CN111433585B - 厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法。本发明是一种使用大型试验片的厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法，使用如下试验片，在大型试验片的载荷负载方向中央部的一个端部配设产生脆性裂纹的切口，进一步以在该切口的前端或者包含该前端且在脆性裂纹传播方向延伸的方式形成规定的长度L的脆化区域，进而在脆化区域形成后以与脆化区域分离的方式配设至少1处熔融焊接部。熔融焊接部形成为如下形状：在从脆化区域向单侧或两侧分离与板厚t相关的距离d的位置，使其长度以脆化区域长度L为基准在ΔL1(0.3L～－0.3L)的范围增减，且从试验片端部起在ΔL2(0～0.4L)的范围缩短。由此，自切口产生的脆性裂纹在不偏离规定的脆性区域的情况下传播，能够防止FPD，能够得到有效的CAT试验结果。

Description

厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法

技术领域

本发明涉及一种优选用作船舶、海洋结构物、低温储藏罐、建筑、土木结构物、管线等大型结构物的厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法。

背景技术

在船舶、海洋结构物、低温储藏罐、建筑、土木结构物、管线等大型结构物中，如果发生伴随着脆性破坏的大规模损伤、损坏等事故，则会对经济、环境造成很大影响。因此，特别是在大型结构物中，从防止脆性断裂的观点考虑，常常要提高结构物的安全性。因此，要求在这样的大型结构物中使用的钢材具有使用温度下优异的低温韧性、优异的脆性裂纹传播停止韧性值。

其中，需要即便万一产生脆性裂纹时，也使脆性裂纹的传播在达到大规模破坏之前停止，因此脆性裂纹传播停止韧性值是重要的特性。应予说明，以下的说明中，脆性裂纹传播停止韧性值也称为“止裂性能”。

根据这样的状况，开发出了使“止裂性能”提高的各种钢材或者大型焊接结构体。例如，专利文献1中记载了一种“脆性裂纹传播停止特性优异的钢板的制造方法”。在专利文献1所记载的技术中，将调整为规定组成的钢片在适当控制加热温度和保持时间的加热条件下加热后，进行调整轧制温度和压下率的轧制以及后续的加速冷却。由此，得到脆性裂纹传播停止特性优异的钢板，其微观组织以面积率计含有铁素体：20～50％、珠光体：5％以下、贝氏体：40～80％，析出物和夹杂物中从圆当量直径大的析出物和夹杂物开始计个数比为20％以下的析出物和夹杂物的平均圆当量直径为0.4μm以下，裂纹传播有效粒径为由取决于Ni和板厚的规定公式定义的d(μm)以下，板厚50mm以上，屈服强度460MPa以上。

专利文献1所记载的技术中，“止裂性能”基于WES 2815(2014)中记载的方法，采取全厚500mm宽的试验片，进行温度梯度型ESSO试验，用显示Kca＝6000N/mm^1.5的温度进行评价。由专利文献1中记载的技术得到的钢板的显示Kca＝6000N/mm^1.5的温度为－10℃以下。

这样，大型焊接结构物中使用的厚钢板或大型焊接结构体的止裂性能通常依据非专利文献1、非专利文献2中记载的方法，实施温度梯度型ESSO试验、或者非专利文献3中记载的具有脆化部的温度平坦型CAT试验(止裂试验，Crack Arrest Test)进行评价。温度平坦型CAT试验(以下，有时也称为CAT试验)有非专利文献3中记载的双重拉伸类型、在试验片端部钉入楔子的类型。

通常，CAT试验中使用端部具有V型切口的大型试验片(大小：板厚mm×500mm×500mm左右)，冷却到规定温度后，一边对试验片施加规定的应力，一边对V型切口介由楔子负载冲击载荷，人为地产生脆性裂纹。然后，求出所产生的脆性裂纹停止的温度，评价钢材的脆性裂纹传播停止特性。应予说明，为了促进从切口开始的脆性裂纹的产生和脆性裂纹的扩展，常常在切口的前端沿着裂纹的进展方向设置脆化区域。例如，非专利文献3中公开了使用宽幅试验片(板厚mm×880mm×1500mm)的双重拉伸试验的概要。该试验中，裂纹从导入到主板与次级载荷施加舌片之间的锯痕缺口产生，助长裂纹的产生和扩展，因此在锯痕缺口的前端导入了脆化的区域(脆化区域)。应予说明，脆化区域是利用电子束技术使试验片的狭窄区域熔融而形成的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017－150067号公报

