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    Q345R钢厚板焊接接头断裂疲劳性能试验研究.pdf

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    Q345R钢厚板焊接接头断裂疲劳性能试验研究.pdf

    第43卷第1期 2014年1月 石油化工设备 PETROCHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.1 Jan.2014 文章编号10007466201401001706 Q345R钢厚板焊接接头断裂疲劳性能试验研究 张贤安 ,郑三龙。 1.镇海石化建安工程有限公司,浙江宁波 315207; ’} 2. 浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州 31003 摘要对60 mm厚度的Q345R钢手工焊焊接接头的金相组织、断裂性能和疲劳性能进行了试验 研究,讨论了厚板焊接接头在母材、焊缝和热影响区的断裂韧度J 和不同深度下的疲劳裂纹扩展 速率变化情况。结果表明①Q345R钢厚板焊接接头焊缝区组织为细化均匀的铁素体和少量珠光 体,热影响区和母材组织均为粗大铁素体和少量珠光体。②焊缝的断裂韧度309.35 kJ/m。较母 材227.97 kJ/m 和热影响区237.26 kJ/m。好,热影响区和母材断裂韧度接近。③在相同应力 强度因子幅下,焊缝区材料的疲劳裂纹扩展速率低于母材,坡口中间层疲劳裂纹扩展最慢。④热影 响区不同深度试样的疲劳裂纹扩展速率一致,比母材稍慢。⑤应力比对热影响区疲劳裂纹扩展速 率没有影响,但对焊缝区试样有一定影响,当应力强度因子幅小于30 MPa/m时,应力比大,裂纹 扩展速率快。 关键词Q345R钢;焊接接头;断裂;疲劳裂纹扩展;应力比 中图分类号TQo5o.6;TG406 文献标志码B doilO.3969/j.issn.10007466.2014.01.004 [3] MENDES PS,SPARROW EM.Periodically Conver ging Diverging Tubes and Their Turbulent Heat Transfer,Pressure Drop,Fluid Flow and Enhancement Characteristics[J].ASME J Heat Transfer,2001,106 15563. E43 Wang C C,Chen C K.Fored Convection in a Wavy- wall Channel[J].International Journal of Heat and Transfer,2002,451225872595. 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SHANG Fumin。BI Qin-sheng,ZHANG Zhizheng, et a1.Experimental Research on Comparison of Heat Transfer Characteristics between Corrugated Pipe and Bare Pipe[J].ChangchUn Inst.Tech.,20 3,4333 35. 许编 收稿日期20130801 作者简介张贤安1963一,男,浙江宁波人,工程师,学士,从事石油化工设备的设计管理等工作。 石油化工设备 2014年第43卷 Experimental Study in Fracture and Fatigue Property of Weld Jointing with Thick Q345R Steel Plan ZHANG Xian-an ,ZHENG Sanlong Zhenhai Petrochemical Jianan Engineering Co.Ltd.,Ningbo 31 5207,China;2.The College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China AbstractWeld jointing of Q345R steel with thickness of 6O mm was investigated in experiment. The fracture toughness of weld,heataffected zone and base metal was tested respectively.The fatigue crack growth rate of the specimens from different depth in thick direction was conducted in weld and heataffected zone.The results revealed that the weld zone was composed of fine fer rite and little pearlite,while the heataffected zone and base metal consist of coarse ferrite and 1it- tie pearlite.The fracture toughness of weld309.35 kJ/m was better than that of the heat-af- fected zone237.26 kJ/m。