基于小尺寸试样的主曲线参考温度T_0的确定方法.pdf

设计计算
基于小尺寸试样的主曲线参考温度T的
确定方法
曹昱澎,惠虎,轩福贞
(华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237)
摘要:采用16MnR钢进行了标准1英寸,0.5英寸和预制裂纹的夏比尺寸三点弯试样的断裂韧性
试验,得到了试样尺寸对主曲线参考温度T的影响。发现0.5英寸试样在满足 ASTM E1921标准
的情况下,所确定的T明显低于标准1英寸试样确定的7,表明 ASTM E1921限定试样变形极限的
M值不够保守,且夏比尺寸试样无法计算T。提出了 Beremin模型的拘東度修正,经过修正大幅缩
小了小尺寸试样确定的7与1英寸试样确定的”之间的差异。
关键词:主曲线; Beremin模型;拘束度;韧脆转变
中图分类号:TG113.25;TQ050.2文献标识码:A文章编号:1001-4837(2011)07-0017-07
doi:10.3969/j.isn.1001-4837,2011.0.004
Reference Temperature Determination of Master Curve for 16MNR
Steel Using Small Specimens
CAO Yu-peng, HUI Hu, XUAN Fu-zhen
Key Iab of Safety Science of Pressurized System, Ministry of Education of China, School of Mechanical
Engineering and Power Engineering, East China University of Science and Technolgy, Shanghai 200237
China
Abstract: The size effect on master curve reference temperature for 16mn was studied using 1 T-SE
(B) 0.5 T-SE(B) and PCVN specimens. It is found that the allowable limit of M specified in ASTM
E1921 is un-conservative. Although To value from 0.5T-SE(B)is valid according to E1921, it is
much lower than the I T -SE(B) result. However, the Y from PCVN data is invalid. The fracture tough
ness data from 0. 5 T and PCVN specimens were scaled to the 1 T size by using Beremin model. Taking
account of the constraint effect, the i ifference between values measured using small specimens and 1 T
specimen is obviously decreased
Key words: master curve; Beremin model; constraint effect; ductile-to-brittle transition
0引言
变区的断裂韧性随温度下降而下降,在规定温度
铁素体钢有韧脆转变的现象,村料在韧脆转下测试所得的断裂拠性的分散带也相当宽。近
基金项目:国家自然科学基金(50705029)及国家高技术研究发展计划资助项月863计划(2009AA4Z421)
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CPVT
基于小尺寸试样的主曲线参考温度T。的确定方法
Vol28,No72011
20年来,在定量地预测铁素体钢在韧脆转变温度状态,基于最弱链理论给出了一个简单的厚度换
区的断裂韧性方面已经取得了重大的研究进展。算式(4),把非1T厚度试样的断裂韧性换算到1
主曲线法( Master Curve)已成为一种描述铁素体T厚度
钢在韧脆转变区的断裂韧性分布的成熟方法,相
应的标准 ASTM F1921《确定铁素体钢在韧脆
OIT)=Kmin +(K/()-KMM(D)(4)
IT
转变区的参考温度的标准测试方法》逐渐被世式中Br-xT厚度
界各国所接受。主曲线法所需的试样数少,ASTM
1T厚度
E1921标准规定最少仅需6个高拘朿度的断裂韧
K(0-xT厚试样测得的断裂韧性
性试样(一般指1英寸厚的深裂纹SE(B)或CT
K
取20MPa√m
试样)就可以确定材料在韧脆转变区不同失效概
对于在役设备及贵重金属,往往很难获得大
率下的断裂初性一温度曲线,见式(1),它由参考量试验材料,工程界十分希望能用小尺寸的试样
温度⑦唯一确定。其中P=50%的中值断裂初测试得到材料的断裂韧性,理论上,如能用小尺寸
性一温度曲线被称为主曲线,见式(2)。主曲线试样获取主曲线参考温度T,便可得到韧脆转变
以及5%,95%失效概率曲线见图3,5,6。
区材料的断裂韧性分布。但是,近年来一些研究
K(P)=20+[ー-ln(1-P)]“111+
表明,仅仅依靠 ASTM E1921标准提供的厚度换
77exp[0.019(T-T
算公式,很难将小试样和大试样的断裂韧性统一
e.=30+70exp[0.019(T-7)1(2)起来。用小尺寸试样,特别是PCN试样确定的
式中P一累积失效概率
7往往是无效的或者偏低2。文中采用国产常
7一参考转变温度,它特指1英寸厚(1用压力容器用钢16MnR,使用标准1T-SE
T厚)试样测得的中值断裂韧性为(B)4,0.5T-SE(B)和PCVN试样研究了试样
100MPa√m时的温度
尺寸对主曲线参考温度T的影响。运用 Beremin
主曲线法可以用小于1T的小试样试验,模型研究了相应的拘束度修正方法。
ASTTM E1921标准允许使用的最小尺寸试样是预
制裂纹的夏比尺寸试样(PCVN试样)。为了判別
试验方法
所测得的断裂韧性是否受到拘束度下降的影响,
ASTM F1921给出了断裂韧性的上限值K(im,1.1材料
认为如果某试样的断裂初性不超过KA(mi,那么
文中采用正火处理的40mm厚16MnR热轧
此试样在起裂时沿着裂纹前缘维持了高拘東的应板,材料的夏比冲击功Axv一温度曲线如图1所
力状态
示,钢的化学成分见表1。
K
Ebar. l
ic( limit
M(1-u2
式中E一材料弹性模量
20双曲正切函数
A1=82+88×tanT+44)+33」
b。一试样的初始韧带长度
屈服强度
M一一试样变形柲限,M=bR。/,标准取
试验数据
M=30
00
一泊松比,取0.3
大于KA(ima的数据视为无效数据,由 K Je(limit
代替后,仍然和有效数据一起代入 ASTM EI192
提供的统计公式来计算T。 ASTM1921希望通
100
过统计处理的办法能消除拘東度下降对7的影
温度/
响。为了能够将不同尺寸试样的断裂韧性关联