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单边缺口拉伸试样的断裂韧性计算方法对比

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第3 8卷第4期 2 0 1 7年4月焊 接 学 报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vo1.38 No.4 April 2 0 1 7 单边缺口拉伸试样的断裂韧性计算方法对比 李一哲 , 王东坡 , 邓彩艳 , 龚宝明 , 王 胜 (1.天津大学材料科学与工程学院天津市现代连接技术重点实验室,天津300072; 2.深圳赤湾胜宝旺工程有限公司,深圳518000) 摘要:在工程临界评估(engineering cirtical assessment)中,裂纹尖端张开位移(CTOD值)的精确性将极大影响设 计安全裕度与服役寿命.单边缺口拉伸(SENT)试样裂纹尖端的应力应变场与管道在实际服役状况下相似,被认为 比较适用于测量管道CTOD值.目前有几种针对SENT断裂韧性的计算方法,但是并没有统一的标准.文中采用 API X70管线钢,进行SENT试样断裂韧性试验并对比各计算方法与双刀口法之间的区别.采用Crackwise 4.0评 估了不同计算方法得到韧性值对裂纹极限尺寸的影响.结果表明,几种CTOD计算方法相较于双引伸计法都有较 大误差,断裂韧性的精确度对于ECA评估极限裂纹尺寸有极大影响. 关键词:断裂韧性;合于使用;验证;评估 中图分类号:TG 407 文献标识码:A 文章编号:0253—360X【2017)04—0059—04 0 序 言 吻合极好,建议使用双引伸计法作为SENT断裂韧 性计算的参考方法.文中旨在评估其它四种方法相 随着管线输送压力要求的不断提高,高钢级管 对于双引伸计法计算得到CTOD的误差,进而探究 线钢的开发应用已成为管道用钢的热点,管道的服 不同计算方法造成的误差对于ECA评估极限裂纹 役条件日趋严苛.因此,在工程设计中,需要有严格 尺寸的影响,为管线工程设计中断裂韧性的选取方  的设计准则和依据以达到优化的安全裕度和精确的 法提供参考意见.服役寿命,然而在焊接结构中,缺陷的出现是不可避  试 验 免的.目前,基于断裂力学的“合于使用”原则 ,通 1过ECA评估允许未造成安全问题缺陷的存在,在保 试验采用API X70管线钢,化学成分见表1(Fe 证结构安全服役的前提下极大的提高了材料的利用 余量).从外径711 mm,壁厚12.5 mm管道沿管径 效率,同时也降低了制造周期和成本. 管线钢实际服役条件下的主要失效模式是由膜 向截取拉伸试样和SENT试样,考虑到材料的各向 应力而非弯曲应力引起的 '3 J,鉴于此,使用单边缺 异性,取样方向为管径轴向.鉴于文中工作重点为 口拉伸试样(SENT)代替单边缺口弯曲试样(SENB) 不同CTOD计算方法误差对管线工程设计中极限裂 能更好地模拟管线钢环焊缝实际服役条件下裂纹尖 纹尺寸进而对安全裕度设计的影响,因此选用母材 端的约束情况.对于SENT试样断裂韧性的计算,有 试样进行试验,以减少由于焊缝组织不均匀造成的  以下几种方法:DNV-OS—F101(2010),Shen&Tyson 数据分散性.法,Moreira&Donato法,Ruggieri法以及DNV-OS— F101(2000)给出的双引伸计法.但是,对于同一组 表1 X70化学成分(质量分数,%) Table 1 Chemical composition of)c70% C Si S P 0.01l Mn Ni Cr Nb 试验数据曲线使用以上五种不同方法计算得到的裂 纹尖端张开位移CTOD值是有明显差别的.再者, 在ECA评估中,CTOD值的准确与否将直接导致设 计安全裕度和服役寿命的误差.Philipaa L发现硅胶 0.061 0.24 0.000 9 1.53 0.21 0.024 0.038 复刻技术直接测得到CTOD值与双引伸计法计算值 1.1拉伸性能试验 使用原始标距50 mm,直径10 mm的标准试样 收稿日期:2015—04—07 基金项目:国家自然科学基金项目(51305295);国家教育部博士点 专项基金(20130032120006) 在MTS一810电液伺服材料试验机上按位移控制加载 方式(5 mm/min)进行拉伸试验,经试验测得所用 60 焊 接 学 报 第38卷 API X70材料的下屈服强度为R乩=546 MPa,抗拉 强度R =605 MPa,依据式(1)和式(2)对试验测得 丁程 力应变『抖1线进行真应力应变的转换,南 如图3所示,采用位移控制加载方式进行试验直至 试样失效断裂,试验速度为l mm/min. 式(3)对真应力应变曲线进行拟合,得硬化指数n= 4.27.