（力学专业论文）焊接接头冲击断裂韧性研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 f 类似爆炸容器这类承受冲击载荷的工程结构，其运行安全性要求很高。作为 结构主要联结手段的焊接接头，在冲击载荷作用下断裂韧性的优劣，严重影响到 l 整个工程结构的安全可靠性。一 本文简要介绍了焊接接头的特性及冲击断裂韧性的测试方法，重点是采用以 试验测试为主并与理论分析相结合的方法研究焊接接头在冲击载荷作用下的冲击 断裂韧性。为此，结合h o p k i n s o n 小气炮加载装置与c h a r p y 冲击三点弯曲试样测 试技术，建立了一套在h o p m n s o n 小气炮装置上进行高应力强度因子速率( 霞 1 0 6m p a m s ) 条件下的冲击断裂韧性测试系统，并对试验数据及试样断口形貌 进行了分析。研究表明，焊接接头冲击断裂韧性受到焊接组配、焊接接头区域、 冲击速度以及温度的影响。对焊接接头在冲击载荷作用下各区域裂纹裂尖应力场 与位移场进行了描述，讨论了裂尖塑性区尺寸的大小。f 结果表明，在冲击载荷作 用下裂尖塑性区尺寸很小，裂纹断裂性质为低应力脆性断裂。在以上结论基础上， 对承受冲击载荷的工程结构设计方面提出了指导性建议。火 关键词：焊接接头i 冲击载荷，冲击韧性i 断裂韧性 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t o p e r a t i o n a ls e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ev e r yi m p o r t a n tf o re n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ， s u c ha se x p l o s i v ev e s s e l ，w h i c ha r ew o r k e du n d e rd y n a m i ci m p a c tl o a d i n g i ti sb a d l y a f f e c t e db yt h ed y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s so f w e l d e d j o i n t si nt h es t r u c t u r e t h e p a p e r i n t r o d u c e sb r i e f l yt h ec h a r a c t e r i s t i co fw e l d e d j o i n t s ，t h et e s t i n gm e t h o d s o fd y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s s m o r ea t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h ei n v e s t i g a t i o no fw e l d e d j o i n t i m p a c tt o u g h n e s s a n d d y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s su n d e rd y n a m i ci m p a c tl o a d i n g i n d o i n gs o ，am e a s u r i n gs y s t e mo fi m p a c tt o u g h n e s s w i t hh i l g h l o a d i n g r a t ew a s e s t a b l i s h e db yc o m b i n e dt h e p r e s s u r eg a sg u n o f s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rw i t i lt h e m e a s u r i n gt e c h n o l o g yo f t h et h r e e - p o i n tb e n d i n gs p e c i m e n t s a n a l y s i so f t e s t i n gd a t e s s h o w st h a tw e l d e d j o i n t s i m p a c tt o u g h n e s s a n d d y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s sa r ea f f e c t e d b ym a t c h i n g ，z o n e ，l o a d i n gr a t ea n dt e m p e r a t u r e t h ec r a c kt i ps t r e s sf i e l da n ds t r a i n f i e l do fw e l d e dj o i n t su n d e