济；若用试验测得的平均CTOD值和允许值比较，虽然经济，但安全系数却降低了.利用概率方法进行评定，可以更合理地协调安全性与经济性［5］.所谓CTOD韧度评定的概率方法，即将一组实测CTOD值的均值与允许值比较，当均值不小于允许值时，将允许值作为某个置信水平的置信区间下限值，在该置信水平下，视为合格.置信水平由设计生产的实际需要确定.文献［6］假设X65管线钢焊接接头的CTOD值近似服从正态分布，并通过柯尔莫哥洛夫－斯米尔诺夫检验方法，证明了假设是合理的.按照该检验方法，对本文中的CTOD值进行检验，发现EQ70海洋结构用钢的焊接接头CTOD值也服从正态分布.对于本文试验，假设取CTOD允许值为0.10 mm.按照上述概率方法进行评定.以工艺B熔合线试样为例.其均值为0.126mm＞0.10mm.取允许值0.10mm为某置信水平的置信区间下限值，则置信区间为（0.100，0.152）.置信水平按照下式计算式中：¯X为样本均值；σ为样本标准差；n为样本数量；α为标准正态分布的上分位点（在zα／2已知时，可查表求得）；为实测CTOD值的均值；δmin为CTOD允许值.经计算得，α＝0.27.故实测CTOD值落在该置信区间的置信水平为1－α＝73%.根据标准正态分布的对称性特点，该置信区间以外，有一半分布在该置信区间上限值以上区间.也即该置信区间以外的一半分布在允许值δmin以上.因此，CTOD实测值分布在允许值以上区间的置信水平为（1－α）＋α／2，即1－α／2.所以，在要求置信水平不低于1－α／2＝86.5%时，该组试样为合格.CTOD韧度评定的概率方法见图1.图1 概率方法评定原理采用概率方法对表4中4组CTOD值进行评定，结果见表6.表6 CTOD评定合格的置信水平工艺类型A B开口位置熔合线焊缝中心熔合线焊缝中心（1－α／2）／%94.6 86.5 98.9由于工艺A焊缝中心试样CTOD值的均值小于允许值0.10mm，故不进行概率计算.为了评价焊接工艺，需综合考虑焊接接头的熔合线试样与焊缝中心试样.由此可见，按照概率方法对该焊接接头进行CTOD韧度评定的结果为：工艺A焊接接头的熔合线试样在要求置信水平不高于94.6%时，为合格，工艺B焊接接头的熔合线和焊缝中心试样在要求置信水平分别不高于86.5%和98.9%时，为合格.4 CTOD允许值的确定用CTOD韧度指标评价焊接接头时，首先要确定一个CTOD允许值，然后将试验测得值与允许值进行比较.若实测值不小于允许值，则可视为合格，或认为具有足够的韧度.国际上已较多运用CTOD试验评定焊接接头的韧度，并在有关规范中明确规定了焊接接头CTOD允许值δmin.但各国规范给出的CTOD允许值并不一致.英国规范BS6235要求按BS6493方法计算焊接接头的δm in.例如对板厚为50mm，屈服点强度值为360 MPa的钢，若设计应力为屈服点强度值的1／2，应力集中系数为2时，计算得出焊态下的δmin为0.24mm.挪威规范Offshore Standard DNV－OSC401给出的焊接接头δmin为0.15mm.甚至有些国际规范没有明确给出δmin，国内有关规范也较少规定焊接接头的δmin.在工程应用中，首先确定焊接接头的CTOD允许值δmin，对于CTOD韧度评定是十分重要的.以上试验结果表明，不管是按照英国规范给出的δmin，还是按照挪威规范给出的δmin，对这2种焊接接头进行CTOD韧度评价时，韧度都较低. 为了寻找这两种焊接接头韧度较低的原因，对这两种焊接接头进行了金相试验.发现这两种焊接接头的正火区、过热区及焊缝区组织均为韧塑性良好的回火索氏体、回火贝氏体或针状铁素体组织.金相照片见图2.为什么韧性良好的组织的CTOD值还是不能满足以上两种规范的要求呢？考虑到以上规范制定年代较早，一般以360～460MPa的普通高强钢为对象.而本文中的钢板及焊接接头的屈服强度均超过了700MPa.建造企业及钢板生产企业均表示，已有近30a没有遇到对这种级别的超高强钢进行CTOD韧度试验和评定.因此，以上规范给出的CTOD允许值δmin，在对这种超高强钢进行CTOD韧度评定时，可能存在一定的局限性.建议对这种屈服强度在700MPa以上的高强钢进行CTOD 韧度评定时，CTOD允许值δmin应适当降低.文献［7］利用结构应力集中区域产生脆性断裂的研究结果，提出了CTOD允许值的计算公式，并指出冰冷海域使用的结构材料该值达到0.10mm以上即可.本试验中绝大部分试样的CTOD值都在0.10mm以上.参照本文的试验结果及焊接接头的金相组织特征，建议屈服强度在700MPa以上的超高强钢厚板焊接接头的CTOD 允许值δmin可以取0.10mm.图2 焊接工艺A，B焊接接头各区域金相组织5 结论1）对CTOD试验结果的统计分析表明，焊接接头CTOD值存在明显的离散性，且熔合线试样CTOD值的离散系数约是焊缝中心试样的2倍.建议熔合线试样取样数量应比焊缝中心的稍多.2）提出CTOD韧度评定的概率方法.认为CTOD韧度评定单一依靠有限样本CTOD值的方法，存在一定的局限性.通过有限样本CTOD值服从的分布规律，利用置信水平评价整体样本的合格程度更为科学.3）结合高强钢焊接接头的组织特征及CTOD值的统计规律，提出了适用于700MPa以上超高强钢焊接接头的CTOD允许值.将CTOD允许值的确定与焊接接头的强度级别联系起来.