（材料学专业论文）结构钢焊接接头的jic测试方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本论文采用1 6 m n 及9 0 7 a 钢不同尺寸的试样进行了j 积分测试，研究了 延一陛断裂韧度的测试方法。研究表明，目前的j 积分测试方法存在许多问题， 例如钝化线方程、如的确定方式、j ，c 的有效性及试样尺寸的平面应变条件 的检验规则等，本文对上述问题进行了讨论并提出了相应的解决办法。 用v i s u a lf o x p r 0 6 0 编制了断裂韧度试验数据管理系统，该系统可用于试 验数据的计算、存储和管理。 经过分析j 积分试样的钝化起裂过程，建立了新的钝化起裂模型。 根据j 积分路径无关性原理，本文提出了新的钝化线方程 ，：堕2 a a 。 1 + ” 通过对以往的j 。的确定方法的分析，建立了新的，。的确定方法，即用 经过( a a 。，o ) 的点作垂线，该线与j 一a 阻力曲线的交点对应的纵坐标值 即为，。 通过对j 积分测试中的有效性条件及平面应变条件的分析，提出用尺寸 为1 0m i l l 2 0m m 1 0 0i 1 i l l 的试样作为标准试样进行j 积分试验，该试样既能满 足有效性条件又能满足平面应交条件，并解释了其原因。 由于焊接接头存在特殊性，测试其，。值的最大困难是无法知道各区的 盯。，吒，也就无法知道钝化线方程，而按照目前的j 积分测试方法，不知道 钝化线方程是不可能测得材料的j 。值的。本文在对目前的j 积分测试中存在 的诸多问题进行分析之后提出了新的j 积分测试方法。该方法能够用于测试 焊接接头的l ，。值。本文运用该方法测试了系列温度下9 0 7 a 钢焊接接头的 ，。值。 关键词：断裂韧度：j 积分；钝化线；焊接接头 堕玺鋈三堡盔兰鎏圭兰篁笙兰 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ej - i n t e g r a lt e s to f1 6 m na n d9 0 7 ah a sb e e nd o n ew i t h t h r e e p o i n tb e n ds p e c i m e n t h es p e c i m e n s h a v ed i f f e r e n td i m e n s i o n s t h em e t h o d o fj - i n t e g r a lt e s ti ss t u d i e d t h er e s d i t ss h o wt h a tt h e r ea r em a n yp r o b l e m si n p r e s e n tj ，c 、t e s t i n g ，s u c h a st h ef o r mo f b l u n t i n gl i n e ，t h e m e t h o do f d e t e r m i n e j ，t h ec o n d i t i o no f v a l i d n e s so f j - i n t e g r a la n dp l a n e - s t r a i na n ds oo n a l lt h e s ep r o b l e m sh a v eb e e nd i s c u s s e di n t h i sp a p e ra n dt h em e t h o d sf o r r e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s a r er a i s e d ， t h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mo ff r a c t u r et o u g h n e s si sp r o g r a m m e dw i t hv i s u a l p o x p r 0 6 0 t h et e s t i n gd a t ac a nb ec a l c u l a t e da n ds a v e da n dm a n a g e db yt h e s y s t e m ， an e w b l u n t i n ga n dc r a c k i n gm o d e l i sf o u n d e db ya n a l y z i n gt h ep r o c e s so f s p e c i m e n sb l u n t i n ga n dc r a c k i n g o nt h eb a s i so f p a t h i n d e p e n d e n c eo fj i n t e g r a l ，an e w f o r mo f b l u n t i n gl i n e i so b t a i n e d t h er e s l l l t i sa s f o l l o w e d ，：! ! 