rd y n a m i cl o a d i n ga r ed e s c r i b e d t h ed i m e n s i o no f p l a s t i c z o n ea r o u n dc r a c kt i po fw e l d e dj o i n t su n d e rd y n a m i cl o a d i n gi s v e r ys m a l l ，w h i c h i n d i c a t e st h a tt h e r u p t u r e o fc r a c ki sb r i t t l e n e s s o nt h eb a s i so f a n a l y s i s a b o v e - m e n t i o n e d ，i n s t r u c t i v ea d v i c eo nd e s i g no ft h es t r u c t u r eu n d e rd y n a m i ci m p a c t l o a d i n ga r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：w e l d e d j o i n t s ，i m p a c tl o a d ，i m p a c tt o u g h n e s s ，f r a c t u r et o u g h u e s s 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章 引言 随着工农业生产、国防建设和航空航天等科学技术的发展，工程结构本身及 其工作条件日趋复杂，要求工程结构材料的强度和承受复杂工作应力的水平不断 提高，如何确保安全性要求高的结构如核压力容器、爆炸容器、天然气管道、船 舶、飞机等的安全，已经成为社会普遍关注的重大问题。这些工程结构中存在大 量的焊接接头，其在各种复杂工作条件下的性能会影响到整个工程结构的安全运 行，由它引发的动态失稳断裂及其后续破坏是对重大工程结构的安全性最具威胁 性的失效形式，具有突然发生不易预防的特点，往往由此导致灾难性的后果。例 如二十世纪四十年代后期美国曾建造了大约2 5 0 0 艘自由号型的万吨轮，在服役期 间有1 4 5 艘断成两截，7 0 0 艘左右受到严重的损伤。此外，象海洋平台发生崩溃， 压力容器发生破裂、吊桥的钢索断裂、天然气管道破裂、汽轮机叶片断裂等等事 故，都是时有所闻的。在我国，这一类工业事故也是不少的，如输送管线在使用 或试压过程中爆裂，不少压力容器的缺陷严重，这都是很令人担心的。再如，当 前爆炸广泛用于民用和军事，为了测试爆炸效应及爆炸过程中的各种参量，爆炸 容器成为试验室必要和必需的主要装备“4 3 。但是在使用过程中，爆炸容器多次发 生焊接接头部位的裂纹快速扩展事故，严重影响了试验工作的正常进行，给试验 研究的安全性带来严重隐患，引起人们的关注。例如我所i o k g t n t 当量爆炸容器， 试验过程中在焊接热影响区发生瞬间开裂，裂纹沿周长方向长达2 4 5 4 m m ，焊接接 头的性能严重影响了爆炸容器的安全可靠性。 目前对类似爆炸容器这类承受冲击载荷的工程结构进行设计时，仍然依据传 统的静态或准静态条件下的强度设计理论，即视结构的材质为均匀体，不考虑焊 接接头的力学不均匀性能，接头按等强度组配设计。然而任何焊接结构中都会存 在着一些缺陷，从裂纹的快速开裂与扩展事故的发生中可以看出，这些缺陷对焊 接结构的承载能力是有显著影响的，因而必需考虑这类工程结构在受冲击载荷作 用下，作为联接手段的焊接接头仍按静载强度设计的合理性问题。因为在这种条 件下，焊接接头的冲击断裂韧性好坏严重影响工程结构的安全运行，因此开展焊 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 接接头的冲击断裂韧性研究具有重要的实用价值。 1 1 焊接接头的特性及一般设计原则 焊接接头是焊接结构的重要组成部分，其性能的好坏与焊接结构的性能和安 全等方面有着直接的关系。焊接一般是通过高温使金属连接起来的，所形成的焊 接接头由焊缝金属、热影响区和母材所组成。焊接接头是一个不均匀体，表现为： 外形存在缺陷和截面变化，金属组织结构和化学成份不均匀，结构内部存在较高 的残余应力及应力集中状况。 焊接过程会引起一些不良后果，如： ( 1 ) 焊接过程中由于不均匀的加热和冷却引起了很大的残余变形，在变形同时 经常产生数量可观的残余应力，它对裂纹的产生和扩展起着重要作用。 ( 2 ) 焊接高温引起结构内部的一系列缺陷，特别是在焊缝的表面或内部，将产 生尖锐的缺口或焊接裂纹。焊接或随后的热处理过程中，硫化物的夹杂作用，可 能产生热裂纹；而在冷却过程中，残余氢的作用又可能产生冷裂纹；在焊接热循 环过程中，会产生热应变脆化，热应变脆化和残余应力一起又将引起材料断裂韧 性的变化，尤其是令裂纹顶端区域断裂韧性降低。 ( 3 ) 焊接过程是一个小冶金过程，焊接区域可以认为是双重的或复合的金属 ( 母材金属和焊缝金属) ，这就造成了焊缝、热影响区及母材在化学成份和组织结 构上的差别，这些差别必然影响到各区域断裂韧性的差异。焊接使焊接接头区一 些部位金属内部晶粒粗大，材料的断裂韧性明显地下降，会出现低应力脆断现象。 