余啟明，孫清華，何曉鳴，張智

（1.武漢工業(yè)學(xué)院土建學(xué)院，武漢 430023；2.武漢市公路勘察設(shè)計(jì)院，武漢 430051）

大型焊接結(jié)構(gòu)焊縫裂紋尖端張開位移試驗(yàn)研究

余啟明1，孫清華2，何曉鳴1，張智1

（1.武漢工業(yè)學(xué)院土建學(xué)院，武漢 430023；2.武漢市公路勘察設(shè)計(jì)院，武漢 430051）

對(duì)大型焊接結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行了裂紋尖端張開位移（CTOD）斷裂韌度試驗(yàn)，測(cè)試了其焊縫的CTOD特征值，得出相應(yīng)的結(jié)論。

Q420qE；裂紋尖端張開位移（CTOD）；斷裂韌性

隨著現(xiàn)代大型焊接結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，大型水電站、核電站、大跨度橋梁等厚板焊接結(jié)構(gòu)廣泛地被人們采用。然而由于厚板結(jié)構(gòu)焊接過程中散熱不均，造成了焊縫區(qū)的韌性不足，因此焊接接頭斷裂韌度的控制成為工程質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。本文以實(shí)際工程為研究對(duì)象，以等尺寸試件的裂紋尖端張開位移，簡(jiǎn)稱CTOD，研究在20℃條件下，E43和E38厚鋼板對(duì)接焊接的焊縫區(qū)的斷裂韌性。CTOD，即帶裂紋的材料受到張開型荷載后，裂紋尖端兩點(diǎn)張開的相對(duì)距離，其值越大，表示材料斷裂韌性越強(qiáng)；反之，CTOD值越小，韌性就越差[1]。

1 試樣的制備[1-5]

試驗(yàn)采用E43和E38高強(qiáng)度鋼板焊縫區(qū)為研究對(duì)象，其力學(xué)性能見表1。

表1 焊材強(qiáng)度

制備三點(diǎn)彎曲（TPB）標(biāo)準(zhǔn)試樣。焊縫和HAZ（熱影響區(qū)）根據(jù)BS7448：1997-Part2《確定金屬材料KIC、臨界CTOD和積分的方法》

1.1 試樣焊縫工藝和切割工藝

截取厚度B為54mm的試樣，對(duì)試樣進(jìn)行分組編號(hào)登記；將切割下的試樣進(jìn)行對(duì)接焊接；焊接材料采用J507（E5015）焊條。焊接工藝基本參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝

依據(jù)規(guī)范對(duì)CTOD試件進(jìn)行線切割加工，然后在試樣單側(cè)加工缺口，使缺口沿厚度方向。最后采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制疲勞裂紋。首先確定缺口的位置，根據(jù)英國(guó)規(guī)范BS7448標(biāo)記需要切割加工線，并且要求保證裂紋平面垂直于試樣表面，偏差在±2°以內(nèi)。在線切割機(jī)上用直徑不超過0.12mm的鉬絲加工機(jī)械缺口。

1.2 預(yù)制疲勞裂紋

在試樣單側(cè)用線切割加工深度為2mm的缺口，缺口沿厚度方向。然后采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制疲勞裂紋，為防止疲勞裂紋擴(kuò)展速度過快，首先按應(yīng)力比R=0.1將疲勞裂紋預(yù)制到2mm，然后立即將應(yīng)力比調(diào)整為R=0.6，再將疲勞裂紋預(yù)制到4mm處。這樣可以保證試樣的預(yù)制疲勞裂紋和線切割長(zhǎng)度之和在0.45～0.55W（母材）或者0.45～0.70W（焊縫和HAZ）范圍內(nèi)，W為試樣寬度。

2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在1000kN的萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1。

試驗(yàn)主要步驟：（1）把各組試件分別放置在20℃的環(huán)境中24h后取出，確定各組的荷載和位移測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，然后安放試樣，調(diào)整跨距S=4W（W為試樣的寬度，mm），確定F-V曲線斜率；②加載并同時(shí)利用LZ38-204函數(shù)記錄儀描制F-V曲線，如圖2；③二次疲勞，壓斷試樣，測(cè)量a和a0，最后根據(jù)記錄的曲線計(jì)算得到CTOD值，原始裂紋尖端部位的張開位移δ可表示成公式（1）.即