非专利文献

非专利文献1：WES3003－1995“低温用轧制钢板判定基准”社团法人日本焊接协会

非专利文献2：日本海事协会“脆性裂纹止裂设计指南”(1995)附属书A“脆性龟裂传播停止韧性Kca试验方法”社团法人日本海事协会

非专利文献3：C.S.WIESNER,B.HAYES,S.D.SMITH and A.A.WILLOUGHBY,“INVESTIGATIONS INTO THE MECHANICS OF CRACK ARREST IN.LARGE PLATES OF 1.5％NiTMCP STEEL”,Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures,Volume17,Issue 2February 1994,Pages 221-233

发明内容

但是，利用在上述切口前端设置脆化区域的大型试验片的CAT试验中，根据试验条件，有时人为产生的脆性裂纹有时不在脆化区域传播而在中途产生向母材偏移的FPD(断裂通过偏差，Fracture Pass Deviation)。产生该FPD时，存在不能准确地测定钢板的脆性裂纹传播停止性能而试验无效，无法评价该钢板的脆性裂纹传播停止性能的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种能够不依赖试验条件而得到有效的评价结果的厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法。应予说明，这里所说的“厚钢板”是指板厚：10mm以上的钢板。

本发明人等为了实现上述目的，在使用大型试验片的温度平坦型CAT试验中，用切口人为产生的脆性裂纹不在设置于裂纹传播方向的脆化区域传播而在中途产生向母材偏移的FPD的重要因素进行深入研究。这里，切口是在切削加工等中角度为30°的V型缺口。另外，包括切口前端在裂纹传播方向形成脆化区域。应予说明，脆化区域通过利用电子束在裂纹传播方向对狭窄区域进行熔融焊接而形成。

首先，对包括上述切口前端在内形成有脆化区域的ESSO试验片进行考虑了热弹塑性的有限要素解析，算出脆性裂纹传播前的试验片内的应力场。其结果，发现在脆化区域处于基于熔融焊接的焊接线方向的拉伸残留应力和试验中施加的拉伸应力作用的双轴应力状态。

因此，本发明人等推断脆性裂纹从脆化区域偏离(偏移)传播是受这样的双轴应力状态的影响所致的，对除去脆化区域的拉伸残留应力的方法进行进一步研究。其结果，发现为了除去脆化区域的焊接线方向的拉伸残留应力，在试验片内的脆化区域的附近的规定区域实施规定长度的熔融焊接是有效的。

脆化区域的焊接线方向的拉伸残留应力使试验片中的脆化区域的外侧的母材部产生焊接线方向的压缩残留应力，作为试验片整体保持应力的平衡。因此，得到以下见解：通过对产生该压缩残留应力的母材部进行熔融焊接，能够除去其压缩残留应力，结果还能够除去脆化区域的拉伸残留应力。

本发明是基于上述见解进一步加以研究而完成的。即，本发明的要旨如下。

(1)一种厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法，使用大型试验片，对该大型试验片冷却到规定温度，负载规定应力后，使其产生裂纹，进行传播，评价厚钢板的脆性裂纹传播停止性能，上述大型试验片为从上述厚钢板采取的宽度500mm以上、长度500mm以上的试验片，所述试验片在该大型试验片的载荷负载方向中央部的一个端部配设产生脆性裂纹的切口，进一步以在该切口的前端或者包含该前端且在脆性裂纹传播方向延伸的方式形成规定长度L的脆化区域，进一步在上述脆化区域形成后以与上述脆化区域分离的方式在至少1处形成熔融焊接部，该熔融焊接部满足式(1)的位置且满足(2)～(3)的长度，

1.0t≤d≤7.0t……(1)

(这里，d：脆化区域中心与熔融焊接部中心的距离(mm)，t：试验片(厚钢板)板厚(mm))

－0.3L≤ΔL1≤0.3L……(2)

0≤ΔL2≤0.4L……(3)

