管线钢焊接接头断裂行为研究

管线钢焊接接头断裂行为研究

0断裂行为的定量规定焊接各部分的断裂强度是评价焊接结构的重要指标。然而大量的试验结果表明,材料的断裂韧度值(如临界CTOD、JIC等)并不像材料的屈服点应力等参量那样为材料常数,强度匹配状态、试样几何形式的不同所造成的裂纹尖端拘束状态差异对接头断裂行为(断裂韧度值)会产生很大影响。近来提出了两种研究裂纹尖端拘束状态对断裂韧度影响的方法。一种是用T-应力或Q参量来定量描述裂纹尖端应力场的J-T和J-Q理论;另一种是基于概率断裂力学的方法——局部法,采用考虑裂纹尖端断裂控制区的应力大小和体积效应的威布尔应力来描述试样的断裂行为。在脆性断裂起裂时,与试样几何尺寸及试验温度无关,威布尔应力遵从双参数威布尔分布。研究表明,采用概率的方法能更有效地评定结构部件的断裂行为。在材料的韧脆转变温度区,材料发生脆性失稳之前,可能会产生明显的延性裂纹扩展。由于延性裂纹扩展,不可避免地造成裂纹尖端应力场的变化(裂尖应力峰值提高,高应力区扩大),因此在评定结构在材料转变温度区内的断裂行为时,必须考虑延性裂纹扩展对裂纹尖端应力场的影响。作者根据局部法,采用考虑延性裂纹扩展的三维有限元数值模拟,定量研究了焊接接头中强度匹配、试样几何形式对接头断裂行为的影响。根据管线用钢接头的标准断裂力学试样(深裂纹三点弯曲试样)的试验结果,对同种接头和不同匹配状态接头的拉伸试样的断裂行为进行预测。1试验结果及分析在保持施焊材料相同条件下,通过改变母材强度,制备不同强度匹配的焊接接头。采用标准三点弯曲试样和双边裂纹拉伸试样测定焊接接头中焊缝金属的断裂韧度值。试验选取Z3312YGW15焊丝施焊的管线用X80钢和X65钢(板厚19mm,K形坡口)焊接接头,对于X80钢接头,焊缝和母材屈服点之比(σs,W/σs,M)为0.98(等匹配接头);而X65钢接头,σs,W/σs,M=1.17(高匹配接头)。对X80钢接头,制备三点弯曲试样和双边裂纹拉伸试样,研究试样几何形式对断裂韧度的影响;对X80钢接头制备双边裂纹拉伸试样,通过X80和X65钢接头的试验结果,研究强度匹配对断裂行为的影响。图1给出了所采用试样的几何形式及尺寸。为使强度非均质的影响更为显著,使裂纹位于焊缝金属,距熔合线1mm处。对于三点弯曲试样,裂纹深度与板宽之比为0.5,对于双裂纹拉伸试样为0.3。对三点弯曲试样,裂纹尖端张开位移(CTOD)值按BS7448计算,对双边裂纹拉伸试样按Dugdale模型进行。试验在材料韧脆转变温度区内-50℃下进行。图2给出了在威布尔坐标下,断裂韧度的累积分布频率。其中δc与δu分别表示脆性断裂发生前无明显(延性裂纹扩展量小于0.2mm)和有明显的延性裂纹扩展时的临界断裂韧度值;δm表示最大载荷CTOD值。图2a给出了X80钢焊接接头试样几何形式对断裂韧度的影响,由图可见试样的几何形式对断裂行为有相当影响,由拉伸试样所得到的CTOD值明显高于弯曲试样。图2b表示了试样几何形式相同情况下(双边裂纹拉伸试样),接头强度匹配对断裂韧度值的影响。高匹配接头(X65钢接头)焊缝的断裂韧度值明显高于等匹配接头。2裂纹端面开裂位移采用三维有限元数值方法,分析研究试样几何形式和接头匹配情况对断裂行为的影响。