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特厚钢板脆性裂纹传播停止性能研究
信息来源:世界金属导报2016-03-29B12      时间:2016-03-30 15:03:55

为了查明高止裂性厚钢板必要的板厚方向特性分布,实施了ESSO试验,验证了板厚方向不同位置韧性分布对长大脆性裂纹传播停止性能的影响。结果表明,即使脆性裂纹传播停止韧性值相同,板厚中心部的韧性比1/4t(厚度)部和表层的韧性更高的钢板,较之板厚中心部韧性比1/4t部的和表层部韧性更低的钢板,在实际钢材使用的没有温度梯度的条件下,前者的脆性裂纹停止特性更优良,而且在裂纹长大化时也能保持此优良特性。

1前言

近年来,为了提高运输效率,集装箱运输船正在建造超过10000TEU的大型船。集装箱从其船壳构造到最上部结构构件的高强度甲板和舱口侧面边材都在向高强度、厚壁化发展,最近使用了板厚超过70mm、屈服点390MPa级和460MPa级的钢。

在焊接结构的船舶上,即使万一从焊接部位产生裂纹,也须能停止其传播(扩展)以防止船舶整体的破坏,这是基本的要求。从过去关于船体结构用厚钢板止裂性能的许多验证试验结果得知,为了使板厚超过50mm的钢板母材上沿焊接部位的长大脆性裂纹停止传播,其在船舶的最低使用温度-10℃下的脆性裂纹传播停止韧性值Kca至少应在6000N/mm1.5以上。并且,也颁布了相关的国际规则,要求生产厂家进行高止裂性厚钢板的开发。

厚钢板沿板厚方向的特性并非是均匀的,故认为支配脆性裂纹传播停止性能的韧性也会在板厚方向发生变化。关于板厚方向韧性分布的控制,虽然考虑了几种提高止裂特性的手段,但关于这样的特性分布对实际结构物的脆性裂纹传播性能的影响研究较少。为了查明厚度方向韧性分布不同的高止裂性钢板的脆性裂纹传播停止特性,本研究实施了超宽幅混合ESSO试验,验证了韧性分布对长大脆性裂纹传播停止性能的影响。

2板厚方向韧性分布对超厚钢板止裂性能的影响

2.1试验用钢

试验用钢采用了屈服点为355MPa级、厚60mm的钢板,其力学性能见表1。A钢是按表层、1/4t部位、1/2t部位的顺序降低韧性制造的材料;B钢和C钢则相对于表层和1/4t部位的韧性,刻意提高了1/2t部位韧性而制造的材料。

2.2试验用钢的脆性裂纹传播停止特性

为了把握试验用钢的脆性裂纹传播停止韧性值Kca,进行了温度梯度型ESSO试验(即Kca试验),试验方法根据日本海事协会2009年提出的“脆性裂纹停止设计指南”确定。

试验结果如图1所示,在船体设计温度-10℃下所获得的Kca值:A钢为4400N/ mm1.5、B钢为7200N/mm1.5、C钢为6500N/mm1.5。各钢种的断面形态如图2所示:A钢板厚中心部相对于表层产生了裂纹,一般呈现拇指指甲形状;B钢和C钢则是分别在板厚的1/2厚度和3/4厚度处先行开裂而呈现甲裂状。

2.3在无温度梯度条件下试验用钢的止裂性能

2.3.1温度平坦型ESSO试验方法

脆性裂纹传播停止(即止裂)韧性Kca一般是在0.25-0.35℃/mm程度的温度梯度条件下测定的,而实际上钢板使用多处于一定温度条件下。因此,为了在接近无温度梯度条件下评价钢板止裂性能,实施了温度平坦型ESSO试验。图3表示试样形状和试验方法,在试样上半部(裂纹发生侧的1/2),赋予与温度梯度型ESSO试验同样的0.3℃/mm温度梯度,而在试样下半部保持温度一定(即无温度梯度)。

一般来说,如果钢板的Kca在6000N/mm1.5以上,则在实际条件下即能停止脆性裂纹。本研究的目的是调查板厚方向的韧性分布对脆性裂纹传播和停止行为的影响。因此,

