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专利名称：一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411057270.6

专利申请（专利权）人：洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所)
权利人地址：河南省洛阳市洛龙区滨河南路169号

专利发明（设计）人：宫旭辉,丁鹏龙,牛佳佳,薛钢,孙磊,高珍鹏,张裕

专利摘要：本发明公开了一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法，属于船体结构钢断裂与止裂技术领域，本发明开展不同厚度、不同强度等级的止裂钢双重拉伸试验，获得大量止裂韧性，或者基于已有的止裂钢数据获得止裂韧性；针对每个规格和强度等级的止裂钢，开展系列温度冲击试验，获得韧脆转变曲线和转变温度ETT50；进一步分析止裂韧性和转变温度ETT50的相关性，并考虑板厚因素的影响，建立相关性模型，进而通过ETT50实现对止裂韧性的快速预测。本发明能够通过小尺寸冲击实验满足止裂钢研发和试制阶段对止裂韧性的初始评价，为实现止裂钢大规模应用、提升超大型集装箱船运营安全性提供重要的基础输入。

主权利要求：
1.一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：针对不同厚度的止裂钢，其中所述止裂钢为EH40或EH47止裂钢，厚度范围为80?
100mm；开展梯温型双重拉伸试验，包括以下步骤：S11：在主拉伸板(1)中建立了梯度型温度场(2)，在梯度型温度场(2)的上部分施加冷源，下部分施加热源，进而形成了0.25℃/mm～0.35℃/mm的温度梯度；
S12：对启裂板(3)进行冷却；
S13：待温度场(2)稳定后对主拉伸板(1)施加主拉伸载荷，随后对启裂板(3)施加副拉伸载荷，脆性裂纹从缺口部位启裂后进入主拉伸板(1)，试验结束后裂纹扩展到一定长度a后停止扩展，根据温度梯度可得到裂纹长度a处的止裂温度Tk和止裂韧性Kca；
建立Kca和Tk的相关性模型，通过数据拟合获得?10℃止裂韧性S2：从步骤S1中同一批次止裂钢试板上取样，加工为标准夏比冲击试样，开展不同温度的夏比冲击试验，建立冲击能量E和温度T的相关性模型，通过数据拟合获得韧脆转变温度ETT50；
S3：基于梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验得到的实验数据，建立 和ETT50的相关性模型
2/3
式中， 单位为N/mm ；ETT50，单位为℃；α1，β1为待定参数；
S4：综合考虑板厚因素对梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验的影响，通过数据分析软件，建立修正后的 和ETT50相关性模型式中，t为止裂钢板厚，单位为mm；α2，β2为待定参数；
S5：对后续新研发和试制过程中的止裂钢进行不同温度的夏比冲击试验，根据得到的ETT50和步骤S4中得到的修正后的 和ETT50相关性模型，对新研发和试制过程中的止裂钢进行 预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述止裂韧性Kca计算公式为：2
式中，σ为施加的应力，单位为N/mm ；a是止裂时裂纹长度，单位为mm；Ws为试样宽度，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯温型双重拉伸试验的止裂钢试样尺寸为500mm×500mm×t，其中t为止裂钢的板厚。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述的止裂韧性Kca和止裂温度Tk的相关性模型为Kca＝K0exp(?T0/Tk)
