黎 佳，寧朝陽

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410208)

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在役Q345鋼及焊縫金屬力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

黎 佳，寧朝陽

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410208)

以在役Q345鋼、埋弧焊焊縫金屬為研究對(duì)象，進(jìn)行了拉伸性能和斷裂韌性測(cè)試，并進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究。結(jié)果表明：材料當(dāng)前的拉伸性能、條件斷裂韌性的數(shù)值和不同概率水平下的最小斷裂韌性值；Q345鋼的抗拉強(qiáng)度要高于埋弧焊焊縫金屬；埋弧焊焊縫金屬的屈強(qiáng)比高于Q345鋼，這預(yù)示著其抵抗局部應(yīng)力偶然過載的能力較低。引入數(shù)學(xué)方法分析材料的斷裂韌性，是必要可行的。

Q345鋼 焊縫金屬 力學(xué)性能 試驗(yàn)研究

0 引言

Q345鋼是一種低合金鋼，廣泛應(yīng)用于壓力管道、壓力容器、橋梁、車輛、船舶、建筑等產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)的許多部門起著重要的作用。隨著使用年限的增加，受焊接、使用條件嚴(yán)酷、超負(fù)荷等因素的影響[1]，材料的力學(xué)性能等是否發(fā)生了變化、有無繼續(xù)使用的價(jià)值，都是應(yīng)該關(guān)注的問題。

近年發(fā)展起來的斷裂力學(xué)理論，結(jié)合應(yīng)力分析方法，缺陷位置及尺寸的檢測(cè)，運(yùn)用R6失效評(píng)定圖、API579-1等一些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠就產(chǎn)品中存在的缺陷對(duì)安全性產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估。但評(píng)估中有關(guān)材料本身的參數(shù)顯然不能采用目前同類材料的數(shù)據(jù)。并且，由于材料已使用了數(shù)十年，完全采用出廠時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)也欠妥，按照有關(guān)國際國內(nèi)評(píng)定規(guī)范[2]要求，材料性能數(shù)據(jù)在缺陷評(píng)定中應(yīng)優(yōu)先采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

研究采用了從產(chǎn)品本體上直接取樣的方法，進(jìn)行了產(chǎn)品使用的Q345鋼、埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬H08MnA等組織力學(xué)性能[3]的相關(guān)測(cè)試，并引入了多種數(shù)學(xué)方法分析測(cè)試結(jié)果，以了解材料力學(xué)性能隨使用時(shí)間增加的變化情況,為研究產(chǎn)品的安全程度奠定基礎(chǔ)。

1 拉伸性能測(cè)試

本試驗(yàn)板材直接取材于某壓力容器上一直徑2 800 mm、厚度40 mm的橢圓封頭。對(duì)于Q345鋼和埋弧焊焊縫金屬都直接從上面截取。拉伸實(shí)驗(yàn)的主要目的是得到當(dāng)前多種材料的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，作為缺陷評(píng)定過程的材料力學(xué)性能支持?jǐn)?shù)據(jù)，并為后續(xù)計(jì)算斷裂韌性提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖1 拉伸試樣

拉伸試樣參考GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[4]加工，母材Q345鋼取樣方向垂直軋向，焊縫拉伸試樣為全焊縫金屬。試樣標(biāo)準(zhǔn)的形式與尺寸如圖1所示。

拉伸試驗(yàn)在日本島津產(chǎn)的萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率為0.1 mm/s。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，共采用了6個(gè)Q345鋼(M01-M06)、6個(gè)埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬(Y01-Y06)試樣。通過試驗(yàn)并計(jì)算，得到的結(jié)果見表1。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

以表1中部分?jǐn)?shù)據(jù)為依據(jù)，可以計(jì)算得到Q345鋼、埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的平均值和最低值，如表2。

表2 材料強(qiáng)度的平均值和最低值

從以上數(shù)據(jù)可看出，在抗拉強(qiáng)度的平均值和最低值方面，Q345鋼都要大于埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬。值得注意的是，埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬的屈強(qiáng)比大于Q345鋼，這即是預(yù)示著其抵抗局部應(yīng)力偶然過載的能力較低。表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可用于后續(xù)斷裂韌性的分析，也可作為缺陷評(píng)定過程中的材料性能的數(shù)據(jù)，為材料上缺陷的安全評(píng)估提供依據(jù)。

2 斷裂韌性測(cè)試

圖2 斷裂韌性試樣圖

斷裂韌性測(cè)定試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加工，母材為軋制狀態(tài)，由于有層狀裂紋，試樣裂紋面取向?yàn)長(軋制方向)-T(寬度方向)或T-L和T-S(厚度方向)，焊縫試樣取自封頭與筒體連接處，裂紋面取向?yàn)門-S。試樣為帶側(cè)槽的三點(diǎn)彎試樣，如圖2所示。