二笠2 吼 t h r o u g ha n a l y z i n gt h em e t h o df o rd e t e r m i n i n gj e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n e wr u l et od e t e r m i n e j ，c t h em e t h o d i sa sf o l l o w e d ：c o n s t r u c tt h ev e r t i c a ll i n e ， w h i c h p a s s e st h ep o i n t ( a a o ，0 ) p l o tjv e r s u sc r a c ke x t e n s i o n m a r k 如a tt h e i n t e r s e c t i o no f t h et w o1 i n e s i ti s n e c e s s a r yt o u s ean e ws t a n d a r ds p e c i m e nt od oj - i n t e g r a lt e s t t h e d i m e n s i o no fs t a n d a r ds p e c i m e ni s1 0m i n x 2 0 衄1 0 0 眦t h er e s u l t sf r o mt h i s s p e c i m e na r es a t i s f i e dw i t ht h ec o n d i t i o no fv a l i d n e s so f j - i n t e g r a la sw e l la st h e c o n d i t i o no f p l a n e - s t r a i n t h er e a s o ni se x p l a i n e d b e c a u s eo ft h e p a r t i c u l a r i t yo f w e l d e d j o i n t s ，i ti sd i f f i c u l tt og e tt h e 口。a n d o - o f d i f f e r e n tp o s i t i o n so fw e l d e d j o i n t s ，i ti st h em o s td i f f i c u l tt h i n gi nt e s t i n g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j ，s ot h ef o r m o f b l u n t i n gl i n eo a l ln o tb eo b t a i n e da n d i ti sd i f f i c u l tt og e tt h e i ，m o fw e l d e d j o i n t s 埘t l lp r e s e n tm e t h o do fj - i n t e g r a lt e s t a f t e rd i s c u s s i n ga l l t h ep r o b l e m sp r o p o s e d ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm e t h o do f j - i n t e g r a lt e s t t h i s m e t h o dc a nb eu s e dt om e a s u r et h ej 1 c o fw e l d e d j o i m i nt h i sp a p e r , t h ej o f w e l d e d j o i n to f 9 0 7 a s t e e li so b t a i n e db yt h i sm e t h o d k e yw o r d s ：f r a c t u r et o u g h n e s s ；j - i n t e g r a l ；b l u n t i n gl i n e ；w e l d e d j o i n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并于参考文献相对应。