(这里，L：脆化区域长度(mm)，ΔL1：沿着脆性裂纹传播方向，脆化区域前端位置与熔融焊接部前端位置的距离(mm)(应予说明，负值即相对于脆化区域前端为非评价区域侧，正值即相对于脆化区域前端为评价区域侧)，ΔL2：沿着脆性裂纹传播方向，试验片端部与熔融焊接部端部的距离(mm))。

(2)根据(1)所述的厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法，其中，上述大型试验片为双重拉伸试验片。

根据本发明，即便试验条件进行了各种变化，脆性裂纹也不会从规定的传播区域偏离，不会成为无效试验。由此，评价厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的CAT试验的试验效率显著提高，产业上起到显著的效果。

附图说明

图1是表示本发明中使用的大型试验片的概略的说明图。

具体实施方式

本发明是厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法。本发明中，使用大型试验片，将该大型试验片冷却到规定温度，对该大型试验片负载规定的应力后，产生裂纹，并使裂纹传播，评价厚钢板的脆性裂纹传播停止性能。

使用图1对本发明中使用的大型试验片进行说明。

图1是表示本发明中使用的大型试验片的概略的说明图。如图1所示，本发明中，使用从评价对象的厚钢板(板厚：tmm)采取的宽度500mm以上、长度500mm以上的大型试验片1(以下，也有时称为试验片)。

使用的大型试验片中，在载荷负载方向中央部的一个端部配设使脆性裂纹产生的切口2。配设的切口2的形状没有特别限定，为可以通过施加介由楔等的冲击能量而产生脆性裂纹的形状。例如优选为V字形状，也可以进一步在切口前端施加锯痕。此外，本发明所使用的大型试验片1中，以在上述切口2的前端或包含该前端且在脆性裂纹传播方向延伸的方式形成规定的长度L的脆化区域3(宽度：5mm左右)。该脆化区域3优选利用电子束而进行熔融焊接，并在裂纹传播方向形成窄幅的区域。除电子束以外，例如还可以例示基于激光束焊接、电弧焊的熔融焊接。应予说明，脆化区域3的宽度优选1mm～10mm以内。

如果形成该脆化区域3，则会在试验片1中产生因熔融焊接所致的焊接线方向的拉伸残留应力，在试验时施加与该应力垂直的方向的拉伸应力，成为双轴应力状态。因此，由切口2产生的脆性裂纹有时会从规定的脆化区域3偏离。应予说明，脆化区域3的焊接线方向的拉伸残留应力使脆化区域3的外侧的母材部产生焊接线方向的压缩的残留应力，由此试验片1整体保持了应力的平衡。

因此，本发明中，在产生焊接线方向的压缩残留应力的母材部区域形成熔融焊接部4，除去压缩残留应力，进而除去脆化区域3的拉伸残留应力。由此，防止从切口2产生的脆性裂纹从规定的脆化区域3偏离。

在脆化区域3的外侧形成的压缩残留应力场的范围与脆化区域3的长度L和试验片1的板厚t相关。因此，本发明中，以满足以下的式(1)且满足以下的式(2)～式(3)的方式形成熔融焊接部4，

1.0t≤d≤7.0t……(1)

(这里，d：脆化区域中心与熔融焊接部中心的距离(mm)，t：试验片(厚钢板)板厚(mm))

－0.3L≤ΔL1≤0.3L……(2)

0≤ΔL2≤0.4L……(3)

(这里，L：脆化区域长度(mm)，ΔL1：沿着脆性裂纹传播方向的、脆化区域前端位置与熔融焊接部前端位置的距离(mm)(应予说明，负值为相对于脆化区域3的前端在非评价区域侧的位置，正值为相对于脆化区域3的前端在评价区域侧的位置)，ΔL2：沿着脆性裂纹传播方向、试验片端部与熔融焊接部端部的距离(mm))。

应予说明，如图1所示，“非评价区域”是指人为产生的脆性裂纹通过脆化区域3的区域，“评价区域”是指没有脆化区域3而由评价对象材料本身构成的区域。应予说明，图1中的非评价区域是图1中的存在相对于“评价区域”位于上侧的脆化区域3的区域。

上述式(1)中，d(d：脆化区域3的中心与熔融焊接部4的中心的距离(mm))的值小于1.0t(t：试验片(厚钢板)1的板厚(mm))时，由于在脆化区域3产生的母材部区域的残留应力并非压缩而为拉伸，因此即便形成脆化区域3也不产生该压缩残留应力的效果，而是通过熔融焊接部4在脆化区域3形成新的拉伸残留应力，更容易产生FPD。另一方面，d的值超过7.0t时，在脆化区域3产生的母材部区域的压缩残留应力几乎消失，没有残留应力的除去效果。

