铁素体钢冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法与流程

本发明属于结构完整性评估技术领域，尤其涉及铁素体钢冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法。

背景技术：

铁素体钢随温度降低表现出明显的韧脆转变现象，将显著提升压力容器发生脆断事故的风险。为此，标准规范对铁素体钢制压力容器的设计、制造及检验要求均更加严格，其中合理的韧性要求是压力容器安全服役的重要保障。冲击试验具备价格低廉、简便易行、参量直观明了等特点，被广泛用于钢材筛选与质量控制。工程中压力容器、油气管线、焊接油轮等脆断事故造成巨大的人员伤亡和财产损失，促使冲击试验成为钢材韧性的评价工具。然而，冲击试验缺乏严密的理论基础，冲击功等相关参量不能直接用于工程设计。相比之下，断裂力学理论体系完备，断裂韧性是设备结构完整性评估不可或缺的参数，但是在实际工程领域断裂韧性的应用往往受到测试程序复杂、代价高、试样尺寸大等因素限制。冲击功与断裂韧性均代表材料抵抗断裂的能力，特别对于铁素体钢二者均表现出相似的韧脆转变现象，因而过去几十年间，科研人员针对冲击功与断裂韧性的相互关系开展了大量研究，期望用简单廉价的冲击功估算复杂昂贵的断裂韧性。

目前工程常用且规范推荐的经验关系式，主要形式为直接对冲击功与断裂韧性数据进行拟合，得到二者的数值关系式。这些关系式有如下特点：首先受制于早期平面应变断裂韧性测试问题，参与拟合关系式的断裂韧性数据非常有限，这导致拟合曲线与数据的相关性极差，因此关系式的准确性并不理想。其次这些关系式建立时间多为上世纪七十年代，如今钢材质量较过去大幅提升，同时用于建立曲线的数据往往来源于多种材料，因此关系式对当代钢材的适用性是值得怀疑的。最后铁素体钢在韧脆转变区的韧性数据十分分散，为保证安全，工程中直接取下包络线，这决定了关系式中必然包含极大的保守性。

技术实现要素：

本发明针对结构完整性评估领域冲击功与断裂韧性经验关系式存在的问题，提出铁素体钢在韧脆转变区内冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法，借助主曲线法，利用实测断裂韧性与冲击功数据，实现较高预测准确性与材料适用性经验关系式的建立。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

铁素体钢冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法，包括以下步骤：

s1、分别加工冲击试样和断裂韧性试样，对冲击试样开展系列温度冲击试验，获取材料冲击功转变温度的关系曲线，对断裂韧性试样开展断裂韧性测试，获取材料主曲线；

s2、将同一温度下的冲击功与断裂韧性数据进行拟合，建立经验关系式。

本发明的优点在于：

(1)现有技术中经验关系式为特定温度下少量试验数据点的拟合，而本发明首先通过试验获取冲击功及断裂韧性随温度变化曲线，其次开展转变温度区冲击功与断裂韧性数据拟合，最后实现更宽温度范围且更高精度关系式的建立。

(2)本发明铁素体钢在韧脆转变区内冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法，借助主曲线法给出断裂韧性在韧脆转变区的分布，克服了早期经验关系式断裂韧性数据量不足的问题。基于钢材实测冲击功与断裂韧性数据，大大提高关系式对当代钢材的适用性。根据韧性数据的分布，建立不同保守程度的关系式，增加对实际工程的适应性。

附图说明

图1为q345r冲击功数据及分布图。

图2为q345r断裂韧性数据及分布图。

图3为q345r冲击功与断裂韧性数据拟合曲线。

图4为某焊缝金属冲击功数据及分布图。

图5为某焊缝金属断裂韧性数据及分布图。

图6为某焊缝金属冲击功与断裂韧性数据拟合曲线。

图7为a508-3冲击功数据及分布图。

图8为a508-3断裂韧性数据及分布图。

图9为a508-3冲击功与断裂韧性数据拟合曲线。

具体实施方式

实施例1

铁素体钢冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法，包括以下步骤：

s1、选择压力容器常用钢材q345r为对象，冲击试样的形式、尺寸和试验方法符合标准gb/t229-2007的相关要求，当冲击试样采用小尺寸时，将冲击功换算到标准试样下。对冲击试样开展系列温度冲击试验时，至少包括8个测试温度点，每个温度点重复试验3个冲击试样，选取的测试温度均匀分布于整个材料冲击功转变温度的关系曲线如图1所示。q345r冲击功95％置信度下限值方程，如式(1)所示：

式中t表示试验温度，从式(1)中可以看出冲击功转变温度为-72.2℃。

依据标准astme1921计算q345r参考温度t0mc＝-102.9℃，获取材料主曲线，如图2所示。其断裂韧性95％置信度下限值方程，如式(2)所示：

kjc＝25.2+36.6exp(0.019(t+102.9))(2)

s2、选取冲击功转变温度以下若干温度点，根据冲击功转变温度-72.2℃，大部分的温度均低于该温度，分别由式(1)计算相应冲击功值，式(2)计算断裂韧性值，具体数据值如表1所示。

表1

将同一温度下冲击功与断裂韧性数据进行拟合，获得经验关系式如式(3)所示，获得经验关系式对应的曲线图如图(3)所示。经验关系式如式(3)为：

实施例2

铁素体钢冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法，包括以下步骤：

s1、选择某焊缝金属为对象，开展系列温度试验，获取材料冲击功转变温度曲线，如图4所示。焊缝金属冲击功95％置信度下限值方程，如式(4)所示：

式(4)中t表示试验温度，从式(4)中可以看出冲击功转变温度为-46.1℃。

断裂韧性测试结果如图5所示，依据标准astme1921计算焊缝金属参考温度t0mc＝-90.8℃，其断裂韧性95％置信度下限值方程，如式(5)所示：

kjc＝25.2+36.6exp(0.019(t+90.8))(5)

s2、选取冲击功转变温度以下若干温度点，根据冲击功转变温度-46.1℃，大部分的温度均低于该温度，分别由式(4)计算相应冲击功值，式(5)计算断裂韧性值，具体数据值如表2所示。

表2

将同一温度下冲击功与断裂韧性数据进行拟合，获得经验关系式如式(6)所示，获得经验关系式对应的曲线图如图6所示。经验关系式如式(6)为：

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

实施例3

铁素体钢冲击功与断裂韧性经验关系式确定方法，包括以下步骤：

s1、选择核压力容器用钢a508-3为对象，开展系列温度试验，获取材料冲击功转变温度曲线，如图7所示。焊缝金属冲击功95％置信度下限值方程，如式(7)所示：

式(7)中t表示试验温度，从式(7)中可以看出冲击功转变温度为-12.7℃。

断裂韧性测试结果如图8所示，依据标准astme1921计算a508-3参考温度t0mc＝-60℃，其断裂韧性95％置信度下限值方程，如式(8)所示：

kjc＝25.2+36.6exp(0.019(t+60))(8)

s2、选取冲击功转变温度以下若干温度点，根据冲击功转变温度-12.7℃，大部分的温度均低于该温度，分别由式(7)计算相应冲击功值，式(8)计算断裂韧性值，具体数据值如表3所示。

表3

将同一温度下冲击功与断裂韧性数据进行拟合，获得经验关系式如式(9)所示，获得经验关系式对应的曲线图如图9所示。经验关系式如式(9)为：

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。