除文中已注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：丑焦 日期：2 0 0 3 年1 2 月1 0 目 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i - - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - 一i i i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ 1 1 背景和意义 第1 章绪论 随着焊接结构的广泛应用和日趋大型化，工程上发生过多次焊接结构的 脆性断裂事故。按照美国国家标准局( n b s ) 和b a t t e l ec o l u m ，b u s 实验室( b c l ) 的统计资料，以焊接结构仅占失效结构的百分之四十五估算，则仅在美国， 每年的损失就高达4 8 0 亿美元，全世界每年在这方面的损失更为惊人。焊接结 构的断裂一般起始于焊接接头区域，因此，对焊接接头抗断性能的评价已成 为研究者的重要任务之一。 目前，对钢结构的抗断性能有多种评价方法，i t i c h a r p y 冲击试验，落锤 试验等，由这类评价方法形成的判据包括有1 h 判据，t t e 判据，f a t t 判据和 n d t 笋i 据，这类判据均为经验判据或半定量判据，唯有在断裂力学基础上发 展起来的断裂韧度判据才可对结构的安全可靠性及寿命给出定量评价。早期 的r o l f e 根据海船工作条件提出了船体钢的性能要求： k “o r 0 6 ( 英带0 ) n d t 3 2 0 f k ，c 的测试采用万能试验机a p - 1 ，但k 。的测试很难解决加载速度问题， 即使使用d w t ，加载速度也只有9 m s ，因此这方面的研究受阻。近年来，随 着示波冲击加载技术基本趋于成熟，h o p k i n s o n 2 i 载技术也得到发展，在更高 加载速率的基础上测得断裂韧度值，从而建立新的海船断裂控制准则已成为 可能，文献 1 在静载，示波冲击及应力波冲击等不同载荷速率下，对k 。， 和足。测试基础上，建立起新的海船船体钢断裂控制设计准则： n d t s 1 8 0 c j ( k l d o y d ) o - 6 3 何 ( 1 - 2 a ) 并且在0 0 c 时 ( k j d a v d ) 0 9 4 b ( 1 - 2 b ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以上的断裂韧度判据与早期的经验判据相比有了很大的进步，但断裂一 般起始于焊接接头区域，焊接接头有其特殊性，只有对焊接接头的断裂韧度 进行深入研究之后，才能建立起更为完备的海船船体钢断裂控制设计准则。 而目前的断裂韧度测试标准均建立在均质材料基础之上，对于非均质、结构 复杂的焊接接头尚无专门的断裂韧度测试方法，因此，建立起适用于焊接接 头的断裂韧度测试方法已成为首先需要解决的问题。 1 2相关领域的工作 1 2 1 断裂判据研究的历史情况 材料的脆性断裂判据现可分为两类：脆性转变温度判据和断裂力学判据。 前者属于定性的经验判据，后者可以提供定量的设计指标，对脆性断裂进行 定量评定。 1 2 1 1 脆性转变温度类的判据 t ，。判据：t 。”t 。，。此判据来源于c h a r p y v 系列冲击试验。美国国 家标准局对1 0 0 余艘船体钢板脆断分析表明，发生断裂的温度均低于h 。若 以h 。舴为判据，超过此温度有止裂特性，不会发生脆性断裂。所以于1 9 5 2 年确定t 。，为船板最高起裂温度，比1 4 j 提高1 3 ，以保证安全堙1 。此判据对 防止碳钢结构的脆性断裂曾起到重要作用，但对于h s l a 钢结构则需相应提高 n t r ”，t t & f 甚至t t 婚跗。 t 。判据：该判据规定用高阶能之半对应的温度为脆性转变温度，用t 。 表示。 f a t t 半o 据：该判据用5 0 结晶断口时的温度作为脆性转变温度记为 5 0 f a t t ，规定t i n 5 0 f a t t 。 此类判据是在c h a r p y v 冲击试验的基础上建立起来的，已如前所述。 c h a r p y v 冲击试验的局限性在于其结果与试验尺寸有关。试样尺寸加大时， 因约束加剧而使脆性转变温度向高温推移。此外，结果还与加载速率有关。 因此于五十年代中期( i 9 5 2 ) 以美国海军试验室( n r l ) 的p e l l i n i 为首提出 了落锤试验( d w t ) ，并由d w t 得到n d t 笋i 据。 