CN116432429A - 一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，包括如下步骤：步骤一、通过分析不同强度等级的高强度结构钢在冲击试验和动态撕裂中的试验数据，确定冲击吸收能与动态撕裂能的相关性；步骤二、依据冲击吸收能与动态撕裂能的相关性，分析冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度的相关性；步骤三、依据冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度的相关性，以及韧脆转变温度的影响因素，获得动态撕裂韧脆转变温度的预测模型。本发明提出的高强度结构钢的动态撕裂韧脆转变温度的计算模型，能够实现动态撕裂韧脆转变温度的快速预测评估，为高强度结构钢低温脆性倾向评估和抗脆断设计提供技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及材料断裂失效研究领域，具体而言，涉及一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法。
背景技术
断裂是金属材料失效的主要原因之一，为了有效评估金属材料的抗断性能，逐渐形成了以基于韧脆转变温度的韧脆转变评价方法和基于断裂韧性参量的断裂力学评价方法。断裂力学评价方法须通过专门的试验来进行评估，测试方法复杂，试验费用较高，而韧脆转变评价方法测试方法简单，成本较为低廉，已成为评估材料抗断性能最为常用的方法。韧脆转变评价方法主要评价具有韧脆转变特性的金属材料，而工程上常用的高强度结构钢主要为体心立方结构，在温度低于某一特定温度时，断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂，具有明显的韧脆转变特性。低温脆性破坏一般为低应力破坏，裂纹扩展速度极快，一旦发生将引起严重的安全事故，因此，低温脆性研究是高强度结构钢服役安全评价中至关重要的一环。
目前已形成夏比冲击试验、动态撕裂试验、落锤撕裂试验等多种试验方法评估高强度结构钢的韧脆转变特性，通过系列温度试验测得钢板的韧脆转变温度值，并与结构的最低服役温度进行对比，从而评价高强度结构钢用于低温服役环境结构的可行性。夏比冲击试验在检验材料品质、内部缺陷、工艺质量等方面，具有比其他力学性能检验方法更为敏感的优点，是目前评价钢板韧脆转变特性最为常用的试验方法。但夏比冲击试样尺寸较小、裂纹尖锐度较小，其所测得的韧脆转变温度往往高于材料的实际韧脆转变温度。而动态撕裂试样相比于冲击试验试样尺寸更大、缺口尖锐度更高，应力状态更趋于平面应变，力学约束条件更苛刻，与材料的实际使用条件更为接近，因此比夏比冲击试样更能反映材料的韧脆转变特性。但动态撕裂试样(180×40×16mm)相比于冲击试样(55×10×10mm)，试样尺寸更大，试验所需设备的冲击能量更大，若以动态撕裂试验作为高强度结构钢低温韧性的检验方法，实际操作起来将较为繁琐和复杂。
基于此，本发明提出了一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，所述预测方法可以用于预测模型的构建，该预测模型通过冲击韧脆转变温度和化学成分含量即可建立，可实现高强度结构钢动态撕裂韧脆转变温度的快速计算评估。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法。以解决现有技术中动态撕裂试样(180×40×16mm)相比于冲击试样(55×10×10mm)，试样尺寸更大，试验所需设备的冲击能量更大，若以动态撕裂试验作为高强度结构钢低温韧性的检验方法，实际操作起来将较为繁琐和复杂的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，包括如下步骤：
步骤一、通过分析不同强度等级的高强度结构钢在冲击试验和动态撕裂中的试验数据，确定冲击吸收能与动态撕裂能的相关性；
步骤二、依据冲击吸收能与动态撕裂能的相关性，分析冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度的相关性；
步骤三、依据冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度的相关性，以及韧脆转变温度的影响因素，获得动态撕裂韧脆转变温度的预测模型。
该设置的目的是提出高强度结构钢的动态撕裂韧脆转变温度计算模型，通过冲击韧脆转变温度与碳当量实现动态撕裂韧脆转变温度的快速预测评估，避免了以动态撕裂试验检验方法导致实际操作复杂且繁琐的问题，为高强度结构钢低温脆性倾向评估和抗脆断设计提供技术基础。
