低溫預裂紋下Q345R鋼動態(tài)斷裂韌性的分析

低溫預裂紋下 Q345R 鋼動態(tài)斷裂韌性的分析 摘 要： Q345R 鋼是典型壓力容器用鋼。本文通過對 預裂紋下 Q345 鋼在低溫下的動態(tài)斷裂韌性進行了分析，得 出了低溫條件下，無預裂紋的標準夏比試件要比預裂紋的夏 比試件的動態(tài)斷裂韌性關系：無預裂紋的標準夏比沖擊試件 要比預裂紋的夏比沖擊試件的動態(tài)斷裂韌性偏高且約為無 預裂紋標準夏比試件的 2.4 倍。本文結論可推廣到其他脆性 材料的情況。 關鍵詞： 動態(tài)斷裂韌性； 預裂紋； 示波沖擊試驗； 低溫； Q235 鋼 引言 低溫壓力容器往往需要在高壓下實現油氣的運輸和儲 存，其內的介質大都為易燃易爆有毒的液態(tài)氣體。壓力容器 在低溫條件下表現出低溫冷脆的特性，在實際工程中，經常 遇到地震、爆炸、碰撞或運行過程中動載荷的沖擊，其主要 失效往往是由于疲勞裂紋的存在，引起低溫脆性斷裂。材料 的動態(tài)斷裂韌性 KID 為裂紋體在動載作用下的起裂韌性， 是 材料的韌性參數。動態(tài)斷裂韌性可以彌補材料基本參數靜態(tài) 斷裂韌性 KIC 沒有考慮動載荷的影響的不足。 1 動態(tài)斷裂韌性計算公式 2 低溫 Q345R 動態(tài)斷裂韌性實驗 2.1 實驗材料 低合金鋼 Q345R 鋼是 GB150.2-2011 標準中的典型壓力 容器用鋼，具有較好的韌性和強度，是我國石油化工設備制 造中使用量最大的一種鋼用于制造各類中低壓壓力容器。 表 1 Q345R 鋼板的化學成分（ % ） 2.2 試驗方法 將試件加工成夏比沖擊試樣， 具體尺寸為厚度 B=10mm ， 寬度 W=10mm ；長度 L=55mm ；跨距 S=40mm ；切口角度為 45,切口長度為2mm，線切割一定深度，在此基礎上預制 一定長度的疲勞裂紋。根據標準 ASTM E23-02a 《金屬材料 缺口試樣標準試驗方法》 提供的夏比 V 型缺口試樣疲勞裂紋 預制方法制備疲勞裂紋。為了研究預裂紋下夏比沖擊試樣測 得的動態(tài)斷裂韌性與標準夏比沖擊試樣測得的動態(tài)斷裂韌 性的關系，取預制裂紋和不預制裂紋 2 類夏比沖擊試樣進行 低溫條件下的動態(tài)沖擊試驗，同時，為了研究不同裂紋深度 對動態(tài)斷裂韌性的影響，裂紋比分別選擇為 =0.2， 0.3， 0.4， 0.5 四種。 表 2 夏比動態(tài)沖擊試驗試件 將試樣在液氮和酒精相混合到 -40 C,并將試件放于其 中浸泡一定時間直到試樣溫度與液體 ?囟冉詠 ?一致時取出在 3s內將其沖斷。具體操作根據標準 GB/T 229-2007《金屬材 料夏比擺錘沖擊試驗方法》中的步驟進行。文獻 [1] 中使用 ZBC2452 金屬擺錘沖擊試驗機在常溫下進行沖擊試驗， 示波 沖擊試驗機的最大沖擊速度均為 V=5.23m/s 。該試驗機配有 微型計算機， 能夠自動記錄下沖擊時的載荷 - 位移曲線或載 荷- 時間曲線。 2.3 結果分析 由于不能進行實驗，通過文獻 [1] 中只得到了試件 1、試 件 3 的數據。 3 結論 綜上所述，可以的出以下結論： 1、 -40 C時，Q345鋼試件0和試件3的動態(tài)斷裂韌性 分別為 =9.2 和 說明低溫條件下， 無預裂紋的標準夏比沖擊 試件要比預裂紋的夏比沖擊試件的動態(tài)斷裂韌性偏高。 2、 -40 C， Q345R 實驗鋼時在一定的裂紋深度范圍內， 測得的預裂紋夏比沖擊試件的動態(tài)斷裂韌性是穩(wěn)定的，約為 無預裂紋標準夏比試件的 2.4 倍。 3、 疲勞裂紋的存在對低溫壓力容器的沖擊斷裂韌性的 削弱很大。 參考文獻 [1] 潘建華 . 沖擊載荷作用下壓力容器用金屬材料動態(tài) 斷裂行為的研究 [D] ，中國科技大學， 2013. Dynamic fracture toughness behavior of armor-grade Q&T steel weldments： effect of weld metal composition and micro structure [J]. Met.Mater.Int ， 2009， 15（6）： 1017-1026. [3] 姜風春，劉瑞堂，劉殿魁 . 船用 921A 鋼動態(tài)斷裂韌 性測試研究 [J]. 實驗力學， 1999， 14（1）： 96-101. [4] 白新房，高怡斐 . 鋼的動態(tài)斷裂韌性及止裂韌性的研 究現狀 [J]. 物理測試， 2005，23（ 4）：1-5. [5] 王香云，尉世凱 . 馬氏體不銹鋼焊接接頭動態(tài)斷裂韌 性的研究 [J]. 兵工學報， 2007，28（ 8）：958-964. [2]MAGUDEESWARAN G BALASUBRAMANIAN V.