d w t 试验和n d t 笋i 据：d w t 试验的装置，过程及试样要求详见文献 3 。 对二战期间及其后发生的多起海船断裂事故中的4 2 只船的船体钢取样，d w t 啥尔滨工程大学硕士学位论文 试验结果表明。 t 新& n d t( i - 3 ) 基于此，将n d t 作为事故分析和防断设计的重要参数，并于1 9 6 2 年作为防 断设计准则列入美国军标。相应地，日本和德国也相继将n d t 列入钢材的验收 标准。 n d t 的具体应用有两个方面： ( 1 ) 用于材料验收技术条件和生产质量控制标准； ( 2 ) 为工业结构的生产制订技术规范，建立构件使用准则，保证安全运 行。 a s t m h 镕 其列入标准之后，经多次修订。修订版指出：测定n d t ，强调其精 度是没有意义的。对于某特定的材料，n d t 没有公认的标准值，也没有准确度 可言。 d w t 在我国试验的情况是：七十年代中期，尚未标准化时，各单位参照a s t m e 2 8 进行，由于技术水平、设备条件和试样加工的差异，所测n d t 差异达2 0 。c 。 可见，n d t 对测试技术是很敏感的。后来，随着测试技术的发展和测试程序的 标准化、规范化，到八十年代中期，各单位分别测试的结果趋于一致。国内 的结果与美国某研究所的结果接近一致，偏差 去+ o 过( 1 5 ，0 ) 作钝化线的平行线，该线与阻 口。 2 5 j , c 金，铝合金，t 分别取2 5 ，4 0 ， o r 6 0 。 拟合方式 直线：j b = a + b x h a曲线：d 月= c 1 a a 岛 裂纹扩展量小于0 0 5 m m 时就 发生失稳断裂，此时的j r 即为 当标准规定的各项要求都满足后，钝 j e 化线偏置0 2 r a m 后与阻力曲线的交点 ，e 。钝化线偏置o 2 m m b - 与 即为如。 阻力曲线的交点为d e 1 之乏蔓j 罄分测试中存在的问题 薯喇州t - ， ( a ) 1 2 c r l m o v( b ) 1 2 5 c r 0 5 m o s i ( c ) 1 6 m n r( d ) 焊缝金属 图1 5 不同材料的，一a a 曲线 量 一 厶l 胂 图1 6l c r l 2 m o 钢的j a a 曲线 ，c 测试方法虽然经过广泛的研究，但仍然存在些问题，这影响了该 方法的运用，比如数据点的有效性判断、钝化线的方程、裂纹扩展量的大小 等等，这些问题都是相互关联的，很难将其中某一个问题独立地解释清楚。 下面结合现有文献给出的一些j 。测试结果来说明这些问题。 首先是有效数据点的判断。g b 2 0 3 8 - 9 1 对，一血曲线上数据点分布的要 。皇u摹奄t、 矗喜一索馨、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 求非常严格，数据点必须位于左界限、上界限、右界限及横坐标轴围成的区 域内，在标准规定的a 区、b 区必须有数据点。g b 2 0 3 8 8 0 中也有相应的检验 规则。如果严格按这些规则操作，很可能会导致材料的j ，值无法铡出。图 1 5 及图1 6 为文献 1 1 及文献 1 2 3 给出的不同材料的，一a a 曲线，表1 2 为文献给出的各材料的盯。、盯。及由此得到的有效性条件这里的有效性条件 是指数据点的有效性，在g b 2 0 3 8 9 1 中即为厶的上界限。由表1 2 可知，严 格按照国标判断，图1 5 及图1 6 中的数据点多数都是无效点，类似的情况 在其它的文献中也存在“。“1 。因为国标对数据点分布的限制，试样的裂纹扩 展量必须达到一定的长度，而此时得到的，。值必然会超出国标规定的有效数 城区，这一矛盾是不相容的。这说明国标对有效数据点的判断规则存在问题。 表1 2 文献给出的各材料的盯：、o - 6 及由此得到的有效性条件 文献 试验材料 o so b 盯，( m p a ) 编号 ( m p a )( m p a ) g b 2 0 3 8 8 0g b 2 0 3 8 9 1 1 2 c r l m o y5 6 86 4 85 6 86 0 8 1 2 5 c r 0 5 m o s i4 6 76 1 54 6 75 4 l 1 1 1 6 m n r3 3 94 8 63 3 94 1 2 5 焊缝金属 4 4 35 4 04 4 34 9 l _ 5 1 2 1 c r i 2 m o5 l l 6 6 25 1 l5 8 65 g b 2 0 3 8 - 8 0g b 2 0 3 8 - 9 1 文献 试验材料有效性条件有效性条件 编号 ( j r )( j r ) 1 2 c r l m o v2 7 2 6 44 8 6 4 】2 5 c r 0 5 m o s i2 2 4 1 64 3 2 8 1 13 1 6 m n r1 6 2 7 2 3 3 0 焊缝金属2 1 2 6 43 9 3 ，2 1 2 i c r l 2 m o2 4 5 2 8 4 6 9 2 其次是钝化线的方程。