同时焊缝常常处于重要的传力部位，裂纹将以极快的速度扩展。 要搞清楚焊缝附近断裂特性，必须对焊接母材、焊缝材料、热影响区作一分 析。 ( 1 ) 焊接母材：材料的断裂韧性与化学成分、制造方法、热处理等因素有关， 一般为晶粒尺寸等的函数，焊接后晶粒变大而断裂韧性降低。 ( 2 ) 焊缝材料：焊缝材料选择不当是形成裂纹的主要原因。一般情况下很容易 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在焊缝上出现各种缺陷，这些缺陷显著降低了材料的抗断裂能力，形成初始裂纹。 ( 3 ) 热影响区：焊接熔化区附近存在热影响区，由于受到熔化区传来的热流使 得金属的微观结构发生了显著的变化，从而使材料断裂韧性降低，是极易出现焊 接裂纹的区域。 另外，焊接接头力学性能还与母材和焊缝二者之间的强度如何组配有关。根 据母材和焊缝金属的屈服强度，可将焊接接头分为低组配、等组配和高组配焊接 接头，焊缝金属强度比母材高的称为高组配，比母材低的称为低组配。一般情况 下，对高组配焊接接头的断裂多发生在母材上，而低组配的焊接接头断裂多发生 在焊缝金属上，但此时焊接接头强度并不等于焊缝金属本身的强度。 从设计的观点看，习惯上都是采用焊缝金属与母材等强的原则。在对焊接结 构件进行设计时，采用等组配焊接接头，认为此时焊接结构件成为一均质体，力 学性能均匀，只需对整个构件进行载荷分析、强度计算以及韧性计算等。 由于焊接接头存在几何上、力学上、化学成份以及组织结构上的不连续性， 其在冲击载荷作用下，焊接接头各区域的动态力学性能也是有差异的。有关研究 表明“1 ：在冲击加载条件下，焊接接头的应力应变本构关系呈现非线性，而且随着 应变率的增加，其应力应变本构关系非线性现象越明显；同时在冲击加载条件下， 焊接接头的整体强度高于母材和焊缝，随着应变率的增加，焊接接头的变形出现 流变行为，屈服应力滞后倾向增加，低组配焊接接头屈服应力滞后倾向较高组配 焊接接头明显，高组配焊接接头在冲击载荷下表现为高强度、高硬度，但脆性倾 向增强。 1 2 焊接接头动态断裂韧性的研究概况 早期工程设计中对于大型焊接结构，焊接接头的设计仍按传统的强度设计理 论，由于结构不断发生低应力断裂事故，人们便提出了韧性这一概念，试验测试 方法随之不断出现和发展“1 ，研究成果层出不穷。特别是c h a r p y 冲击试验方法成 为评价材料韧性好坏的较为成熟且普遍采用的试验方法，冲击功也定性地进入了 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 工程设计中，至今仍广泛地使用”。1 ，并且该方法经改进后己开始应用于焊接接头 的韧性评定测试上。断裂力学不断发展为研究焊接结构的断裂韧性提供了强有力 的手段，并在焊接结构接头设计中得到了成功应用，特别是大型焊接结构中裂纹 、的传播和止裂的断裂力学分析已构成断裂力学理论的一个重要领域。各种断裂韧 性参量( k 。、6 。、j 。d ，d 。等) 的测试分析方法都有很大进展，使得断裂力学的基本 理论和测试技术也日趋完善。如线弹性断裂力学的平面应变断裂韧性k - 。，美国制定 了e 3 9 9 7 2 测试规范，我国也有相应的标准( 参照y b 9 4 7 7 8 ) ；弹塑性断裂力学的 重要参量c o d ，英国制定了d d 一1 9 测试规范，我国制定了g b 2 3 5 8 - - 8 0 标准。目前受 到人们重视的j 积分测试方法与试验标准也进一步完善和发展。但是以上理论和 测试技术主要集中在研究材料的静态或缓慢加载条件下的断裂韧性和机理上。由 于高速加载试验设备和测试技术等原因，国内外有关焊接接头的动态断裂韧性， 特别是在高应力强度因子速率载荷下的动态断裂韧性，研究报道甚少。 1 2 1 动态断裂韧性测试技术发展概况 焊接接头作为一种重要的联接型式，近年来其动态断裂韧性受到人们关注。 焊接接头的动态断裂韧性研究在吸收金属材料动态断裂韧性研究方法基础上开展 - 了卓有成效的工作”1 “，理论研究不断深入，试验手段不断完善。目前，对动态断 裂韧性的测试主要集中在金属材料方面，一是因为和复合材料相比较，金属材料 的物理和力学性质比较简单：二是断裂力学应用于金属材料及其工程结构中也比 较成功。即使如此，国内外对于金属材料的动态断裂韧性的测试和研究仍不够充 分，这主要是因为动态断裂现象很复杂，动态载荷类型繁多，加载速率变化范围 太宽，尚未逐一分门别类加以研究。另外裂纹快速传播问题，在监测、记录等方 面均存在不少困难。同时有的试验方法费用昂贵，难以实现。因此鉴于试验研究 开展的不够，对材料动态断裂规律的认识尚不够充分，迄今世界上还没有一个国 家公布过动态断裂韧性的测试规范，而且前报道的各种试验方法大都参考美国的 材料试验学会( a s t m ) 和德国的材料试验学会( d v m ) 提出过建议的规范。国内有关单 位近年来也开始进行材料动态方面的研究，大多采用冲击试验机( 摆锤式或旋转摆 锤式) 或闭环回路电液伺服系统，动静态万能试验机来测试材料的动态断裂韧性。 但是迄今为止关于动态断裂韧性的测试还没有一个统一的见解和正式的试验标 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 准，各种评定方法均处在探讨阶段。