CN101975702A - 一种金属焊缝冲击功试验及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属焊缝冲击功试验及计算方法，本发明包括一、计算金属焊缝冲击试样的细晶比例，二、对金属母材和金属焊缝处进行冲击试验，三、计算金属母材、金属焊缝的冲击功和比例常数k，四、目标金属焊缝的冲击功计算，按照公式(4)：e＝f×k×E，计算得目标金属焊缝的冲击功e；本发明可以减少过程繁琐的重复性试验，节约大量试验材料，降低试验成本。

Description

一种金属焊缝冲击功试验及计算方法

技术领域

本发明涉及一种金属焊缝冲击功试验及计算方法。

背景技术

金属材料的冲击韧性一般通过标准冲击试验来获取冲击功的办法得到。冲击试验是将金属材料加工成一定形状的试样，试样在冲击荷载作用下产生冲击断裂，根据吸收功的大小，结合断口特征来评定材料的冲击性能。在室温下进行冲击试验一般采用国家标准GB/T229-1994《金属夏比冲击试验方法》；若按试样的缺口形状，可分为“U”型缺口和“V”型缺口两种冲击试验，现有技术中，金属焊缝处的冲击功值计算需要每次对金属焊缝进行冲击试验，这种方法试验成本大、过程繁琐并且由于试样缺口在加工过程中的不规则，对冲击韧性的结果产生比较大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种易操作的金属焊缝冲击功试验及其计算方法。

本发明的技术方案是，其包括

(一)、计算金属焊缝冲击试样的细晶比例：

取n个55mmx10mmx10mm的进行冲击试验前的金属焊缝，采用下述公式(1)计算n个金属焊缝冲击试样的细晶比例，

$f_n=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(1)

其中，S_i为金属焊缝冲击试样侧面处第i段细晶的长度，单位为mm；L为金属焊缝冲击试样侧面的长度，单位为mm；

(二)、对金属母材和金属焊缝处进行冲击试验，试验步骤是：

取m个55mmx10mmx10mm金属母材冲击试样和上述n个55mmx10mmx10mm金属焊缝冲击试样，使其具有V型或U型缺口，分别在夏比冲击试验机上处于简支梁状态，以夏比冲击试验机举起的摆锤作一次冲击，使所述金属母材和金属焊缝沿缺口冲断；

(三)、计算金属母材、金属焊缝的冲击功和比例常数k：

(1)、在夏比冲击试验机上分别记录金属母材的冲击功E_m和金属焊缝的冲击功e_n，计算金属母材的平均冲击功

单位为焦耳；

(2)、采用下述公式(2)计算k_n值，

$k_n=\frac{e_n}{f_n\×E}$ 公式(2)

其中，e_n为金属焊缝的冲击功，单位为焦耳，f_n为金属焊缝处的细晶比例，E为金属母材的平均冲击功；

然后计算比例系数k值 $k=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{k}_n}{n};$

(四)、目标金属焊缝的冲击功计算

(1)通过上述试验获得金属母材冲击功的前提下，对目标金属焊缝断面或表面进行宏观金相观察，

(2)采用如下方法计算冲击功：

a、采用下述公式(3)计算目标金属焊缝侧面的细晶比例，

$f=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(3)

其中，S_i为金属焊缝侧面处第i段细晶的长度；L为金属焊缝侧面的长度；

b、采用下述公式(4)计算目标金属焊缝冲击功值，

e＝f×k×E    公式(4)

其中，e为目标金属焊缝冲击功值，单位为焦耳，f为公式(3)的计算值，E为所述金属母材的平均冲击功值，单位为焦耳，k值为上述步骤(三)计算的比例常数k值。

在多层焊的厚板焊缝中，存在着后焊焊道对先焊焊道的再热作用问题，原始柱状晶组织根据所受再热温度的不同转变成不同类型的再热组织的区域，形成等轴细晶，在焊缝的整个断面上细晶与柱状粗晶随焊层交替分布，这样标准冲击金属焊缝的断面上，不仅存在粗晶区而且还存在细晶区，简化的冲击金属焊缝粗细晶的分布如附图所示，s1、s2、s3为细晶长度，L为断面的长度，采用公式(3)对冲击试样断面细晶比例进行量化：

