低溫拉伸試驗中鋼的斷裂韌度

低溫拉伸試驗中鋼的斷裂韌度

近年來，隨著世界氣候變化，環(huán)境變得更加嚴峻。因此,船舶及海洋結(jié)構(gòu)對使用鋼材的性能有了更高要求:在要求其強度較高的同時,也希望能夠保證其低溫環(huán)境下的斷裂韌性達到需求,以求結(jié)構(gòu)安全,不發(fā)生脆性斷裂。然而,鋼材的強度和斷裂韌度通常是相悖發(fā)展的。所以,如何在強度和韌度之間取得較好的平衡成為亟待解決的問題。影響高強海洋用鋼斷裂韌度的眾多因素之中,影響較大的一個是鋼材的服役溫度。大量試驗表明,當(dāng)其他條件相同時,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,韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)及下平臺3個部分。由試驗可知,溫度對鋼材韌性影響的離散性較大,特別是當(dāng)試驗溫度處于韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)時尤為明顯。而這種現(xiàn)象導(dǎo)致準確測試出處于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)高強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數(shù)據(jù),然后擬合出溫度對鋼材韌性影響的關(guān)系曲線。但這會導(dǎo)致試驗材料、時間及人力成本的浪費。而另一種解決方案是,通過降低材料強度的利用率來保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力較小,但這樣又過于保守。因此,解決離散性較大的問題對測試鋼材的斷裂韌性問題有極大現(xiàn)實意義。1高強船舶用鋼此次試驗所用鋼材為EH36-Z35及E-Z35兩種型號,皆為高強船體及海洋工程用鋼,常被應(yīng)用于浪潮風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴峻的海洋工作環(huán)境中,具有高強度、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)性能試驗取樣位置及試樣制備》及GB/T13239—2006《金屬材料低溫拉伸試驗方法》的相關(guān)要求,按照圖2所示的尺寸進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BS7448-Part1規(guī)范,進行如圖3所示方式的取樣。采用三點彎曲標(biāo)準試樣,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。由于此次試驗主要研究的是溫度效應(yīng),故所取試樣的厚度均相同?？紤]到厚度對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂韌性有很大的影響,所以取樣時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為試樣長度。3試驗結(jié)果3.1單軸拉伸試驗按照GB/T13239-2006的相關(guān)要求進行低溫單軸拉伸試驗,其中溫度通過保溫箱保持恒定,最終試驗的結(jié)果如表1所示。3.2cdd試驗按照BS7448-Part1的要求,對試樣進行常溫高頻疲勞,以模擬最接近真實情況的尖銳裂紋尖端。所有試樣的疲勞裂紋長度均為5mm,最終的a0/W=0.5。然后,分別在-40℃及-60℃的情況下進行三點彎曲CTOD試驗,試驗結(jié)果如表2、表3所示。CTOD試驗斷裂試樣見圖4。由表2、表3及圖4可得,強度較高的EH36-Z35試樣,斷面較為平整;而E-Z35出現(xiàn)了更多的非穩(wěn)定裂紋擴展情況(即δu)。說明在-40℃時,E-Z35鋼材更容易發(fā)生脆性失穩(wěn)破壞。4溫度對加工材料力學(xué)性能的影響鋼材的強度指標(biāo)包括屈服強度fy和抗拉強度fu,此外屈服強度和抗拉強度的比值(屈強比)反映了鋼材的強度儲備和塑性變形能力,比值越小,表明鋼材的塑性性能越好,強度儲備越高。經(jīng)過大量試驗,1981年НAМаxyтов提出溫度對鋼材強度指標(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′溫度下的屈服強度和抗拉強度;α和β分別為屈服強度和抗拉強度對溫度變化的敏感系數(shù),該參數(shù)越大,表明鋼材的強度隨著溫度降低提高的越快,即對溫度變化越敏感。通過對大量理論分析和試驗研究結(jié)果進行匯總,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)單軸拉伸試驗確定,單位為1/℃。清華大學(xué)的王元清、武延民等人也做過相關(guān)研究,并通過試驗驗證了公式的可靠性。根據(jù)單軸拉伸試驗結(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度和屈服強度均有所提高;若溫度敏感系數(shù)為負值,則表示隨溫度降低,鋼材的強度也減小。2)兩種材料的qs均大于qb,且qs/qb均大于1,表明鋼材的屈強比均增大,即在相同的溫度變化下,抗拉強度的提高幅度比屈服強度的小,鋼材塑性下降,韌性和強度儲備也隨之降低。3)對于EH36-Z35而言,qs/qb比E-Z35的大得多,說明低溫使EH36-Z35鋼材的屈強比有較大幅度增大,溫度對其韌性及強度儲備的影響比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0.01%,計算中可以忽略不計。相關(guān)研究表明,溫度對結(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、含裂紋三點彎曲試樣的理論分析、有限元計算與理論公式的對比分析及試驗結(jié)果與理論公式的對比分析研究,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)以及拉伸試驗得到的qs值,可分別由-40℃時的CTOD試驗值推算出理論上-60℃時的CTOD斷裂韌度值及由-60℃時的CTOD試驗值推算出理論上-40℃時的CTOD斷裂韌度值。具體計算結(jié)果如表5、表6所示。實測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,對于EH36-Z35鋼材,通過強度得到的溫度敏感系數(shù)來推測不同溫度時的CTOD斷裂韌度值準確度不高誤差較大;而當(dāng)對于E-Z35鋼材,此種方法預(yù)測的CTOD值與實測值較為接近,可作為設(shè)計或判定的依據(jù)。2)鋼材強度越高,溫度對材料