１引言 焊接接头强度匹配对铁素体钢断裂行为的影响是进行焊接接头安全评定所必须解决的问题。对于目前 广泛应用的低合金高强钢，随着延性裂纹的扩展通常表现为断裂韧度值的提高，而大量的试验结果 表明，接头强度匹配、试件几何型式的不同所造成的裂纹尖端拘束状态差异对接头抗延性裂纹扩展 阻力特性（
阻力曲线）会产生很大影响［‘－’］。如拉伸试件的阻力曲线高于三点弯曲试件的阻 力曲线；又如尽管焊缝金属的材料相同，在低匹配条件下焊缝金属（焊缝的强度低于母材）的阻力曲线低于高匹配（焊缝强度高于母材）的阻力曲线。目前流行的缺陷安全评定的精确评定中，必须使用材料的抗延性裂纹扩展阻力特性，因此如何正确使用标准试件得到的阻力曲线是合理进行焊接接头缺陷安全评定的关键因素之一。 近来 Ｓｈｉｈ等［‘，’ｊ基于材料微观损伤机理提出了描述延性裂纹扩展的特殊单元模型，并根据该模 型定量研究了三点弯曲试件中裂纹深度对延性裂纹扩展特性的影响。但对实际结构中常见的接头强 度匹配问题等没有涉及。有鉴于此，本文根据材料微观损伤模型，采用三维有限元数值方法，定量 研究了焊接接头中强度匹配、试件几何型式对接头抗延性裂纹扩展阻力特性的影响，为正确进行实际结构缺陷安全评定提供依据。２试验本研究通过改变母材强度（保持施焊材料相同）来制备不同强度匹配的焊接接头。采用标准三点弯曲（３ＰＯｉｌｌｔ Ｂｅｎｄ， ３Ｐ Ｂｅｎｄ）试件和双边缺口拉伸（ＤＯｕｂｌｅ ＥｄｇｅＮＯｔｃｈｅｄ Ｔｅｎｓｉｏｎ， ＤＥＮＴ）试件测定焊接接头中焊缝金属的阻力曲线。试验选取Ｚ３３１２ＹＧＷ１５焊丝施焊的管线用钢Ｘ８０钢和Ｘ６５钢（板厚 １９ ｍｍ，Ｋ型坡口）
焊接接头，表１给出了所采用材料的力学性能。对于Ｘ８０钢接头，焊缝屈服强度 和母材屈服强度之比卜，”ｌ。，”）为０．９８（等匹配接头）；而Ｘ６５钢接头，。，一ｌ。，一一１．１７（高匹配接头）。 对Ｘ６５钢接头，制备双边裂纹拉伸试件和三点弯曲试件，研究试件几何型式对阻力曲线的影响；对 Ｘ８０钢接头制备双边缺口拉伸试件，通过Ｘ８０钢接头拉伸试件和Ｘ６５钢接头拉伸试件，研究 强度匹配对延性裂纹扩展特性的影响。图１给出了所采用试件的几何形状及尺寸。为使强度非均质的影响更为显著，使裂纹位于焊缝金属，距熔合线ｌｍｍ处。对于三点弯曲试件，裂纹深度与板宽之比ａ。Ｉｗ＝ ０． ５。对于双边裂纹拉伸试件 ａ。Ｉｗ＝ ０３。 对三点弯曲试件，裂纹尖端张开位移（Ｃａｐ）值按ＢＳ５７６２计算，对双边裂纹拉伸试件按ＤＵ ｐｅ模型进行。对Ｘ６５钢焊接接头，图Ｚａ给出了试件几何型式对阻力曲线的影响，图中横坐标 为试件板厚中央处的延性裂纹扩展量（为方便与有限元数值结果比较，下同）。由图可见，试件的 几何型式对延性裂纹扩展抗力值有相当影响，在相同延性裂纹扩展量的条件下，由拉伸试件所得到 的Ｃａｐ值明显高于弯曲试件；图Ｚｂ表示了接头强度匹配对阻力曲线的影响，高匹配接头（Ｘ６５钢接头）的焊缝具有更高的抗延性裂纹扩展能力。３特殊单元模型本文采用有限元数值方法，分析研究试件几何型式和接头匹配情况对阻力曲线的影响，采用特殊单元模型模拟延性裂纹扩展。 特殊单元模型［’，’］是基于空穴扩张的微观材料损伤模型，图３为该模型的示意图。空穴扩张限 于裂纹尖端厚度为Ｄ的长条区域内，Ｄ是表征材料内部大夹杂物之间的距离。在数值模拟计算中， 该区域是由含有初始空穴体积含有率人（初始空穴体积与特殊单元体积之比）的特殊单元组成。ＧＵｒＳＯｎ－Ｔｖｅｗｉ［‘’］关系决定了该区域内空穴扩张和由于空穴增长带来的材料宏观软化。ｄ：Ｉ ３Ｏ． ｄ。］ Ｊ一二回了干Ｌ０１比（＄ｔ一三二——Ｄ一Ｄ且十【Ｏ。矿厂Ｄ＝ｕ Ｊ－Ｌ４ ＯＪ－（） ｑｌ＝ １．５ ｑＺ＝ ｌ其中ａ。表示Ｍｉｓｅｓ等效应力，ａｍ为宏观静水压力，Ｚ为特殊单元中母材的流变应力，／表示空穴体积比。ａ。＝（３ＳＡ／２）‘”（Ｓｉｊ为应力偏量），ｑ；和 ｑ。为 Ｔｖｅｗｉ所引人的系数。 当裂纹尖端特殊单元内空穴体积含有率／达到其临界值人时，裂纹扩展一个特殊单元尺寸。特殊单元以外的材料遵从通常的Ｍｉｓｅｓ屈服准则，不因空穴扩张而产生损伤。 根据塑性力学理论，如果空穴体积含有率ｆＭＩ，则空穴体积含有率增长率Ｊ可表示为 ．－ Ｉｔ。 １１４ ｄ－ ｌ。 ｆ＿子 ｆｓｉｎｈｌｓ卫 ＩＬ（２） “一２“”““一Ｌ ２ ｏ］“Ｐ’一” 由此看出，特殊单元尺寸几初始空穴体积率人和临界空穴体积含有率人是控制延性裂纹扩展的基本参 量。根据Ｓｈｉｈ等的研究结果［’，’］，在数值模拟计算中，若将延性裂纹启裂开始时的ＣＴ ＯＤ值作为特殊单元高度，计算结果和试验结果非常吻合。而对于初始空穴体积含有率人和临界空 穴含有率人由如下方法确定，采用一系列的人和人，计算所研究材料的阻力曲线（Ｒ曲线），若计 算的阻力曲线与试验结果相符，则该人和人参量为材料本身所具有的特性，可以用来预测同种材料 不同试件型式的阻力曲线。