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基于Master Curve方法的16MnR钢韧脆转变区断裂韧性研究


基于 Ma e C r s r uv t   e方法 的 1 M R钢韧脆转变 区  6 n 断 裂 韧 性 研 究 
曹昱 澎 , 惠 虎, 轩福 贞 , 培 宁 , 仙河  李 王 203 ) 027  ( 东理 工 大学 机 械与 动力工 程学 院 承压 系统 安全 科学 教育 部重 点实 验室 , 华 上海

摘 要 : 韧脆 转 变温度 区

对 1Mn 在 6 R进 行 了拉伸 性 能 , 比 V形 缺 口冲 击 性 能和 断裂 韧性 测试 , 夏 基  于 Matr uv 法得到 了 1Mn 钢在 韧脆 转 变 区断裂 韧 性随 温度 变化 曲线 , 比较 了断裂 韧 性  s   re方 eC 6 R 并
韧脆 转 变 曲线 的参考 温度 和夏 比冲击试 验特 征 温度 间 的关 系 。   关键词 : Mn 1 R钢 ; s r曲线 ; 6 Mat e 韧脆 转 变 区 ; 断裂韧 性 ; S   圮曲线  A MEK
中 图分 类 号 :Ot5 T 1 19  T 4 ;G l. 1 文 献标 识码 :  A 文 章 编 号 : 0 — 8 7 2 0 1 0 1 0   1 1 4 3 (0 8 2— 0 0— 4 0 J

Sud   n F a t r   u l s  f1 M n S e li  h   a st n -tm p r t r   t y o   r cu eTo gmes o  6 R  te n t eTr n i o i e e au e
Re i n Usng t e M a t r Cur e M e ho   g 0   i  h   se   v  t d

CAO  Yu—pe ng,HUIHu,XUAN    Fu —z n,LI Pe he   i—ni g,W ANG  a —he n Xi n  

( e  a  f a t S i c f rsui dS s m, ns yo  d ct no hn ,co l f ca i l K yLb o  f y ce eo  esr e  yt Se  n P z e Miir f uai  f i Sh o o  h nc   t E o C a   Me a
En ie r g a d o e  E gn ei g, E s h n  Un v ri  o   c e c  a d e h oo y, S a g a  gn e i   n  P w r n i e r n n at  C i a ie st f S in e n  T c n l g y h nh i

2 0 3 , hn ) 0 2 7 C ia 
Ab t a t I  h   e e tsu y,t e tnsl e t h   h r y i a tts  n  h   a tr  o h s  e to   s r c :n t e pr s n   t d h  e ie t s ,t e c a p  mp c e ta d t e f cu e tug ne st s  f r 1   6MnR  r   a re   u n t e ta iin t mp r t r  e in. Ba e   n Ma t r Cu v   t o we e c rid o ti h  r nsto  e e a u e rg o s d o   se   re meh d t e c r e h   u v 


o  r c u e o h s o   6Mn ffa t r tug ne s f 1 R se l S t mpea u e n ta st n t mp r t r r go   s p e c e te V . e r t r i   r n ii   e e a u e e in wa   r ditd o

.  

Me n ie,t e e e e c  tmp r t r o ti e  fo fa t r   o g e s ta st n c r e wa   o a e   a wh l h  r fr n e e e a u e b an d r m  cu e t u hn s   r n ii   u v   s c mp r d r o wi  h   e e a nd x tmpe au e  ee mi d fo c a p  mpa tt s t t e s v r li e   e h r t r s d t r ne   m  h r y i r c e t
. 