目前材料动态韧性试验方法主要围绕两个方 面开展，一个是金属材料静态裂纹在冲击载荷作用下的断裂韧性的测试，另一 个是金属材料裂纹快速扩展断裂韧性肠的测试方法。 关于焊接接头动态断裂韧性的研究，国内外已开展了一些研究工作。国际焊 接学会第十委员会在英国的动态实验工作组，在2 9 届年会上提出了关于”动态韧 性测量的一些建议”，主要包括试验技术和标准，此建议在英国拟作为标准草案 d d - 3 ( k j 。测定) 与d d - 1 9 ( c o d 测定) 方法的附录。1 ，它为开展焊接接头的动态韧性测 试工作起到了较好的指导作用。国内有关单位近年来也开展了焊接接头动态方面 的研究，但迄今有关焊接接头动态断裂韧性的报导甚少，主要是在测试技术和设 备上还存在一定的困难。 1 2 2 动态断裂韧性测试技术 对于材料动态断裂韧性儿的测试，目前有两种常用的较为可行的方法，一种 是由紧凑拉伸试样评定静态断裂韧性的方法发展而来。该方法由美国材料试验协 会( a s t m ) 提出并已列入a s t me 3 9 9 - - 8 3 “3 。“3 标准的附录中，其意义在于把传统的评 定k ，。的方法经过修正应用于动载条件下，这一方法可以比较准确地评定材料的动 态断裂韧性，但成本高，其应用受到限制。第二种评定动态断裂韧性的方法是示 波冲击试验。它是在c h a r p y 冲击试验的基础上用带有疲劳裂纹的c h a r p y 冲击试 样在带有载荷变形传感示波装置的冲击试验机上进行试验。此方法的加载速度与 广大的机械产品实际的加载速度( 如表1 i 所示) 相当，故该方法使用的最多。 表1 1 常见各类机械受载速率估计 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 示波冲击试验能够很方便地以最大冲击载荷将冲击功分成裂纹萌生功e 和 扩展功。1 。”1 。尽管这种划分方式仍存在较大争议“”，但是给确定材料的断裂韧性 参数提供了重要的依据。在示波冲击试验机上进行试验，一般均采用1 0 1 0 5 5 m m 带预制疲劳裂纹的v 型缺口c h a r p y 冲击试样，在刀1 ：3 或支座上装载荷传感器， 一般在转轴上装变形传感器。由于受试样尺寸的限制，一般只适用于脆性材料的 试验，对韧性较好的材料，因为不能满足平面要求，只测动态的。示波器上记 录的载荷一时间曲线f p 一，和挠度一时间曲线f 卜d 如图l l 所示。由图1 1 可看 出，由于振动和惯性力，卜 曲线呈现波形，经滤波后可得光滑曲线，将两曲线( 图 1 1 a ) 改画成图1 1 b 所示的载荷一试样受力点垂直位移4 曲线，即可据之确定此 或 。用示波冲击试验机测彤。，方便简单，但还存在着惯性力影响和振动变形两 个没能很好解决的问题“，另外，由于加载速率的限制，不适用于类似爆炸容器 这类承受高速冲击载荷的焊接接头的动态断裂韧性试验。 ，j ) b l 图l - 1示波器上观察到的严厶，- f 蓝线和整理出来的卢4 曲线m 1 由于示波冲击实验加载速率属于中速加载，应力强度因子速率霞一般在1 0 3 1 0 j m p a m s 范围，因此目前有关材料及焊接接头断裂韧性的研究大多数都在中 低速范围，对于霞大于1 0 5 m p a m k ，s 的断裂韧性研究报道甚少。对于高应力强 度因子速率( 霞1 0 5 m p a m l a s ) 下焊接接头的断裂韧性研究，国际上多采用焦散 法。 焦散法。”“是研究应力场强度的一种有力的光学方法，它为m a n o g g 。2 所创 导，后来j f k a l t h o f f 及其合作者成功地把这种方法用于研究动态断裂现象。他 们用这一方法对裂纹动态起始与快速传播和止裂进行了系统研究，在国际上属领 先地位。这一方法被认为是目前精度最高的试验方法。其基本原理如图1 2 所示， i i i i i j i i 目i i | i i | j 一i i i i i i i 薯i i i i i j i i 嗣 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 口0 遗时 反 氧霾 图1 2 焦散线法的基本原理 将一平行光束垂直试样平面打在裂纹尖端，试样受i 型载荷o 。时，裂纹尖端沿试 样厚度发生变形，入射光束发散；在距试样一定距离z 。处放置屏幕，测量光线散 斑直径( 对透明材料的试样做透射实像测量；对不透明材料的试样做反射虚像测 量，分别如图1 3 、1 4 所示) ，这样就可以依据载荷大小、时间、材料性质、试 样几何尺寸等计算动态应力强度因子。典型的测量装置如图1 _ 5 所示。 图1 4 非透明材料的焦散线 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 5 发射式焦散方法用于起裂研究的装置 焦散法在动态断裂韧性参数测量中的成功应用向传统的示波冲击测量法提出 了挑战。传统仪器装备的冲击试验( 如c h a r p y 冲击试验、落重试验等) ，用来测量 高加载速率下的断裂韧性k 。通常是由落锤头部测出的载荷提供的载荷一时间曲 线或载荷一挠度曲线。从这些记录得到裂纹传播开始的临界断裂载荷，代入静态 应力强度因子公式可得到动态应力强度因子k ? ，这一方法尽管为权威的美国材料 与试验协会( a s t m ) 公布。