厚钢板eh40的低温-10csd试验

厚钢板eh40的低温-10csd试验

通常，海上结构的钢不仅要有足够的强度，而且要有良好的低温耐寒性。由于强度与韧性两者往往难以兼顾,因此研发高韧性的高强钢,是目前国内大型钢厂和有关研究机构面临的富有挑战性的课题。钢厂在进行厚船板多国船级社认证时,往往被要求进行CTOD试验。各船级社认证CTOD试验的方案不尽相同。中国船级社《材料与焊接规范》在2006年修订时,将CTOD试验列为认证试验,在2008年又做了进一步修改,但是有些具体细则还有待细化。裂纹尖端张开位移(cracktipopeningdisplacementCTOD),指裂纹体承受张开型载荷后原始裂纹尖端处两表面所张开的相对距离,见图1。CTOD值的大小,反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。在试验中,把待测材料做成带有预制裂纹的试样,加外载后,可以被测定裂纹尖端处张开位移CTOD值。CTOD值越大,表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越好,即韧性越好;反之,CTOD值越小,表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越差,即韧性越差。1材料和样品1.1材料与焊接工艺材料为EH40厚钢板,由鞍钢股份有限公司研究开发,板厚为40mm,依据中国船级社的《材料与焊接规范》生产。其化学成分见表1,最大碳当量为0.37%。1.2主要肌力能力的培养EH40原钢板的主要力学性能为σs=474MPa,σb=553MPa,E=210GPa,μ=0.3。1.3试样加工和预应力加工试样的取样和制备按规范NS-EN10225—2001和BS7448—1进行。取样方向和切口位置见图2。采用3点弯曲试样,横截面采用B×2B型(即W=2B),裂纹尖端线贯穿厚度。对于同一种材料来说,取不同厚度的试样测得的CTOD值是不尽相同的。一般说来,所取厚度越大,CTOD值就越小。因此,为使CTOD值能准确反映钢板的整体韧性,试样厚度应尽可能接近原始钢板的厚度,即所谓全厚度试样。试验所用钢板板厚为40mm,除去加工余量,试样厚度为34mm。对于试样的平行度、垂直度和表面粗糙度必须满足规范BS7448—1。毛坯先进行平面切削加工,再上磨床进行磨削。磨削后应注意保护试样表面,避免留下划痕。用电火花线切割方法加工试样切口。裂纹尖端部分用直径为0.08mm的钼丝切割,这样能防止预制疲劳裂纹时裂纹发生分叉。然后在PLG-200型高频疲劳试验机上预制疲劳裂纹。疲劳裂纹是能够在实验室里制造出来的最尖锐的裂纹,它能模拟自然裂纹。因此在断裂韧性试验中,必须在试样的线切割裂纹上,再预制一段疲劳裂纹。预制按BS7448—1规范的要求进行。规范要求应力比R不大于0.1,文中取应力比R=0.1,预计预制疲劳裂纹长度取4mm。在预制疲劳裂纹的过程中,要保证裂纹尖端始终处于低应力水平,避免裂纹尖端因载荷过高而钝化,产生较大的塑性区,影响试验结果,因此预制时的最大载荷不能过大。在预制过程中,还要保证最后得到的疲劳裂纹平直,要时刻监视疲劳裂纹扩展情况,保证试样裂纹沿加载方向扩展,及时针对出现的问题做出调整,保证预制的裂纹合格。2cod测试2.1高频疲劳实验CTOD试验的仪器主要有WAW-1000B型计算机控制电液伺服万能试验机(1000kN);JXG—200型计算机控制高频疲劳试验机(200kN);LZ38—204函数记录仪;YD—15D动态应变仪;YB型引伸计检定仪;EA—1000A型标准测力仪(1000kN);BLR—1型拉压传感器;JCD3读数显微镜等等。2.2试验测试过程按规范BS7448:Part1规定的程序和要求进行CTOD试验。主要步骤如下:载荷、位移测量系统标定(试验前);安放试样、确定F-V曲线斜率;加载、记录F-V曲线、卸载;载荷、位移测量系统标定(试验后);二次疲劳、压断试样;断口读数测量a0及a;数据和断口的有效性检验。根据试验中测得的有关数据,按下式计算CTOD值。