Ke   r s:   R  te ;Ma tr Cu v y wo d 1 Mn se l 6 se   r e;ta iin r g o fa t r  o h e s;ASME r nsto   e in; cu e tug n s r   cc r e  u   v

不大 的 温度变 化或 者 同一 个 温度 下 , 得 的 同一 种  测
1 前 言   

试样 的 断裂韧 度也会 有 很大 的分 散 。如何 采用 较少  的试 样得 到该 区域 断 裂 韧 性 数据 , 一直 是 科 学 家 们 
努 力 的方 向 。近二 十几 年来 发 展 的 Mat   u e方  s rC r e v

1 Mn 6 R钢是 国 内常用 的压 力 容器 用 钢 , 为 压  作

力容器用钢, 除了要有足够的强度及塑性外, 还应具  法为研究上述问题提供了新的研究思路和方法。  
有 足够 的韧 性 以 防止 脆 断 发 生 。众 所 周 知 , 韧 脆  在 转 变 温度 区 内断裂 韧 性 有 很 大 的分 散 性 , 即使 一 个  2 纪8 0世 0年代 初 期 , 兰科 学 家 K. ln提  芬 Wai l 出 用 三 参 数 We u1 布 来 研 究 断 裂 韧 性 在 韧 脆 转  il b 分

基金项 目: 十一五” “ 国家科技支撑计 划专题 (0 6 Ak2 0 20 B 0 B 2—0 ) 国家 自然科学基金 (0 0 0 9  3; 5 75 2 )

第2 5卷第 1 2期 

压 

力 

容 

器 
表 1 1 M R钢 化 学 成 分    6n

总第 13期  9
( %) Wt   S  
005 . 1 

变区内的分散性¨ J经过芬兰 V T 长达 1 卫, 1 r 5年的研 
究 及 美 国 材 料 试 验 协 会 ( S M) 一 步 努 力 , AT 进 在 
元 素 
含 量 

C  
0 1  .8

S i  
0 4  .2

Mn  
13  .3

P  
001 .2 

19 年推出了 A T   12 -9 《 97 S M E 9 1 7 确定铁素体钢 韧 
脆 转变 区参 考温 度  的标 准测试 方 法》  。 本 文参 考 A T E 12 _0  标准 提供 的单 温  SM  9 1_2 度 测试 方法 , 研究 了 1Mn 6 R钢 在韧脆 转 变温 度 区 的  断 裂韧 性 , Mat 曲线 参考 温度  和 夏 比冲击 吸  对 sr e 收 功 随温 度 变 化 曲线 上 的特 征 温 度 进 行 了 比较 关 
联 

使用 IS R N8 3 N T O  0 2拉伸 试 验机 测 试 圆棒 拉 伸  试样 在 多 个 温 度 下 的 拉 伸 性 能 , 验 温 度 范 围 为  试


10c 室温 , 载 速 度 2mm mn 标 距 段 长 度  0  C至 加   / i,

5  m, 应 变 率 6 6 0m 即 . 7×1 / S 0~ 。拉 伸 试 验 参 考  G /   33- 20 金 属 材 料 低 温 拉 伸 试 验 方  B T 129 06《

2 试 验材料 

法》 ,   采用无水 乙醇和液氮调 制 的低温混合溶液  实 现对试 样 的 冷 却 。 1 M R钢 在 系列 温 度 下 的 拉  6n
伸屈 服强 度 和强度 极 限 , 表 2   如 。

所 采用 的 1Mn 6 R钢化 学成 分见 表 1  。
温度 ( ) ℃   一10 O  —8  6 —8 6 

表 2’1Mn 钢 系 列 温 度 下 的 屈 服 强 度 和 强 度 极 限  6 R —8 4  —0 4  —0 2  —  2 2  8

屈服强度  ( P ) M a 
强 度 极 限 f ( a  , MP )  

4 93 2 . 
638 3 . 

457 1. 
65 8 1. 

357 6. 
654 0 . 

3 56 7 . 
5 32 7 . 

34 7 6 . 
547 8 . 

379 4 . 
598 5 . 

39 1 3 . 
54 3 4 . 

394 1 . 
509 2 . 