上述式(2)中，ΔL1(ΔL1：沿着脆性裂纹传播方向的、脆化区域3的前端位置与熔融焊接部4的前端位置的距离(mm))的值小于－0.3L(L：脆化区域3的长度(mm))时，在熔融焊接部4形成的残留应力的除去效果无法到达脆化区域3的整个区域，产生FPD。另一方面，ΔL1的值超过0.3L时，评价区域包含大量在熔融焊接部4形成的残留应力，无法进行合理的评价。

上述式(3)中，ΔL2(ΔL2：沿着脆性裂纹传播方向的、试验片1的端部与熔融焊接部4的端部的距离(mm))的值小于0时，成为试验片1的外侧并无法在物理学上形成熔融焊接部。另一方面，ΔL2的值超过0.4L时，在熔融焊接部4形成的残留应力除去效果无法到达脆化区域3的整个区域，产生FPD。

应予说明，形成的熔融焊接部4在上述式(1)～式(3)中即便有一个不满足时，就无法除去压缩残留应力，因此无法期待本发明中的规定效果。

本发明中，如图1所示，为了满足上述式(1)、式(2)和式(3)，优选通过电子束焊接而形成熔融焊接部4。熔融焊接部4在至少1处形成，而且与脆化区域3分离，形成脆化区域3后，形成于脆化区域3的单侧或两侧。在脆化区域3的两侧(脆化区域3的右侧和左侧)形成熔融焊接部4时，可以不是左右对称的。应予说明，形成的熔融焊接部4优选以满足1.0t≤d≤2.0t、－0.2L≤ΔL1≤0.2L、ΔL2＝0的方式形成，由于使其效果得好最好的发挥，因而优选。

另外，在试验片1的制作上，优选熔融焊接部4与脆化区域3平行地形成，只要能够除去或减少残留于母材部的压缩残留应力即可，当然并不限定于此。应予说明，也可以允许熔融焊接部4相对于脆化区域3的中心线倾斜60°以下、优选倾斜30°以下、进一步优选倾斜10°以下而形成。通过使熔融焊接部4的倾斜角为60°以下，能够使在熔融焊接部4形成的残留应力的除去效果作用于脆化区域3的整个区域，更有效地得到本发明的效果。

本发明中，熔融焊接部4的宽度只要能够贯通板厚而熔融即可，没有特别规定，例如优选在实施工作上能够实现钢板的板厚贯通的熔融焊接的0.5mm～30mm。

应予说明，本发明的厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法能够不依赖于钢板强度地应用，例如即便是实用的钢板的屈服强度400MPa～800MPa级的钢板也能够进行评价。

本发明的大型试验片能够不依赖于人为的裂纹的产生方法而应用，可以使用双重拉伸试验这样的方法来代替CAT试验这样通过冲击来产生裂纹。该情况下，也同样地得到防止FPD的效果。

以下，基于实施例，对本发明进行进一步说明。

实施例

以板厚为19mm、80mm这2种准备470MPa级(屈服强度：470MPa以上)、600MPa级(屈服强度：600MPa以上)的高强度厚钢板。从各厚钢板以轧制方向为长度方向的方式采取如图1所示的大型试验片1(板厚t×宽度500×长度500mm)。

对采取的大型试验片1的长度方向中央位置的一个端部加工V型切口2，进一步包含V型切口在内利用电子束实施熔融焊接，形成在裂纹传播方向延伸的长度L的脆化区域3。应予说明，脆化区域3的宽度在板厚19mm时为5mm左右，在板厚80mm时为10mm左右。这里，将大型试验片的长度方向作为载荷负载方向。