式中，Tk为止裂温度，单位为℃；K0，T0为材料常数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述标准夏比冲击试样的尺寸：长度为55±0.6mm，横截面积为10mm×10mm的截面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述夏比冲击试验包括以下步骤：S21：在夏比冲击试验的试样上预制一个V型缺口；
S22：将上述试样置于不同温度的冷却介质中；
S23：用试验机举起的摆锤冲击试样，使试样沿缺口冲断，测量试样断裂时吸收的冲击能量E和温度T。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述冲击能量E和温度T的相关性模型：式中，E为冲击能量，单位为J；T为冲击温度，单位为℃；A1，A2，T50为函数参数，无量纲。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述韧脆转变温度ETT50为夏比冲击试验中冲击能量为50J时对应的温度。 说明书 : 一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法技术领域[0001] 本发明属于船体结构钢断裂与止裂技术领域，具体涉及一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法。背景技术[0002] 随着低碳经济的发展需求，集装箱运输船的发展愈来愈趋向于大型化，24000TEU以上的超大型集装箱船也已逐步进入到设计、建造和运营阶段，并将在今后数年内成为主力船型之一。与中小型集装箱船相比，大型集装箱船船体结构的受力状态明显恶化，船体的大尺寸和大开口特性将使船体结构受到多种载荷的联合作用，除了需满足总纵弯曲强度和屈曲强度要求外，还需满足大开口（扭转）强度要求，导致船体结构中的舱口围顶板、腹板及上甲板边板、舷顶列板和某些局部区域（舱口角隅）处于高应力水平。为保证船体结构的安全可靠，防止脆性断裂破坏的发生，通常可在船体高应力区使用高强度大厚度止裂钢。当船体发生疲劳断裂时，裂纹扩展到止裂钢时便会停止扩展，从而避免灾难性的断裂事故。止裂钢的大规模应用对提升集装箱船安全绿色运行提供了重要保障。[0003] 止裂韧性是评价止裂钢性能优劣的核心指标，止裂钢在研发、试制和实船应用时需进行多轮的成分、工艺优化，每轮迭代都需对其止裂性能做测试。通常采用?10℃下的止裂韧性即 （以下简写为 ）作为设计依据。根据国际船级社规范URW31以及中国船级社《船用高强度厚板应用指南》等相关行业规范，通常采用梯温型双重拉伸试验测量 ，双重拉伸试样尺寸为500mm×500mm×t，其中t是板厚（见图1?2）。温度梯度场通过在试样裂纹扩展区施加热源和冷源实现。为了获得?10℃的止裂韧性，一般需要进行4组试验，根据插值得到?10℃止裂韧性 （典型结果见图4）。[0004] 双重拉伸试验需要在5000吨大型拉力试验机上进行，并且在建立温度场时需要消耗大量的冷却液，试验周期长，费用高，在止裂钢的研发和试制阶段若能采用常用的小尺寸试验来快速预测止裂韧性，对研发进度和成本有显著效益。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明旨在克服现有止裂钢止裂韧性测试方法试验周期长，费用高的问题，提供一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法，能够通过小尺寸冲击实验满足止裂钢研发和试制阶段对止裂韧性的初始评价，为实现止裂钢大规模应用、提升超大型集装箱船运营安全性提供重要的基础输入。