CN114781113B - 一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型及其构建方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的建立方法及其应用，属于金属材料抗断性能测试技术领域。本申请依据能量守恒原理，分析所述高强钢厚板在梯度温度型双重拉伸试验中驱动裂纹扩展的能量和阻止裂纹扩展的能量，通过设定假设条件，建立能量守恒关系式；依据力平衡原理，基于裂纹止裂时其尖端附近的外加应力场与材料的断裂强度相等，建立力平衡关系式；依据线性叠加理论，综合能量守恒关系式和力平衡关系式，获得高强钢厚板止裂温度的预测模型。本发明从裂纹止裂过程出发，通过能量守恒分析和力平衡分析，综合考虑了材料的断裂强度、无塑性转变温度和板厚对止裂温度的影响，具有物理机理明确、方程形式简洁、预测精度高等优点。

Description

一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型及其构建方法和 应用

技术领域

本发明涉及金属材料抗断性能测试技术领域，具体涉及一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型及其构建方法和应用。

背景技术

近二十年来，船舶与海工装备的日益大型化对高强度、大厚度钢板提出了迫切需求，如目前已投入运营的24000箱级超大型集装箱船所用钢板的最高强度已达460MPa级、最大板厚规格已达95mm。随着强度的升高和板厚规格的增大，钢板的抗断性能下降，安全可靠性问题突出。为保证结构的安全，国际船级社协会(IACS)要求大型集装箱船舷侧列板、甲板边板关键部位用高强度厚钢板(板厚≥50mm)必须具有止裂性能，即结构中一旦产生脆性裂纹，钢板能够将其止住，从而避免灾难性破坏。

目前，评价高强度钢厚板止裂性能的试验方法主要分为两类：一类是以双重拉伸试验、ESSO试验等为代表的大尺寸试验方法；一类是以夏比冲击试验、落锤试验等为代表的小尺寸试验方法。第一类方法所用试样为原板厚大尺寸试样，试验条件与实际使用条件接近，所得结果能够较好地反映钢板的实际止裂性能，但对设备要求高、试验周期长、费用昂贵；第二类试验方法操作简便、试验周期短、试验成本低，但由于所用试样尺寸小、试验条件与实际使用条件不一致，所得结果与钢板实际止裂性能之间往往存在较大偏差。在对高强度厚板进行止裂性能认证时，为准确评估钢板的止裂性能，须采用第一类试验方法，所得结果的指标值在IACS的统一要求UR W31《YP47厚板及脆性裂纹止裂板》中已有明确规定；在钢板生产质量控制和供货检验时，由于第一类试验方法过于昂贵，须采用第二类试验方法，但为了使试验结果能够尽可能的反映实际止裂性能，必须给出合适的检验指标值，这就需要建立小尺寸试验方法与大尺寸试验方法的相关性，从而依据大尺寸试验方法的结果来确定小尺寸试验所测结果的要求值，也即要给出一种基于小尺寸试验方法的止裂性能预测模型。

止裂性能的表征参量主要包括止裂温度和止裂韧性两种。前者本质上属于韧脆转变温度范畴，表征了裂纹发生止裂时的最低温度值；后者则基于线弹性断裂理论，表征了裂纹发生止裂时所需的最低韧度值。前期，Weisner等人提出了双重拉伸试验测得的止裂温度与落锤试验测得的无塑性转变温度之间的相关性公式(文献：Predicting structuralcrack arrest behavior using small-scale material characterization tests[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1996,69:185-196.)，Nishizono等人提出了ESSO试验测得的止裂韧性与小尺寸三点弯曲试验测得的转变温度之间的相关性公式(文献：A simplified method for evaluation of brittle crackarrest toughness of steels in scaled-down bending tests[J].EngineeringFracture Mechanics,2019,215:99-111.)，薛钢等人给出了双重拉伸试验测得的止裂韧性与侧面落锤试验测得的无塑性转变温度之间的相关性公式(文献：高强度厚钢板止裂韧性Kca与常规力学性能的相关性分析[J].材料开发与应用，2018,33[2]：1-7.)。对于船用高强钢厚板(板厚≥50mm)，上述公式主要存在两方面不足：一是部分公式主要基于厚度不超过40mm钢板的试验数据建立，对于厚板的适用性较差；二是部分公式主要通过数据回归拟合获得，物理机理不明确。

建立基于小尺寸试验方法的准确的止裂性能预测模型对于高强钢厚板的生产质量控制和供货检验具有重要意义。相较于止裂韧度，止裂温度作为表征参量往往更为直观简洁。从公开的文献来看，对于止裂温度的预测模型主要基于试验数据的回归拟合，基于止裂试验过程的物理机制的预测模型尚未建立。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型及其构建方法和应用，目的是从梯度温度型双重拉伸试验过程的物理机理出发，综合考虑强度、板厚和无塑性转变温度对裂纹止裂行为的影响，提供一种基于小尺寸拉伸试验和落锤试验的止裂温度预测模型，进而为高强钢厚板止裂性能控制和供货检验提供有力的技术支撑。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法，包括如下步骤：

