基于裂纹尖端开口位移试验的冲击韧性研究

基于裂纹尖端开口位移试验的冲击韧性研究

如果材料的刚性好，裂缝前端的材料屈服，线性弹性解在可塑性区域失去其有效性，需要通过弹塑性断裂力学来解决。各国实际运营桥梁中,焊接钢桥发生疲劳裂纹和脆性断裂的例子几乎每年都有,其主要特点是:事先没有任何预兆;脆性断裂多发生在冬季气温较低的时期;脆断构件的截面所受荷载的名义应力不高;失效构件的材料及焊接的冲击韧性和强度性能都满足规范要求。鉴于上述现状,本文根据已有研究成果,归纳得到铁路常用桥梁钢14MnNbq和16Mnq钢各种板厚的母材,及其焊缝、熔合线试样的规律性的冲击韧性指标,以及弹塑性断裂韧性CTOD指标。研究确定其规则,建立CTOD数据与冲击韧性的关系。掌握防断韧性标准制定的控制因素和研究方法,得到有扎实试验基础的不同环境温度下冲击韧性吸收功最低要求和相应试验温度。结合工程应用经验,形成有效的设计和制造检验指标。1冲击韧性试验在对材料进行韧性试验时,若其在断裂过程中吸收的能量多,该材料为韧性材料,反之为脆性材料。通常表征材料断裂韧性性能的指标有CVN冲击吸收功(冲击韧性)、KIC(平面应变断裂韧性)、KC(平面应力断裂韧性)、J积分(弹塑性断裂韧性)或COD(弹塑性断裂韧性)等。COD试验是唯一能够试验观察断裂过程、对其进行物理化描述的断裂韧性指标。文献结合铁道部科技司对铁路桥梁钢焊接韧性标准科研课题,对常用桥梁钢14MnNbq取12,16,24,32,44,50mm共6种板厚,16Mnq取12,16,24,32mm共4种板厚母材和焊缝进行直三点弯曲CTOD试验。由372个试验数据回归,得到桥梁钢和焊缝的临界CTOD通用计算表达式,见式(1)—式(3)。δ14B=at[0.1059+1.3831+e-0.0778(Τ+90.666)](1)δ14B=at[0.1059+1.3831+e−0.0778(T+90.666)](1)δ16B=at[0.065+0.84791+e-0.0778(Τ+42.116)](2)δ16B=at[0.065+0.84791+e−0.0778(T+42.116)](2)δW=at[0.0918+0.66151+e-0.0767(Τ+24.1927)](3)δW=at[0.0918+0.66151+e−0.0767(T+24.1927)](3)式中:δ14B,δ16B,δW分别为14MnNbq母材、16Mnq母材和两种焊缝的临界CTOD值,mm;a为初始裂纹长度,mm;t为板厚,mm;T为温度,℃。当裂纹长度为穿透板厚裂纹,即a=t时,CTOD与温度关系曲线见图1。冲击韧性试验是检验钢材和焊接接头韧性质量的重要指标,因其试验方法简便和数据整理快捷,在工程中得到广泛应用。文献通过702个夏比V型缺口冲击试验(CVN)数据,得到冲击功通用计算表达式,见式(4)—式(7)。Akv14B=17.3737+197.01031+e-0.0625(Τ+56.707)(4)Akv14B=17.3737+197.01031+e−0.0625(T+56.707)(4)Akv14W=15.7608+138.53581+e-0.0583(Τ+26.232)(5)Akv14W=15.7608+138.53581+e−0.0583(T+26.232)(5)Akv16B=9.4502+107.16121+e-0.0625(Τ+17.317)(6)Akv16B=9.4502+107.16121+e−0.0625(T+17.317)(6)Akv16W=9.4496+83.06061+e-0.0583(Τ+1.922)(7)Akv16W=9.4496+83.06061+e−0.0583(T+1.922)(7)式中:Akv14B,Akv14W,Akv16B,Akv16W分别为14MnNbq母材和焊缝、16Mnq母材和焊缝的CVN冲击韧性,J;T为温度,℃。相应曲线见图2。试验结果表明,14MnNbq钢母材CTOD的韧脆转变温度为-70℃以下,上台阶值是1.5mm;CVN的转脆温度-57℃,上台阶值在200J以上。16Mnq钢母材CTOD转脆温度-42℃,上台阶值是0.9mm;CVN的转脆温度-17℃,上台阶值在100J以上。两种材料焊缝的CTOD韧性大体相同,韧脆转变温度为-24℃,上台阶值是0.7mm;两种材料焊缝的CVN不同,14MnNbq钢焊缝转脆温度-26℃,上台阶值是150J;16Mnq钢焊缝韧脆转变温度-2℃,上台阶值是80J。2试验结果分析研究最初试图在CTOD试验数据和CVN试验数据之间建立联系,通过CTOD试验回归曲线的特征温度和CVN试验的能量转变温度,以及板厚作为联系介质,建立三变量统计线性方程,以取得各种条件下由CVN数据反映CTOD韧性的防断规定指标。然而统计分析结果表明,相应回归曲线的相关指数R仅为0.2左右,说明三者相关性很差,分析结果不合理。经分析,制订韧性标准要解决两个问题:第一,找到材料满足不发生脆断的最低吸收能量;第二,找到实验室试验温度与实桥环境温度和列车加载速率的温度移位。经过探索,利用CTOD弹塑性试验记录系统记录得3点弯曲试样夹头处挠度,可以得到试件发生脆断、韧脆断裂和韧性断裂时的断裂吸收功以及相应CTOD值,建立CTOD与冲击试验的联系,解决了第一个问题。