T=  
3 试验 温度 的确 定 

+C o =1 (r 5℃ )   温 度 

() 3 

式 中 

—— 冲击 吸收功 为 2  或 4  所 对应 的  8J 1J c — 常 数 , 于 1英 寸 厚 三 点 弯 断 裂 韧 性  — 对 试样 分 别 取 一1 8℃ ( J 或 一2 ℃    ) 4
( J    )
— —

Matr s 曲线法 可 以确定 铁素 体钢 在 不 同失效 概  e 率 下断 裂韧 性 随温度 变化 的表 达式 , 见式 ( )  1。
1  

『) 2 c = 0+[n   (   I(
1 一  

)  { 1 ] 1 

标 准差 

+ 7 x [. 1 ( 7 ep 0 09 T—V) } o ] 
式 中 

() 1 

冲击试 验按 照 G /  2- 19 4 B T2 9 94 金属夏 比缺 口  
冲击试 验方 法 》 行 , 试 板 中按  一7方 向取 样 , 进 从 1  

m) —— 失 效概 率 为  ( 介 于 0~1之 间 )     时 , 寸厚 度 标 准 断裂 韧 性 试 样  1英

加 工标 准夏 比 V 形 缺 口试 样 。夏 比 冲击 试 验 的 温 

的弹塑 性等 效应 力 强 度 因子 , 失  如 效 概率 取 5 时 , 00  %  = .5
试 验温 度 
— —

度范围从 一10— 0℃ , 0 7 冲击机 冲击能量 30J 冲  0  ,
击 速度 约 5m s   / 。夏 比 冲击 功 A 随温 度 变 化 的 曲   

?  

参考 温度 

线如图 1 所示 。上平 台冲击吸收功 约为 10J 8 。一  些 特征 温度 , 如  J …  。列 在 表 3中 。 ,      

其 中失 效 概 率 为 5 % 的 断裂 韧 性一 温 度 曲 线  0 被 称作 Mat s r曲线 , 表达 式 如式 ( ) M s r曲线  e 其 2 , at e
上 对应 标 准 试 样 断裂 韧 性 为 1 0MP I 的温 度  0   a?l l  

定 义 为参考 温度  。   Kc e =3 7 ep 0 09 T一 )  jm ) 0+ 0 x [. 1 (   ] (d () 2 

由式 ( ) 1 可知 , 同失效概率下 的断裂韧性 随  不 温 度变化 曲线 在 温度 轴上 的位 置 由 决 定 。 因此 ,    
合 理 的选 择 断裂 韧 性 试 验 温 度 7十分 关 键 。A T   1 SM E 12  9 1推 荐 选 择 1英 寸 厚 试 样 的 中值 断 裂 韧 性 
K t( c 


藉l 0 0  
量 
O  



2   0

d )

接 近 10MP IⅣ的 温度 作 为 试 验 温度  , 0  a?l   l  

试 验温度(   ℃)

并 给 出 了一 个 由夏 比冲击 试 验 预估 试 验 温 度  的 
经验 公式 J 如式 ( )  , 3。
图 1 夏 比冲击吸收功 A 随温度变化 煦曲线     

CV  PT

基于 Mat   r e方 法的 1Mn s rC v e a 6 R钢韧脆转变区断裂韧性研究 

夏 比冲击 
特征温度 ( ) ℃   一8 6 

1 』  
—1 6 

8   J  
—5  0

由公 式 ( ) 3 和表 3预 估 得试 验 温 度  约 为 一8  6

℃ 。但经 验公 式 ( ) 不 适用 于 所 有铁 素 体 钢 。试  3并
验温 度最 终还 要通 过 断裂韧 性试 验确 定 。经试 验发 

现 一8 C下 的  6q

e 仅 为 4  P m , 小 于  d ) 3 M a?   远

A T   12 — 2中的推 荐 值 10MP m“ , 在  SME9 1 0 0  a?   处 断 裂韧性 温 度转变 曲线 的下 平 台 区。所 以必须 提高  试 验温 度 , 定试 验 温 度 的原 则 应 尽 量 使 在该 温 度  确 下 断裂韧 性值 在 10MP m”上下波 动 , 要 先取  0  a?   需
若 干试 样摸 索 , 经探 索性 试 验后 先 确定 了 以 一5   0℃
图 3 低 温 断 裂 韧 性 测 试 设 备 

s ( 试 样 的一条 典型 的载荷 一载荷线 位 移 曲  E B) 线如 图 4所示 , 以 发 现 当试 样 产 生 了一 定 程 度 的  可 塑性 变形 之后 突然 发生 了脆性 断裂 。选 取载 荷 一载 