5 。，但是在计算和测量中存在某些内在的困难。首先因为 载荷一时间或载荷一挠度曲线表现出特有的振荡，它们的解释是不确定的；其次， 作用在试样上的应力( 它们控制断裂性能) 是由锤头部的载荷测量推断出来的，惯 性效应的影响则没有考虑，因而得到的动态断裂韧性的测量结果往往是不正确的。 丽利用焦散法直接测量裂纹顶端可确定真实的动态应力强度因子。作为比较，图 1 6 显示了两种不同方法测量得到的两种材料的动态应力强度因子值。 图中给出了由焦散图整理的两组试验结果，它们分别对应：( a ) a r a l d i t eb 试样( 透射) ，冲击速度0 5 m s ，锤重4 9k g ；( b ) 高强钢试样( 反射) ，冲击速度 0 5 m s ，锤重9 0 坞。每幅图上给了两条曲线，k 少为焦散法直接测定的动态应力 强度因子，而k 为按相应的载荷变化计算的静态应力强度因子。时间坐标轴给 出了两条，一条为时间的绝对单位，另一条为相对时间单位，采用冲击试样的本 征周期t 归一化。从图上的两种应力强度因子曲线比较，很容易看到两者有较大的 差别，静态应力强度因子值振荡强烈，而实际的动态值显出平稳的增加趋势。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 f 寸1 吉1 卜言。卜1 1 1 - 1 a ) a r a l d i t eb 试样 b ) 高强钢试样 图1 6 落锤冲击下的应力强度因子 当然，焦散法也有其局限性。”，特别是它不能用来研究材料的非线性断裂问 题，加之实验经费大，设备投资高，在国内不便推广使用。因此，目前国内大多 采用a s t m 建议的方法“”，尽管它存在许多局限性和缺点，但目前尚没有替代它 们的更为合适的方法。 除上述方法外，还有以下几种典型的试验方法可以用来测试材料的动态断裂 韧性屁。 1 利用摆锤或落锤等装置冲击三点弯曲试样法。” 本方法是采用1 0 1 0 5 5 m m 的带预制疲劳裂纹的三点弯曲试样，利用摆锤或 落锤等装置进行动态加载，测定金属材料在冲击载荷作用下的断裂韧性儿。此方 法的内容基本上源于a s t me 2 4 文件。该方法主要用于以下目的： 1 ) 在材料的研究与发展中，必须研究诸如复合、热处理、机械加工过程、环 境因素等的影响，断裂韧性的测定可以用于评定材料的优劣等级。 2 ) 可以用于确定材料可接受的规范及生产的质量控制，可以用于比较材料的 动态断裂性能。 3 ) 研究如随温度变化的规律，确定儿发生显著变化时的温度范围。该方法 实质上是一种准静态处理方法，是一种工程近似处理，因为无论从理论计算，还 是实际测量都可看出动态应力强度因子置? 并不同外载荷j d r 成正比，而且足? 达 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 到最大值时与尸r 达到最大值的时间根本不一致。另外，k ? 是否真正与动态裂纹 起始扩展相对应，有待于进步论证，再加之试样在冲击载荷作用下仍会发生振 动和刚体运动，相当一部分能量消耗在这种与裂纹扩展无关的运动方面，因此所 得到的断裂韧性值与真实的韧性值会有出入。 2 落锤一一受冲击试样和焦散光力学相结合的方法” 这种方法是上述方法与焦散法相结合的方法，这一方法可以对落锤、试样和 支座的运动作完全动力学分析，并且澄清了前一种方法的许多不适当之处，是一 种先进的方法。它可以从所摄下的图像上判断裂纹的起始扩展时刻，这样可以更 准确地计算耽佑，但是设备投资高，耗资大，不便推广。 3 电液伺服加载装置 对由电液伺服机构进行加载的材料试验机，配备上计算机处理系统，可以作 三点弯曲低速冲击加载和自动记录载荷一时间关系试验。这一方法的优点是它可 以避免机械装置的惯性振荡的干扰，但是应力强度因子速率较低( 丘1 0 3 m p a m 2 s ) ，不能充分地揭示材料的惯性效应。 4 普通摆锤配备若干传感器作成的冲击装置 国内有关单位尝试用摆锤加以改进作成加载和记录装置，方法简便，如示波 冲击试验装置等，其原理与前述方法基本相同。但仍存在惯性力及振动等影响未 很好解决的问题。 关于金属材料裂纹快速扩展断裂韧性的测试方法，目前流行两种方法。一 种是b c l 方法，为美国b a t t e l l ec o l u m b u s 实验室创议的法，测量肠的最小值 肠，是一种比较完全的动态分析法：另一种方法借鉴静态止裂原理，提出测量扩 展裂纹的止裂韧性k 。，这一方法是美国的材料研究实验室( m r l ) 的工作者所坚持， 故又称m r l 法。除此之外，还有动态光弹法研究止裂韧性及动态焦散法，但因这 两种方法耗费太高，国内一般不推广使用。 由于广泛使用的示波冲击试验达不到启1 0 p a m “2 s 的应力强度因子速率， 因此要满足承受高速冲击载荷作用下焊接结构中的重要环节一一焊接接头的冲击 断裂韧性的测试要求，需要建立和发展新的试验技术。焊接接头的冲击断裂韧性 研究将采取以试验测试为主并与理论分析相结合的研究方法，采用h o p k i n s o n 小 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 气炮加载装置( $ h p b 装置) 对v 型缺口及带预制裂纹的v 型缺e l 冲击试样进行高应 力强度因子速率( 足1 0 6 m p a m s ) 下的冲击试验，测试缺口及裂纹处在不同区域、 不同强度组配、不同环境温度及不同冲击速度条件下的冲击断裂韧性。