[0006] 一种基于夏比冲击试验预测止裂钢止裂韧性的方法，包括以下步骤：[0007] S1：针对不同厚度的止裂钢，开展梯温型双重拉伸试验，计算获得止裂韧性Kca，通过温度梯度可得到止裂温度Tk，建立止裂韧性Kca和止裂温度Tk的相关性模型，通过数据拟合获得?10℃止裂韧性 ；[0008] S2：从步骤S1中同一批次止裂钢试板上取样，加工为标准夏比冲击试样，开展系列温度冲击试验，建立冲击能量E和温度T的相关性模型，通过数据拟合获得韧脆转变温度ETT50；[0009] S3：基于梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验得到的实验数据，建立 和ETT50的相关性模型[0010] =α1+β1*ETT50；3/2[0011] 式中， ，单位为N/mm ；ETT50，单位为℃；α1，β1为待定参数；[0012] S4：综合考虑板厚因素对梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验的影响，通过数据分析软件，建立修正后的 和ETT50相关性模型1.5 1.5[0013] /t =α2+β2*ETT50/t ；[0014] 式中，t为止裂钢板厚，单位为mm；α2，β2为待定参数；[0015] S5：对后续新研发和试制过程中的止裂钢进行不同温度的夏比冲击试验，根据得到的ETT50和步骤S4中得到的修正后的 和ETT50相关性模型，对新研发和试制过程中的止裂钢进行预测 。[0016] 进一步的，步骤S1中所述止裂钢为EH40或EH47止裂钢；所述厚度范围为80?100mm。[0017] 进一步的，步骤S1中所述梯温型双重拉伸试验包括以下步骤：[0018] S11：梯温型双重拉伸实验在主拉伸板中建立了梯度型温度。谖露瘸〉纳喜糠质┘永湓，下部分施加热源，进而形成了0.25℃/mm～0.35℃/mm的温度梯度；[0019] S12：对启裂板进行冷却；[0020] S13：待温度场稳定后对主拉伸板施加主拉伸载荷，随后对启裂板施加副拉伸载荷，脆性裂纹从缺口部位启裂后进入主拉伸板，试验结束后裂纹扩展到一定长度a后停止扩展，根据温度梯度可得到裂纹长度a处的止裂温度Tk。[0021] 优选的，所述止裂韧性Kca计算公式为：[0022][0023] 式中，σ为施加的应力，单位为N/mm2；a是止裂时裂纹长度，单位为mm；Ws为试样宽度，单位为mm。[0024] 进一步的，步骤S1中所述梯温型双重拉伸试验的止裂钢试样尺寸为500mm×500mm×t，其中t为止裂钢的板厚。[0025] 进一步的，步骤S1中所述的止裂韧性Kca和止裂温度Tk的相关性模型为[0026] Kca=K0exp（?T0/Tk）[0027] 式中，Tk为止裂温度，单位为℃；K0，T0为材料常数。[0028] 进一步的，步骤S2中所述夏比冲击试验的试样尺寸10mm×10mm×55mm。[0029] 进一步的，步骤S2中所述夏比冲击试验包括以下步骤：[0030] S21：在夏比冲击试验的试样上预制一个V型缺口；[0031] S22：将上述试样置于不同温度的冷却介质中；[0032] S23：用试验机举起的摆锤冲击试样，使试样沿缺口冲断，测量试样断裂时吸收的冲击能量E和温度T。[0033] 进一步的，步骤S2中所述冲击能量E和温度T的相关性模型：[0034][0035] 式中，E为冲击能量，单位为J；T为冲击温度，单位为℃；A1，A2，T50为函数参数，无量纲。其中，T50为ETT50所对应的数值。[0036] 进一步的，步骤S1中所述ETT50为夏比冲击冲击试验中，冲击能量为50J时的温度。[0037] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：[0038] 1）本发明基于大尺寸双重拉伸试验和小尺寸夏比冲击试验在裂纹启裂和扩展及终止方面的内在联系，建立相关性模型，能够较为准确地预测止裂韧性。[0039] 2）夏比冲击试验试样尺寸。扌璐蠊婺Ｔ制，节约大量材料和加工费用，适用于处于研发或试制阶段的小规模止裂钢。[0040] 3）夏比冲击试验试验方法成熟简单，周期短，成本低，节约大量研究经费，通过夏比冲击试验代替双重拉伸试验，周期从几个月缩短到几天，成本从几十万降低到数千元。附图说明[0041] 图1为本发明双重拉伸试验示意图；[0042] 图2为本发明双重拉伸试样实际图；[0043] 图3为本发明实施例中双重拉伸的距冷短距离和止裂温度拟合示意图；[0044] 图4为本发明实施例中止裂韧性Kca和止裂温度Tk的相关性模型示意图；[0045] 图5为本发明实施例中韧脆转变曲线示意图；[0046] 图6为本发明实施例中止裂韧性Kca和冲击转变温度ETT50的相关性模型示意图；[0047] 图7为本发明实施例中考虑板厚因素的修正止裂韧性Kca和冲击转变温度ETT50的相关性模型示意图；[0048] 图8为本发明实施例中模型预测效果图。