$f=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(3)

式中：S_i为第i段细晶的长度；L为断面的长度。(S_i、L的单位是毫米)

晶粒大小对金属性能的影响，实际上是晶界对位错运动的影响。位错在晶体中运动有两种方式：滑移和攀移。只有刃型位错才能发生攀移运动，螺型位错不发生攀移。位错攀移是一个热激活过程，通常只有在高温下攀移才对位错的运动产生重要的影响，常温下它的贡献不大。位错的滑移是在切应力作用下进行的，只有当滑移面上的切应力分量达到一定值后位错才能滑移。晶界上存在晶格畸变，原子排列相对无序，也比较稀疏一些，对位错运动起阻耐作用。晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻力就越大，金属的强度就越高。此外晶粒越细，位错塞积造成的应力集中也小，所以金属的塑性也得到改善。这种强化方式称为细晶强化，细晶强化可以使强度和塑性同时得到改善。冲击试验综合衡量了冲击载荷的情况下金属的强度和塑性，用试样断裂所消耗的功来表示。厚板结构焊接时大多采用多层焊，存在着后焊焊道对先焊焊道的再热作用，先焊焊道的一部分柱状晶会形成细晶。当整个焊缝柱状粗晶与细晶的比例发生变化时，整个焊缝的韧性也必将发生变化。试验结果也表明细晶占有率越高，试样的冲击韧性越高，与母材的冲击功成正的相关关系。在焊接过程中，柱状粗晶一般不可避免，可以通过冲击试样断面细晶比例与母材的冲击功对焊缝冲击功进行计算。

当焊后热处理条件一定的情况下，已知金属母材的冲击功值为E，利用公式(4)对目标金属焊缝的冲击韧性进行计算：

e＝f×k×E    公式(4)

式中：e为焊缝预测冲击功值，单位为焦耳；f为由公式(3)得出的细晶比例；k为比例系数0～1，根据不同材料由上述试验确定；E为金属母材的平均冲击功，单位为焦耳。

本发明的有益效果是依据焊缝细晶比例计算其冲击功值的方法是一种非物理性试验的方法，是一种无损检测的方法。对同一种材料而言，通过一次试验求出k值后，根据公式可以从宏观金相的角度对焊缝的冲击韧性进行评估，对于一种新材料只需要做一系列试验，求出K值就可以计算焊缝的冲击功，否则，同样材料用在不同场合，都需要做这些试验来考察焊缝的冲击功，从而可以减少过程繁琐的重复性试验，节约大量试验材料，降低试验成本。

附图说明

附图为冲击金属试样粗细晶分布概图；

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明进行进一步说明，

一、取编号为1-8的P92钢焊缝冲击试样，对其两侧面进行宏观金相观察，根据公式(1)计算其细晶比例f_n，计算后如表2所示。

$f_n=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(1)

其中，S_i为P92钢焊缝侧面处第i段细晶的长度，单位为mm；L为P92钢焊缝侧面的长度，单位为mm；

二、对编号为A、B和C的P92钢母材进行冲击试验，试验步骤是：

取编号为A、B和C的3个55mmx10mmx10mm的P92钢母材和上述编号为1-8的8个55mmx10mmx10mm的P92钢焊缝，使其具有V形缺口，在夏比冲击试验机上处于简支梁状态，以夏比冲击试验机举起的摆锤作一次冲击，使试样沿缺口冲断。