从图1 5 及图1 6 的裂纹扩展量及曲线的拟合形 式来看，作者试验时是按照6 8 2 0 3 8 9 1 进行的，但从钝化线的斜率判断，作 者采用的钝化线方程是l ，= 1 5 ( 盯。+ 吒) 肋，而这是g b 2 0 3 8 8 0 规定的钝化线 方程a 由此可以看出，文献 1 1 及文献h 2 不是严格按照某一个标准进 行的试验，实际上如果严格按照国标进行试验很可能测不出材料的如值。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 例如g b 2 0 3 8 9 1 规定的钝化线方程为j = ( 仃。+ ) a a ，如果按此方程去定义 最小裂纹扩展线，很可能测得的所有数据点都在最小裂纹扩展线左侧，这会 导致所有的数据点都不合格。还可以由伸张区宽度来说明日前的钝化线是不 合理的。按照目前的j ，c 测试方法，。一4 阻力曲线与钝化线的交点就是开 裂点，它所对应的裂纹扩展量就是饱和伸张区宽度，但计算值与实测值并不 一致。1 0 。这也说明目前的钝化线不合理。 另外测试中还存在，。的确定方法、o r - 曲曲线的拟合形式等诸多问 题，对这些问题的分析本文将在后面的章节中逐一给出。 1 2 3 焊接接头的断裂韧度研究现状 1 2 3 1 焊接接头中裂纹的分类 焊接接头是由母材、焊缝以及热影响区组成的宏观力学不均匀体i ”j 。由 于热影响区一般比较窄，在力学分析中可以将焊接接头简化为母材和焊缝两 部分组成的不均匀体模型。实际焊接接头中通常既有纵向裂纹( 平行于焊缝 的裂纹) 又有横向裂纹( 垂直焊缝的裂纹) 。在焊接结构的断裂安全分析中， 可将含纵向裂纹和横向裂纹的焊接接头分别简化为焊缝横向受载和纵向受载 两种情况，如图示，这两种受载形式有本质的区别。焊缝横向受载时，接头 每个截面上应力相等；焊缝纵向受载时，焊缝金属被限制与母材金属有相同 的变形方式，接头每个截面上应变相等。对于含纵向裂纹焊缝横向受载的焊 接接头，研究证明了j 积分的守恒性。对于含横向裂纹焊缝纵向受载的焊接 接头，j 积分的守恒性不再成立，文献 1 6 利用线积分形式的j 积分修正表 达式对含横向裂纹的高匹配焊接接头的j 积分进行了修正，修正后的j 积分 通过有限元证明是守恒的。 厂 i 图1 5 焊缝横向受载 1 4 圈i ，6 焊缝纵向受载 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 2 焊接接头的特殊性 焊接接头的特殊性主要是它的非均质性“”。在测试焊接接头的韧度时， 通常将其划分为三个区：基体金属( b m ) 、热影响区( h a z ) 和焊缝金属( w m ) ， h a z 又常细分为熔合线和粗晶区( c g h a z ) 。各区的化学成分、组织均不相同， 力学性能存在差异。因此，应对每个组织确定其韧度指标，然而要做到这一 点非常困难。 首先是裂纹扩展方向的控制。不少研究发现，对于某些焊缝金属、母材 及热影响区的组合，很难控制裂纹使之向某个特定区域扩展，尤其是向h a z 扩展，虽然初始裂纹可以位于特定区域，但常常发现裂纹会偏离该区域，致 使裂纹不在该区扩展，因此，预定在h a z 破坏的试验最终可能在焊缝金属或母 材中发生破坏，而原先代表h a z 性能的数据，实际上可能完全不代表h a z ，目 前通常采取的防止上述现象的措施，如事先压缩试件，加开侧槽乜”1 ( 每边 的侧槽深度为试样厚度的1 0 ) ，g k s s 法。但仍然难以保证预制疲劳裂纹和随 后的断裂严格位于该区域。 其次是各区域本身的复杂性。h a z 实际上包括一序列区域，因而对h a z 的 某一个区域进行试验，必须先作出判断。 最后是焊接坡口问题，进行焊接接头的断裂韧度测试必须采用特殊的焊 攮坡口，必克服焊接接头试验时的几何形状问题。通常采取“k ”型坡口或单边 “v ”型坡口，以获得直边的h a z 。 1 2 33 焊接接头的j 积分守恒性和有效性 ( 一) j 积分守恒性关于焊接接头j 积分守恒性，目前通行的办法是通过 有限元分析，这方面的工作有很多，各人的结果也不一样，主要有以下几种 说法： 对于焊缝横向受载的情况( 如图1 5 ) ，通常认为焊接接头j 积分是守恒 的。马维甸”应用弹塑性有限元法分析了j 积分方法用于非均质焊接接头安 全评价的两个疑难问题，证实了j 积分对于一些典型的焊接接头，裂纹平行于 界面的软夹硬不均匀体仍然与路径无关，而且j 积分的能量率表达式仍然适 用。