不同强度级别焊接接头的CTOD值应区别对待.这种观点突破现有规范中统一取值的局限性.同时也是对CTOD韧度评定技术的一种细化. 4）运用概率方法对EQ70（60mm）焊接接头进行CTOD韧度评定.评定结果为：工艺A焊接接头的熔合线试样在要求置信水平不高于94.6%时，为合格，工艺B焊接接头的熔合线和焊缝中心试样在要求置信水平分别不高于86.5%和98.9%时，为合格.5）本文中超高强钢焊接接头CTOD试验值的概率评定是基于正态分布的，而超高强钢焊接接头CTOD试验值的分散性很大，试验测得值并不仅仅服从正态分布，运用单一的正态分布不能全面的评定其试验值，还需要考虑其他的分布规律.同时在评定试验结果时存在一定的概率范围，工程中多大概率满足需求还需要进一步讨论.6）超高强钢焊接接头的韧度往往比普通高强钢焊接接头的韧度更低.但焊接接头的韧度与屈服强度存在怎样的数学关系，还不明确.那么对于700MPa以上等级的超高强钢，CTOD允许值究竟应该取多大？本文只针对EQ70（60mm）焊接接头的CTOD值与微观组织特征，提出屈服强度在700MPa以上的超高强钢厚板焊接接头的CTOD允许值δmin可以取0.10mm.对于与本文中同强度等级的其他超高强钢种，以及比本文更高强度等级的超高强钢种，0.10mm是否还适用还需进行更多的试验来确定.参考文献［1］余立，苗张木，马涛，冷晓畅.海洋工程用钢疲劳寿命与CTOD值关系的研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（2）：323－327. ［2］中国国家质量监督检验总局.金属材料室温拉伸试验方法GB／T228－2002［S］.北京：中国标准出版社，2002.［3］ British Standard Institution.BS7448Part1：1991.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］.British Standard Institution，1991.［4］British Standard Institution.BS7448Part2：1997.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials［S］.British Standard Institution，1997.［5］ Det Norske Veritas.Offshore Standard DNV－OSC401：Fabrication and Testing of Offshore Structures［S］.Det Norske Veritas，2008.［6］金晓军，霍立兴，张玉凤，李晓巍，曹军.X65管线钢焊缝金属断裂韧度的统计分布研究［J］.焊管，2003，26（1）：11－14.［7］矢岛浩，多田益男，梶本勝也，縄田卓生，野田俊介.大型构造物の损伤例とその教训［J］.西部造船会会报，1986（72）：335－229.。

UOE钢管焊接接头CTOD断裂韧性评定方法苗婷;苗张木;刘硕;曹能;马朝晖【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2012(000)012【摘要】根据英国标准BS7448,对UOE直缝埋弧焊管不同钢级管线钢焊接接头进行裂纹尖端张开位移(CTOD)断裂韧度测试.结合加拿大标准CSA Z662-07及挪威船级社规范NDV-OS-F101,在试样形式选择、缺口取样方向、后期金相检验等方面对断裂韧性评定方法加以完善.试验结果表明X70、X65级管线钢均具有良好韧性,符合规范NDV-OS-F101的要求.X70级管线钢焊接接头各区域韧性分布规律为：母材性能最好,焊缝次之,热影响区(HAZ)相对较差.X65级管线钢其HAZ的韧性优于母材和焊缝.其原因是：X65级钢母材含有一定气孔、夹杂,断口出现分层裂纹,导致CTOD结果分散性大.另外,X65焊缝组织为混晶组织分布不均,含有大量M-A脆性组织物,导致韧性下降.该评定结果为海底管线钢制造工艺改进提供了依据,也为海洋工程结构安全性评估奠定了基础.【总页数】26页(P1468-1493)【作者】苗婷;苗张木;刘硕;曹能;马朝晖【作者单位】武汉理工大学交通学院, 武汉430063;武汉理工大学交通学院, 武汉430063;宝山钢铁股份有限公司研究院(技术中心), 上海201900;宝山钢铁股份有限公司研究院(技术中心), 上海201900;宝山钢铁股份有限公司研究院(技术中心), 上海201900【正文语种】中文【中图分类】TG142.1【相关文献】1.超高强钢焊接接头CTOD评定的概率方法 [J], 冷晓畅;陈刚;马涛;刘占国;苗张木2.双焊炬自动焊焊接接头CTOD断裂韧性试验研究 [J], 方总涛;李春润;牛虎理;胡艳华3.X70M管线钢焊接接头CTOD断裂韧性研究 [J], 倪子涵;曹能;储双杰;刘硕4.郑—CTOD断裂韧性试验在低温钢焊接接头的研究 [J], 杨健;陈真5.结构钢厚板焊接接头CTOD断裂韧性试验与分析 [J], 舒欣欣; 孙紫麾; 顾天宝; 史晓建; 韦生; 白鲲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。