1、第卷第 期東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).?.年 月() :./.鋼韌脆轉(zhuǎn)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(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 ? 遼寧 沈陽 ?東北大學(xué)航空動力裝備振動及控制教育部重點(diǎn)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(qiáng)度鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)沖擊吸收功的分布規(guī)律進(jìn)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(jìn)而獲得 鋼的主曲線表達(dá)式. 在考慮沖擊試樣厚度的影響下?結(jié)合最適用于鋼的經(jīng)驗公式 ?最終得到鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)沖擊吸收功的類主曲線分布模型. 結(jié)果表明

2、?該模型能很好地描述鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)沖擊吸收功、溫度以及累計失效概率之間的關(guān)系?在一定程度上拓展了主曲線法的應(yīng)用 .關(guān) 鍵詞:鋼?沖擊吸收功 ?主曲線 ?韌脆轉(zhuǎn)變區(qū) ?夏比沖擊試驗 ?經(jīng)驗公式中圖分類號 :文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : 文章編號 : ( )? ? ? ?( .?.?.:?:.):?.?.?.?.:?低合金高強(qiáng)鋼是壓力容器、橋梁和大型鋼結(jié)重處 ?尤其是焊接接頭處 . 因此 ?對韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的構(gòu)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(jìn)行預(yù)測和分析是國內(nèi)外工程領(lǐng)域廣泛突然的脆性斷裂會導(dǎo)致許多重大事故的發(fā)生. 這關(guān)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(zhuǎn)變溫度區(qū)和

3、沖擊嚴(yán)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(xué)基金資助項目( .)作者簡介 :孔祥偉 ( )? 男 ?遼寧鞍山人 ?東北大學(xué)教授.東北大學(xué)學(xué)報判據(jù)指標(biāo)?即沖擊韌性指標(biāo)( 沖擊吸收功) 和基于斷裂力學(xué)的斷裂韌性指標(biāo)( 例如應(yīng)力強(qiáng)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(biāo)雖然可直接用于結(jié)構(gòu)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(fù)雜 、成本高 、費(fèi)時費(fèi)力 ?有時甚至難以進(jìn)行 . 而沖擊韌性指標(biāo) ?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(shè)備簡單 、試樣小 、加工簡便 、試驗時間短、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)?在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用 .大量試驗表明 ?韌脆轉(zhuǎn)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(xué)的 .故本課題以焊接接頭的母體材料 低合金高強(qiáng)度鋼為研究對象 ? 利用主曲線法 ( 一種在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)中對斷裂韌性基于統(tǒng)計 、微觀結(jié)構(gòu)的分析的方法 )的思想來研究韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂行為 ? 并結(jié)合沖擊吸收功與斷裂韌性的關(guān)系 ?給出韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間沖擊吸收功的類主曲線分布模型 .( 自然科學(xué)版 )第 卷率下的斷裂韌性隨溫度的變化關(guān)系?缺點(diǎn)是 求解按

5、照標(biāo)準(zhǔn) 有單溫度法和多溫度 法兩種方法 ?但試驗過程比較復(fù)雜?試驗較多 ?且難以掌控 . 故本課題在夏比沖擊試驗的基礎(chǔ)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(jié)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(jī)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(jī)按照國家標(biāo)準(zhǔn)/金屬材?料夏比擺錘沖擊試驗方法 ? 對 鋼進(jìn)行沖擊試驗? 并采用標(biāo)準(zhǔn) × 沖擊試樣 ?如圖 所示 . 主曲線法首先世紀(jì) 年代 ?芬蘭科學(xué)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(zhuǎn)變

6、區(qū)的離散性分布?隨后經(jīng)過芬蘭技術(shù)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(zhuǎn)變區(qū)參考溫度 的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性分布方面有了巨大的發(fā)展 ?已廣泛應(yīng)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(xué)已經(jīng)利用該技術(shù)在反應(yīng)堆壓力容器鋼、加氫反應(yīng)器用鋼 、天然氣長輸管道用鋼 等方面進(jìn)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(diǎn)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(yīng)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(guān)系式來確定不同失效概圖 試樣的尺寸 ( 單位 : ) 沖擊試驗結(jié)果分析對于離散的沖擊試驗數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計學(xué)方法處理后 ?材料沖擊吸收功隨溫度的變化關(guān)系用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行擬合?結(jié)果如圖 所示 . 由此計算出沖擊試 驗 的 特 征 溫 度 和 ?作為預(yù)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(guān)系式中的個參數(shù)的物理意義 ?可知 鋼韌脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度為 ?韌脆轉(zhuǎn)變的溫度寬度為 ?進(jìn)而估算材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間大約為 .沖擊試驗的主要結(jié)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(guān)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(dá)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(zhuǎn)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(jié)果和沖擊吸收功與溫度段很陡的過渡區(qū) ?稱為韌脆轉(zhuǎn)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(nèi) ?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(xué)合理的 . 選擇圖 關(guān)系曲線不同區(qū)域的典型沖擊試樣進(jìn)行斷口掃描分析 ?如圖 所示 ? ? 與 ? 分別對應(yīng)于圖中的韌性斷裂區(qū)、韌脆轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)鋼的主曲線求解變區(qū)和下平臺區(qū) ?可與應(yīng)力強(qiáng)度因子相互換算 .按照標(biāo)準(zhǔn) 試樣的形式 ? 累計失效概率為主曲線理論基礎(chǔ)時式 (與)式 (相)等 ?即可得到主曲線的理論基礎(chǔ)是關(guān)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(kuò)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(dǎo)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(dá)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(guān)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(biāo)準(zhǔn) 試樣的厚度 ? 為? 文獻(xiàn) 根據(jù)目前主曲線法的計算標(biāo)準(zhǔn)? 通為當(dāng) 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(chǔ)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(dāng)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(dá)式 ()?()描述 :.()( )? 將求得的沖擊試().()根據(jù)沖擊試驗的結(jié)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(xiàn) 可知此經(jīng)驗公東北大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 )第 卷式 取更高的溫度值 ?故 .通過沖擊試驗預(yù)估的斷裂韌性試驗溫度可以對參考溫度 進(jìn)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(yīng)的溫度 ?為常數(shù) ? ?因試樣尺寸而異 ?詳細(xì)數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn) .根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 厚斷裂韌性試樣 ?參照文獻(xiàn) 選擇 時試樣尺寸對應(yīng)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(nèi) ? 滿足標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)而確定鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)沖

14、擊吸收功的類主曲線分布模型關(guān)系式為式( )?適用范圍為 ?模型很好地描述鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間?內(nèi)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(guān)系? 即沖擊吸收功在韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi)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(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)沖擊吸收功的類主曲線分布模型? 首先根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)/?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(guān)系式():(/ ( )() .( )其次利用韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)沖擊吸收功與斷裂韌性的關(guān)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(guān)系式. 因而通過查閱文獻(xiàn) ?總結(jié)了以下兩個適合鋼韌脆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)沖擊吸收功的類主曲線分布模型關(guān)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(zhuǎn)變區(qū)沖擊吸收功的類主曲線模型 .: 結(jié)論?.) 中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局: 金屬夏比缺口沖擊

16、試驗)通過對 鋼進(jìn)行夏比沖擊試驗 ?分析方法 : /.北京 : 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 ?.得到?jīng)_擊吸收功與溫度的關(guān)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(yīng)斷口掃描( .分析中的韌性斷裂區(qū) 、韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)和脆性斷裂區(qū)?:/.體現(xiàn)出 鋼的韌脆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)沖擊吸收功的類主曲線分布模型 ? 該模型表示沖