and base metal227.97 kJ/m。.Similarly,at a given stress intensity factor range,the fatigue crack growth rate of the weld was slower than that of the heataffected zone and the base meta1.There is the slowest fatigue crack growth rate from the specimen lied in the middle of welding groove in thick direction.The fatigue crack growth rate of the specimens from heataffected zone was close and a 1ittle slower than that of the base meta1.The effect of load ratio was not discovered in the specimens from the heat~affected zone.While the fatigue crack growth rate increases with the increasing of load ratio in the specimens from the weld zone when the stress intensity factor range is lower than 30 MPa . Key wordsQ345R steel;weld jointing;fracture;fatigue crack growth;load ratio Q345R是我国常用的低合金压力容器用钢之 一。压力容器的制作过程需用到焊接工艺,焊接部 位材料的断裂与疲劳性能受到广泛的关注,许多研 究者对Q345R焊接接头的组织、断裂疲劳性能与机 理进行了研究,提供了大量的断裂疲劳性能数据,在 承压设备的设计和寿命的估算中得到了广泛的应 用[1 ]。这些对焊接接头断裂疲劳性能的研究,主要 集中在厚度30 mm以内的钢板焊接接头L7 ],对厚 板焊接件断裂疲劳性能的研究较少口。。。因此,研究 Q345R厚板焊接件的断裂性能和疲劳裂纹扩展规 律,对保障承压设备的安全运行与疲劳寿命评估具 有重要工程意义。 文中采用厚度为60 mm的Q345R钢板,加工 了拉伸试样和标准紧凑拉伸compact tension,CT 试样,并对焊接厚度方向上不同位置的试样进行了 拉伸、断裂韧度和不同应力比下的疲劳裂纹扩展试 验,使用Paris公式得到了焊接接头不同厚度材料 试验条件下的疲劳裂纹扩展速率,对各层试样进行 了金相组织和疲劳断口形貌分析,讨论了Q345R厚 板焊接接头不同厚度试样焊缝区和热影响区的断裂 疲劳性能及应力比影响规律。 1实验方法及步骤 1.1 实验材料 Q345R热轧钢板化学成分WC15.11 , 训Mn一1.34 , Si0.540 ,WS一 0.010%,训P一0.020 9/6。 焊接试板规格宽度长度厚度500 mm 1 000 mm60 mm,U形坡口对接焊,焊后不进行 热处理。 在焊缝和热影响区的厚度方向不同深度取圆棒 拉伸试样,试样轴线平行于焊接方向,母材试样以字 母M表示,焊缝区试样以字母W表示,取试样3 个,标示为W1、W2、W3;热影响区试样以HZ表 示,取试样3个,标示为HZ1、HZ2、HZ3,试样取样 截面示意图见图1。 图1拉伸试样取样截面图 第1期 张贤安,等Q345R钢厚板焊接接头断裂疲劳性能试验研究 19 1.2 拉伸试验 根据GB/T228.12010金属材料拉伸试验 第1部分室温试验方法口 制作成圆截面螺纹头 拉伸试样,在控制电液伺服静动态材料试验机 EHFED25OkN一40L上进行了常温条件下的力学 性能测试试验,其力学性能结果见表1。 表1 Q345R钢厚板常温下焊缝及热影响区 力学性能测试结果 试样 抗拉强度Rm 下屈服强度R 断后伸长率A /MPa /MPa / W1 W2 W3 HZ1 HZ2 HZ3 1.3断裂韧度试验 为了测试焊接接头不同部位的断裂韧度,在母 材区、焊缝区和热影响区进行了断裂韧度试验取样, 母材取样远离焊缝区,以MJ1标示;焊缝区取4个 试样,分别标示为wJ1、wJ2、WJ3、WJ4;热影响区 取4个试样,其预加工裂纹离焊缝约2~3 mm,标 示为HZJ1、HZJ2、HzJ3和HZJ4,焊缝和热影响区 取样截面位置见图2。 一硼 一珥蚕 b 图2断裂韧度CT试样截面取样不图 加工厚度25 mm的标准紧凑拉伸试样进行延 性断裂韧度, c的测试,试验按单试样法进行,焊缝 和热影响区各取4个试样。 用弹性柔度法测裂纹长度和裂纹扩展量,将有 效的试验点按幂乘律Jc △n zJ为J积分的试验 当量,kJ/m。;Aa为裂纹扩展增量,mm;C ,C2分别 为拟合常数进行拟合,研究焊接试板不同部位的断 裂韧度。 1.4 疲劳裂纹扩展试验 为了研究焊缝和热影响区材料不同厚度位置的 裂纹扩展行为,在焊接试板的不同厚度上取样制作 了标准紧凑拉伸试样,试样取样截面位置示意图见 图3。 整个钢板厚度分4层取样,距焊接坡口宽边为 第1层,试样编号右边第1位数字用1代表,每层取 样3个,试样编号第2位数字用1、2、3代表。为了 对比Q345R厚板焊接接头材料与母材的疲劳性能, 在远离焊缝区的母材上取1个试样,标示为M01。 试样厚度为12.5 mm,初始缺口通过线切割加工。 I n { \二 一 净 l \ . ., / 、 图3疲劳裂纹扩展CT试样截面取样图 全部试验均采用恒幅载荷,载荷波形为正弦波, 考察了应力比对焊缝和热影响区材料的疲劳裂纹扩 展的影响,试验过程中裂纹长度通过柔度法获得。 2试验结果及分析 2.1 焊接试板断裂性能 断裂韧度测试难度很大,符合判据的数据有限。 因此,取各区域有效数据点进行比较。 焊接试板的断裂韧度试验结果见图4,图中横 坐标Aa为裂纹扩展增量,纵坐标 为裂纹扩展的 断裂阻力。 暑 ● 、 h、 岛 蔷 0 O.5 1.0 1.5 2.0 2.5 裂纹增量△a/mm 图4, 阻力曲线数据点 按7点增量法拟合曲线得到焊缝和热影响区延 性断裂韧度.,。c和阻力方程常数,见表2。 表2 Q345R钢厚板焊接断裂韧度及阻力曲线常数 从图4和表2可以看出,焊缝材料断裂扩展阻 力最大,热影响区材料Aa在0.5与1.1范围内与 焊缝区扩展阻力相近,其他范围内与母材裂纹扩展 22 石油化工设备 2014年第43卷 裂纹扩展速率随应力比增加而增加,AK 30 MPa 时,不同应力比下的裂纹扩展速率基 本一致,热影响区材料在不同应力比下疲劳裂纹扩 展速率一致。 参考文献 [1]程光旭,楼志文.16MnR钢焊接接头低周疲劳特性及 其在压力容器疲劳寿命设计中的应用[J].压力容器, 1991,861723. 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