16mnr鋼夏比尺寸上的0

16mnr鋼夏比尺寸上的0

0astme981斷裂韌性分析方法鐵素鋼有一種彎曲和開裂的現(xiàn)象。隨著溫度的下降，材料在斷裂過程中的破碎強(qiáng)度降低，并且在規(guī)定溫度下獲得的破碎強(qiáng)度分布范圍也相當(dāng)大。近20年來,在定量地預(yù)測鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的斷裂韌性方面已經(jīng)取得了重大的研究進(jìn)展。主曲線法(MasterCurve)已成為一種描述鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性分布的成熟方法,相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)ASTME1921《確定鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的參考溫度T0的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》逐漸被世界各國所接受。主曲線法所需的試樣數(shù)少,ASTME1921標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最少僅需6個(gè)高拘束度的斷裂韌性試樣(一般指1英寸厚的深裂紋SE(B)或CT試樣)就可以確定材料在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)不同失效概率下的斷裂韌性—溫度曲線,見式(1),它由參考溫度T0唯一確定。其中Pf=50%的中值斷裂韌性—溫度曲線被稱為主曲線,見式(2)。主曲線以及5%,95%失效概率曲線見圖3,5,6。KJc(Pf)=20+[-ln(1-Pf)]1/4{11+77exp[0.019(T-T0)]}(1)KJc(med,1T)=30+70exp[0.019(T-T0)](2)式中Pf——累積失效概率T0——參考轉(zhuǎn)變溫度,它特指1英寸厚(1T厚)試樣測得的中值斷裂韌性為100MPa√mm??√時(shí)的溫度主曲線法可以用小于1T的小試樣試驗(yàn),ASTME1921標(biāo)準(zhǔn)允許使用的最小尺寸試樣是預(yù)制裂紋的夏比尺寸試樣(PCVN試樣)。為了判別所測得的斷裂韌性是否受到拘束度下降的影響,ASTME1921給出了斷裂韌性的上限值KJc(limit),認(rèn)為如果某試樣的斷裂韌性不超過KJc(limit),那么此試樣在起裂時(shí)沿著裂紋前緣維持了高拘束的應(yīng)力狀態(tài)。ΚJc(limit)=√Eb0ReLΜ(1-υ2)(3)KJc(limit)=Eb0ReLM(1?υ2)??????√(3)式中E——材料彈性模量b0——試樣的初始韌帶長度ReL——屈服強(qiáng)度M——試樣變形極限,M=b0ReL/J,標(biāo)準(zhǔn)取M=30υ——泊松比,取0.3大于KJc(limit)的數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù),由KJc(limit)代替后,仍然和有效數(shù)據(jù)一起代入ASTME1921提供的統(tǒng)計(jì)公式來計(jì)算T0。ASTME1921希望通過統(tǒng)計(jì)處理的辦法能消除拘束度下降對(duì)T0的影響。為了能夠?qū)⒉煌叽缭嚇拥臄嗔秧g性關(guān)聯(lián)起來,ASTME1921假設(shè)試樣保持高拘束度的應(yīng)力狀態(tài),基于最弱鏈理論給出了一個(gè)簡單的厚度換算式(4),把非1T厚度試樣的斷裂韌性換算到1T厚度:ΚJc(1Τ)=Κmin+(ΚJc(xΤ)-Κmin)(BxΤB1Τ)1/4(4)KJc(1T)=Kmin+(KJc(xT)?Kmin)(BxTB1T)1/4(4)式中BxT——xT厚度B1T——1T厚度KJc(xT)——xT厚試樣測得的斷裂韌性Kmin——取20MPa√mm??√對(duì)于在役設(shè)備及貴重金屬,往往很難獲得大量試驗(yàn)材料,工程界十分希望能用小尺寸的試樣測試得到材料的斷裂韌性,理論上,如能用小尺寸試樣獲取主曲線參考溫度T0,便可得到韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)材料的斷裂韌性分布。但是,近年來一些研究表明,僅僅依靠ASTME1921標(biāo)準(zhǔn)提供的厚度換算公式,很難將小試樣和大試樣的斷裂韌性統(tǒng)一起來。用小尺寸試樣,特別是PCVN試樣確定的T0往往是無效的或者偏低。文中采用國產(chǎn)常用壓力容器用鋼16MnR,使用標(biāo)準(zhǔn)1T-SE(B),0.5T-SE(B)和PCVN試樣研究了試樣尺寸對(duì)主曲線參考溫度T0的影響。運(yùn)用Beremin模型研究了相應(yīng)的拘束度修正方法。1測試方法1.1化學(xué)成分分析文中采用正火處理的40mm厚16MnR熱軋板,材料的夏比沖擊功AKV—溫度曲線如圖1所示,鋼的化學(xué)成分見表1。