在此基础 上结合必要的断口形貌分析与数值计算，进一步研究焊接接头在冲击载荷下的断 裂韧性。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章焊接接头冲击断裂韧性测试技术 冲击动力学试验技术远比准静态力学中的复杂：第一，为了模拟各种速率的 冲击加载过程，需要设计一系列装置；第二，为了捕获冲击过程中产生的瞬态脉 冲信号并进行实时处理，需要配备频响高，性能可靠的数据采集处理系统；第三， 必须考虑所测信号的标定以及动态效应处理。因此，技术难度较大，迄今为止尚 无定型的标准试验方法。 示波冲击试验可以满足中低应力强度因子速率( 即丘 1 2 0 0 m p a 的高强度 钢、厚截面的中强度钢( o 。 5 0 0 一1 0 0 0 m p a ) 及低温下的中低强度钢。在这些情况下， 裂纹尖端塑性区尺寸很小，可近似看成理想弹性体，而应用线弹性静力学来进行 分析时，所带来的误差在工程计算中是允许的。焊接接头动态力学试验的结果证 明，在冲击载荷作用条件下。焊接接头及各区域的屈服强度均高于5 0 0 m p a ，材料趋 向于硬脆“”。能够满足小范围屈服条件。研究表明，c h a r p y 冲击试样冲击断裂时 的应力状态是平面应变状态“8 删。因此，采用h o p k i n s o n 小气炮加载装置结合 c h a r p y 三点弯曲冲击试样建立的焊接接头冲击断裂韧性测试技术，思想方法是正 确的，技术是科学合理的。 2 4 2 加载方式对测试结果的影响 过去常用的三点弯曲冲击试验中，冲击载荷的旋加是由冲杆或摆锤打击试样 而完成的，开始并不接触，这样就造成了一种现象，就是时间效应。它与静态三 点弯曲试验的根本不同在于后者加力点与试样一开始就是接触的，力是极缓慢地 加上去的，而在冲击试验中，力是通过快速运动的锤( 或冲击杆) 突然作用在试样 上的。在这种情况下，就产生了接触脱离现象1 ，即试样在受到冲击载荷作用后 会在应力波的作用下与支座发生脱离，试样与锤( 或冲击杆) 和支座的这种接触脱 离现象一般要持续到t = 3 r 左右( t 为时间间隔，沩试样中的横波从冲击点传递到支 座所需时间) 。时间对试验装置的影响与其对材料的动态性能的影响完全不同，在 测量中怎样正确处理这两种不同的效应是十分重要的。一般产生接触脱离现象后， 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 支座要在锤( 或冲击杆) 与试样接触之后约6 0 0 p s 左右才开始记录到非零的载荷信 息，为了减轻这一现象，本试验采用了冲击杆与试样及支座三者在冲击加载前直 接接触，如图2 1 所示，直接测量支座受力情况，这样由子弹打击冲击杆，而不 是直接冲击试样，从而使应力脉冲在冲击杆中均匀传播再传至试样到支座，避免 了脉冲干扰及产生振荡干扰，同时从图2 8 可以看出，本项试验中应力脉冲从冲 击杆传至支座，迟到时间只有大约6 0 8 0 j s ，大大缩短了非零信号记录开始的时 间。同时通过支座来获取试样冲击的应力脉冲值，还可以减小振动干扰。 2 4 3 测量结果的可靠性 为了验证测试结果的可靠性，同时进一步验证试验方法的合理性，对等组配 焊接接头( e 5 0 1 5 ) 焊缝和热影响区试样以及母材试样的三种v 型缺口三点弯曲冲击 试样进行了相同冲击速度下的示波冲击试验，试验对比结果如表2 9 所示。从表 中结果可以看出，采用h o p k i n s o n 小气炮加载一三点弯曲冲击试样的试验方法实 现焊接接头高应力强度因子速率下的动态冲击断裂韧性测试是可行的，结果是真 实可靠的。 表2 9 等组配焊接接头v 型缺口冲击断裂韧性两种试验方法的结果对比 在试验过程中，由测量( 试样几何尺寸、测速、信号记录等) 引起的测量误差 以及测试系统带来的系统误差，综合起来，总误差应在5 7 之间。 2 5 小结 为了满足焊接接头高应力强度因子速率下的冲击断裂韧性测试要求，在分析 现有的材料动态断裂韧性测量技术状况后，吸收相关技术，建立了较完整的 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 h o p k i n s o n 小气炮加载一三点弯曲冲击试样法试验系统。试验测量结果及分析表 明： 1 采用h o p k i n s o n 小气炮加载，加载速度可调，范围宽，使应可达1 0 7 m p a m “2 s ， 能够实现高应力强度因子速率下的冲击试验。 2 试验时采用冲击杆与试样及支座在加载前预先接触，直接测量支座载荷历 程，信号测量系统采用数字滤波电路及测量数据负值整零处理，较好地克服了测 量振动，使测量结果真实可靠。 3 信号采集系统采样灵敏度高，速度快，抗干扰能力强，测量精度高，处理 功能强大，可完全满足焊接接头高应力强度因子速率下冲击断裂韧性的研究。 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章焊接接头冲击断裂韧性分析 静态或准静态加载的加载速度和试样变形速度比较低，未计及其对断裂过程 带来的影响。