接下来，在大型试验片1中以与脆化区域3分离且与脆化区域3平行的方式形成熔融焊接部4。这里，将在从脆化区域3偏离dmm的位置且与脆化区域3的长度L相差ΔL1、ΔL2的长度的熔融焊接部4形成在脆化区域3的两侧。应予说明，d(mm)是指脆化区域3与熔融焊接部4的中心间距离。试验片No.1～No.10中，将脆化区域3的两侧的熔融焊接部4形成为相同的形状。试验片No.11中，仅在脆化区域3的单侧形成熔融焊接部4。试验片No.12中，仅在脆化区域3的单侧形成相对于脆化区域3的中心线倾斜60°的熔融焊接部4。应予说明，使熔融焊接部倾斜时的d(mm)是指脆化区域3与熔融焊接部4的最短距离。试验片No.13中，以形成于脆化区域3的两侧的熔融焊接部4的大小不同的方式形成。将所形成的熔融焊接部4的d、ΔL1、ΔL2的组合示于表1。

如表1所示，使用熔融焊接部4的长度、位置进行了各种变化的大型试验片1。实施如下CAT试验：将该大型试验片1冷却至规定的温度(板厚19mm时为－70℃，板厚80mm时为－10℃)，负载规定的应力后，对于切口部2负载规定的冲击能量，产生脆性裂纹，使脆性裂纹传播、停止。这里，作为CAT试验，板厚19mm时在负载应力为324MPa的条件下进行，板厚80mm时在307MPa的条件下进行。

CAT试验后，观察脆性裂纹的传播状况，通过目视由试验片的外观来调查是否产生脆性裂纹的FPD(Fracture Pass Deviation)。这里，将人为产生的裂纹在脆化区域3外传播的情况评价为产生FPD，将人为产生的裂纹在脆化区域3内传播而到达评价部用区域的情况评价为未产生FPD。

将得到的结果示于表1。

本发明例(试验No.1～No.6和No.11～No.13)所形成的熔融焊接部都满足式(1)～(3)，都能够防止FPD。由此，得到有效的CAT试验结果。另一方面，偏离本发明的范围的比较例中，形成的熔融焊接部无法满足式(1)～(3)中的任一个以上，产生了FPD。由此，无法成为有效的CAT试验结果。

试验No.7虽然满足式(2)(ΔL1的条件)、式(3)(ΔL2的条件)，但不满足式(1)(d的条件)，在本发明的范围外，产生了FPD。试验No.8虽然满足了式(3)(ΔL2的条件)，但不满足式(1)(d的条件)、式(2)(ΔL1的条件)，在本发明的范围外，产生了FPD。试验No.9虽然满足了式(1)(d的条件)、式(3)(ΔL2的条件)，但不满足式(2)(ΔL1的条件)，在本发明的范围外，产生了FPD。试验No.10虽然满足式(2)(ΔL1的条件)，但不满足式(1)(d的条件)、式(3)(ΔL2的条件)，在本发明的范围外，产生了FPD。

符号说明

1 大型试验片

2 切口

3 脆化区域

4 熔融焊接部。

Claims (2)

1.一种厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法，使用大型试验片，对该大型试验片以成为规定温度的方式进行冷却，负载规定应力后，使其产生裂纹，进行传播，评价厚钢板的脆性裂纹传播停止性能，

所述大型试验片为从所述厚钢板采取的宽度500mm以上、长度500mm以上的试验片，

该试验片在该大型试验片的载荷负载方向中央部的一个端部配设产生脆性裂纹的切口，进一步以在该切口的前端或者包含该前端且在脆性裂纹传播方向延伸的方式形成规定的长度L的脆化区域，

进一步在所述脆化区域形成后以与所述脆化区域分离的方式在至少1处形成熔融焊接部，所述熔融焊接部满足下述式(1)的位置且满足下述式(2)～(3)的长度，

1.0t≤d≤7.0t……(1)

这里，d：脆化区域中心与熔融焊接部中心的距离，单位为mm，t：试验片即厚钢板的板厚，单位为mm，

－0.3L≤ΔL1≤0.3L……(2)

0≤ΔL2≤0.4L……(3)

这里，L：脆化区域长度，单位为mm，ΔL1：沿着脆性裂纹传播方向，脆化区域前端位置与熔融焊接部前端位置的距离，单位为mm，应予说明，负值即相对于脆化区域前端而位于非评价区域侧，正值即相对于脆化区域前端而位于评价区域侧，ΔL2：沿着脆性裂纹传播方向，试验片端部与熔融焊接部端部的距离，单位为mm。

2.根据权利要求1所述的厚钢板的脆性裂纹传播停止性能的评价方法，所述大型试验片为双重拉伸试验片。

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