δ=[FSBW1.5×f(a0W)]2(1−μ2)2σsE+0.4(W−a0)Vp0.4W+0.6a0+Zδ=[FSBW1.5×f(a0W)]2(1-μ2)2σsE+0.4(W-a0)Vp0.4W+0.6a0+Ζ式中:δ——裂纹尖端张开位移(CTOD);F——施加的载荷;S——三点弯曲试样的跨度;B——试样厚度;W——试样宽度;μ——泊松比;E——弹性模量;ao——原始裂纹长度;f——三点弯曲试样(a0/W)的函数;Vp——裂纹嘴张开位移的塑性分量;σs——材料的屈服极限;Z——刀口厚度。试验平均温度为-10℃。试验中低温的实现过程如下:首先将CTOD试样放入低温保存箱,在-10℃下保存2h以上,使试样内部与表面温度一致。待载荷和位移测量系统标定完毕后,调整试验机上的夹具和支座。从低温保存箱中取出试样,安装到位。然后向低温槽注入无水酒精,浸没试样,继续使用干冰冷却。在整个加载记录F-V曲线的过程中,低温槽内的介质温度应当一直保持规范要求范围内[(-10±2)℃]。2.3疲劳预制裂纹扩展量测有效试样的主要尺寸和特征CTOD值列于表2。δm是最大载荷CTOD值,即最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的CTOD值。试样宏观断口照片见图3。表3是试样的有效性检验的主要项目表,结论均为有效。其中(Δa)f表示断口上9条测量线上测得的疲劳预制裂纹扩展量数据的最小值;(Δa)f不能小于1.70mm(2.5%W=2.5%×68=1.70mm)。a0/W是原始裂纹长度与试样宽度之比,必须满足0.45<a0/W<0.55。a0max和a0min分别是试样断口裂纹长度的9个测量值中的最大值和最小值,必须满足(a0max-a0min)/a0<10%。3试验温度和试样要求国际上在进行厚钢板的制造认可时,除了常规的冲击试验外,往往要做CTOD试验,并且在有关规范中对CTOD试验的细则(如试样取样方法、试验温度等)有具体规定。例如欧洲规范《固定式海洋结构物焊接结构钢(交货技术条件)》规定可以取非标准试样、试验温度为-10℃等等。但在国内,这方面的工作有待进一步完善。在厚钢板制造认可过程中,进行CTOD试验的时候,下列问题需要由钢厂、相关船级社和CTOD试验单位协商研究并且取得一致意见。3.1规范结构建造规范国内规范与国际规范ISO12135—2002大致相当。鉴于目前国际上船舶与海洋工程界所用的钢结构建造规范中,在涉及CTOD试验内容时,多采用BS7448。如规范DNV—OS—C401、DNV—OS—F101和NorskStandardM101,等等。因此,建议厚钢板制造认可中进行CTOD试验时,可采用英国规范BS7448。3.2个产业用材料中国船级社《材料与焊接规范》依高强度船体结构钢等级规定了冲击试验的温度,A级钢,0℃;D级钢,-20℃;E级钢,-40℃;F级钢,-60℃。但对CTOD试验温度未作规定。钢材出厂的缺口冲击试验温度只是质量管理上的质量分级,并非用该钢材制造的钢结构的最低容许使用温度。冲击试验的温度越低,或冲击吸收功(韧性)越大,表明钢材的韧性质量越高,可以容许使用的温度越低。不应该把试验温度理解为使用温度。可以认为同样的解释适用于CTOD试验温度。欧洲规范NS—EN10225—2001给出100～150mm厚板CTOD试验温度为-10℃,其冲击试验温度最低为-40℃;文献中屈服强度为552MPa的TMCP钢(板厚76.2mm)的CTOD试验温度为-30℃,其转变温度是-117℃。这样做的道理不得而知,但是可以参考的是:CTOD试验温度可以高于相应的冲击试验的温度。对新研发的厚钢板EH40进行的charpy冲击试验试验最低温度达到-80℃(冲击吸收功为276J),而CTOD试验温度选择为-10℃。4韧脆转变温度试验结果如图4所示,材料的韧性随着温度的变化一般呈现S型,当试验温度低于某一个低温或者高于某个高温的时候韧性呈现稳定趋势,即此时韧性不随温度的变化有所变化,分别称之为下平台和上平台。它反映了随温度变化材料从韧性到脆性变化的过程,人们根据这个变化提出了韧脆转变温度,对EH40钢在-10℃下所谓全厚度、直三点弯曲带深疲劳裂纹的试验结果从表2可以看到,其断口呈现韧性断裂,无层状裂纹出现,无蜂窝状出现(见图3),且其CTOD试验值较大,且离散性较小(均为最大荷载C