前言 工程实际中,往往大多数焊接缺陷是未焊透、未熔合、夹渣、气孔等。 由于人们一般认为裂纹是焊缝中最严重的焊接不连续,所以研究也颇多,颇为集中;而有关未焊透等 的研究则相对较少二3一‘。二,尤其断裂和安全评定方面的研究更为少见。把未焊透等简单地简化成裂纹,是否是最大限度地挖掘了材料潜力或确保安全,仍然是一个未完全明了的问题。作为我国缺陷失效评定技术研究的一部分,作者将通过对未焊透的实验研究,非裂纹面型缺陷的断裂 理论分析结果,本着“合乎使用”准则,探讨并提出未焊透的弹塑性失效评定曲线的建立和应用。压力容器2缺口分析的弹塑性断裂力学理论问.一口一丐一一 而; L. 2.1缺口J积分 由于我国压力容器用钢绝大多数是低碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢,为中低强度级别,韧性比较高 ,裂纹失稳扩展前一般产生较大的塑性区,采用弹塑性断裂力学分析更为合理。J积分由于其理论 严谨、数值可工程估算且断裂韧性便于测试等特点,成为目前国外缺陷评定规范普遍采用的方法,也是下一步制定我国自己规范的理论基础。未焊透等缺陷是一根部形状极不规则的类裂纹缺陷,它们的许多断裂性质介乎于裂纹与缺口之间。J .R.Rice所提出的J积分:K,=(l一0.14L子)<0.3+0.7exp(一。‘65刀)〕Lr(L严丈K,一0 .Lr>L尸‘ (2)式中Lr—载荷比,表示有缺陷结构接近塑 性屈服的程度 Kr—应力强度因子与材料断裂韧性 比,表示接近线弹性失效的程度 L严‘—失效评定曲线的截断点,J一步。(wd,一T,叙、.、二二~ds)t红(kJ/m之 )(l)是弹性静力学普遍存在的能量动量张量守恒定律之一。它已被HRR理论证明可以用来描 述裂纹场的奇异性。J积分守恒性在全量理论下,对裂纹和缺口都是同样成立的。J.R.Ric e
附录4图A4.l确定衬,即:大r簇0 .8.户,=夕,。1 0 .81 .05,尸‘=0尸‘。=0 .043 (11) 2.3缺口根部曲率半径对失效评定曲线 的影响 根据CEGB R6选择3曲线和EPRI失效 评定曲线的构成方法,失效评定曲线f(Lr)- (J,/.I)合,其中J为弹塑性有限元计算得到的J 积分值;I,为J积分的弹性分量,可通过J积..图1焊接应力简化图 a,BbZP一一万石下~一 0 Yr口rjv,6W式中。。—梁最外层的残余应力值, (N)MPaa,—系数,参照CVDA一1984,取ar一0.分与应力强度因子K,的关系, ,一禁换算得月一J仁一/JJ兴‘人~J“‘目J夕、司、口产E‘~一”J到。E‘对平面应 力其值等于E;对平面应变其~__E、,一_一,_,__,,一_二~_.,.~值等于找》 。为反映缺口根部曲率半径对失效评定曲线的影响,作者研究了三点弯曲、中心贯穿、双边和单边 几种缺口及裂纹试样的失效评定图二‘2,‘3二。对三点弯曲试样,缺口根部曲率半径产分别为 O,0.5,1,1.smm;产与缺口长度a之比尸/a为o,o·042,o·083,0. 125;应力状态为平面应变。对中心贯穿、双边及单边缺口或裂、、中择_/、口,I去八。, 八___P__八八n,no纹试样刀分另11为O,2.IOmrn;乙=O,0.04,0. 2;应力状态为平面应力。对所有试样a与试样宽度W(对中心贯穿及双边缺口或裂纹试样W为试 板半宽)之比杀均为0.5;屈服准则均取/J~.认’夕‘~“目环尸~/刁“’“”I1.’J卜’协八J一J~.398·压力容器第12卷第5期么压力容器VonMises准则。有限元网格划分及其计算的、.:.过程详见文献<12、13〕。试样材料为16MnR钢。 图2一5分别给出了上述几种试样的失效。.。评定图,说明缺口根部曲率半径对失效评定曲线有一 定的影响,但并不十分明显。因此,未减焊透试样象缺口试样一样,端部虽具有不同的。二几何形状和尺寸,但失效评定曲线完全可以延用裂纹缺陷计算得到的失效评定曲线。为了比较,我们把R6选择1曲线也绘于图2一5,说明几种缺口或裂纹试样的失效评定曲线基本上 在R6选择1曲线之上。R6可作为我们研究的未焊透试样材料的失效评定曲线。R‘选杯1双边缺口或裂纹试样失效评定图丫||匕。。恶R6选择1P~0·5R6选捧10.8120 .4 Q.名1.2图2三点弯曲试祥失效评定图R6选杯1 图5单边缺口或裂纹试样失效评定图 2.4未焊透及焊缝附近金属性能对失效评定曲线的影响和极限载荷确定 根据文献<15、16>的研究,认为焊缝热影响区、焊缝及母材的性能对失效评定曲线均有一定影 响,但以母材的失效评定曲线偏保守;在这些区域内J积分与路径无关性依然近似成立。计算极限 载荷P。及L。时取母材ay,更偏安全,并便于工程应用。因此我们在研究未焊透失效评定曲线 时均采用母材的力学性质。但材料断裂韧性仍以实测为准。未焊透缺口断裂韧性试验中心贯穿试样失效评定图自从Jlc测试技术奠基人Begley二’7j首先提﹃nJ ,OCPVT Vol.12 No.5 1995.399.未焊透的弹塑性断裂失效分析研究出将J积分判据用于缺口间题以来,缺口弹塑 性断裂分析和测试技术有了很大进展。国内外许多学者进行了这方面的研究山·,幻。他们的实验 证明,缺口断裂韧性JA不再是单一的材料常数,而是强烈地依赖于缺口端部几何形状和尺寸。因此,考虑到未焊透根部形状的复杂性,有必要对其断裂韧性进行测试研究。3.1未焊透试样的制备 试样制备时采用30mm厚16MnR板材,参照《压力容器焊接工艺评定》确定试板大小,开坡口 后进行对接焊,人为地造成宽度不同的单面未焊透缺陷‘焊缝经100%X射线探伤确认试板除宽 度不同的未焊透缺陷外,并无其它焊接缺陷。以T一S方向在试板上截取试样,按照GBZo38一80和ASTME813一89加工成标准的三点弯曲试样(SEB)(见图’6)‘为了更真实地模拟工程实际未 焊透缺陷,试样未预制疲劳裂纹,也未进行焊后热处窟。图6(b)为埋弧焊,图6(c)为手工焊试样。I.一乙曲线.礁从双笔峨教记最仪匕二军坚二.图7试验原理及装置简图.相同。通过仔细观察分析,很难规律性地描述未焊透的根部形貌。总的来 说,埋弧焊熔深较深,所形成的未焊透根部多呈圆弧状;而手工焊熔深浅,未焊透根部多为坡口底部形状加少量夹渣,但也有部分呈圆弧状。图8为手工焊未焊透试样的典型形貌。考虑到无
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