在高的加载速度和试样变形速度情况下，材料变形和断裂的性质发 生了改变，在弹性阶段，应力和应变的响应是以声速进行的，当变形速度低于材 料的声速时，变形速度对材料的弹性变形性质没有影响。在塑性变形阶段，塑性 变形过程是比较缓慢的，为进行充分的塑性变形，需要较多的变形时间，当加载 速度提高时，进行塑性变形的时间减少，塑性变形过程受到了约束和限制，使材 料的屈服点升高，塑性有可能降低，形变硬化过程也受到影响，从而增加了材料 的脆化倾向。对含缺口、裂纹等缺陷的构件，即使加载速度并不高，在缺口、裂 纹的尖端也能达到很高的变形速度，此时同样会增加材料的脆化倾向。因此，在 高应力强度因子速率冲击载荷作用下，焊接接头的冲击断裂韧性应该与在静态或 准静态载荷作用下有很大不同。本项试验的结果也正验证了这一现象。 3 1 试验安排 本项试验利用h o p k i n s o n 小气炮加载装置对冲击试样进行高速冲击加载。试 验中，子弹质量肪= a0 8 2 7 k g ，冲击杆质量m z = 6 瓣。为了研究焊接组配、冲击速 度、焊缝不同区域以及温度对焊接接头冲击断裂韧性的影响，对各项影响因素分 别进行了对比试验，试验内容如表3 1 及3 2 所示。 表3 1 三点弯曲v 型缺口试样冲击试验内容 第2 7 页 ! ! 二! 二! 竺丝堡 堡丝 ! ：! ! 堕一 ! 二! 二!笠塑墼 堡丝! ! ：! ! 一j 生一 ! 二! 二!笠塑墼 生丝! ! ：! ! ! ! ! 二! 二!笠塑里 生丝! ! ：! ! j ! ! !i 二! 二!簦望墼 垫墅堕匡! ：! ! ! ! ! ! 二；二；笠丝墼 垫墅堕垦! ! ：塑 ! ! 1 25 - 2 3等组配热影响区 2 3 6 7 1 1 1 11 ：! 二! ! 笠塑堡星丝! ! ：! !二! ! 一 一 ! ! 二! 二!壹塑墼 堡笙! ：! ! ! ! ! ! ! 二! ：! 壹塑堡 堡丝! ! ：! !型一 表3 2 三点弯曲带预制疲劳裂纹v 型缺口试样冲击试验内容 序号试样号接头类型这竖耋型壁童鎏鏖鱼! 型这墅塑廑! 型 ! ! 二! 二!堡塑堡 堡丝 ! ；：! ! ! 一一 ! ! 二! 二!堡望堡 堡丝! ! ：塑 ! ! 一一 ! ! 二! 二! ! 堡塑堡 生堡! ! ：! ! 二! ! ! ! ! 二! 二! 笠堡堡壁丝 ! ! ：堕 ! ! 一 5c 5 2 一i 笠丝墼垫望堕垦 ! ! ：竺! 1 6c 6 一卜l高组配焊缝 1 4 9 1 1 1 3 2 试验结果及分析 本项试验数据依据上章所述数据处理程序对各冲击试样计算了冲击总功e 、 裂纹萌生功e 、裂纹扩展功历及动态断裂韧性儿值，试验测量及处理结果如表3 3 及3 4 所示。 从表中结果可以看出，焊接接头在承受冲击载荷作用下，其冲击断裂韧性值 明显低于静态或准静态载荷作用下的断裂韧性值，说明在冲击载荷作用下，焊接 接头的韧性大幅度下降，这一结果很值得在对冲击载荷作用下的焊接接头的设计 中予以重视。 第2 8 页 里堕墼耋垒尘查茎墼耋耋塑耋尘鋈二。，。一 表3 3 三点弯曲v 型缺口冲击试样试验结果 一一 序；寸碰县 冲击速度 冲击总功裂纹萌生功 裂纹扩展功 e e 以砂 号砜仟( 删墨型堡丝墨型 l0 - 0 一l 5 2 0 1 1 ：! ! ! ! ! ! ：望! ! ! ：婴! ! ! ：! ! 一一一 20 - 0 2 1 4 3 8 1 ：塑! ：塑! ! ：! ! ! !垄：! ! 一一 30 - 0 3 2 3 5 3 1 1 ：! ! ! ! ! ：! ! ! ! ：婴! ! ! ：! ! ! ! 二! ：! ! ! ：! ! ! ：塑! ! ! ：! ! ! ! 堡堂! 兰坐旦一 54 _ 1 1 i i 6 9 一! ：塑! ! ：塑! ：婴! ! ! ：! ! h _ 一 ! ! 二! ：! ! ：! ! 坠! 婴! ! ：! ! 坠坠! 婴坠 75 十2 1 4 i 0 1 ：! ! ! ! ! ：! ! ! ! ：婴! ! ! ：! ! ! ! 二! 二! ! ! ：! ! ! ：! ! ! ! ! ! ：堡! ! ! ! ：! ! ! ! 呈塑生一 9 5 - i - 4 二3 8 2 0 4 0 4 5 2 3 1 5 4 7 3 0 2 4 9 7 9 3 3 8 ：2 5 ! ! ! 二! 二! ! ：! ! ! ! ：塑! ! ：! ! ! ! ! ! ：塑! 坐 ! ! ! 二! ：! ! ：! ! ! ：堕! ：! 婴 ! 二竺竺呈塑l 一 ! ! i 二! 二! ! ：! ! ! ! ：堡! ：! ! ! ! ! ! ：! ! ! ! 兰坠旦一 ! ! ! 二! 二! 皇! ! ：堕 ! ：塑! ! ：丝! ! ! ：婴! ! 塾j 丝一 ! ! ! 二! ：! ：! ! ! ：型! ：! 婴 ! ：! ! ! ! 兰塑旦一 ! ! ! 二! ：! ! ! ：! ! ! ：堕! ：塑! ! ：! ! ! ! ! 生 表3 4 带预制疲劳裂纹的三点弯曲冲击试样试验结果 墨篡冲券哿簧髫o 纛例 。( m s ) ：墨型垒翌 _一 ! ! ! ：! ：! ! ! ：! ! ：! 塑! ：! 塑! ：! ! 堑! ! ：! ! ! ! ：婴 ! ：塑 一 ! ! ! 