在16MnR鋼板中,沿L方向取樣,加工圓棒拉伸試樣,在-100℃至室溫的溫度范圍內(nèi)測得材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,結(jié)果如圖2所示。1.2斷裂韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)1T-SE(B),0.5T-SE(B)和PCVN試樣都沿L-T方向從鋼板中取樣。1T和0.5T三點(diǎn)彎試樣的寬度W=2B,三種試樣的跨距S=4W。在試驗(yàn)前預(yù)制疲勞裂紋,名義的初始裂紋深度a0/W≈0.5。斷裂韌性試驗(yàn)參考ASTME1921標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。選取載荷—裂紋嘴張開位移曲線上載荷突降點(diǎn)作為解理起裂的時(shí)刻,計(jì)算試樣的臨界J積分值Jc,并用式(5)轉(zhuǎn)換為彈塑性等效斷裂韌性KJc:ΚJc=√JcE1-υ2(5)KJc=JcE1?υ2??????√(5)1.3表面粗糙度和尺寸斷裂韌性數(shù)據(jù)見表2。對(duì)于1T-SE(B)用多溫度法確定T0,0.5T-SE(B)和PCVN試樣用單溫度法計(jì)算T0。表2中0.5T和PCVN兩種小尺寸試樣測得的T0與標(biāo)準(zhǔn)1T試樣的T0值相差很大。PCVN試樣由于有效試樣數(shù)少于6個(gè),其T0被判為無效,所以PCVN無法用于測試主曲線。按照ASTME1921,1T和0.5T所測的T0都是有效的,但是0.5T的T0比1T的低48℃。如圖3所示,如此大的差異是缺陷評(píng)定工作所無法接受的。ASTME1921提醒標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行者注意,對(duì)于特定的材料強(qiáng)度和試樣尺寸,試驗(yàn)中所得到的較高的斷裂韌性值盡管滿足式(3)的要求,但不一定能保證拘束度效應(yīng)對(duì)T0沒有影響。自1997年出版以來,ASTME1921經(jīng)過多次修訂,關(guān)于拘束度效應(yīng)又增加了一些解釋說明,2003版開始補(bǔ)充了1.3條款,該條款提醒用戶:尺寸效應(yīng)與材料強(qiáng)度有關(guān)。16MnR的屈服強(qiáng)度較低,可能由此導(dǎo)致不同尺寸試樣的拘束度差異很大,16MnR鋼的主曲線T0對(duì)試樣的尺寸非常敏感。ASTME1921建議使用小試樣試驗(yàn)時(shí),采取降低試驗(yàn)溫度的方法來避免拘束度的下降。但是表2的16MnR鋼的小試樣試驗(yàn)溫度T=-100℃已接近|T-T0|≤50℃的下限,不能進(jìn)一步降溫進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)這種情況,標(biāo)準(zhǔn)一直沒有提供明確的解決方法。Joyce等認(rèn)為,式(3)規(guī)定的M=30對(duì)于三點(diǎn)彎試樣不夠保守,M至少取150。但如果將M定為150,則10個(gè)0.5T-SE(B)中僅有2個(gè)試樣有效,必須補(bǔ)充更多的試驗(yàn)才有可能獲得不少于6個(gè)有效數(shù)據(jù)。而PCVN試樣則更不可能用來測試主曲線。雖然ASTME1921沒有直接提供拘束度修正的方法,但是標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)拘束度修正的參考文獻(xiàn)促使筆者嘗試用Beremin模型解決如何用小試樣確定T0的問題。2基于beremin模型的限制度修改2.1—Beremin模型簡介Beremin模型使用雙參數(shù)Weibull分布函數(shù)定量地關(guān)聯(lián)σw應(yīng)力與累積失效概率Pf之間的關(guān)系:Ρf(σw)=1-exp[-(σwσu)m](6)Pf(σw)=1?exp[?(σwσu)m](6)式中σw——Weibull應(yīng)力,是解理斷裂的驅(qū)動(dòng)力m——材料參數(shù),與材料中微裂紋的尺寸分布有關(guān)σu——材料參數(shù),材料的局部解理斷裂阻力σw=m√∫Vpl(σ1)mdvv0(7)σw=m∫Vpl(σ1)mdvv0??????????√(7)式中σ1——該結(jié)構(gòu)彈塑性有限元分析中各單元的最大主應(yīng)力值dv——該單元的體積v0——參考體積,一般取(50μm)3Vpl——裂尖或缺口尖端的塑性區(qū),一般取σ1>(1～2)ReL(ReL為材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度)的區(qū)域Beremin模型非常適合用于解決解理斷裂的拘束度問題,模型認(rèn)為不同的結(jié)構(gòu)的σw相等時(shí),兩者的失效概率相等,所以此時(shí)它們的斷裂韌性也是等價(jià)的,以此實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)間的斷裂韌性關(guān)聯(lián)。