进一步地，所述预测模型的计算公式为二元一次方程。
进一步地，所述预测模型的计算公式(1)为：
式中，ETT50(DT)——动态撕裂韧脆转变温度，℃；ETT50(KV2)——冲击韧脆转变温度，℃；Ceq——碳当量，α、β、γ——待定参数。
该设置能够快速预测出动态撕裂韧脆转变温度。
进一步地，所述预测模型计算公式为：
式中，ETT50(DT)——动态撕裂韧脆转变温度，℃；ETT50(KV2)——冲击韧脆转变温度，℃；Ceq——碳当量。
进一步地，所述冲击试验参照GB/T 229-2020《金属材料夏比冲击试验》进行。
该设置可提高试验数据的准确定，提高预测模型的精准度。
进一步地，所述动态撕裂试验参照GB/T 5482-2007《金属材料动态撕裂试验方法》进行。
该设置可提高试验数据的准确定，提高预测模型的精准度。
进一步地，具体包括如下步骤：
S1、根据先前生产采集冲击试验和动态撕裂试验的试验数据，计算得到预测模型；
S2、对后续生产的高强度结构钢，仅采集高强度结构钢的冲击韧脆转变温度和碳当量，代入S1的预测模型中，得到动态韧脆转变温度值。
进一步地，步骤S1中包括如下步骤：
S11：通过冲击试验采集不同强度等级的高强度结构钢的试验温度和冲击吸收能量，采用Boltzmann函数对试验温度与冲击吸收能量进行拟合，确定冲击韧脆转变温度ETT50(KV2)；
S12：通过动态撕裂试验采集不同强度等级的高强度结构钢的试验温度和动态撕裂能量，采用Boltzmann函数对试验温度与动态撕裂进行拟合，确定动态撕裂韧脆转变温度ETT50(DT)；
S13：确定不同强度等级的高强度结构钢的合金成分Ceq；
S14：将步骤S11、S12、S13中的数据代入公式(1)中，利用最小二乘法进行拟合，得到待定参数α、β、γ。
进一步地，所述高强度结构钢的强度等级为355-690MPa。
相对于现有技术，本发明所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法具有以下优势：
1)本发明从高强度结构钢韧脆转变自身的特性出发，通过冲击吸收能与动态撕裂能相关性分析和冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度相关性分析，建立了动态撕裂韧脆转变温度和冲击韧脆转变温度与碳当量相关性模型，该预测模型具有物理机理明确、构建简单、使用快捷等优点；
2)本发明在高强度结构钢动态撕裂韧脆转变温度值预测时，通过先前积累的不同强度等级高强度结构钢系列温度夏比冲击和动态撕裂试验数据和合金成分，分析获得冲击和动态撕裂韧脆转变温度ETT50和碳当量Ceq，代入公式(1)中确定参数α、β、γ。在后续的高强度结构钢动态撕裂韧脆转变温度值估算时，无需再进行系列温度动态撕裂试验，仅通过冲击韧脆转变温度和碳当量即可评估高强度结构钢的动态韧脆转变温度值。
附图说明
图1为本发明的温度-动态断裂能的曲线图；
图2为本发明的温度-冲击吸收能的曲线图；
图3为本发明的0℃冲击吸收能量-(0℃)动态撕裂能-的曲线图；
图4为本发明的-40℃冲击吸收能量-(0℃)动态撕裂能的曲线图；
图5为本发明的-60℃冲击吸收能量-(0℃)动态撕裂能的曲线图；
图6为本发明的-20℃冲击吸收能量-(20℃)动态撕裂能的曲线图；
图7为本发明的-40℃冲击吸收能量-(-20℃)动态撕裂能的曲线图；
图8为本发明的-80℃冲击吸收能量-(-20℃)动态撕裂能的曲线图；
图9为本发明的冲击韧性转变温度-动态撕裂韧性转变温度的曲线图；
图10为本发明的动态撕裂韧性转变温度的实测值-动态撕裂韧性转变温度的预测值的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例
一、一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，所述高强钢为船用高强度结构钢，包括构建预测模型，其思路如下：
如图1-2所示，根据冲击试验和动态撕裂试验得到韧脆转变曲线可知，均由上平台区、转变温度区、下平台区三部分构成。上平台对应的能量称为“高阶能”，下平台对应的能量称为“低阶能”，“高阶能”和“低阶能”平均值对应的温度为韧脆转变温度ETT50，韧脆转变温度ETT50作为钢板低温抗脆性断裂性能的一项重要技术指标，是高强度结构钢低温环境下安全评估的一项重要依据。对于高强度结构钢来说，引起材料发生脆性断裂的主要外部因素有三个：环境温度、应力状态和应变速率，温度对材料韧脆转变影响尤为显著，加载速率对中、低强度结构钢韧脆转变行为具有明显影响，对高强度结构钢影响较小，应力状态对材料的韧脆转变行为的影响也尤为显著。对夏比冲击试验和动态撕裂试验来说，影响两者韧脆转变行为差异的主要原因在于材料所受的应力状态，动态撕裂试样由于裂纹更尖锐、试样厚度更大，导致其韧脆转变温度比夏比冲击试样测得的温度更高，但与材料的实际使用情况更为接近，因此也根据实际应用价值。