[0049] 附图标记：[0050] 主拉伸板1，温度场2，启裂板3。具体实施方式[0051] 在止裂钢设计和研发过程中，止裂韧性测量是评估止裂钢设计和研发效果的核心，现有技术常用双重拉伸试验对止裂韧性进行测量，其中双重拉伸实验需要在5000吨大型拉力试验机上进行，并且在建立温度场2时需要消耗大量的冷却液，试验周期长，费用高，需消耗大量焊材进行试验工装组装，同时也至少需要4副500mm×500mm×原板厚的试板；在止裂钢的研发和试制阶段若能采用常用的小尺寸试验来快速预测止裂韧性，对研发进度和成本有显著效益。[0052] 夏比V型缺口冲击试验（CharpyV?NotchImpactTest，简称冲击试验）是考核船体钢韧性水平的重要方法，试样形式简单：冲击试样尺寸小、易加工，一组系列温度冲击试验最少仅需24个试样，重量不超过1公斤，适用于处于研发或试制阶段的小规模止裂钢，试验设备要求低：冲击试验方法成熟，设备简单，相关标准规范也非常完善，钢厂和研发机构都具备试验条件；在船体结构钢中得到了广泛应用。[0053] 由于双重拉伸试验和小尺寸的冲击试验反应的都是材料断裂和止裂性能随温度变化的关系，也都属于船体止裂钢的断裂范畴，因此在止裂钢裂纹启裂和扩展及终止方面两种实验均具有内在的联系，因此本发明通过建立双重拉伸试验止裂韧性与冲击试验的相关性，进而通过小尺寸冲击试验对止裂钢的止裂韧性做出快速评估，对加快止裂钢研发和应用具有重要指导意义，实现对止裂钢止裂韧性的快速预测。[0054] 具体为一种基于夏比冲击实验预测止裂钢止裂韧性的方法，基于大尺寸双重拉伸试验和小尺寸冲击试验断裂止裂参量的相关性模型，能够实现止裂韧性快速预测，包括以下步骤：[0055] S1：针对不同厚度的止裂钢，开展梯温型双重拉伸试验，计算获得止裂韧性Kca，通过温度梯度可得到止裂温度Tk，建立止裂韧性Kca和止裂温度Tk的相关性模型，通过数据拟合获得?10℃止裂韧性 ；[0056] 其中止裂钢选用厚度为80?100mm的EH40或EH47止裂钢，开展梯温型双重拉伸试验，包括以下步骤：[0057] S11：在主拉伸板1中建立了梯度型温度场2，在梯度型温度场2的上部分施加冷源，下部分施加热源，进而形成了0.25℃/mm～0.35℃/mm的温度梯度；[0058] S12：对启裂板3进行冷却；[0059] S13：待温度场2稳定后对主拉伸板1施加主拉伸载荷，随后对启裂板3施加副拉伸载荷，脆性裂纹从缺口部位启裂后进入主拉伸板1，试验结束后裂纹扩展到一定长度a后停止扩展，根据温度梯度可得到裂纹长度a处的止裂温度Tk和止裂韧性Kca。[0060] 其中止裂韧性Kca的计算公式如下：[0061][0062] 式中，σ为施加的应力，单位为N/mm2；a是止裂时裂纹长度，单位为mm；Ws为试样宽度，单位为mm。[0063] 制备四组试样进行双重拉伸试验，其中试样尺寸为500mm×500mm×t，t为止裂钢板厚，获得至少四组有效的止裂韧性Kca和止裂温度Tk值，对上述四组数据进行拟合，得到止裂韧性Kca和止裂温度Tk相关性模型：[0064] Kca=K0exp（?T0/Tk）[0065] 式中，Tk为止裂温度，单位为℃；K0，T0为材料常数；继而选取Tk为?10℃，得到相应的?10℃止裂韧性 ；[0066] S2：根据GB/T229?2020《金属材料夏比冲击试验》，从步骤S1中同一批次止裂钢试板上取样，将其加工为标准夏比冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，开展系列温度冲击试验。[0067] 夏比冲击试验包括以下步骤：[0068] S21：在夏比冲击试验的试样上预制一个V型缺口；[0069] S22：将上述试样置于不同温度的冷却介质中；[0070] S23：用试验机举起的摆锤冲击试样，使试样沿缺口冲断，测量试样断裂时吸收的冲击能量E和温度T。