2.2ethod的標(biāo)定文中使用ABAQUS對(duì)不同尺寸的三點(diǎn)彎試樣進(jìn)行三維彈塑性有限元分析,用試樣解理起裂時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變分布來計(jì)算σw。斷裂韌性試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子KJ采用ASTME1921提供的方法計(jì)算,即通過模型中壓頭上的載荷—裂紋嘴的張開位移CMOD曲線計(jì)算。Ruggieri提出了一種稱為Toughnessscalingmethod的方法標(biāo)定Beremin模型參量,其基本原理是:分別準(zhǔn)備兩組高低拘束度的斷裂韌性數(shù)據(jù),尋找某m值,使得基于相同的σw把一組低拘束度試樣B的斷裂韌性數(shù)據(jù)的Weibull尺度參量K0B換算到代表高拘束度的A試樣之后,可以與A試樣的K0A相等。標(biāo)定步驟:(1)在Weibull坐標(biāo)圖內(nèi)通過線性擬合,分別獲得0.5T-SE(B)和PCVN試樣的斷裂韌性數(shù)據(jù)的三參數(shù)Weibull尺度參量K0(0.5T)=126.9MPa√m?Κ0(ΡCVΝ)=208.5ΜΡa√m;(2)取一系列的m=6,7,8等,通過式(7)計(jì)算σw,基于相同的σw,建立KJc(PCVN)與KJc(0.5T)的關(guān)系曲線,如圖4所示;(3)通過這組曲線,內(nèi)插標(biāo)定得到m=7.3,此時(shí)PCVN試樣的K0折算到0.5T尺寸后等于0.5T-SE(B)的K0(0.5T)=126.9MPa√m。因?yàn)棣襲是對(duì)應(yīng)Pf=63.2%的Weibull應(yīng)力,所以計(jì)算載荷KJ=K0(0.5T)或K0(PCVN)時(shí)的Weibull應(yīng)力,得到σu=6193MPa。2.3tpvn試驗(yàn)結(jié)果用m=7.3,將試驗(yàn)的KJc(0.5T)和KJc(PCVN)的斷裂韌性修正到1T-SE(B)尺寸下,結(jié)果見表3,4。圖5示出,PCVN試樣在修正后確定的T0=-68℃,與1T-SE(B)試樣的T0較吻合,僅相差5℃。圖6示出,0.5T-SE(B)修正后T0=-75℃,雖然沒有完全與1T-SE(B)的T0一致,但兩者間的差異大幅縮小至12℃。3材料的斷裂韌性測試主曲線法要求解理起裂于J積分參量的主導(dǎo)區(qū),即試樣裂尖要保持高拘束的應(yīng)力狀態(tài)。這樣才能保證得到的T0與試樣尺寸無關(guān),是材料的性能。ASTME1921認(rèn)為式(3)中M取30,解理起裂時(shí)的裂尖應(yīng)力場就不會(huì)明顯地低于高拘束的應(yīng)力狀態(tài)。因?yàn)镸越大,要求試樣尺寸就越大,所以標(biāo)準(zhǔn)取M=30也是為了能夠使用比1T小的試樣測試主曲線,甚至有希望使用PCVN試樣。但是筆者研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于16MnR鋼,如果參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的M=30,應(yīng)該認(rèn)為9個(gè)KJc(0.5T)數(shù)據(jù)都滿足J主導(dǎo)的有效性,僅需按式(4)簡單厚度修正后就可得到KJc(1T)。但實(shí)際上,經(jīng)簡單厚度修正后的斷裂韌性明顯大于1T試樣的實(shí)測斷裂韌性值。假如沒有1T-SE(B)的T0作比較,誤認(rèn)為0.5T-SE(B)的T0是材料性能,將會(huì)明顯高估材料在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性分布。因此,文中借助了Beremin模型,假設(shè)在材料不充足的情況下,不參考1T大試樣,由0.5T-SE(B)和PCVN試樣分別代表高低兩種拘束水平,先標(biāo)定Beremin模型參量,用標(biāo)定的參量再將0.5T和PCVN試樣的斷裂韌性修正到1T尺寸。如前所述,0.5T-SE(B)修正后的T0大幅接近1T-SE(B)的T0,兩者間的偏差可能是由于0.5T-SE(B)試樣數(shù)較少,導(dǎo)致它確定的T0的不確定度大一些。更重要的是,原來無法計(jì)算T0的PCVN試樣經(jīng)修正后,它的T0與1T試樣的結(jié)果吻合得很好。加工0.5T-SE(B)和PCVN試樣所消耗的材料體積相當(dāng)于約1.5個(gè)1T-SE(B),而若用大試樣測試T0則至少需要6個(gè)1T-SE(B)試樣。如果從斷裂后的0.5T-SE(B)中截取PCVN試樣,則更節(jié)省材料。Wallin等和Joyce等通過試驗(yàn),Petti等通過數(shù)值模擬的研究都指出C(T)試樣的拘束度比SE(B)略高,如果希望在工程中避免使用復(fù)雜的Beremin模型,建議研究用小尺寸CT試樣測試T0。如果提供試驗(yàn)材料的數(shù)量非常有限,例如在準(zhǔn)備核反應(yīng)堆壓力容器的輻照監(jiān)督試樣時(shí),將可能用小尺寸C(T)試樣取代PCVN試樣。4結(jié)論(1)確定t0的斷裂韌性T