CN110987706A - 利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法 - Google Patents

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崔庆丰
范志超
陈学东
陆戴丁
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Abstract

本发明属于结构完整性评估技术领域，尤其涉及利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法。包括以下步骤：S1、开展系列温度冲击试验，获取材料冲击功转变温度曲线；S2、利用经验关系式，将冲击功转换为断裂韧性；S3、通过ASTM E1921标准中多温度法，计算材料断裂韧性主曲线参考温度。本发明利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，获取材料断裂韧性在韧脆转变区的分布，解决了韧性数据分散性问题。采用断裂韧性计算主曲线参考温度，明确了物理意义。利用转变温度曲线给出的冲击功参与计算，提高了参考温度的估算精度。本方法可实现宽温度区间不同保守程度的材料断裂韧性估算，极大方便铁素体钢制结构的安全评定工作。

Description

利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法
技术领域
本发明属于结构完整性评估技术领域，尤其涉及利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法。
背景技术
材料断裂韧性数据是进行含缺陷结构安全评估不可或缺的重要参数。受到断裂韧性测试费用、试验程序复杂性以及材料获取难易程度限制，实际工程中断裂韧性数据往往无法直接获取。相比之下，冲击功由于程序简单、费用低廉被广泛用于钢材韧性评价。然而冲击功缺少严密的理论基础，无法直接应用于工程设计。过去数十年间，众多科研人员开展了大量相关研究，寻找冲击功与断裂韧性之间的联系。冲击功与断裂韧性在试样大小、缺陷类型以及加载速率方面均存在差异，建立相关转换关系十分困难，目前尚无普遍适用的经验关系式提出。铁素体钢特有的韧脆转变现象使得低温以及脆化服役环境的铁素体钢制结构设备的安全问题备受关注，其中韧脆转变区内材料韧性数据的分散性是影响安全评定结果的关键因素。
现行标准规范推荐的经验关系式大多为冲击功与断裂韧性数值关联，无法处理韧性数据的分散性问题，同时材料适用性差且预测准确性欠佳。主曲线法采用概率统计方法处理材料断裂韧性数据，只要获得参考温度T0，即可得到韧脆转变区内材料断裂韧性的分布。主曲线法可以很好的解决韧性数据分散性问题，该方法已被美国材料试验学会接纳并颁布标准ASTM E1921。利用冲击试验估算材料主曲线参考温度，将为铁素体钢制结构的安全评定工作提供极大的便利。ASTM E1921标准推荐了利用冲击功特征温度估算断裂韧性测试温度的经验关系式，但该关系式仍是依赖于二者数值之间的直接关联，缺少理论背景。标准同时指出该关系式仅用于测试温度初选，试验过程中需要根据试验结果调整测试温度。
综上所述，针对目前工程中冲击功与材料断裂韧性经验关系式的局限性，迫切需要研发一种利用冲击功估算材料断裂韧性主曲线参考温度的新方法。
发明内容
本发明针对铁素体钢韧脆转变区韧性数据分散、冲击功与断裂韧性数值关系式无法适用问题，提出利用冲击功估算材料断裂韧性主曲线参考温度的方法。利用经验关系式将冲击功转换为断裂韧性，依据主曲线标准程序计算断裂韧性参考温度，继而获得材料断裂韧性在韧脆转变区内的分布。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，包括以下步骤：
S1、开展系列温度冲击试验，获取材料冲击功转变温度曲线；
S2、利用经验关系式，将冲击功转换为断裂韧性；
S3、通过ASTM E1921标准中多温度法，计算材料断裂韧性主曲线参考温度。
具体地说，步骤S1中试样的尺寸、类型以及冲击试验程序符合GB/T229-2007的要求。
具体地说，步骤S1中根据铁素体钢冲击功和对应温度形成的数据点，采用双曲正切方程拟合形成冲击功转变温度曲线。
具体地说，将所述冲击功转变温度曲线按照温度从低到高划分为下平台区、转变区、上平台区。
具体地说，步骤S2中的经验关系式为Barsom-Rolfe经验关系式，即为
Figure BDA0002272377380000021
其中KJc为由冲击功估算的断裂韧性值，AKV为冲击功。
本发明利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，获取材料断裂韧性在韧脆转变区的分布，解决了韧性数据分散性问题。采用断裂韧性计算主曲线参考温度，明确了物理意义。利用转变温度曲线给出的冲击功参与计算，提高了参考温度的估算精度。本方法可实现宽温度区间不同保守程度的材料断裂韧性估算，极大方便铁素体钢制结构的安全评定工作。
附图说明
图1为Q345R估算与实测断裂韧性数据分布图。
图2为某焊缝金属估算与实测断裂韧性数据分布图。
图3为A508-3估算与实测断裂韧性数据分布图。
具体实施方式
实施例1
利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，包括以下步骤：
S1、开展系列温度冲击试验，其中试样的尺寸、类型以及冲击试验程序符合GB/T229-2007的要求，在该实施例中材料选取压力容器用钢Q345R。
根据铁素体钢冲击功和对应温度形成的数据点，采用双曲正切方程拟合形成冲击功转变温度曲线。该方案中的曲线方程为：
Figure BDA0002272377380000031
将所述冲击功转变温度曲线按照温度从低到高划分为下平台区、转变区、上平台区。
S2、利用经验关系式，将冲击功转换为断裂韧性；
具体来说，选取转变区中若干温度点，由公式(1)计算冲击功值，利用Barsom-Rolfe经验关系式
Figure BDA0002272377380000032
其中KJc为由冲击功估算的断裂韧性值，AKV为冲击功。将相应温度点下的冲击功转换为断裂韧性，结果如表1所示。
Figure BDA0002272377380000033