2.1 埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬的測(cè)試結(jié)果及分析

埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬斷裂韌性測(cè)試在HPH-500疲勞機(jī)上進(jìn)行。采用X-Y記錄儀記錄，測(cè)量顯微鏡精度為0.01 mm。單試樣法時(shí)，采用部分卸載柔度法通過J積分阻力曲線測(cè)JIC的暫定值JQ。其中，JIC為張開型臨界J積分值，JQ指的是J阻力曲線與鈍化線的向右0.2 mm偏置線相交點(diǎn)的J值，稱為條件斷裂韌性值。

在數(shù)據(jù)處理中， 綜合參照有關(guān)資料，以及考慮到實(shí)際情況，對(duì)鈍化線采用式(1)表示[5]：

J= 4σ0Δa

(1)

式(1)中，σ0為流變應(yīng)力或有效屈服強(qiáng)度，流變應(yīng)力值是由實(shí)驗(yàn)得來的，它取材料拉伸實(shí)驗(yàn)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的平均值，Δa為裂紋韌性擴(kuò)展量，單位mm。

測(cè)試所得有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表3。

表3 埋弧焊焊縫J積分測(cè)試的有效數(shù)據(jù)

表3中，各數(shù)據(jù)的含義如下：

Ci—J阻力曲線單試樣測(cè)試過程中的裂紋張開柔度，Pi為J阻力曲線單試樣測(cè)試過程中的載荷，Upi—J阻力曲線單試樣測(cè)試過程中的塑性形態(tài)功，Δai為裂紋韌性擴(kuò)展量，Ji為J阻力曲線單試樣測(cè)試過程中的J積分值。

通過回歸分析[6]，我們可以得到以下各表達(dá)式及有關(guān)數(shù)據(jù)：

根據(jù)表2中的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)：σs=385 MPa、σb=529 MPa，可以求出流變應(yīng)力值σ0=457 MPa，那么，由式(1)可以求出鈍化線方程J=4×457Δa=1 828Δa。

而J積分阻力曲線可用式(2)表示，如下：

J=C1ΔaC2

(2)

為了計(jì)算的方便，對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，得到：

lnJ=lnC1+C2lnΔa

繪制直角坐標(biāo)系，以Δa為橫坐標(biāo)，以J為縱坐標(biāo)。取出表3中Δai和Ji的5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

1)Δai=0.275 6，Ji=145.60；2)Δai=0.337 8，Ji=168.94；3)Δai=0.389 8，Ji=211.08；4)Δai=0.595 4，Ji=244.76；5)Δai=0.643 4，Ji=288.49。

圖3 條件斷裂韌性分析結(jié)果

根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中繪制坐標(biāo)點(diǎn)，如圖3中的5個(gè)點(diǎn)。

為了分析的方便，用最小二乘法[7]對(duì)Δai和Ji的這5組數(shù)據(jù)進(jìn)行冪乘回歸，可以得到：Y=5.953+0.73X， XY的相關(guān)系數(shù)R=0.95 ，標(biāo)準(zhǔn)離差SD=0.073。其中，Y=lnJ，lnC1=5.953，C2=0.73，lnΔa=X，即lnJ=5.953+0.73lnΔa。

經(jīng)過換算，可以得到J=385Δa0.73，并繪制了圖3中一條直線。

該表達(dá)式所代表的曲線即J積分阻力曲線，它與利用式(1)計(jì)算的鈍化線的向右0.2 mm偏置線的交點(diǎn)定義為JQ-J1C的暫定值。

JQ設(shè)計(jì)的求法如下：先估計(jì)一個(gè)JQ(1)值，按式(1)可以推出： Δa(1)=(JQ(1)/4σ0)+0.2 計(jì)算Δa(1)，再根據(jù)冪乘關(guān)系，利用式(2)計(jì)算JQ(2)，即JQ(2)=C1[Δa(1)]C2。

重復(fù)以上過程，直到JQ(i)和JQ(i+1)的差值不大于2%為止，按此程序求得JQ=157 kJ/m2。

將前面的分析結(jié)果用圖3綜合表示。

從概率的角度分析，lnJ的數(shù)值實(shí)際上是正態(tài)分布的，又已知Y=5.953+0.73X，標(biāo)準(zhǔn)離差SD=0.073，那么有：

1)Y=5.953±2×0.073+0.73X， 即lnJ=5.953± 2×0.073+0.73lnΔa范圍內(nèi),概率為95.4%。為確保安全，取J的低限，可求出J=332.6Δa0.73，利用前面提到的JQ的求法，可以得到JQ=131 kJ/m；