三、计算金属母材、金属焊缝的冲击功和比例系数k：

(1)、从夏比冲击试验机上读出编号为A、B和C的P92钢母材的冲击功值，如表1所示，求得母材冲击功平均值E＝(E_a+E_b+E_c)/3＝169.3J。

表1P92钢母材冲击功

从夏比冲击试验机上读出编号为1-8的P92钢焊缝的冲击功值，如表2所示。

已知P92钢母材冲击功E＝169.3J，对P92钢焊缝根据公式(2)求出第n个试样的k_n值，

$k_n=\frac{e_n}{f_n\×E}$ 公式(2)

其中，e_n为P92钢焊缝的冲击功，单位为焦耳，f_n为P92钢焊缝处的细晶比例，E为P92钢母材的平均冲击功；

表2P92钢焊缝细晶比例焊缝冲击功关系表

经计算得k_n的平均值为 $k=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{k}_n}{n}=0.819,$

根据上述试验和计算得，P92钢母材的冲击功值E为E＝169.3J，P92钢焊缝的比例常数k＝0.819。

四、取需要测算冲击功的目标P92钢焊缝，在其表面上对尺寸为55mmx10mmx8mm的区域进行宏观金相观察，测量在8mmm假定的开裂线上的细晶长度，经观测得金属焊缝假定断裂面即侧面处有3段细晶的S1、S2和S3长度为1.0mm、1.1mm和1.1mm，金属焊缝侧面的长度L为8mm；按照公式(3)计算得f＝40％，

$f=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(3)

其中，S_i为金属焊缝侧面处第i段细晶的长度；L为金属焊缝侧面的长度；

再根据P92钢焊缝冲击功计算公式(4)计算得目标P92钢焊缝冲击功e＝55.46J。

e＝f×k×E(f＝40％、k＝0.819、E＝169.3J)公式(4)

Claims (1)

1.一种金属焊缝冲击功试验及计算方法，其特征是，

(一)、计算金属焊缝冲击试样的细晶比例：

取n个55mmx10mmx10mm的进行冲击试验前的金属焊缝，采用下述公式(1)计算n个金属焊缝冲击试样的细晶比例，

$f_n=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(1)

其中，S_i为金属焊缝冲击试样侧面处第i段细晶的长度，单位为mm；L为金属焊缝冲击试样侧面的长度，单位为mm；

(二)、对金属母材和金属焊缝处进行冲击试验，试验步骤是：

取m个55mmx10mmx10mm金属母材冲击试样和上述n个55mmx10mmx10mm金属焊缝冲击试样，使其具有V型或U型缺口，分别在夏比冲击试验机上处于简支梁状态，以夏比冲击试验机举起的摆锤作一次冲击，使所述金属母材和金属焊缝沿缺口冲断；

(三)、计算金属母材、金属焊缝的冲击功和比例常数k：

(1)、在夏比冲击试验机上分别记录金属母材的冲击功E_m和金属焊缝的冲击功e_n，计算金属母材的平均冲击功

单位为焦耳；

(2)、采用下述公式(2)计算k_n值，

$k_n=\frac{e_n}{f_n\×E}$ 公式(2)

其中，e_n为金属焊缝的冲击功，单位为焦耳，f_n为金属焊缝处的细晶比例，E为金属母材的平均冲击功；

然后计算比例系数k值 $k=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{k}_n}{n};$

(四)、目标金属焊缝的冲击功计算

(1)通过上述试验获得金属母材冲击功的前提下，对目标金属焊缝断面或表面进行宏观金相观察，

(2)采用如下方法计算冲击功：

a、采用下述公式(3)计算目标金属焊缝侧面的细晶比例，

$f=\frac{\mathrm{\Σ}\left(S_i\right)}{L}\×100\%$ 公式(3)

其中，S_i为金属焊缝侧面处第i段细晶的长度；L为金属焊缝侧面的长度；

b、采用下述公式(4)计算目标金属焊缝冲击功值，

e＝f×k×E    公式(4)

其中，e为目标金属焊缝冲击功值，单位为焦耳，f为公式(3)的计算值，E为所述金属母材的平均冲击功值，单位为焦耳，k值为上述步骤(三)计算的比例常数k值。

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