表1S3、通过ASTM E1921标准中多温度法，计算材料断裂韧性主曲线参考温度。具体地说，所述的ASTM E1921标准中多温度法的公式为
Figure BDA0002272377380000041
上式中KJc为由冲击功估算的断裂韧性值，Ti为冲击功对应的测试温度，T0为断裂韧性主曲线参考温度；利用表1中断裂韧性数据，通过求解上式迭代计算材料断裂韧性主曲线参考温度。
Q345R估算与实测断裂韧性数据及分布如图1所示，利用冲击功估算得到的断裂韧性数据均匀分布于主曲线附近，图中95％置信度曲线包络了大部分实测断裂韧性数据，表明本发明涉及的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度方法是可行的。利用冲击功估算的参考温度T0＝-79.2℃，实测断裂韧性的参考温度T0＝-89.3℃，冲击功估算值比实测值仅高10.1℃，表明本方法可以给出一个接近且偏保守的参考温度值。
实施例2
利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，包括以下步骤：
S1、开展系列温度冲击试验，其中试样的尺寸、类型以及冲击试验程序符合GB/T229-2007的要求，在该实施例中材料选取某焊缝金属。
根据铁素体钢冲击功和对应温度形成的数据点，采用双曲正切方程拟合形成冲击功转变温度曲线。该方案中的曲线方程为：
Figure BDA0002272377380000042
将所述冲击功转变温度曲线按照温度从低到高划分为下平台区、转变区、上平台区。
S2、利用经验关系式，将冲击功转换为断裂韧性；
具体来说，选取转变区中若干温度点，由公式(2)计算冲击功值，利用Barsom-Rolfe经验关系式
Figure BDA0002272377380000043
将相应温度点下的冲击功转换为断裂韧性，结果如表2所示。
Figure BDA0002272377380000051
表2S3、通过ASTM E1921标准中多温度法，计算材料断裂韧性主曲线参考温度。具体地说，所述的ASTM E1921标准中多温度法的公式为
Figure BDA0002272377380000052
上式中KJc为由冲击功估算的断裂韧性值，Ti为冲击功对应的测试温度，T0为断裂韧性主曲线参考温度；利用表2中断裂韧性数据，通过求解上式迭代计算材料断裂韧性主曲线参考温度。
某焊缝金属估算与实测断裂韧性数据及分布如图2所示，利用冲击功估算得到的断裂韧性数据均匀分布于主曲线附近，图中95％置信度曲线包络了大部分实测断裂韧性数据，表明本发明涉及的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度方法是可行的。利用冲击功估算的参考温度T0＝-82.7℃，实测断裂韧性的参考温度T0＝-90.8℃，冲击功估算值比实测值仅高8.1℃，表明本方法可以给出一个接近且偏保守的参考温度值。
实施例3
利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，包括以下步骤：
S1、开展系列温度冲击试验，其中试样的尺寸、类型以及冲击试验程序符合GB/T229-2007的要求，在该实施例中材料选取压力容器用钢A508-3。
根据铁素体钢冲击功和对应温度形成的数据点，采用双曲正切方程拟合形成冲击功转变温度曲线。该方案中的曲线方程为：
Figure BDA0002272377380000061
将所述冲击功转变温度曲线按照温度从低到高划分为下平台区、转变区、上平台区。
S2、利用经验关系式，将冲击功转换为断裂韧性；
具体来说，选取转变区中若干温度点，由公式(3)计算冲击功值，利用Barsom-Rolfe经验关系式
Figure BDA0002272377380000062
将相应温度点下的冲击功转换为断裂韧性，结果如表3所示。
Figure BDA0002272377380000063
表3
S3、通过ASTM E1921标准中多温度法，计算材料断裂韧性主曲线参考温度。具体地说，所述的ASTM E1921标准中多温度法的公式为
Figure BDA0002272377380000071
上式中KJc为由冲击功估算的断裂韧性值，Ti为冲击功对应的测试温度，T0为断裂韧性主曲线参考温度；利用表3中断裂韧性数据，通过求解上式迭代计算材料断裂韧性主曲线参考温度。
A508-3估算与实测断裂韧性数据及分布如图3所示，利用冲击功估算得到的断裂韧性数据均匀分布于主曲线附近，图中95％置信度曲线包络了大部分实测断裂韧性数据，表明本发明涉及的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度方法是可行的。利用冲击功估算的参考温度T0＝-47.7℃，实测断裂韧性的参考温度T0＝-61℃，冲击功估算值比实测值仅高13.3℃，表明本方法可以给出一个接近且偏保守的参考温度值。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、开展系列温度冲击试验，获取材料冲击功转变温度曲线；
S2、利用经验关系式，将冲击功转换为断裂韧性；
S3、通过ASTM E1921标准中多温度法，计算材料断裂韧性主曲线参考温度。
2.根据权利要求1所述的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，其特征在于，步骤S1中试样的尺寸、类型以及冲击试验程序符合GB/T229-2007的要求。
3.根据权利要求2所述的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，其特征在于，步骤S1中根据铁素体钢冲击功和对应温度形成的数据点，采用双曲正切方程拟合形成冲击功转变温度曲线。
4.根据权利要求3所述的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，其特征在于，将所述冲击功转变温度曲线按照温度从低到高划分为下平台区、转变区、上平台区。
5.根据权利要求1所述的利用冲击功估算铁素体钢断裂韧性主曲线参考温度的方法，其特征在于，步骤S2中的经验关系式为Barsom-Rolfe经验关系式，即为
Figure FDA0002272377370000011
其中KJc为由冲击功估算的断裂韧性值，AKV为冲击功。
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