大型焊接结构焊缝裂纹尖端张开位移试验研究

2012-02-28 05:29余启明孙清华何晓鸣张智
水科学与工程技术 2012年2期
关键词:断裂韧性张开尖端

余启明,孙清华,何晓鸣,张智

(1.武汉工业学院土建学院,武汉 430023;2.武汉市公路勘察设计院,武汉 430051)

大型焊接结构焊缝裂纹尖端张开位移试验研究

余启明1,孙清华2,何晓鸣1,张智1

(1.武汉工业学院土建学院,武汉 430023;2.武汉市公路勘察设计院,武汉 430051)

对大型焊接结构焊缝进行了裂纹尖端张开位移(CTOD)断裂韧度试验,测试了其焊缝的CTOD特征值,得出相应的结论。

Q420qE;裂纹尖端张开位移(CTOD);断裂韧性

随着现代大型焊接结构的大量出现,大型水电站、核电站、大跨度桥梁等厚板焊接结构广泛地被人们采用。然而由于厚板结构焊接过程中散热不均,造成了焊缝区的韧性不足,因此焊接接头断裂韧度的控制成为工程质量的一个重要指标。本文以实际工程为研究对象,以等尺寸试件的裂纹尖端张开位移,简称CTOD,研究在20℃条件下,E43和E38厚钢板对接焊接的焊缝区的断裂韧性。CTOD,即带裂纹的材料受到张开型荷载后,裂纹尖端两点张开的相对距离,其值越大,表示材料断裂韧性越强;反之,CTOD值越小,韧性就越差[1]。

1 试样的制备[1-5]

试验采用E43和E38高强度钢板焊缝区为研究对象,其力学性能见表1。

表1 焊材强度

制备三点弯曲(TPB)标准试样。焊缝和HAZ(热影响区)根据BS7448:1997-Part2《确定金属材料KIC、临界CTOD和积分的方法》

1.1 试样焊缝工艺和切割工艺

截取厚度B为54mm的试样,对试样进行分组编号登记;将切割下的试样进行对接焊接;焊接材料采用J507(E5015)焊条。焊接工艺基本参数如表2所示。

表2 焊接工艺

依据规范对CTOD试件进行线切割加工,然后在试样单侧加工缺口,使缺口沿厚度方向。最后采用高频疲劳试验机预制疲劳裂纹。首先确定缺口的位置,根据英国规范BS7448标记需要切割加工线,并且要求保证裂纹平面垂直于试样表面,偏差在±2°以内。在线切割机上用直径不超过0.12mm的钼丝加工机械缺口。

1.2 预制疲劳裂纹

在试样单侧用线切割加工深度为2mm的缺口,缺口沿厚度方向。然后采用高频疲劳试验机预制疲劳裂纹,为防止疲劳裂纹扩展速度过快,首先按应力比R=0.1将疲劳裂纹预制到2mm,然后立即将应力比调整为R=0.6,再将疲劳裂纹预制到4mm处。这样可以保证试样的预制疲劳裂纹和线切割长度之和在0.45~0.55W(母材)或者0.45~0.70W(焊缝和HAZ)范围内,W为试样宽度。

2 试验过程

试验在1000kN的万能材料试验机上进行,试验现场如图1。

试验主要步骤:(1)把各组试件分别放置在20℃的环境中24h后取出,确定各组的荷载和位移测量系统的标定,然后安放试样,调整跨距S=4W(W为试样的宽度,mm),确定F-V曲线斜率;②加载并同时利用LZ38-204函数记录仪描制F-V曲线,如图2;③二次疲劳,压断试样,测量a和a0,最后根据记录的曲线计算得到CTOD值,原始裂纹尖端部位的张开位移δ可表示成公式(1).即

δ=δe+δp(1)

式中δe为裂纹尖端部位张开位移的弹性分量;δp为裂纹尖端部位张开位移的塑性分量。即

图1 CTOD试验照片

图2 函数记录仪

式中μ为泊松比;ReL为屈服强度;W为试样宽度(mm);a0为原始裂纹长度(mm);E为弹性模量;Vp为F-V曲线上取值点对应的夹式引伸计位移的塑性部分;rp为旋转因子,取0.45;KI为强度因子,K1=;Y为a/W的函数;Z为刀口厚度(mm)。

3 试验结果

试验中6根试件全部发生韧性失稳断裂。焊缝试样在20℃温度下的CTOD试验结果、试件的主要尺寸及特征CTOD值如表3所示。

表3 试件在低温下的特征CTOD值(-20℃)单位:mm

其中δu、δm分别为脆性失稳CTOD值、最大载荷CTOD值。由式(1)可知试件的CTOD值只与弹性分量δe和塑性分量δp有关,对于焊缝区,其塑性分量δp远大于其弹性分量δe,所以在常温条件下,板厚为54mm的对接焊接试件,塑性分量δp对其抵抗开裂性能起决定性作用。一般说来,CTOD数值一般小于1,数值越大,断裂韧性越好,而测试试验中其特征值均偏,说明其断裂韧性良好,能够满足工程需要。

4 结语

对于板厚为54mm的对接焊接试件,其CTOD塑性分量δp对其抵抗开裂性能起决定性作用。试件发生韧性失稳断裂,说明其断裂韧性良好,能够满足实际要求。

[1]苗张木.厚钢板焊接接头韧度CTOD评定研究[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[2]BS7448:Part 1:1991,Fracture mechanics toughness tests.Method for determination of Kic,critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[3]BS7448:Part 2:1991,Facture mechanics toughness test.Method for determination of Kic,critical CTOD and critical J values of welds inmetallic materials[S].

[4]王元清.钢结构脆性破坏事故分析[J].工业建筑,1998,28(5):55-58.

[5]苗张木,蒋军,王志坚,等.一种评价导管架焊接接头韧性的方法[J].中国海洋平台,2003.18(5):34-37.

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[10]张玉玲.低温环境下铁路钢桥疲劳断裂性能研究[J].中国铁道科学,2008(1).

Study on Welded Joints of Large Structure for Crack Tip Open Displacement

YU Qi-ming1,SUN Qing-hua2,HE Xiao-ming1,ZHANG Zhi1
(1.Civil Engineering and Architectural Institute,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.Wuhan Road Reconnaissancing and Planning Academy,Wuhan 430051,China)

Based on BS7448 fracture toughness test experiment standard and DNV-OS-C401,the analysis of the welded seam of structure is extended to three point bending specimen with a center crack were carried out,the CTOD value of the welded zone were obtain.

Q420qE;crack tip open displacement(CTOD);breaking toughness

TV34

A

1672-9900(2012)02-0031-03

2012-02-21

国家自然科学基金(51009111)

余启明(1980-),男(汉族),湖北鄂州人,讲师,主要从事材料非线性研究,(Tel)13397162363。

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