基于以上分析，本发明通过冲击测得的韧脆转变温度与化学成分含量和动态撕裂韧脆转变温度的相关性分析，建立一种新的动态撕裂韧脆转变温度ETT50计算模型。
二、一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，还具体包括如下步骤：
步骤一、冲击吸收能与动态撕裂能相关性分析
图3-图5所示，为不同强度等级高强度结构钢0℃～-60℃温度下冲击吸收能和0℃温度下动态撕裂能的相关性规律，可知，在0℃～-60℃温度范围内，不同温度测得的冲击吸收能量与0℃温度下动态撕裂能均存在一定的相关性，0℃、-60℃温度下冲击吸收能量与0℃温度下动态撕裂能的离散型较大，相比而言，-40℃温度下冲击吸收能量与0℃温度下动态撕裂能相关性相对较好。
图6-图8所示，为不同强度等级高强度结构钢-20℃～-80℃温度下冲击吸收能和-20℃温度下动态撕裂能的相关性分析，可知，在-20℃～-80℃温度范围内，不同温度测得的冲击吸收能量与-20℃温度下动态撕裂能均存在一定的相关性，-20℃和-80℃温度下冲击吸收能量与-20℃温度下动态撕裂能的离散型较大，-40℃温度下冲击吸收能量与-20℃温度下动态撕裂能存在较为明显的关系。
步骤二、动态撕裂韧脆转变温度计算模型建立
根据冲击吸收能与动态撕裂能相关性分析可知，-40℃温度下冲击吸收能量与0℃温度下动态撕裂能存在较为明显的关系，-40℃温度下冲击吸收能量与-20℃温度下动态撕裂能存在较为明显的关系，即较低温度下冲击吸收能量与较高温度下的动态撕裂能存在较好的相关性，表征的韧脆转变特性相似，这表明冲击试样测得的韧脆转变温度均明显高于动态撕裂试样测得的温度，但冲击吸收能量和动态撕裂能之间较大的离散型也说明两者之间测得的韧脆转变温度差值并非定值，材料不同，所测得的韧脆转变温度差值也有所不同。图9所示为冲击韧脆转变温度和动态撕裂韧脆转变温度相关性规律，可知，冲击韧脆转变温度均高于动态撕裂韧脆转变温度，两者之间呈近似线性关系，但离散型相对较大。同一冲击韧脆转变温度的材料，其动态撕裂韧脆转变温度存在较大的差异，即不同材料对应力状态呈现出不同的敏感性，而材料的韧脆转变特性除受外界因素影响外，与合金成分、组织等也存在着密切的关系，合金成分可通过碳当量进行表征，可建立动态撕裂韧脆转变温度和冲击韧脆转变温度与碳当量的二元一次方程，如公式(1)所示。
式中，ETT50(DT)——动态撕裂韧脆转变温度，℃；ETT50(KV2)——冲击韧脆转变温度，℃；α、β、γ——待定参数。
三、一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，具体包括如下步骤：
S1、根据先前采集冲击试验和动态撕裂试验的试验数据，计算得到预测模型；
S11：通过冲击试验采集不同强度等级的高强度结构钢的试验温度和冲击吸收能量，采用Boltzmann函数对试验温度与冲击吸收能量进行拟合，确定冲击韧脆转变温度ETT50(KV2)；
S12：通过动态撕裂试验采集不同强度等级的高强度结构钢的试验温度和动态撕裂能量，采用Boltzmann函数对试验温度与动态撕裂进行拟合，确定动态撕裂韧脆转变温度ETT50(DT)；
S13：确定不同强度等级的高强度结构钢的合金成分Ceq；
S14：将步骤S11、S12、S13中的数据代入公式(1)中，利用最小二乘法进行拟合，得到待定参数α、β、γ。
S2、对后续生产的高强度结构钢，仅采集高强度结构钢的冲击韧脆转变温度和碳当量，代入步骤S1的预测模型中，得到动态韧脆转变温度值。
进一步地，所述高强度结构钢的强度等级范围为355-690MPa。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
1、按GB/T 229-2020《金属材料夏比冲击试验》对不同强度等级的高强度结构钢开展系列温度冲击试验，按GB/T 5482-2007《金属材料动态撕裂试验方法》对不同强度等级的高强度结构钢开展系列温度动态撕裂试验，采用Boltzmann函数对试验温度与冲击吸收能量与动态撕裂进行拟合，确定韧脆转变温度值，结果如表1所示。
表1韧脆转变温度和碳当量
表2计算模型中待定参数值
| 参数 | α | β | θ |
| 数值 | 0.565 | -61.6 | 35 |
将表1中数据代入式(1)中，利用最小二乘法进行拟合，得到的待定参数如表2所示，预测模型的形式如式(2)所示。预测结果如图10所示。