有限元数值方法中裂纹尖端最小单元尺寸为0.1mm×0.1mm×0.5mm,对拉伸和弯曲试样,均采取了相同的裂纹尖端单元划分。采用裂纹尖端张开位移CTOD表征裂纹尖端的载荷水平,计算方法和试验中所采用方法相同。有限元计算程序为WARP3D。图3给出了在一定变形水平下(裂纹尖端张开位移为0.18mm),板厚中部裂纹尖端区域张开应力σo,y的分布。图3a给出了X80钢焊接接头拉伸和弯曲试样裂纹尖端张开应力的分布,由图可见试样的几何形式对应力分布有相当影响,弯曲试样的裂纹尖端张开应力值明显高于拉伸试样。图3b表示了试样几何形式相同条件下(均为拉伸试样),接头强度匹配对裂纹尖端应力分布的影响,高匹配接头(X65钢接头)裂纹尖端的张开应力明显低于等匹配接头。由此定性地解释了拉伸试样的断裂韧度值高于弯曲试样、高匹配接头断裂阻力优于等匹配接头这一试验现象。3断裂行为预测作者基于概率断裂力学,采用局部法研究试样几何形式、接头强度匹配状态对材料断裂韧度的影响。根据局部法,威布尔应力σW(有效应力在断裂控制区上的积分)为裂纹起裂的驱动力。对于此研究,裂纹位于焊缝,可以认为裂纹的脆性起裂是由焊缝的应力状态控制。因此威布尔应力σW可定义为σW=[1V0∫Vf,w(σef)mdVf,w]1m[1V0∫Vf,w(σef)mdVf,w]1m,(1)式中:m为焊缝的威布尔形状参量;V0为所考虑的基本体积(大小任意);Vf,w为焊缝中断裂控制区的体积;σef为有效应力。威布尔应力σW在断裂起裂时遵从双参数威布尔分布,即f(σW,c)=1-exp[−(σW,cσu)m][-(σW,cσu)m],(2)式中:σu为与试件几何形式和尺寸无关的材料特有的常数。作者根据上述方法,由X80钢接头三点弯曲试验结果对X80钢接头和X65钢接头拉伸试样的断裂行为进行预测。首先,根据三点弯曲试验结果,计算供试材料的m及σu,由于几乎所有三点弯曲试样均呈现δc断裂方式(失稳断裂前无明显的延性裂纹扩展),因此在有限元数值模拟中不考虑延性裂纹扩展,对此研究所选用焊缝,局部断裂参量m=36,σu=1665MPa;其次计算其它试样的威布尔应力σW;最后根据局部法,若两类试样威布尔应力相同,则其应具有相同的断裂概率。这样就可以由标准试件的断裂韧度值对不同拘束条件的实际结构的断裂行为进行预测和评定。图4对比了考虑延性裂纹稳定扩展和不考虑延张开位移(CTOD)关系曲线。图中实线和虚线分别为考虑与不考虑延性裂纹扩展的数值分析结果。在模拟延性裂纹扩展行为时,采用特殊单元模型来分析裂纹尖端应力场的变化。在CTOD值较高时,延性裂纹开始扩展,裂纹尖端应力增大,高应力区面积扩大,考虑裂纹扩展的威布尔应力σW高于不考虑裂纹扩展的威布尔应力σW。因此,在断裂分析中,在出现稳定延性裂纹扩展后,采用含裂纹扩展的威布尔应力σW。图5给出了考虑裂纹扩展时,所预测的X80钢接头和X65钢接头拉伸试样临界CTOD值与断裂失效概率的关系曲线。图中实线为预测结果,虚线为0.9置信水平下的分散带,为方便比较,同时给出了试验数据点。由图可见预测结果和试验结果吻合良好。因此根据局部法,可以由标准试样的断裂韧度值对不同拘束条件下实际结构的断裂行为进行预测和评定,威布尔应力σW为有效的断裂参量。4断裂断裂率测试根据局部法定量研究了X80、X65管线用钢焊接接头韧脆转变