裂紋張開位移法

裂紋張開位移法(crack opening displacementmethod )是判定裂紋擴展的方法。指彈塑性斷裂力學中以裂紋張開位移作為斷裂參量判別裂紋開始擴展的一個近似的工程方法。

基本介紹

• 中文名：裂紋張開位移法
• 外文名：Crack open displacement method
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 作用：判定裂紋擴展
• 套用：焊接

簡介

該法由韋爾斯(Wells.A. A.)於1963年提出。當裂紋尖端張開位移達到臨界值時，不管含裂紋體的形狀、幾何尺寸、受力大小和方式如何，該裂紋即開始擴展。可由實驗得到：對於韌性材料，平面應力斷裂問題，特別是裂紋體內出現大範圍屈服，甚至完全屈服等線彈性斷裂力學理論不能適用的情況下，可採用此法，該法比較簡單、直觀，已反映在壓力容器缺陷的評定標準中。

裂紋張開位移法在焊接上的套用

焊接是製造業的基礎工藝與技術, 焊接結構是結構物的重要組成部分。焊接技術和焊接結構廣泛套用於經濟建設的許多領域, 如航空航天、核能利用、高層建築、船舶與海洋工程等等。焊接接頭是焊接結構的基本單元, 也是焊接結構強度和韌性的薄弱環節。據美國20世紀90年代統計, 因焊接接頭失效引起的經濟損失高達國民生產總值的5%。若按同比例推斷, 我國2002年國民生產總值約為10萬億元, 此項損失竟高達5 000億元! 因此, 確保焊接接頭的安全可靠, 其巨大的經濟效益和社會效益是顯而易見的。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複雜, 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, 受局部約束應力的作用, 在凝固和相變過程中形成粗大的柱狀晶粒, 還會產生各種偏析、夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷, 這些缺陷會使焊態焊縫金屬脆化。

焊接接頭中的熱影響區, 由於在焊接熱源作用下母材經歷了一次或多次特殊的加熱和冷卻循環,其組織和性能惡化, 如粗晶脆化、析出脆化和組織轉變脆化等, 甚至產生微裂紋, 韌性明顯降低。韌性不足會造成失效, 但韌性過高也會使製造困難從而增加成本。因而工程實踐中要求將焊接接頭的韌性控制在一個合理的範圍內, 而要這樣做, 首先要能夠準確評價焊接接頭的韌性。

評價焊接接頭韌性的傳統試驗方法是夏比(Cha rpy )衝擊試驗。但是夏比衝擊韌性實際上是一個衡量焊接接頭抗衝擊能力的指標, 它不能全面反映焊接接頭的真實韌性, 也不能解釋焊接接頭的失效機制, 更不能反映焊接殘餘應力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響。因此, 用夏比衝擊韌性值來評價焊接接頭的韌性, 有明顯的局限性。

隨著斷裂力學學科的發展, 已有一種裂紋尖端張開位移(簡稱CTOD )試驗方法, 能較準確地評價焊接接頭的韌性。1991年, 英國焊接研究所提出標準BS 7448 Par t1, 給出了金屬材料CTOD、J和KIC的試驗方法。1997年, 英國焊接研究所又提出該標準的第二部分BS 7448 Par t2,針對焊接接頭中各區域性能不均勻和存在殘餘應力等特點, 對BS 7448 Par t1進行了修正和補充,這是國際上第一部測量焊接接頭CTOD、J和K IC的標準。

在導管架建造的焊接實踐中, 設計了兩種焊接工藝, 然後按照標準BS7448 Par t1 和BS 7448 Pa rt2, 在挪威船級社(DET NO RSK EV ER ITA S)鑑定員現場監督下, 用C TO D試驗方法, 評價了焊接接頭的韌性, 取得了良好的結果。

裂紋尖端張開位移(CTOD)

裂紋尖端張開位移, 其英文名稱C rack T ipO pen ing D isplacem en t的首字母縮寫為CTOD,是指裂紋體受張開型載荷後原始裂紋尖端處所張開的兩表面的相對距離。儘管這一