δ＝δe+δp（1）

式中δe為裂紋尖端部位張開位移的彈性分量；δp為裂紋尖端部位張開位移的塑性分量。即

圖1 CTOD試驗(yàn)照片

圖2 函數(shù)記錄儀

式中μ為泊松比；ReL為屈服強(qiáng)度；W為試樣寬度（mm）；a0為原始裂紋長(zhǎng)度（mm）；E為彈性模量；Vp為F-V曲線上取值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的夾式引伸計(jì)位移的塑性部分；rp為旋轉(zhuǎn)因子，取0.45；KI為強(qiáng)度因子，K1=；Y為a/W的函數(shù)；Z為刀口厚度（mm）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中6根試件全部發(fā)生韌性失穩(wěn)斷裂。焊縫試樣在20℃溫度下的CTOD試驗(yàn)結(jié)果、試件的主要尺寸及特征CTOD值如表3所示。

表3 試件在低溫下的特征CTOD值（-20℃）單位：mm

其中δu、δm分別為脆性失穩(wěn)CTOD值、最大載荷CTOD值。由式（1）可知試件的CTOD值只與彈性分量δe和塑性分量δp有關(guān)，對(duì)于焊縫區(qū)，其塑性分量δp遠(yuǎn)大于其彈性分量δe，所以在常溫條件下，板厚為54mm的對(duì)接焊接試件，塑性分量δp對(duì)其抵抗開裂性能起決定性作用。一般說來，CTOD數(shù)值一般小于1，數(shù)值越大，斷裂韌性越好，而測(cè)試試驗(yàn)中其特征值均偏，說明其斷裂韌性良好，能夠滿足工程需要。

4 結(jié)語

對(duì)于板厚為54mm的對(duì)接焊接試件，其CTOD塑性分量δp對(duì)其抵抗開裂性能起決定性作用。試件發(fā)生韌性失穩(wěn)斷裂，說明其斷裂韌性良好，能夠滿足實(shí)際要求。

［1］苗張木．厚鋼板焊接接頭韌度CTOD評(píng)定研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2005．

［2］BS7448：Part 1：1991，F(xiàn)racture mechanics toughness tests．Method for determination of Kic，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］．

［3］BS7448：Part 2：1991，F(xiàn)acture mechanics toughness test．Method for determination of Kic，critical CTOD and critical J values of welds inmetallic materials［S］．

［4］王元清.鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞事故分析［J］．工業(yè)建筑，1998，28（5）：55－58．

［5］苗張木，蔣軍，王志堅(jiān)，等．一種評(píng)價(jià)導(dǎo)管架焊接接頭韌性的方法［J］．中國(guó)海洋平臺(tái)，2003．18（5）：34－37.

［7］馬濤.厚鋼板EH40低溫CTOD韌性試驗(yàn)研究［J］．船海工程，2010（5）.

［8］苗張木.焊接接頭韌性CTOD評(píng)定的適用性與允許值研究［J］．機(jī)械強(qiáng)度，2006（1）.

［9］苗張木，吳華方．海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性問題與CTOD試驗(yàn)技術(shù)［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2008，23（2）．

［10］張玉玲．低溫環(huán)境下鐵路鋼橋疲勞斷裂性能研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2008（1）．

Study on Welded Joints of Large Structure for Crack Tip Open Displacement

YU Qi-ming1，SUN Qing-hua2，HE Xiao-ming1，ZHANG Zhi1
（1.Civil Engineering and Architectural Institute，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China；2.Wuhan Road Reconnaissancing and Planning Academy，Wuhan 430051，China）

Based on BS7448 fracture toughness test experiment standard and DNV-OS-C401，the analysis of the welded seam of structure is extended to three point bending specimen with a center crack were carried out，the CTOD value of the welded zone were obtain.

Q420qE；crack tip open displacement（CTOD）；breaking toughness

TV34

A

1672-9900（2012）02-0031-03

2012-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（51009111）

余啟明（1980-），男（漢族），湖北鄂州人，講師，主要從事材料非線性研究，（Tel）13397162363。