一方面像脆性裂纹在试验区有一定程度的传播那样,使试验区的Kca值变成了比6000N/ mm1.5高 的7000N/mm1.5且承受了221MPa的应力,同时将试验区的温度设定为试验区Kca值变成了比6000N/ mm1.5稍低的5800N/mm1.5时的温度,从而实施温度平坦型ESSO试验。

2.3.2试验结果

温度平坦型ESSO试验结果如表2和图1所示。在Kca为5800N/mm1.5的各种温度条件下,在A钢的试验区的脆性裂纹未停止而扩展贯通了;在B钢和C钢上的试验区内,脆性裂纹仅分别传播了70mm和30mm后就停止了。由于温度平坦型ESSO试验条件的断裂驱动力设定得比温度梯度型ESSO试验的更高,虽然在温度平坦型ESSO试验中的脆性裂纹应该传播,但此传播仅在A钢上进行,而在B钢和C钢上的脆性裂纹却停住了。

图4表示温度平坦型ESSO试样断裂面和温度梯度型ESSO试样断裂面的对比。虽然B钢和C钢的温度平坦型ESSO试样断面和温度梯度型断裂面同样呈现为甲裂状,但就相对于板厚中心部的1/4t和3/4t部位附近先行开裂程度而言,显然是前者比后者更显著。

如上所述,由于板厚方向的韧性分布发生变化,即使在同一Kca值条件下的全厚度方向裂纹停止特性也会变化。在实际钢材使用的没有温度梯度的条件下,与1/2t部位性能比1/4t部位性能低的钢板相比,1/2t部位性能比表层和1/4t部位性能高的钢板具有更优良的脆性裂纹停止特性。

3板厚方向韧性分布对长大脆性裂纹停止性能的影响及验证

在实际的结构件上有可能发生脆性裂纹的长距离传播,须预防裂纹长大化。本研究进行了超大型的超宽幅混合ESSO试验,验证了板厚方向韧性分布对长大脆性裂纹传播停止性能的影响。

3.1超宽幅混合ESSO试验方法

试验用钢为A钢和C钢。为避免裂纹传播中的分岔而采用了能发生脆性裂纹传播的60mm厚钢板作为起始板,采用CO2气体保护焊将起始板和试验用钢板完全熔透平焊在一起。然后制作成图5所示的超宽幅混合ESSO试样。试样的初始切口加工成窗框形机械切口,是为了避免因焊接残余应力而造成裂纹从焊接部位传播。

为了极力抑制试验机引板(又称调整片)和试样间应力波的反射及试验载荷的下降,选择引板和试验板有相同厚度,且将载荷点间距设定为10m。本试验基本上是在没有应力反射的实际条件下进行的,这通过动态FEM(有限元法)解析得到了确认。

超宽幅混合ESSO试验采用80MN试验机,与温度平坦型ESSO试验相同,将试验标本冷却至试验板的Kca值显示为5800N/mm1.5的温度,并保持60min以上,然后施加相当于是屈服点390MPa级钢板最大允许应力257MPa的载荷,再打击机械切口处,使之产生传播脆性裂纹。

3.2试验结果

从实际的超宽幅混合ESSO试验结果图片可知,在Kca显示为5800N/mm1.5的温度条件下,长大脆性裂纹在A钢试验板上没有停止而贯通了;在C钢试验板上,脆性裂纹传播到120mm长度后就停止了,且断裂面呈现显著的甲裂状。

4板厚方向韧性分布对脆性裂纹传播停止性能的影响

从上述内容可知,改变板

厚方向的韧性分布,即使在相同的Kca条件下,整个厚度方向上的裂纹传播停止特性也会变化。在实际钢材使用的无温度梯度的条件下,与1/2t部位性能比1/4t部位性能低的钢板相比,1/2t部位性能比1/4t部位性能高的钢板的脆性裂纹传播停止特性更优良。并且,这样的差别,即使在万一发生了脆性裂纹的实物结构上长大化了时也能保持,这一点由上述超宽幅混合ESSO试验获得了确认。以下将考察产生此差别的原因。

