裂紋張開(kāi)位移法

焊接是制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝與技術(shù), 焊接結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)物的重要組成部分。焊接技術(shù)和焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多領(lǐng)域, 如航空航天、核能利用、高層建筑、船舶與海洋工程等等。焊接接頭是焊接結(jié)構(gòu)的基本單元, 也是焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和韌性的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)美國(guó)20世紀(jì)90年代統(tǒng)計(jì), 因焊接接頭失效引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的5%。若按同比例推斷, 我國(guó)2002年國(guó)民生產(chǎn)總值約為10萬(wàn)億元, 此項(xiàng)損失竟高達(dá)5 000億元! 因此, 確保焊接接頭的安全可靠, 其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見(jiàn)的。金屬材料焊接接頭的失效, 絕大部分是韌性不足所造成的。影響焊接接頭韌性的因素十分復(fù)雜, 也較難控制。焊接接頭中的焊縫金屬在焊接條件下快速冷卻, 受局部約束應(yīng)力的作用, 在凝固和相變過(guò)程中形成粗大的柱狀晶粒, 還會(huì)產(chǎn)生各種偏析、夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷, 這些缺陷會(huì)使焊態(tài)焊縫金屬脆化。

焊接接頭中的熱影響區(qū), 由于在焊接熱源作用下母材經(jīng)歷了一次或多次特殊的加熱和冷卻循環(huán),其組織和性能惡化, 如粗晶脆化、析出脆化和組織轉(zhuǎn)變脆化等, 甚至產(chǎn)生微裂紋, 韌性明顯降低。韌性不足會(huì)造成失效, 但韌性過(guò)高也會(huì)使制造困難從而增加成本。因而工程實(shí)踐中要求將焊接接頭的韌性控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi), 而要這樣做, 首先要能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性。

評(píng)價(jià)焊接接頭韌性的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是夏比(Cha rpy )沖擊試驗(yàn)。但是夏比沖擊韌性實(shí)際上是一個(gè)衡量焊接接頭抗沖擊能力的指標(biāo), 它不能全面反映焊接接頭的真實(shí)韌性, 也不能解釋焊接接頭的失效機(jī)制, 更不能反映焊接殘余應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對(duì)韌性的影響。因此, 用夏比沖擊韌性值來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性, 有明顯的局限性。

隨著斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展, 已有一種裂紋尖端張開(kāi)位移(簡(jiǎn)稱CTOD )試驗(yàn)方法, 能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性。1991年, 英國(guó)焊接研究所提出標(biāo)準(zhǔn)BS 7448 Par t1, 給出了金屬材料CTOD、J和KIC的試驗(yàn)方法。1997年, 英國(guó)焊接研究所又提出該標(biāo)準(zhǔn)的第二部分BS 7448 Par t2,針對(duì)焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻和存在殘余應(yīng)力等特點(diǎn), 對(duì)BS 7448 Par t1進(jìn)行了修正和補(bǔ)充,這是國(guó)際上第一部測(cè)量焊接接頭CTOD、J和K IC的標(biāo)準(zhǔn)。

在導(dǎo)管架建造的焊接實(shí)踐中, 設(shè)計(jì)了兩種焊接工藝, 然后按照標(biāo)準(zhǔn)BS7448 Par t1 和BS 7448 Pa rt2, 在挪威船級(jí)社(DET NO RSK EV ER ITA S)鑒定員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督下, 用C TO D試驗(yàn)方法, 評(píng)價(jià)了焊接接頭的韌性, 取得了良好的結(jié)果 。

1.鑒于導(dǎo)管架的最大板厚68mm, 故選70mm厚的板作為試板。

( 1)試板材質(zhì)　DH 36(G B712- 88)

( 2)焊接材料

焊絲　JW -1(AW S A 5. 17 EH 14)

焊劑　S J101(AW S A 5. 17F7A 6 /EH 14)

焊條　CHE 58-1 (AW S A 5. 1 E 7018-1)

( 3)焊接工藝

①埋弧自動(dòng)焊焊接試驗(yàn), 工藝編號(hào)為Q 2002-07;

②手工焊焊接返修試驗(yàn), 先用埋弧自動(dòng)焊焊好

試板后, 再模擬有缺陷的試板進(jìn)行焊后返修, 返修采用手工電弧焊, 工藝編號(hào)為Q 2002-08。

2.結(jié)果分析與討論

從兩項(xiàng)焊接工藝的CTOD 值可以看出:

(1)無(wú)論是07號(hào)工藝還是08號(hào)工藝, 也不管是在焊縫還是在熱影響區(qū), CTOD 值都比較大,表明焊接接頭韌性較好。這些值都大于開(kāi)發(fā)商設(shè)計(jì)規(guī)格書的要求(CTOD 值≥ 0. 254mm ), 且尚有較大的安全儲(chǔ)備。試板按這兩項(xiàng)工藝焊后均未進(jìn)行熱處理。因此, 將這兩項(xiàng)工藝用于導(dǎo)管架的施工建造, 對(duì)小于評(píng)定板厚的焊接接頭允許不再進(jìn)行焊后熱處理, 節(jié)約了大量人力物力, 并且大大縮短了施工工期。較低的建造成本和較短的建造工期,提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？梢?jiàn), CTOD 試驗(yàn)可以作為焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)。

(2)焊縫三個(gè)試樣C TO D 值Wu, 無(wú)論是最小值還是均值, 08號(hào)工藝都大于07號(hào)工藝, 即08號(hào)工藝所得的焊接接頭焊縫韌性比07號(hào)工藝好。而熱影響區(qū)的CTOD 值Wm, 兩項(xiàng)工藝相差不大。因此, 08號(hào)工藝總體上優(yōu)于07號(hào)工藝?？梢?jiàn), CTOD 試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)不同焊接工藝。

(3)在導(dǎo)管架建造中, 焊后焊接檢驗(yàn)如發(fā)現(xiàn)焊接缺陷, 可以按此工藝對(duì)接頭實(shí)施返修, 焊接接頭的韌性不會(huì)降低。可見(jiàn), 手工焊焊接返修不會(huì)降低焊接接頭的韌性 。2100433B

該法由韋爾斯(Wells.A. A.)于1963年提出。當(dāng)裂紋尖端張開(kāi)位移達(dá)到臨界值時(shí)，不管含裂紋體的形狀、幾何尺寸、受力大小和方式如何，該裂紋即開(kāi)始擴(kuò)展?？捎蓪?shí)驗(yàn)得到：對(duì)于韌性材料，平面應(yīng)力斷裂問(wèn)題，特別是裂紋體內(nèi)出現(xiàn)大范圍屈服，甚至完全屈服等線彈性斷裂力學(xué)理論不能適用的情況下，可采用此法，該法比較簡(jiǎn)單、直觀，已反映在壓力容器缺陷的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中 。

裂紋尖端張開(kāi)位移, 其英文名稱C rack T ipO pen ing D isplacem en t的首字母縮寫為CTOD,是指裂紋體受張開(kāi)型載荷后原始裂紋尖端處所張開(kāi)的兩表面的相對(duì)距離。盡管這一

定義并不十分嚴(yán)格, 但因其可以直接觀察測(cè)量,工程中較為實(shí)用, 國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大都采用這一定義。

CTOD 值反映了裂紋尖端的材料抵抗開(kāi)裂的能力。帶有預(yù)制裂紋的試樣在加載時(shí), 裂紋尖端處有一個(gè)張開(kāi)位移C TO D值。CTOD 值越大, 表示裂紋尖端處材料的抗開(kāi)裂性能越好, 即韌性越好; 反之, CTOD 值越小, 抗開(kāi)裂性能越差, 即韌性越差。CTOD 能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料韌性。

焊接接頭是非均質(zhì)體, 其中存在由于焊接熱過(guò)程、化學(xué)冶金過(guò)程、熔池凝固和相變過(guò)程等所造成的顯微組織、物理化學(xué)性能及力學(xué)性能的不連續(xù)性和不均勻性。而CTOD 能夠直接反映裂紋尖端所在處材料組織的韌性, 因此, 如欲評(píng)價(jià)焊接接頭某個(gè)區(qū)域乃至某點(diǎn)的韌性, 只需設(shè)法讓裂紋尖端落在試樣上的目標(biāo)區(qū)就可以了。更具體說(shuō), 欲評(píng)價(jià)焊縫中心材料的韌性, 就把裂紋尖端開(kāi)在焊縫中心; 要評(píng)價(jià)熱影響區(qū)中某種組織特征區(qū)(如熔合區(qū)即粗晶區(qū))材料的韌性, 就將裂紋尖端開(kāi)在該區(qū)域即可。應(yīng)用現(xiàn)代試驗(yàn)機(jī)(如M T S 和Inst ron)中柔度法監(jiān)測(cè)裂紋長(zhǎng)度的技術(shù), 可以將裂紋尖端位置離目標(biāo)區(qū)的距離誤差控制在0. 1mm 以內(nèi)。應(yīng)當(dāng)指出, 過(guò)去研究焊接熱影響區(qū), 往往偏重于焊接接頭常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn)。由于熱影響區(qū)的部位比較狹窄, 而且在熱影響區(qū)中又可區(qū)分為組織特征極不相同的許多更小的區(qū)域, 因此, 準(zhǔn)確地測(cè)出每個(gè)小區(qū)域的性能幾乎是不可能的, 只能是焊接熱影響區(qū)整體性能的反映[6 ]。而用CTOD 試驗(yàn)可以獲得熱影響區(qū)中各個(gè)小區(qū)的斷裂韌性, 因而更具優(yōu)越性。