S1、依据能量守恒原理，通过分析所述高强钢厚板在梯度温度型双重拉伸试验中驱动裂纹扩展的能量和阻止裂纹扩展的能量，设定假设条件，建立能量守恒关系式；

S2、依据力平衡原理，基于高强钢厚板在梯度温度型双重拉伸试验中裂纹止裂时其尖端附近的外加应力场与材料的断裂强度相等，建立力平衡关系式；

S3、依据线性叠加理论，综合所述能量守恒关系式和所述力平衡关系式，获得所述高强钢厚板止裂温度的预测模型。

进一步地，所述步骤S1中，所述驱动裂纹扩展的能量是指：裂纹初始动能、外加载荷做功以及裂纹扩展过程中主拉伸板释放的弹性应变能，所述阻止裂纹扩展的能量是指：裂纹表面能、扩展和止裂过程中尖端区域的累积塑性功。

进一步地，所述步骤S1中，设定假设条件是指：由于裂纹从起裂至止裂所需时间极短，试验机夹头未发生明显位移，外加载荷做功设为零；裂纹初始动能与主拉伸板释放的弹性应变能相比，裂纹初始动能要小得多，裂纹初始动能设为零；由于高强钢厚板扩展和止裂过程中尖端区域的累积塑性功比裂纹表面能高若干个数量级，裂纹表面能可忽略，裂纹初始动能设为零。

进一步地，所述能量守恒关系式为：

式中，E为弹性模量，△T为温度梯度，σ为主拉伸应力，t为板厚，T_NDT为无塑性转变温度，A为韧脆转变上平台能量，B为韧脆转变下平台能量，D为与韧脆转变区宽度相关的参数，T_i为冷端温度。

进一步地，所述步骤S2中，结合止裂韧度K_ca公式：

T_K与K_ca两者之间关系式/>

得到力平衡关系式为：

式中，K₀、T₀为待定参数，σ为主拉伸应力，a为裂纹止裂长度，W_s为试样宽度。

所述步骤S3中，预测模型为：

式中，T_NDT为无塑性转变温度，t为板厚，R_f为断裂强度，α、β、γ为待定参数。

本申请同时提供一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型，采用如上所述的一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法构建得到。

本申请同时提供一种船用高强钢厚板止裂温度的预测方法，包括如下步骤：

步骤1、对生产线先期生产的若干个批次和板厚规格的钢板分别开展梯温型双重拉伸试验、厚板心部位置的拉伸试验和落锤试验，测得止裂温度T_K、断裂强度R_f和无塑性转变温度T_NDT，代入如上所述的预测模型中，通过最小二乘法进行拟合，确定待定参数α、β、γ、δ的值，得到预测模型计算公式；

步骤2、对同一生产线后续生产的钢板，仅通过厚板心部位置的拉伸试验和落锤试验，获得断裂强度R_f和无塑性转变温度T_NDT，代入步骤1的预测模型计算公式，得到止裂温度T_K，以确定是否满足规范的要求。

进一步地，所述钢板的板厚为50mm～95mm。

采用以上技术方案，本申请可达到以下有益效果：本发明从裂纹止裂过程出发，通过能量守恒分析和力平衡分析，综合考虑了材料的断裂强度、无塑性转变温度和板厚对止裂温度的影响，具有物理机理明确、方程形式简洁、预测精度高等优点。

在船用高强钢厚板生产质量控制和供货检验过程中，通过对先期生产的几个批次和板厚规格的钢板分别开展梯温型双重拉伸试验、厚板心部位置的拉伸试验和落锤试验，测得止裂温度T_K、断裂强度R_f和无塑性转变温度T_NDT，代入本发明的预测模型中确定待定参数α、β、γ、δ的值。在后续生产和供货中，无需再进行大尺寸的梯温型双重拉伸试验，仅通过厚板心部位置的拉伸试验和落锤试验便可评估钢板的止裂性能是否满足URW31规范的要求。本申请能够对板厚为50至95mm的高强钢厚板的止裂性能进行快速、准确的预测，降低了检测成本，缩短了试验周期，为产品质量控制和供货检验提供了技术支撑。