其应力应变fH1线如图l所示. = 0(1+ 0) =(1) (2) (3) Ln(1+ 【)) ( )“ : = L—— j, 0 (丁() 式一{I: 为原始应力; 为原始应变;s。为真应变; 为真f 力. 真应变ep/(mrn ll'lm 1 图1 真应力应变曲线 Fig.1 True stress—true strain cu rve for X70 stee 1.2 SENT试验 试样几何形状及 寸如图2所示,首先机加丁 引入深度2 mm贯穿厚度缺口.依据ASTM E1820 窜温下预制疲劳裂纹;围内外大量T作 指m 面内拘束a/W对CTOD值有极大影响,为保证初始 裂纹K度一致性,试验后观察断口进行测量,选取初 始裂纹长度a/W=0.4±0.02的三个试样作为有效 试样. 图2试样尺寸示意图(mm) Fig.2 Schematic of specimen dimensions 试验在室温下CSS.300B万能电子试验机上进 行,采』{_】销加载形式,双刀【_J高度分别为/7-,,=1.5 Illfll, -71=3.8 lnln,试验加载所jH双刀15及双引伸计 图3双引伸计法进行断裂韧性试验 Fig.3 Illustration of fracture toughness test using the double clip gauge methodology 2试验结果及分析 2.1 CTOD计算方法 对于SEN37试样断裂韧性的计算有以下几种方法. (1)DNV OS.FIOI(2010)给 了通过J积分计 算CTOD的方法,即 6 J (4) m( 。。。) 1.221+0.793 +2.751 n_1.418,I (5) 式中:.,为J积分;6为裂纹尖端张开位移;m为无量 纲约束参数;n为应变硬化指数;R 为屈服强度;R 为抗拉强度;n为初始裂纹长度; 为试样宽度.此 公式被认为过于保守,不能准确地计算SENT的断 裂韧性. (2)Shen&Tyson基于DNV—OS—FIOI(2010)的 J CTOD公式,修正并提出了针对SENT试样的无量 纲系数m和硬化指数 即 m ( -1) (6) m A +A (7) 111 B +B (8) A.=一0.129 3+0.1 l5 2n一0.009 86n +0.000 263n (9) A2=3.086 7—0.297n+0.019 4n 0.000 427n (10) 第4期 李一哲,等:单边缺口拉伸试样的断裂韧性计算方法对比 0.000 200n 61 B1=1.016 9—0.063 4n+O.005 67n CTOD值为基准,基于多试样法的思想对各种方法 (11) B2=O。696 9—0.121 6n+O.014 87n 0.000 393n 计算结果取平均值计算相对误差.从表3可以看 出,试验原始数据与各种方法处理后数据分散性都 较小,印证了选用母材进行试验的正确性,有利于进 行后续分析.显然,不同方法计算得到的CTOD值 与双引伸计法相比都存在有较大误差,而Ruggieri (12) 式中:F为加载载荷;Fy为屈服载荷;m。,m。,A。,A , 。,B 为无量纲参量. (3)Moreira&Donato给出了直接通过断裂韧 和Tyson法给出了相对较小的误差,在实际工程设 性试验曲线计算 因子得到CTOD的方法,即 = 【 + ](13 式中: =(ReL+R )/2为流变应力;KI为弹性应 力强度因子;E为弹性模量;“为泊松比; 是加载 位移曲线下的塑性功;r/是用于计算.,积分的塑性 功的无量纲参数; 是试样厚度. (4)Ruggieri提出了基于有限元模拟结果对 因子的修正,即 =1.243 8—2.606 4( )+6.196 3( )一 1.064( )一7.158 5( )+2.974 4( )(14) (5)DNV—OS—F101(2000)给出的双引伸计法, 即 : 4" ̄pl-- cxp2--Xpl 5 式中: pI' p2分别为高低刀口引伸计裂纹嘴张开位 移中的塑性位移部分. 2.2误差分析 试验得到的最大载荷一位移曲线及塑性位移与 塑性消耗功如图4所示 ,其中F一是最大载荷,  ̄COMD是裂纹嘴张开位移. 蕈 挺 稼 曩 裂纹嘴张开位移6 。Jmm 图4位移加载曲线下塑性功的定义 Fig.4 Definition of plastic area under the load-displace- ment curve 试验结果见表2.表3总结了根据各CTOD求 解方法进行计算得到的结果,以双引伸计得到的 计中必须对此问题加以重视. 表2 XT0单边缺口拉伸断裂韧性试验结果(W=9 mm) Table 2 Fracture toughness test results for X70(SENT) a/mm 长度 载麓引Fm 荷,N  位2 ̄pl/mm  移 位% /mm /mm 移 差Xp/mm 值 一/(N.m。 