二! 二! ! ! ：望! ：塑! ! ! ：婴! ! ：塑! ! ! ：! ! ! ! ：! ! ! 堕! 一一 3c 4 - 1 - 1 a 1 4 7 23 4 4 0 3 1 0 4 2 02 3 9 8 3 3 0 2 93 0 3 1 0 5 5 0 11 1 二! 二! ! ! ：! ! ! 兰：塑! ! ：塑! ! ! ：塑! ! ! ：塑! ! ：鲨 ! ：塑 一 ! ! ! 二! 二! ! ! ：竺! ：! ! 塑! ：! ! ! ! ! ：! ! 丝塑：翌 翌：婴 ! ：! 旦一 ! ! ! 二! 二! ! ! ：! ! ! ! ：! 塑! ：! ! 塑! ：! ! ! ! ! ! ：竺 婴：塑! ：! l 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 1焊接强度组配对焊接接头冲击断裂韧性的影响 焊接接头强度组配对其冲击断裂韧性是有影响的。由试验结果( 如图3 1 所示) 可看出，在相同的冲击速度下，等组配接头( e 5 0 1 5 ) 焊缝处的冲击总功要高于低组 配接头( e 4 3 1 5 ) 和高组配接头( e 6 0 t 6 ) ；同时，焊缝处动态断裂韧性值如也是等组 配接头的最高，表明在相同冲击速度下，等组配接头焊缝处的冲击断裂韧性最优。 由此说明，对于承受冲击载荷作用的焊接接头，单纯靠提高焊接接头的强度来改 善其韧性是不合理的。 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 同两司 i - 等组配i l ! 壹堡墼l i 一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 k i d 一3 2 s 占p = , 4 7 r ( 口) 其中：y ( a w ) ：1 0 9 0 1 7 3 5 ( a w ) + 8 2 0 ( a w ) 2 1 4 1 8 ( a w ) 3 + 1 4 5 7 ( a w ) 4 。 由图3 2 可以看出，在一开始，随丘的增加，肠略有上升，然后呈现一个l 字形趋势，而后历。值显著上升。 f | 嚣 厶 王 l ， ! 鸳 刘 譬 蒜 苗 加戴速率囊c m p - m s ) 图3 24 5 c r n i i l o v a 钢( 在2 0 0 。c 回火下) 的k 。r k 关系 本项试验结果表明焊接接头的冲击断裂韧性对加载速度也是敏感的。图3 3 为等组配焊接接头( e 5 0 1 5 ) 以及母材试样冲击总功一冲击速度曲线图。从图中可以 看出，随着冲击速度的增加，无论是母材、焊缝还是热影响区的冲击总功值均里 、_ ， 怒 蹈 坩 殳 | l | t | ： 7 - 一 、沁聋簖。 ol o2 03 04 05 0 冲击速度( m s ) 图3 3 等组配焊接接头( e 5 0 1 5 ) 以及母材试样冲击总功冲击速度曲线图 第3 1 页 踟加加0 国防科学技术大学研究生院学位论文 6 0 5 0 拿4 0 一 盏3 0 2 0 l o o 专澎 o1 02 03 04 0 5 0 冲击速度( m s ) 图3 4 等组配焊接接头( e 5 0 1 5 ) 以及母材试样医伍一冲击速度曲线图 现先急剧下降后又有上升的趋势；裂纹萌生功占冲击总功的比例值随冲击速度的 变化趋势与之基本相同，如图3 4 所示。这一现象说明，在冲击载荷作用下的焊 接接头，其冲击断裂韧性远低于处于静态或准静态载荷作用下的焊接接头。但随 着冲击加载速度的不断增加，由于裂纹裂尖塑性变形局域绝热温升效应显著，从 而导致裂纹萌生倾向减弱，使冲击断裂韧性值又出现增高的现象。 在冲击载荷作用下，加载速度对试样裂纹萌生功历值本身的影响也是十分明 显的。图3 5 为等组配焊接接头( e 5 0 1 5 ) 母材、热影响区及焊缝区域的裂纹萌生功 一冲击速度关系曲线图。从图中可以看出，随着冲击速度的增加，各区域的裂纹 萌生功e 值均减小，到一个最低点后又逐渐回升。对于带预制裂纹的焊接接头冲 击结果也具有类似的趋势。这一结果也提醒研究者关注在高应力强度因子速率下 1 0 0 s 8 0 誊6 0 熏4 0 碟2 0 0 t l ：心么卢_ + 01 02 0 3 04 05 0 冲击速度( m s ) 图3 5 等组配焊接接头( e 5 0 1 5 ) v 型缺口冲击试样各区域的e i - v 关系曲线 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 由于绝热温升对裂尖变形能量效应引起开裂性质的变化。 3 2 3 焊接接头不同区域的冲击断裂韧性 焊接接头是一个不均匀体，其各区域( 焊缝、热影响区及母材) 在冲击载荷作 用下的冲击断裂韧性存在较大差异。在相同试验环境温度下，焊接接头各区域在 不同冲击速度下冲击总功及裂纹萌生功的试验结果如图3 3 及图3 5 所示。从图 中可以看出，在冲击载荷作用下，热影响区的冲击总功低于母材和焊缝，且裂纹 萌生功的值也是最低的，说明在冲击载荷作用下，焊接接头热影响区的冲击韧性 低于母材和焊缝，这一区域的“硬、脆”现象尤为明显，是关系到接头安全的重 要部位。因此在冲击载荷作用下，热影响区的断裂韧性值的高低关系到整体接头 的运行安全。 3 2