定義並不十分嚴格, 但因其可以直接觀察測量,工程中較為實用, 國內外有關標準大都採用這一定義。

CTOD 值反映了裂紋尖端的材料抵抗開裂的能力。帶有預製裂紋的試樣在載入時, 裂紋尖端處有一個張開位移C TO D值。CTOD 值越大, 表示裂紋尖端處材料的抗開裂性能越好, 即韌性越好; 反之, CTOD 值越小, 抗開裂性能越差, 即韌性越差。CTOD 能較準確地評價材料韌性。

焊接接頭是非均質體, 其中存在由於焊接熱過程、化學冶金過程、熔池凝固和相變過程等所造成的顯微組織、物理化學性能及力學性能的不連續性和不均勻性。而CTOD 能夠直接反映裂紋尖端所在處材料組織的韌性, 因此, 如欲評價焊接接頭某個區域乃至某點的韌性, 只需設法讓裂紋尖端落在試樣上的目標區就可以了。更具體說, 欲評價焊縫中心材料的韌性, 就把裂紋尖端開在焊縫中心; 要評價熱影響區中某種組織特徵區(如熔合區即粗晶區)材料的韌性, 就將裂紋尖端開在該區域即可。套用現代試驗機(如M T S 和Inst ron)中柔度法監測裂紋長度的技術, 可以將裂紋尖端位置離目標區的距離誤差控制在0. 1mm 以內。應當指出, 過去研究焊接熱影響區, 往往偏重於焊接接頭常規的力學性能試驗。由於熱影響區的部位比較狹窄, 而且在熱影響區中又可區分為組織特徵極不相同的許多更小的區域, 因此, 準確地測出每個小區域的性能幾乎是不可能的, 只能是焊接熱影響區整體性能的反映[6 ]。而用CTOD 試驗可以獲得熱影響區中各個小區的斷裂韌性, 因而更具優越性。

另外, CTOD 可以解釋斷裂的開裂及止裂機制, 它能夠反映殘餘應力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響等等, 並且還能套用彈塑性斷裂力學理論進行更深入的研究。

導管架焊接工藝的CTOD評價

1.鑒於導管架的最大板厚68mm, 故選70mm厚的板作為試板。

( 1)試板材質　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埋弧自動焊焊接試驗, 工藝編號為Q 2002-07;

②手工焊焊接返修試驗, 先用埋弧自動焊焊好

試板後, 再模擬有缺陷的試板進行焊後返修, 返修採用手工電弧焊, 工藝編號為Q 2002-08。

2.結果分析與討論

從兩項焊接工藝的CTOD 值可以看出:

(1)無論是07號工藝還是08號工藝, 也不管是在焊縫還是在熱影響區, CTOD 值都比較大,表明焊接接頭韌性較好。這些值都大於開發商設計規格書的要求(CTOD 值≥ 0. 254mm ), 且尚有較大的安全儲備。試板按這兩項工藝焊後均未進行熱處理。因此, 將這兩項工藝用於導管架的施工建造, 對小於評定板厚的焊接接頭允許不再進行焊後熱處理, 節約了大量人力物力, 並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,提高了企業的市場競爭力。可見, CTOD 試驗可以作為焊接工藝認可試驗。

(2)焊縫三個試樣C TO D 值Wu, 無論是最小值還是均值, 08號工藝都大於07號工藝, 即08號工藝所得的焊接接頭焊縫韌性比07號工藝好。而熱影響區的CTOD 值Wm, 兩項工藝相差不大。因此, 08號工藝總體上優於07號工藝。可見, CTOD 試驗可以評價不同焊接工藝。

(3)在導管架建造中, 焊後焊接檢驗如發現焊接缺陷, 可以按此工藝對接頭實施返修, 焊接接頭的韌性不會降低。可見, 手工焊焊接返修不會降低焊接接頭的韌性。