文章对不均质条件下的j 积分的路径无关性进行了数学证明。探明了软夹 硬不均匀体力学性能不均匀性对j 积分值的影响规律：硬夹层两侧软区的屈服 倾向于使j 积分值增高；由于软区的屈服程度因硬夹层相对宽度h 2 a 而异， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h 2 a 越小，相同载荷作用下的j 积分值越大。郭奇啪1 等人把焊接接头近似看 作出焊缝、热影响区和母材三均质材料组成的三明治结构，采用弹塑性有限 元法计算焊缝和热影响区中裂纹的j 积分，结果显示，由若干种异质材料组 成组成的焊缝区，在任意选取裂尖的积分回路时，对大部分路程经过母材的 大回路与大部分路程经过焊缝及热影响区的小回路，严格地说j 积分是不守恒 的，但实际上，由于焊接接头各区域的材质性能差异不大，或者还由于焊缝 及热影响区的范围较小，数值计算表明，各回路所得的j 值差异不明显。从 工程应用的角度可以认为焊缝区裂纹的j 积分路径无关性仍然成立。 对于焊缝纵向受载的情况，通常认为焊接接头j 积分是不守恒的，但经 过修正后可以守恒。田富强“5 1 等对于含横向裂纹焊缝纵向受载的焊接接头进 行了计算。结果表明：j 积分守恒性不再成立。认为焊缝与母材的的强度差别 以及积分路径中包含的焊缝与母材界面的长度的影响是造成含横向裂纹体力 学不均匀焊接接头的j 积分不守恒的赢接原因，经过修正项修正后，不同组配 焊接接头在不同载荷下的修正j 积分可呈现良好的路径无关性。康继东。“等采 用平面应力弹塑性大变形有限元法、云纹干涉法及云纹干涉一有限元混合法， 考察了非均质焊接接头的j 积分断裂判据。结果表明，j 积分守恒性是有条件 的，因此，在非均质焊接接头中直接运用j 积分作为断裂判据是不合适的。 ( 二)j 主导有效性所谓j 主导有效性，是指在加载过程中裂纹尖端是 否存在一个出j 积分控制的裂纹尖端场。但是这类研究到目前为止尚不多 见。文献 2 1 ， 2 2 1 从有限元计算得到的应力场出发，分析了j 积分主导 的有效性，认为h r r 主导有效性是有条件的。文献e 2 3 3 运用二维有限元法， 分析了4 种尺寸的试样的焊接接头裂纹尖端场的变化，这些试样具有不同的 强度组配。结果表明：在平面应变条件下，不同强度组配的焊接接头存在明显 不同的三向应力。通过比较三向应力是否满足h r r 解的要求，发现不存在j 主导有效性，而在平面应力条件下j 主导有效性是存在的。 1 2 3 4 影响焊接接头断裂韧度的因素 焊接接头的断裂韧度事实上是一个笼统的概念，在断裂韧度测试时，通 常要分别测出各区的断裂韧度值，因而影响焊接接头断裂韧度的因素事实上 也是影响四个区的影响因素，下面对各区分别加以说明： ( 一) 焊缝区h e x u e 。”等利用弹塑性有限元法，计算焊接接头三点弯曲 试样的塑性区演变过程，结果表明，裂纹长度强烈的影响着裂纹尖端的塑性 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 区，因此在三点弯曲测试中，浅裂纹能给出更大的断裂韧度值，这也是c t o d 测试标准给出a w 限定范围的原因。文献 2 5 通过测定不同a w 试样的断裂 韧度后认为，断裂韧度随裂纹深度的变化趋势在热影响区、基体金属和焊缝 金属都一样，即随裂纹深度的增加，断裂韧度值降低。 对于同种基体金属的焊接接头，低组配焊接接头的试样比高组配焊接接 头的试样塑性区大，低组配焊接金属有较大的应变，这将导致裂纹张开位移 的驱动力增大，而离组配焊接接头正好相反。当塑性区扩展到熔合线时，对 于低组配焊接接头，向基体金属扩展的塑性区受到抑制，而对于高组配焊接 接头的试样。其塑性区会在基体金属内迅速扩展。“。对于用同强度级别的基 体金属制成的焊接接头和由不同强度级别基体金属制成的焊接接头，文献 2 6 比较了两者的断裂韧度。结果表明，断裂韧度是由局部的焊缝金属的 断裂韧度控制的。脆性断裂发生在焊缝金属显微组织的树枝晶边界，但断裂 起始和增殖以延性裂纹生长机制通过更硬的焊缝金属时，断裂韧度会很高。 在由不同强度级别的基体金属制成的焊接接头中，断裂开始于位于焊缝金属 的预制疲劳裂纹前沿裂纹在增值过程中会慢慢偏向较低强度性能的基体金 属。在裂纹到达低强度的基体金属前，在最弱的热影响区粗晶区，沿着h a z 中楼低韧廑的搭合线发生脆性断裂，这表明在此情况下，裂纹形成的最初增 值是较低强度性能的基体金属控制的，直到裂纹到达更硬的热影响区，在那 里裂纹更多地被熔合线附近较低的韧度性能支配，这种现象可从金属断口证 实，它很清楚地表明，局部材料的强度组配能够影响断裂行为。