[0071] 根据上述试验获得不同温度T下的冲击能量E，画出（温度，冲击功）散点图，根据Boltzmann函数，建立冲击能量E和温度T的相关性模型，通过数据拟合获得韧脆转变温度ETT50，其中ETT50为夏比冲击试验中冲击能量为50J时的韧脆转变温度；[0072] 其中，Boltzmann函数如下：[0073][0074] 式中，E为冲击能量，单位为J；T为冲击温度，单位为℃；A1，A2，ETT50为函数参数，无量纲，其中，ETT50为韧脆转变温度的数值。[0075] S3：基于梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验得到的实验数据，建立?10℃止裂韧性 和冲击转变温度ETT50的相关性模型[0076] =α1+β1*ETT50；3/2[0077] 式中， 为?10℃止裂韧性，单位为N/mm ；ETT50为韧脆转变温度，单位为℃；α1，β1为待定参数；[0078] 对于止裂钢等铁素体钢来说，止裂韧性随温度的升高而变高，因而在梯温型双重拉伸试验中，裂纹会从低温区启裂向高温区域扩展，随着裂纹尖端温度升高，材料止裂韧性迅速增加，当材料的止裂韧性高于裂纹断裂韧性时裂纹就会停止。对于小尺寸冲击试验来说，冲击功同样表现为随温度降低而降低。由此可知大尺寸的双重拉伸试验和小尺寸的冲击试验在材料韧性表征方面都与温度存在内在联系，这就为小尺寸试验代替双重拉伸试验提供了理论基础。[0079] S4：综合考虑板厚因素对梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验的影响，通过数据分析软件，建立修正后的?10℃止裂韧性Kca和冲击转变温度ETT50相关性模型：[0080] /t1.5=α2+β2*ETT50/t1.5；[0081] 式中，t为止裂钢板厚，单位为mm；α2，β2为待定参数；[0082] S5：对后续新的研发和试制过程中的止裂钢进行系列温度的夏比冲击试验，根据得到的冲击转变温度ETT50温度进行快速预测止裂韧性。[0083] 实施例[0084] 本发明根据止裂韧性快速预测方法的要求，选取了16组止裂钢进行试验，测量了相应的止裂韧性和冲击转变温度，构建了止裂韧性与冲击转变温度的相关性模型。[0085] 具体工作过程如下：[0086] 1、选取16组EH40或EH47止裂钢，每组进行3?4个试样的双重拉伸试验，通过拟合得到温度为?10℃止裂韧性 。[0087] 2、从双重拉伸试验相同试板上取样进行系列温度的夏比冲击试验，试验温度从0℃到?196℃，采用Boltzmann函数拟合得到每组钢的韧脆转变曲线及ETT50温度，典型温度转变曲线见图4所示；各组止裂钢的规格、止裂韧性、转变温度结果见表1所示：[0088] 表1各组止裂钢规格、止裂韧性、韧脆转变温度结果表[0089][0090] 3.基于梯温型双重拉伸试验和夏比冲击试验得到的实验数据，采用回归分析方法，建立?10℃止裂韧性 和韧脆转变温度ETT50的相关性模型：[0091] =745?117*ETT50[0092] 上式中， 为?10℃止裂韧性，单位为N/mm3/2，ETT50为韧脆转变温度，单位为℃。[0093] 结果见图6，验证后发现其相关性系数较低，需要考虑其他因素进行修正。[0094] 4.考虑板厚因素修正，将 和ETT50分别除以板厚t1.5，再次建立?10℃止裂韧性 和冲击转变温度ETT50的相关性模型，得到相关系数大于0.9的回归模型：1.5 1.5[0095] /t =?0.43?123*ETT50/t[0096] 上式中，t为板厚，单位为mm。[0097] 5.根据预测模型，得到各组钢的止裂韧性预测值和实测值对比情况，见图8所示。3/2从图8可知，通过ETT50预测止裂韧性，误差最大不超过1200N/mm ，对研发和试制阶段的止裂韧性预测具有指导意义。[0098] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

专利地区：河南

专利申请日期：2024-08-02

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN118566036B