功 、 表3各种计算方法CTOD结果及对比(mm) Table 3 Comparasion of diferent CTOD computing meth・ 2.3不同计算方法下的极限裂纹尺寸 对于各种计算方法存在的较大误差,如果不对 此问题加以重视,而认为各种方法都适用于实际结 构的安全性评估,直接将计算得到的CTOD值应用 于指导实际工程中安全裕度设计,将会导致设计过 于保守或过于危险.拟通过模拟工程实例,依据 BS7910标准《金属结构缺陷验收评定方法导则》,利 用Crackwise 4.0软件进行2A级评定,分析不同 CTOD计算方法下容许缺陷验收值的差异。 评估输入参量如下:外径711 mm,壁厚12.5 ITlm,缺陷类型为外表面裂纹,屈服强度为546 MPa, 抗拉强度为605 MPa.基于以上基准参数,代人各种 方法计算得到的CTOD值计算极限裂纹尺寸 (图5).表4给出了在膜应力300 MPa时对应各种 计算方法得到的临界裂纹尺寸,鉴于工程设计中临 界裂纹高度具有较大敏感性,文中使用临界裂纹高 度表征临界裂纹尺寸.可以看出不同计算方法的缺 陷验收值相对于双引伸计法有高有低,过高或过低 的安全裕度将会使设计过于保守或过于危险,这从 62 焊 接 学 报 目Ⅲ/喈越恒 塔 目 怛 卷 第38卷 工程实际的安全性与经济性考虑都是不可取的.因 算断裂韧性的误差全部大于15%,Moreira法甚至大 此,推荐使用双引伸计法测量SENT试样的断裂韧 于30%.Ruggieri法和Tyson法给出了相对较小的 性,如果试验条件所限无法进行双引伸计测量,对所 误差,在实际工程设计中必须对此问题加以重视. 选取进行CTOD计算的方法进行修正是及其有必 要的. (2)在相同工况下代入不同CTOD值计算了临 界裂纹尺寸,临界裂纹尺寸随着CTOD值的升高而 升高.过高的CTOD值会使缺陷验收标准在相同工 况下相对宽松,造成重大工程事故和灾难性后果. 有鉴于此,确保CTOD值的精确性具有重要意义. 膜应力pm/MPa ] (a)膜应力与缺陷高度 缺陷长度2c/mm (b)缺陷高度与缺陷长度 图5 不同方法下极限裂纹尺寸评估 Fig.5 Critical crack size under diferent methods determi- ning CTOD 表4 各种计算方法的临界裂纹尺寸对比(mm) Table 4 Comparasion of the critical crack size frOm vari- OUS calculation methods 3 结 论 (1)与双引伸计法相比,DNV.OS—F101(2010), Shen&Tyson法,Moreira&Donato法,Ruggieri法计 参考文献: British Standard Institution.Guide to methods for assessing the ac— ceptability of flaws in metlalic structures[S].British:British Stnadard Institution,2005. Paredes M,Ruggieri C.Further results in J and CTOD estimation procedur] es for SE(T)f] ract]ure speci ]mens— part II:wel] d centerline ]cracks[J].Engineering Fracture Mechanics,2012,89:24—39. Chen Y,Lambert S.Analysis of ductile tearing of pipeline—steel in single edge notch tension specimens[J].International Journal of Fracture,2003,124(3):179—199. 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Meshii T,Lu K,Takamura R.A failure criterion to explain the test specimen thickness effect on rfacture tou【ghness in the transition temperature region[J].Engineering Fracture Mechanics,2013, lO4(15):184—197. 作者简 介:李一哲,男,1992年出生,博士研究生.主要从事焊接结 构的强度和断裂及安全评定.发表论文2篇.Emall:lyz@tin.edu.cn 通讯作者:龚宝明,男,博士,讲师.Email:gong_bm@tju.edu.cn ]  

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