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CTOD试验技术中几个关键问题研究

陈小娟  
【摘要】:在材料和结构的安全性评定中,韧性是极为重要的力学指标。近年来在材料韧性测试的方法中,裂纹尖端张开位移(CTOD)试验得到了较为广泛的应用,但尚有诸多关键问题需要深入研究。本文就CTOD试验中的试验温度、合适的试样数目、验收值的选取、试验中的“突进点”的评定及疲劳裂纹预制等方面问题进行探讨和分析,提出了解决这些问题思路和方法。 材料在不同的温度下具有不同的韧性。从韧脆转变温度出发,本文介绍并分析了几种韧脆转变温度的测试方法。本文研究认为:CTOD试验所得转变温度所在区间要比Charpy冲击高,因此CTOD试验的温度不必与冲击试验温度相同,可以适当提高。依据不同试验测得的韧脆转变温度之间的关系,可以由系列Charpy冲击试验转变温度预测CTOD试验的转变温度区间;如果CTOD的试验温度在材料的转变温度区间内,则试验结果会比较分散,在这种情况下,应准备较多的试样(不少于6个);否则,可以先准备3个试样。 本文对EQ70高强钢进行了-10。℃和-60。℃的CTOD试验,结果表明在-10℃时CTOD值较大,且标准差较小;而在-60。C时CTOD值降低,且分散性大。说明-60。℃位于EQ70高强钢转变温度范围内,应该取更多(≥6个)试样以降低结果的离散性。 CTOD特征值表征了材料的韧度水平。在韧度评定中,针对不同试样数目,应采用与3个中的最小值同等水平下的值作为其特征值。熔合线试样组织比较复杂,试验结果也较为离散,相比较而言,母材和焊缝试样组织要均匀些。因此,本文研究认为:母材和焊缝可以先加工3个试样进行试验;而当熔合线试样的试验温度处在转变温度区间内时,离散性更大,按常规取3个试样并以最低值作为其特征值已经不能够表征其韧度水平,所以要准备较多试样(例如6个以上)以确保其准确性。当在试样数目足够,且特征值较验收值差别不大时,采用ECA(工程标准评估)相结合的方法以确保结构安全。 有两个因素直接影响着材料的评定结果,一是验收值;二是CTOD的测量计算。本文研究认为:对于验收值,母材试样试验结果应不低于API的规定;接头试样的韧度可以依据其服役结构的重要程度及受力状态等设定合理的验收值,本文提出了“母材韧度折减法”,接头试样验收值应该设置为母材的1/2-1/3。CTOD测量计算中一个较大的影响因素是F-V曲线的不连续,即pop-in。试验中分层裂纹的出现会导致F-V曲线中出现"pop-in"。基于分层裂纹特点,本文建议严格按照规范BS7448-1进行处理,以保证其安全性。 本文采取“对照实验”的方法,深入研究了疲劳裂纹的预制问题。对同一批EQ70高强钢焊缝试样,分两组进行CTOD对照试验。一组采用“高K比法”预制疲劳裂纹(对照组),另一组试样先采用局部压缩法进行预处理,然后再用“高K比法”预制疲劳裂纹(试验组)。结果表明:两组试样疲劳裂纹前沿平直度水平相当,这说明用“高K比法”预制疲劳裂纹时,不必再使用“局部压缩法”,这样既可保证试样疲劳裂纹前沿平直度,又可以使测得的CTOD值更接近真值;与仅用“高K比法”预制疲劳裂纹相比,用了“局部压缩法”后,测得CTOD试验值偏于保守,因此,在实际使用CTOD试验评定中,如果采用了“局部压缩法”预制疲劳裂纹,应该设定不同的验收值(建议可降低15%)。


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