表3典型材料韧脆转变温度和碳当量
通过表3可以看出，动态撕裂韧脆转变温度预测值的实测值与预测值差值较小，因此，本申请中能够对不同强度等级的高强度结构钢的韧脆转变温度进行快速、准确的预测，采用本预测模型，只需对后续生产的高强度结构钢，仅采集高强度结构钢的冲击韧脆转变温度和碳当量，代入预测模型的计算公式，即可得到动态韧脆转变温度值，该方法简单、快速、准确，能够为为高强度结构钢低温脆性倾向评估和抗脆断设计提供技术基础。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过分析不同强度等级的高强度结构钢在冲击试验和动态撕裂中的试验数据，确定冲击吸收能与动态撕裂能的相关性；
步骤二、依据冲击吸收能与动态撕裂能的相关性，分析冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度的相关性；
步骤三、依据冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度的相关性，以及韧脆转变温度的影响因素，获得动态撕裂韧脆转变温度的预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，所述预测模型的计算公式为二元一次方程。
3.根据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，所述预测模型的计算公式(1)为：
式中，ETT50(DT)——动态撕裂韧脆转变温度，℃；ETT50(KV2)——冲击韧脆转变温度，℃；Ceq——碳当量，α、β、γ——待定参数。
4.根据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，所述预测模型的具体计算公式(2)为：
式中，ETT50(DT)——动态撕裂韧脆转变温度，℃；ETT50(KV2)——冲击韧脆转变温度，℃；Ceq——碳当量。
5.根据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，所述冲击试验参照GB/T 229-2020《金属材料夏比冲击试验》进行。
6.根据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，所述动态撕裂试验参照GB/T 5482-2007《金属材料动态撕裂试验方法》进行。
7.根据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、根据先前生产采集冲击试验和动态撕裂试验的试验数据，计算得到预测模型；
S2、对后续生产的高强度结构钢，仅采集高强度结构钢的冲击韧脆转变温度和碳当量，代入步骤S1的预测模型中，得到动态韧脆转变温度值。
8.根据权利要求7所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，步骤S1中包括如下步骤：
S11：通过冲击试验采集不同强度等级的高强度结构钢的试验温度和冲击吸收能量，采用Boltzmann函数对试验温度与冲击吸收能量进行拟合，确定冲击韧脆转变温度ETT50(KV2)；
S12：通过动态撕裂试验采集不同强度等级的高强度结构钢的试验温度和动态撕裂能量，采用Boltzmann函数对试验温度与动态撕裂进行拟合，确定动态撕裂韧脆转变温度值ETT50(DT)；
S13：确定不同强度等级的高强度结构钢的合金成分Ceq；
S14：将步骤S11、S12、S13中的数据代入公式(1)中，利用最小二乘法进行拟合，得到待定参数α、β、γ。
9.据权利要求1所述的一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法，其特征在于，所述高强度结构钢的强度等级为355-690MPa。
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| CN202310302103.2A Pending CN116432429A (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种高强钢的动态撕裂韧脆转变温度的预测方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116432429A (zh) |
-
2023
- 2023-03-24 CN CN202310302103.2A patent/CN116432429A/zh active Pending
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