裂纹张开位移法

冶金工程术语

裂纹张开位移法(crack opening displacementmethod )是判定裂纹扩展的方法。指弹塑性断裂力学中以裂纹张开位移作为断裂参量判别裂纹开始扩展的一个近似的工程方法。

简介

该法由韦尔斯(Wells.A. A.)于1963年提出。当裂纹尖端张开位移达到临界值时，不管含裂纹体的形状、几何尺寸、受力大小和方式如何，该裂纹即开始扩展。可由实验得到：对于韧性材料，平面应力断裂问题，特别是裂纹体内出现大范围屈服，甚至完全屈服等线弹性断裂力学理论不能适用的情况下，可采用此法，该法比较简单、直观，已反映在压力容器缺陷的评定标准中。

裂纹张开位移法在焊接上的应用

焊接是制造业的基础工艺与技术, 焊接结构是结构物的重要组成部分。焊接技术和焊接结构广泛应用于经济建设的许多领域, 如航空航天、核能利用、高层建筑、船舶与海洋工程等等。焊接接头是焊接结构的基本单元, 也是焊接结构强度和韧性的薄弱环节。据美国20世纪90年代统计, 因焊接接头失效引起的经济损失高达国民生产总值的5%。若按同比例推断, 我国2002年国民生产总值约为10万亿元, 此项损失竟高达5 000亿元! 因此, 确保焊接接头的安全可靠, 其巨大的经济效益和社会效益是显而易见的。金属材料焊接接头的失效, 绝大部分是韧性不足所造成的。影响焊接接头韧性的因素十分复杂, 也较难控制。焊接接头中的焊缝金属在焊接条件下快速冷却, 受局部约束应力的作用, 在凝固和相变过程中形成粗大的柱状晶粒, 还会产生各种偏析、夹杂、气孔和微裂纹等缺陷, 这些缺陷会使焊态焊缝金属脆化。

焊接接头中的热影响区, 由于在焊接热源作用下母材经历了一次或多次特殊的加热和冷却循环,其组织和性能恶化, 如粗晶脆化、析出脆化和组织转变脆化等, 甚至产生微裂纹, 韧性明显降低。韧性不足会造成失效, 但韧性过高也会使制造困难从而增加成本。因而工程实践中要求将焊接接头的韧性控制在一个合理的范围内, 而要这样做, 首先要能够准确评价焊接接头的韧性。

评价焊接接头韧性的传统试验方法是夏比(Cha rpy )冲击试验。但是夏比冲击韧性实际上是一个衡量焊接接头抗冲击能力的指标, 它不能全面反映焊接接头的真实韧性, 也不能解释焊接接头的失效机制, 更不能反映焊接残余应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。因此, 用夏比冲击韧性值来评价焊接接头的韧性, 有明显的局限性。

随着断裂力学学科的发展, 已有一种裂纹尖端张开位移(简称CTOD )试验方法, 能较准确地评价焊接接头的韧性。1991年, 英国焊接研究所提出标准BS 7448 Par t1, 给出了金属材料CTOD、J和KIC的试验方法。1997年, 英国焊接研究所又提出该标准的第二部分BS 7448 Par t2,针对焊接接头中各区域性能不均匀和存在残余应力等特点, 对BS 7448 Par t1进行了修正和补充,这是国际上第一部测量焊接接头CTOD、J和K IC的标准。

在导管架建造的焊接实践中, 设计了两种焊接工艺, 然后按照标准BS7448 Par t1 和BS 7448 Pa rt2, 在挪威船级社(DET NO RSK EV ER ITA S)鉴定员现场监督下, 用C TO D试验方法, 评价了焊接接头的韧性, 取得了良好的结果。

裂纹尖端张开位移(CTOD)

裂纹尖端张开位移, 其英文名称C rack T ipO pen ing D isplacem en t的首字母缩写为CTOD,是指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处所张开的两表面的相对距离。尽管这一