2)Y=5.953±3×0.073+0.73X，即lnJ=5.953±3×0.073+0.73lnΔa范圍內(nèi)，概率為99.7%。為確保安全，取低限，可求出J=309.2Δa0.73，進(jìn)一步可求得JQ=119 kJ/m。

2.2 母材Q345鋼的測(cè)試結(jié)果及分析

考慮到母材Q345鋼的各向異性，以及單試樣法中，裂紋張開柔度測(cè)定不易精確等，對(duì)Q345鋼采用多試樣法測(cè)試其斷裂韌性。同時(shí)，為了避免塑性流動(dòng)，位移不好控制的缺點(diǎn)， 試驗(yàn)設(shè)備改用英國的instron model 1322型疲勞試驗(yàn)機(jī)，它可用位移控制方式加載。有關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 母材Q345鋼的有效數(shù)據(jù)

表4中，各參數(shù)的含義如下：

B為斷裂韌性試樣厚度，BN為斷裂韌性試樣凈厚度，W為三點(diǎn)彎斷裂韌性試樣寬度，a0為三點(diǎn)彎斷裂韌性試樣初始裂紋長，Δa為裂紋韌性擴(kuò)展量，Ps指測(cè)試過程中的載荷，Up指測(cè)試過程中的塑性形態(tài)功，J為測(cè)試過程中的J積分值。

取出表4中Δa、J 的相關(guān)數(shù)據(jù)，用于前面類似的方法，通過回歸分析可以得到以下表達(dá)式及有關(guān)數(shù)據(jù)。

對(duì)于母材Q345鋼，冪乘回歸可求得lnJ=5.77+0.57Δa，R=0.837，SD=0.095 9。換算得到：J=320.5Δa0.57，求得JQ=162 kJ/m2。

實(shí)際上述各種材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般在7個(gè)以上，但由于材料的各向異性，影響了數(shù)據(jù)的有效性，尤其是母材Q345鋼，其層間帶狀?yuàn)A雜及微裂紋較多，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)裂紋的擴(kuò)展。但作為對(duì)比，仍有參考價(jià)值。

3 結(jié)論

1)對(duì)在役產(chǎn)品的母材Q345鋼、埋弧焊焊縫金屬等處進(jìn)行了力學(xué)性能的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)方法數(shù)據(jù)如前述。當(dāng)前測(cè)試的材料力學(xué)性能符合控制范圍，但是仍在變化中。

2)當(dāng)前狀態(tài)下，Q345鋼的抗拉強(qiáng)度要大于埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬，但是，埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬的屈強(qiáng)比大于Q345鋼，這預(yù)示著其抵抗局部應(yīng)力偶然過載的能力較低。

3)在測(cè)試結(jié)果的分析中，考慮到實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限等因素，利用概率統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法對(duì)斷裂韌性或類似對(duì)象進(jìn)行分析和評(píng)定，是必要可行的。

[1] 賴永泉.基于合于使用原則的壓力容器安全評(píng)定技術(shù)[J].中國特種設(shè)備安全，2014,30(11):21-25.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).在用含缺陷壓力容器的安全評(píng)定:GB/T 19624-2004[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[3] 黃櫻,李揚(yáng).超輕汽車材料高強(qiáng)度鋼Q460D力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝，2016,45(6):151-153.

[4] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法:GB/T228.1-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[5] 臧啟山，等.工程斷裂力學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2013.

[6] 甄任賀,高向東.大功率光纖激光焊焊縫識(shí)別回歸算法研究[J].焊接技術(shù)，2014，43(4)：12-15.

[7] 關(guān)娟，梅國平.最小二乘法在復(fù)雜曲面擬合中的應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2013，49(2)：57-59.

The experimental research on the mechanical property of Q345 steel and weld metal in service

LI Jia，NING Zhaoyang

Taking the Q345 steel and submerged arc weld seam metal in service as the research objects, tensile properties and fracture toughness tests were carried out, and the research of the experimental data were conducted. The tensile property of the current material, the conditional fracture toughness and the minimum fracture toughness at different probability levels were showed. Results reflected that the tensile strength of the Q345 steel is higher than that of the submerged arc weld metal, the yield strength ratio of the submerged arc weld metal is higher than that of the Q345 steel，which indicates the ability of submerged arc weld metal to resist local stress overload is lower. It is necessary and feasible to introduce the mathematical method to analyze the fracture toughness of the material.

Q345 steel, weld metal, mechanical property, experimental research

TG457.11

A

1002-6886(2016)06-0098-04

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào)：15C0449)。

黎佳(1985-)，湖南郴州人，男，碩士研究生畢業(yè)，講師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)備安全及自動(dòng)化。 寧朝陽(1973-)，湖南衡陽人，男，碩士研究生畢業(yè)，獲碩士學(xué)位，系副主任，教授，主要研究方向機(jī)械制造與自動(dòng)化。

2016-07-20