进一步分析发现,试样达到不发生某破坏状态(如脆断)所需基本吸收功与温度无关。这使得可以以所需基本吸收功为准,实桥环境温度下满足基本吸收功。由于检验手段是打冲击功,只需计入冲击功加载速率与实际列车速率之间温度移位。冲击韧性吸收功是将试样位移f相对加载吨位P(kN)进行积分。CTOD试验在记录刀口张开位移的同时,也记录有加载吨位P(kN)和试样跨中挠度位移f关系曲线。因此,只需将指定状态CTOD所对应的P与f包围的面积进行积分,即可得到相应状态应具备的基本吸收功。CVN冲击试样为10mm×10mm×55mm,加载净面积为10mm×8mm,加载跨度40mm。CTOD试样为B×2B×10B,其中B为钢板厚度。加载截面去掉预制裂纹,为B×B,加载跨度为8B。当试样处于弹性阶段时,简支梁3点弯曲跨中挠度为f=Ρl348EJ(8)f=Pl348EJ(8)在跨中集中荷载P作用下,所作功为Ρf=Ρ⋅Ρl348EJ=Ρ⋅σl26Ey(9)式中:P为加载吨位;σ为加载净截面最大应力;l为加载跨度;E为弹性模量;y为矩形抗弯截面高度。显然,式(9)中CVN试样与CTOD试样尺寸差别主要是l2/y不同。当试样处于塑性阶段时,经分析,不同尺寸试样的简支挠度分析结果同样仅与l2/y有关,表明塑性状态的CVN和CTOD关系与弹性状态的CVN和CTOD关系相同。代入CVN和CTOD试样尺寸,式(9)可写成Akv=Ρf=Ρσ6E⋅4028(10)ACΤΟD=Ρf=Ρσ6E⋅(8B)22B-a0(11)式中:Akv,ACTOD分别为冲击功和CTOD试验吸收功,J;B为板厚,mm;a0为初始裂纹长度,mm。设等效系数Ce=ACΤΟDAkv,则{Ce=0.32B(B=10∼40mm时a0≈B)Ce=18.032(B=46mm时a0=54.448mm)(12)故只要将所求CTOD对应的吸收功ACTOD除以等效系数Ce,即可得对应CTOD的冲击功Akv。将CTOD临界破坏时对应吸收功,以及CTOD值δ为0.2mm时的吸收功均值列于表1。表1数据可作为制订最低冲击韧性标准的依据。CTOD试验为准静态加载,冲击功为动态加载。二者之间速度的差异可通过温度曲线移位解决。利用文献研究成果以及本次试验结果,归纳加载速率与试验温度的关系,得出的各特征温度相对关系,见图3。经分析认为,CTOD试样为3点弯曲加载,受力状态比宽板试样恶劣,尽管同样是静态加载,但特征温度要比宽板高很多。另一方面,其预制裂纹为尖锐疲劳裂纹,比其它受力状态更为严峻,特征温度位置比较靠右(偏高温侧),甚至高于实际运营列车速度下的特征温度。由于无准确试验数据给出CTOD特征温度与实际运营列车的差值,但定性分析它在实际运营列车速度120km·h-1时的右侧(较高温度一侧),研究采用CTOD静载试验特征温度作为实桥温度,仅进行CTOD和冲击试验温度的上移调整,是偏于安全的。3确定材料的关注管理系统研究认为,由CTOD吸收功制定韧性标准,可以从两个途径考虑。一个是根据破坏状态确定,如果确定破坏状态为韧性,要求的吸收功就高,如果破坏状态是韧—脆,要求材料的吸收功低些,如果确定结构破坏状态是脆性,要求材料的吸收功更低。第二个途径,是以CTOD值为准,规定某张开值,要求破坏时以达到这个张开值为临界,材料具备相应吸收功的能力,使结构不致于在裂纹小于规定值就发生破坏,依此确定韧性标准。通过分析表1可以发现下述特征。①表中各种情况都有随着板厚的增加,要求材料具有更高的吸收功,从而达到相同临界破坏状态的规律。即钢板越厚,要求越严,才能保证达到与薄板相同的抗断效果。该现象与工程经验是吻合的。②两种钢材母材性能上有差异,尤其到厚板(30mm)时。但焊缝情况比较相近,到脆性断裂时所需吸收功几乎是相同的。③当板厚一定时,裂纹尖端张开某固定位移(如0.2mm)所需要的吸收功与温度无关。因此,从要求吸收功角度考虑,以材料偏于安全为准,其确定原则如下:①要求材料具有韧脆破坏时的吸收功,保证结构破坏时,断面最大应力超过屈服强度,并具有一定程度的变形;②分析中向偏于安全方向考虑两个标准差的离散程度。4指标测定根据前述原则和研究数据,铁路钢桥防断冲击韧性基础指标列于表2。表2所列规定为在CTOD试验结果上考虑2个标准差的结果,若满足该韧性标准,则可以保证结构在破坏时处于韧—脆状态,即破坏前具有一定的变形。5试验结果及建议值现将我国韧性标准与其它各国规范规定以及本研究的建议标准列于表3,其中,钢材屈服点以350MPa为准。分析表3,各国规范都有环境温度越低要求越严、钢板越厚要求越严的趋势。但各国在控制严格的具体体现上完全不同:英国是固定温度(取环境温度),从厚度上调整冲击功;美国是固定冲击功,从试验温度上进行调整;日本是功也变(按板厚)温度也变(北海道);我国桥规是功不变,温度不变,按材料变,都取较低者。本次建议值的格局与美国相近,调整试验温度,吸收功由CTOD试验确定。从表3的比较可以得到以下的结论:母材薄板的冲击功标准值,芜湖桥规定最高,日本规定和我国桥规次之。按中、厚板的标准,日本北海道规定最高,芜湖桥规定居次位,我国桥规和英国桥规第三,日本桥规最低。建议值薄板