附图说明

图1为本申请中梯温型双重拉伸试验的示意图；

图2为本申请实施例中止裂温度计算值与实测值对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

在本发明船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的研究过程中，所用的大尺寸试验方法是梯度温度型(以下简称“梯温型”)双重拉伸试验，其示意图如图1所示。在梯温型双重拉伸试验中，裂纹从启裂板缺口位置处启裂，扩展进入主拉伸板进而发生止裂(图1)。根据裂纹止裂长度和温度梯度，可计算得到裂纹止裂处的温度T_K，如式(1)所示；根据主拉伸应力和裂纹止裂长度，可计算得到止裂韧度K_ca，如式(2)所示；T_K与K_ca之间满足如式(3)所示的关系。本发明以T_K作为止裂温度参量。

T_k＝T_i+aG_T (1)

式中，T_i为冷端温度，a为裂纹止裂长度，G_T为温度梯度，σ为主拉伸应力，W_s为试样宽度，K₀、T₀为待定参数。

在梯温型双重拉伸试验过程中，裂纹首先满足能量守恒条件，即驱动裂纹扩展的能量和阻止裂纹扩展的能量相等，前者主要包括裂纹初始动能、外加载荷做功以及裂纹扩展过程中主拉伸板释放的弹性应变能，后者主要包括裂纹表面能、扩展和止裂过程中尖端区域的累积塑性功；其次满足力平衡条件，即裂纹止裂时其尖端附近的外加应力场与材料的断裂强度相等。基于这两个平衡条件，本发明首先进行理论分析，确定止裂温度的主要影响因素，在此基础上给出止裂温度预测模型的具体形式。具体的模型建立过程如下：

(1)能量守恒分析。在试验过程中，裂纹从起裂至止裂所需时间很短，试验机夹头未发生明显位移，外加载荷做功可近似为零；同时，与主拉伸板释放的弹性应变能相比，裂纹初始动能要小得多，裂纹初始动能也可近似为零；此外，对于船用高强钢厚板，扩展和止裂过程中尖端区域的累积塑性功往往比表面能高几个数量级，因此表面能也可忽略。故而在能量守恒分析中主要考虑主拉伸板释放的弹性应变能和裂纹尖端累积塑性功，基于弹性力学和韧脆转变特性方程可以建立止裂温度与无塑性转变温度、板厚的相关性方程，具体关系式如式(4)所示。弹性力学和韧脆转变特性方程为现有技术，不再赘述。

其中，E为弹性模量，△T为温度梯度，σ为主拉伸应力，t为板厚，T_NDT为无塑性转变温度，A为韧脆转变上平台能量，B为韧脆转变下平台能量，D为与韧脆转变区宽度相关的参数，T_i为冷端温度。

(2)力平衡分析。裂纹止裂过程中，裂纹止裂时其尖端附近的外加应力场与材料的断裂强度相等，由式(2)和(3)可得到止裂温度与外加应力之间的相关性方程，具体关系式如式(5)所示。

其中，K₀、T₀为待定参数，σ为主拉伸应力，a为裂纹止裂长度，W_s为试样宽度。

(3)预测模型建立。综合能量守恒分析和力平衡分析得到的两个方程(4)和(5)，依据线性叠加理论可以获得止裂温度的预测模型，其具体关系式如式(6)所示。

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其中，T_NDT为无塑性转变温度，t为板厚，R_f为断裂强度，α、β、γ为待定参数。

本申请同时提供一种船用高强钢厚板止裂温度的预测方法，工作过程如下：

1、按UR W31《YP47厚板及脆性裂纹止裂板》对典型批次船用高强钢厚板开展梯温型双重拉伸试验，测得钢板的止裂温度T_K，结果如表1所示。

表1止裂温度T_K测试结果

钢板编号	板厚/mm	T<sub>K</sub>/℃
			1	80	-12.7
2	80	-31.9
			3	60	-44.2
4	90	-23.3
			5	85	-21.5
6	85	-23.4
			7	85	-15.9
8	85	-12.9
			9	80	15.1
10	85	-2.4
			11	90	-16.6
12	90	-1.7
			13	50	-26.0
14	80	-27.1
			15	85	-15.1

2、按GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对船用高强钢厚板开展心部位置的拉伸试验，测得钢板的抗拉强度R_m、断面收缩率Z，进而获得断裂强度R_f(R_f＝R_m(1+Z))，结果如表2所示。

表2断裂强度R_f测试结果

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3、按GB/T 6803-2008《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》对船用高强钢厚板开展心部位置的落锤试验，测得钢板的无塑性转变温度T_NDT，结果如表3所示。

表3无塑性转变温度T_NDT测试结果

钢板编号	板厚/mm	T<sub>NDT</sub>/℃
			1	80	-45
2	80	-55
			3	60	-60
4	90	-55
			5	85	-50
6	85	-60
			7	85	-45
8	85	-45
			9	80	-20
10	85	-35
			11	90	-45
12	90	-35
			13	50	-55
14	80	-80
			15	85	-50