定义并不十分严格, 但因其可以直接观察测量,工程中较为实用, 国内外有关标准大都采用这一定义。

CTOD 值反映了裂纹尖端的材料抵抗开裂的能力。带有预制裂纹的试样在加载时, 裂纹尖端处有一个张开位移C TO D值。CTOD 值越大, 表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好, 即韧性越好; 反之, CTOD 值越小, 抗开裂性能越差, 即韧性越差。CTOD 能较准确地评价材料韧性。

焊接接头是非均质体, 其中存在由于焊接热过程、化学冶金过程、熔池凝固和相变过程等所造成的显微组织、物理化学性能及力学性能的不连续性和不均匀性。而CTOD 能够直接反映裂纹尖端所在处材料组织的韧性, 因此, 如欲评价焊接接头某个区域乃至某点的韧性, 只需设法让裂纹尖端落在试样上的目标区就可以了。更具体说, 欲评价焊缝中心材料的韧性, 就把裂纹尖端开在焊缝中心; 要评价热影响区中某种组织特征区(如熔合区即粗晶区)材料的韧性, 就将裂纹尖端开在该区域即可。应用现代试验机(如M T S 和Inst ron)中柔度法监测裂纹长度的技术, 可以将裂纹尖端位置离目标区的距离误差控制在0. 1mm 以内。应当指出, 过去研究焊接热影响区, 往往偏重于焊接接头常规的力学性能试验。由于热影响区的部位比较狭窄, 而且在热影响区中又可区分为组织特征极不相同的许多更小的区域, 因此, 准确地测出每个小区域的性能几乎是不可能的, 只能是焊接热影响区整体性能的反映[6 ]。而用CTOD 试验可以获得热影响区中各个小区的断裂韧性, 因而更具优越性。

另外, CTOD 可以解释断裂的开裂及止裂机制, 它能够反映残余应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响等等, 并且还能应用弹塑性断裂力学理论进行更深入的研究。

导管架焊接工艺的CTOD评价

1.鉴于导管架的最大板厚68mm, 故选70mm厚的板作为试板。

( 1)试板材质　DH 36(G B712- 88)

( 2)焊接材料

焊丝　JW -1(AW S A 5. 17 EH 14)

焊剂　S J101(AW S A 5. 17F7A 6 /EH 14)

焊条　CHE 58-1 (AW S A 5. 1 E 7018-1)

( 3)焊接工艺

①埋弧自动焊焊接试验, 工艺编号为Q 2002-07;

②手工焊焊接返修试验, 先用埋弧自动焊焊好

试板后, 再模拟有缺陷的试板进行焊后返修, 返修采用手工电弧焊, 工艺编号为Q 2002-08。

2.结果分析与讨论

从两项焊接工艺的CTOD 值可以看出:

(1)无论是07号工艺还是08号工艺, 也不管是在焊缝还是在热影响区, CTOD 值都比较大,表明焊接接头韧性较好。这些值都大于开发商设计规格书的要求(CTOD 值≥ 0. 254mm ), 且尚有较大的安全储备。试板按这两项工艺焊后均未进行热处理。因此, 将这两项工艺用于导管架的施工建造, 对小于评定板厚的焊接接头允许不再进行焊后热处理, 节约了大量人力物力, 并且大大缩短了施工工期。较低的建造成本和较短的建造工期,提高了企业的市场竞争力。可见, CTOD 试验可以作为焊接工艺认可试验。

(2)焊缝三个试样C TO D 值Wu, 无论是最小值还是均值, 08号工艺都大于07号工艺, 即08号工艺所得的焊接接头焊缝韧性比07号工艺好。而热影响区的CTOD 值Wm, 两项工艺相差不大。因此, 08号工艺总体上优于07号工艺。可见, CTOD 试验可以评价不同焊接工艺。

(3)在导管架建造中, 焊后焊接检验如发现焊接缺陷, 可以按此工艺对接头实施返修, 焊接接头的韧性不会降低。可见, 手工焊焊接返修不会降低焊接接头的韧性。

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