另外, CTOD 可以解釋斷裂的開(kāi)裂及止裂機(jī)制, 它能夠反映殘余應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對(duì)韌性的影響等等, 并且還能應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)理論進(jìn)行更深入的研究。

裂紋張開(kāi)位移法(crack opening displacementmethod )是裂紋張開(kāi)位移中重要的方法，它主要用來(lái)判定裂紋擴(kuò)展的方法。指彈塑性斷裂力學(xué)中以裂紋張開(kāi)位移作為斷裂參量判別裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的一個(gè)近似的工程方法 。

焊接是制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝與技術(shù), 焊接結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)物的重要組成部分 。焊接技術(shù)和焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多領(lǐng)域, 如航空航天、核能利用、高層建筑、船舶與海洋工程等等。焊接接頭是焊接結(jié)構(gòu)的基本單元, 也是焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和韌性的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)美國(guó)20世紀(jì)90年代統(tǒng)計(jì), 因焊接接頭失效引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的5%。若按同比例推斷, 我國(guó)2002年國(guó)民生產(chǎn)總值約為10萬(wàn)億元, 此項(xiàng)損失竟高達(dá)5 000億元! 因此, 確保焊接接頭的安全可靠, 其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見(jiàn)的。金屬材料焊接接頭的失效, 絕大部分是韌性不足所造成的。影響焊接接頭韌性的因素十分復(fù)雜, 也較難控制。焊接接頭中的焊縫金屬在焊接條件下快速冷卻, 受局部約束應(yīng)力的作用, 在凝固和相變過(guò)程中形成粗大的柱狀晶粒, 還會(huì)產(chǎn)生各種偏析、夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷, 這些缺陷會(huì)使焊態(tài)焊縫金屬脆化。

焊接接頭中的熱影響區(qū), 由于在焊接熱源作用下母材經(jīng)歷了一次或多次特殊的加熱和冷卻循環(huán),其組織和性能惡化, 如粗晶脆化、析出脆化和組織轉(zhuǎn)變脆化等, 甚至產(chǎn)生微裂紋, 韌性明顯降低。韌性不足會(huì)造成失效, 但韌性過(guò)高也會(huì)使制造困難從而增加成本。因而工程實(shí)踐中要求將焊接接頭的韌性控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi), 而要這樣做, 首先要能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性。

評(píng)價(jià)焊接接頭韌性的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是夏比(Cha rpy )沖擊試驗(yàn)。但是夏比沖擊韌性實(shí)際上是一個(gè)衡量焊接接頭抗沖擊能力的指標(biāo), 它不能全面反映焊接接頭的真實(shí)韌性, 也不能解釋焊接接頭的失效機(jī)制, 更不能反映焊接殘余應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對(duì)韌性的影響。因此, 用夏比沖擊韌性值來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性, 有明顯的局限性。

隨著斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展, 已有一種裂紋尖端張開(kāi)位移(簡(jiǎn)稱CTOD )試驗(yàn)方法, 能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性。1991年, 英國(guó)焊接研究所提出標(biāo)準(zhǔn)BS 7448 Par t1, 給出了金屬材料CTOD、J和KIC的試驗(yàn)方法。1997年, 英國(guó)焊接研究所又提出該標(biāo)準(zhǔn)的第二部分BS 7448 Par t2,針對(duì)焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻和存在殘余應(yīng)力等特點(diǎn), 對(duì)BS 7448 Par t1進(jìn)行了修正和補(bǔ)充,這是國(guó)際上第一部測(cè)量焊接接頭CTOD、J和K IC的標(biāo)準(zhǔn)。

在導(dǎo)管架建造的焊接實(shí)踐中, 設(shè)計(jì)了兩種焊接工藝, 然后按照標(biāo)準(zhǔn)BS7448 Par t1 和BS 7448 Pa rt2, 在挪威船級(jí)社(DET NO RSK EV ER ITA S)鑒定員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督下, 用C TO D試驗(yàn)方法, 評(píng)價(jià)了焊接接頭的韌性, 取得了良好的結(jié)果 。

裂紋擴(kuò)展時(shí)其尖端張開(kāi)的位移，記為δ。δ的臨界值δc也是表征材料斷裂韌性的一個(gè)判據(jù)。

相應(yīng)于裂紋尖端位于焊接接頭焊縫金屬中的COD值用符號(hào)δW表示；相應(yīng)于裂紋尖端位于熔合區(qū)的COD值用符號(hào)δF表示；相應(yīng)于裂紋尖端位于熱影響區(qū)的COD值用符號(hào)δH表示；相應(yīng)于裂紋尖端位于不受焊接熱循環(huán)作用的基材中的COD 值用符號(hào)δB表示。2100433B