4、将表1、表2和表3中的数据代入式(6)中，利用最小二乘法进行拟合，得到的待定参数值如表4所示，预测模型的形式如式(7)所示。

表4预测模型中待定参数值

参数	α	β	γ	δ
					数值	5.441×10<sup>7</sup>	28.79	7213	1041

5、由式(7)得到的计算值与表1中的实测值的对比如表5和图2所示。可以看出，由预测模型得到的计算值与由梯温型双重拉伸试验得到的实测值的偏差不差过±5℃，表明本发明提出的预测模型能够有效地预测船用高强钢厚板的止裂温度。

表5止裂温度计算值与实测值

钢板编号	板厚/mm	T<sub>K</sub>实测值/℃	T<sub>K</sub>计算值/℃	偏差/℃
					1	80	-12.7	-17.3	-4.6
2	80	-31.9	-34.2	-2.3
					3	60	-44.2	-41.3	2.9
4	90	-23.3	-20.3	3.0
					5	85	-21.5	-24.2	-2.7
6	85	-23.4	-26.3	-2.9
					7	85	-15.9	-18.9	-3.0
8	85	-12.9	-15.7	-2.8
					9	80	15.1	14.5	-0.6
10	85	-2.4	-4.5	-2.1
					11	90	-16.6	-21.2	-4.6
12	90	-1.7	-0.2	1.5
					13	50	-26	-30.7	-4.7
14	80	-27.1	-30.2	-3.1
					15	85	-15.1	-16.9	-1.8

本申请能够对板厚为50至95mm的高强钢厚板的止裂性能进行快速、准确的预测。采用本预测模型，只需对先期生产的几个批次和板厚规格的钢板进行大尺寸试验，在后续的大批量生产或者供货检验中，仅基于小尺寸拉伸试验和落锤试验，即可完成止裂性能的精准检验，降低了检测成本，缩短了试验周期，为高强钢厚板的生产质量控制和供货检验提供了技术支撑。

最后应当说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、依据能量守恒原理，通过分析所述高强钢厚板在梯度温度型双重拉伸试验中驱动裂纹扩展的能量和阻止裂纹扩展的能量，设定假设条件，建立能量守恒关系式；

S2、依据力平衡原理，基于高强钢厚板在梯度温度型双重拉伸试验中裂纹止裂时其尖端附近的外加应力场与材料的断裂强度相等，建立力平衡关系式；

S3、依据线性叠加理论，综合所述能量守恒关系式和所述力平衡关系式，获得所述高强钢厚板止裂温度的预测模型；

所述能量守恒关系式为：

式中，E为弹性模量，△T为温度梯度，σ为主拉伸应力，t为板厚，T_NDT为无塑性转变温度，A为韧脆转变上平台能量，B为韧脆转变下平台能量，D为与韧脆转变区宽度相关的参数，T_i为冷端温度。

2.根据权利要求1所述的一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述驱动裂纹扩展的能量是指：裂纹初始动能、外加载荷做功以及裂纹扩展过程中主拉伸板释放的弹性应变能，所述阻止裂纹扩展的能量是指：裂纹表面能、扩展和止裂过程中尖端区域的累积塑性功。

3.根据权利要求2所述的一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，设定假设条件是指：外加载荷做功设为零；裂纹初始动能设为零。

4.根据权利要求1所述的一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法，其特 征在于，所述步骤S2中，结合止裂韧度K_ca公式：

、T_K与K_ca两者之 间关系式

，得到力平衡关系式为：

式中，K₀、T₀为待定参数，σ为主拉伸应力，a为裂纹止裂长度，W_s为试样宽度。

5.根据权利要求4所述的一种船用高强钢厚板止裂温度的预测模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述预测模型为：

式中，T_NDT为无塑性转变温度，t为板厚，R_f为断裂强度，α、β、γ为待定参数。

6.一种船用高强钢厚板止裂温度的预测方法，其特征在于，包括：

步骤1、对生产线先期生产的若干个批次和板厚规格的钢板分别开展梯温型双重拉伸试验、厚板心部位置的拉伸试验和落锤试验，获得止裂温度T_K、断裂强度R_f和无塑性转变温度T_NDT，代入采用权利要求1-5中任一项构建方法构建的预测模型中，通过最小二乘法进行拟合，确定待定参数α、β、γ、δ的值，得到预测模型计算公式；

步骤2、对同一生产线后续生产的钢板，仅通过厚板心部位置的拉伸试验和落锤试验，获得断裂强度R_f和无塑性转变温度T_NDT，代入步骤1的预测模型计算公式，得到止裂温度T_K，以确定是否满足规范的要求。

7.根据权利要求6所述的一种船用高强钢厚板止裂温度的预测方法，其特征在于，所述钢板的板厚为50mm～95mm。

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