首先,对温度梯度型与温度平坦型ESSO试验结果的比较进行考察。如前所述,由于温度平坦型ESSO试验条件的断裂驱动力比温度梯度型ESSO试验进行了更高的设定,因此应当是在温度平坦型的ESSO试验中的脆性裂纹进行传播,但传播仅限于在A钢上进行,而在B钢和C钢上的脆性裂纹却被停止了。其原因是脆性裂纹传播停止韧性的测定值受到了试验区温度梯度影响的缘故。

脆性裂纹传播停止韧性值Kca之所以受到温度梯度的影响,是由于温度梯度改变了钢的断裂面形貌。由于传播中的脆性裂纹在裂纹前沿基本上是直线状的板厚贯通裂纹,因而板厚方向有韧性分布时,脆性裂纹在韧性相对较高的部位首先停止传播,在韧性相对低的部位延迟停止。此时,在有温度梯度的条件下,韧性高的部位停止脆性裂纹传播后,因韧性低的部位的脆性裂纹突入温度更高的部位,因此较之没有温度梯度的场合,裂纹在更短的距离停止传播。

在Kca试验方法中,为了避免因断裂面形态变化而造成Kca过小,一直将温度梯度确定在0.25-0.35℃/mm的范围。由于本研究所采用A钢

呈现一般的拇指指甲形状断裂面形态,因此,通过Kca试验(温度梯度0.3℃/mm的ESSO试验)可以评价与没有温度梯度的实际条件同等的Kca值,如图1所示,在设定了高的断裂驱动力的温度平坦型ESSO试验中可以解释为脆性裂纹传播了。

反之,在显示为甲裂状断裂形态的B钢和C钢上,温度梯度型ESSO试验的Kca值估计比没有温度梯度的实际条件的更小,由于变成了安全侧的评价,因而在温度梯度型ESSO试验中评价这些钢材的Kca值在实用上是没有问题的。如图4所示,在显示为甲裂状断裂面形态的钢上,Kca试验(温度梯度0.3℃/mm的ESSO试验)和温度平坦型ESSO试验的裂纹停止部位的断裂面形态大不相同。将此不同和一般的拇指指甲形状断裂面的状态比较见图6。脆性裂纹的停止位置一般虽以裂纹的最长传播部位定义,但在此部位的应力扩大系数的值有可能受断裂面形态的影响而大不相同。因此,利用FEM解析评价了裂纹最长传播部位应力扩大系数的值,图7表示FEM解析模型。

解析结果表明,如B钢和C钢那样,在相对于表层及1/4t部位的板厚中央部的

高韧性钢板上,其脆性裂纹传播停止部位变成了拇指指甲形状断裂面,较之A钢那样呈现甲裂状断裂面的钢板,前者的脆性裂纹最前端的应力扩大系数更低,特别是在钢材实际使用中基本上没有温度梯度的条件下,有助于阻止脆性裂纹的传播(扩展)。

5结语

为了查明厚钢板在板厚方向脆性裂纹停止的特性分布,一方面评价了板厚方向韧性分布不同的厚钢板的脆性裂纹传播停止特性,同时进行了超宽幅ESSO试验,验证了韧性分布对长大脆性裂纹传播停止性能的影响,得出以下结论。

1)相对于板厚1/4部位,在板厚中心部的韧性高的钢板上,脆性裂纹传播停止部位变成了甲裂状断裂面形状;

2)在相同Kca条件下比较时,与板厚中心部的韧性比1/4t部位性能低的钢板相比,板厚中心部的韧性比1/4t部位性能高的甲裂状断裂面形态的钢板,在实际钢材使用的没有温度梯度的条件下,显示出更优良的脆性裂纹传播停止性能;

3)即使脆性裂纹在实物结构上长大化时,上述呈现甲裂状断裂面钢板的优越性也能保持,并获得了ESSO试验的验证;

4)在没有温度梯度的条件下,与一般呈现拇指指甲形状断裂面的钢板相比,脆性裂纹传播停止部位变成甲裂状断裂面的钢板之所以能显示出优良的脆性裂纹传播停止性能,是由于其裂纹最顶端扩展造成的应力扩大系数下降更显著的原因。

(唐明珠)

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