文献 2 7 1 研究了不同强韧性组配的1 6 l n 钢焊接接头的断裂性能和断裂行为，结果表明， 对于裂纹位于焊缝金属的低组配焊接接头，断裂发生在焊缝区和熔合线上， 母材没有发生明显的屈服，对于高组配焊接接头，各区都产生了较大的屈服 变形，而母材的变形最大，裂纹沿焊缝和熔合线扩展，最后断裂在母材的局 部屈服区，这时接头中的薄弱环节不仅仅是焊缝和熔合线。文献 2 8 通过 有限元方法和断裂力学测试，研究了不同强度组配和裂纹深度焊接接头试样 的断裂韧度，尤其是强度组配和裂纹深度对裂尖的三向应力状态、裂尖张开 位移和j 积分断裂韧度的影响。结果显示，在断裂韧度和裂纹深度曲线上有断 裂韧度峰值( f t p ) ，对均质材料而言，f t p 受屈服强度的影响，而对焊接接头， f t p 还受到强度组配的影响，如果焊接金属与基体金属韧度相近，焊接金属强 度的增加将有利于焊接金属的断裂阻力性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 二) 热影响区( h a z ) 裂纹长度对热影响区的影响与对焊缝区和母材 的效果相同。文献 2 4 分析了位于熔合线上的裂纹扩展情况，结果表明， 由于裂纹两侧的屈服强度不同，因而裂纹尖端的塑性区也不对称，在具有较 低屈服强度的金属中，塑性区较大，而对于有较高屈服应力的一侧，塑性区 较小，另外，在同等载荷水平下，低组配接头的塑性区大于高组配接头的塑 性区。文献 2 5 研究了低组配焊接对热影响区断裂韧度的影响。结果表明， 强度组配对h a z 的断裂韧度有明显的影响，焊缝金属组配越低，h a z 的断裂韧 度越高，另外，焊接接头的宏观力学不均匀性t g h a z 后续热处理形成的粗晶区 的力学不均匀性对h a z 的断裂韧度影响更大。文献 2 6 指出，有不同强度级 别的钢制成的焊接接头，其h a z 的断裂韧度优于焊缝金属。由于较软的焊缝金 属的影响以及h a z 的裂纹增值方向垂直于焊缝金属的树枝晶方向，较高强度的 基体金属一侧的h a z 断裂韧度值会被过高的估计。对较低强度的基体金属一侧 的h a z ，其断裂韧度值也是如此，原因在于裂纹会从热影响区粗晶区偏向基体 金属。文献 2 9 指出焊接接头的熔合表面是非平面的，因此，h a z 熔合线上 的表观断裂韧度值在试样的厚度方向是变化的。在裂纹扩展过程中，随裂纹 相对于熔合线的位置的变化而一直在变化。因此，焊接接头的断裂韧度测试 多数情况下都不满足a s t me 8 1 3 和a s t me - 1 1 5 2 标准的要求。g a n t i ”研究了 强度组配的弹塑性断裂力学及其对焊接接头的应用，提出均质材料的断裂力 学方法( l e f m ，n l f m ，t p f m ) 应用到h a z 的裂纹是不可靠的，因为h a z 存在结构 梯度以及b m 和w m 的强度组配，通常高组配接头要降低h a z 的韧度而低组配则相 反。对于f i a z 的裂纹而言，更根本的是裂纹尖端的应力和形变场强烈的依赖于 强度组配。 1 2 3 5 焊接接头的断裂机制 文献r 3 1 研究了动载和静载下，结构钢焊接热影响区的断裂机制和断 裂韧度，结果表明，最低的断裂韧度值出现在i c c g h a z 区，在动静载荷下 i c c g h a z 的裂纹起始于具有不同位相的贝氏体铁索体束交界处，以解理方式增 殖，在裂纹增殖区相邻的解理面以剪切断裂的形貌相连，形成了韧窝区，虽 然脆性裂纹起始机制一直没有变化，解理面的尺寸，解理面间韧窝区的比例 还有裂纹起始位置到裂纹尖端的距离却随载荷速率和焊接条件发生着变化 这些变化与i c c g h a z 由应变率与焊接条件引起的变化相关。文献 3 2 对热模 拟试样和焊接接头试样进行t c h a r p y 冲击试验和c o d 测试，用光学显微镜、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ l - - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - l - t e m 、s e m e d a x 等分析手段研究了第二相颗粒的行为和显徽结构对韧度的影响。 结果显示，弥散的第二相质点能有效地抑制c g h a z 的奥氏体晶粒生长，提高韧 度。温度从8 0 0 “c 降n 5 0 0 0 c 的时间不同，第二相颗粒溶解、长大、再沉淀的行 为也不相同。当温度从8 0 0 0 c 降n 5 0 0 0 c 的时间从i o s 增j j n n 7 0 s 时，c g h a z 的显微 组织将从上贝氏体和粒状贝氏体转为粒状贝氏体，舆氏体的尺寸将增大，材 料的韧度有轻微的降低