对本研究所采用焊缝金属，由Ｘ６５钢接头标准三点弯曲试件的阻力曲线得到的特殊单元模型参量Ｄ＝０．Ｚｍｍ，人一０．０００８，人一０．２。 本研究采用三维有限元数值计算（考虑延性裂纹扩展）分析三点弯曲及拉伸试件的抗延性裂纹扩展特性，计算程序为 Ｗ～Ｄ。最小单元尺寸为 ０． ｌｒｎｍ Ｘ０．ｌｍｍｘｏ．５ ｎｕｎ。采用裂纹尖端张开位移 ＣＴＯＤ表征裂纹尖端的载荷水平，计算方法和试验中所采用方法相同。４基于特殊单元模型的阻力曲线预测 采用特殊单元模型描述延性裂纹扩展，由Ｘ６５钢接头标准三点弯曲试件的阻力曲线得到的特殊单元 模型参量，对同种接头及不同匹配接头双边缺口拉伸试件的阻力曲线进行预测。图４为Ｘ６５钢接 头及Ｘ８０钢接头拉伸试件阻力曲线的预测结果。结果表明，预测结果和试验结果吻合良好，特殊单元模型能很好地描述材料的抗延性裂纹扩展能力。图５给出Ｘ６５钢接头三点弯曲试件和拉伸试件，在相同变形水平下（８＝０．３ｍｍ）裂纹尖端应 力三轴度（。ｍ／Ｚ）和等效塑性应变（Ｚ。）分布。可见，拉伸试件的裂纹尖端应力三轴度和等效塑性应变值明显低于三点弯曲试件。图６给出Ｘ６５钢接头和Ｘ８０钢接头拉伸试件裂纹尖端应力三轴度和等效塑性应变分布比较图。对 于Ｘ６５钢接头（高匹配），高强度焊缝受低强度母材的保护，使得Ｘ８０钢接头的裂纹尖端应力三轴度和等效塑性应变值明显高于Ｘ６５钢接头。由公式（２）可知，裂纹尖端应力三轴度和等效塑性应变值越高，空穴长大越快，导致延性裂纹容易 扩展。由图５和图６的应力三轴度和等效塑性应变分布结果可以知道，对于Ｘ６５钢接头，拉伸试 件的阻力曲线高于三点弯曲试件，高匹配Ｘ６５钢接头的抗延性裂纹扩展性能优于等匹配Ｘ８０钢接头。５结论本文根据特殊单元模型定量研究了试件几何型式和接头匹配状态对延性裂纹扩展特性的影响。在焊缝 金属相同的条件下，由一种接头标准三点弯曲试件的阻力曲线对同种接头及不同匹配接头双边缺口 拉伸试件的阻力曲线进行了预测。结果表明数值模拟结果和试验结果吻合良好，特殊单元模型能很 好地描述材料的抗延性裂纹扩展性能。基于微观损伤模型的强度非均质焊接接头抗延性裂纹扩展阻力特性研究@荆洪阳$天津大学材料学院!天津300072
@霍立兴$天津大学材料学院!天津300072
@张玉凤$天津大学材料学院!天津300072
@丰田政男$大阪大学工学部!日本
@南二三吉$大阪大学工学部!日本损伤;;延性裂纹扩展;;
三维有限元分析;;强度匹配基于材 料微观损伤模型，采用三维有限元数值方法，定量研究了焊接接头中强度匹配、试件几何型式对接 头抗延性裂纹扩展阻力特性的影响。首先由标准三点弯曲试件的阻力曲线，得出反映材料微观损伤 的特殊单元模型控制参量，再根据该参量对不同接头强度匹配下双边缺口拉伸试件的阻力曲线进行 了定量预测，其结果与试验结果相当吻合。表明特殊单元模型能很好地描述材料的抗延性裂纹扩展阻力特性。1Minami F, Ohata M, Toyoda M. Determination of required toughness ofmaterials considering transferability to fracture performance evaluation forstructure components. J. Society of Naval Architects of Japan, 1997, 182:647 ~ 657
2 Minami F, Ohata M, Toyoda M. Fracture toughness requirement for fracture performance evaluation of welded joints based on the local approach.In: Proc. 15th. Conf. OMAE Florence, 1996, New York:ASME, 1996:193 ~ 132.
3 Kirk M T. Effect of constraint on specimen dimensions "needed to obtainstructurally relent toughness measures. ASTM STPll71. 79 ~ 103.
4 Howard I Othman A. Simulation of the behavior two large scale tests usingductile damage mechanics models derived from small scale laboratory da