作 为试 验温 度 , 是该 试 验温 度 ( 但 以  表 示 ) 否有  是 效 也需 要与 最终 测得 的  比较 后 , l1  l 0 若  一 7 ≤5 
q 则说 明试 验温 度 有 效 , 之 则需 要 重 新 选 择 试 验  C 反 温 度进 行测 试 。  
4 1 Mn   6 R钢 Matr曲线 的确定  s e
4 1 断 裂 韧 性 测 试  . 

荷线位移 曲线上载荷突降点作为解理断裂发生的时  刻, 根据 A T E 8 0— 16的 I积分基 本测试 方 法  S M  1 2 0 _ ,  
得 到解决 1 T—S B) 样 在 解 理 断 裂 发 生 时 的 . E( 试 ,  

积分 值 . , 用公 式 ( ) 换 为 弹 塑 性 等 效 应 力 强  , 并   4转
度 因子 K  
厂—— 

K   南   j √c c
式中 E —— 弹性 模量 
— —

(  4 )

从 同样 的试 板 中沿 ,— 方 向取样 , 工 1 寸  J  加 英
厚 阳 ( 试样 , B) 预制疲 劳 裂纹 长度 3m 即 o/     m, 。 w= 0 5 。试样 的形 状 和尺 寸 分 别 如 图 2 a 和 ( ) .5 () b 所  示 。断裂韧 性试 样在 I S R N 8 3 N T O  0 2试 验机 上 进 行  试验 , 图 3 如 。断 裂韧 性 测试 的温 度 范 围从 一8 ~ 6  

泊松 比 

3 00   5 0

2 0℃ , 试样 浸 泡在 无水 乙醇和 液氮 调 制 的低 温 混  合溶 液 中保 温 3   i 试验 J试 验 过程 中温 度 控  0r n再 a ,




 

2 00 20 0 
繇 
50  00
O  

制在 ±3℃范 围 内 , 载速度 为 1rm r n  加   / i。 a a

图 4 典型 的载荷一载荷线位移 曲线 

不 同温度 下测 得 的断裂 韧性 数据 列在 表 4  。
表 4 在 不 同 温 度 下 测得 的 断 裂 韧 性 值  测试 温 度 ( ) ℃  


Kcr MP m ) j. ( a?     1
51 .2,46 9 ,45 2,7 3, . . 4.   36 4 .59   .8


8  6



5 0 

7 2,7 5, 1 . 2. 5. 01 2, 1 0.   3 2, 1 37 4.1 9.   6 0




3  0
2 0 

1 2 8, 5 5 1 . 21 .  
1 0.   5 4

() b 



图 2 1T— E( 试样 的外形 和尺 寸      S B)
?

1 ? 2  

第2 5卷第 1 期  2

【  A dr n 1    es J 。
S uc s o re 



TL  



籍  曼    温 霎   才肌跚 , 络鑫 茎 采 E  磊    箸  包 下

a     n tde f S nd M a iu  o   g

Si n ta,。. A M  te sr   o c l t  r d c h l   o P e it t e e
eat  


a   t te T a st   h   rn io i g n J . ora o eU  ̄n  s  D a 抽 i  ̄ ] Junl f 1  ' es o   r Og  I l l n Re   t i dE l g t。 ,9 9 1 ( 、 in 1 t    8  7  l o  
,  

1 : 6— 3 ) 4 5 
.  n


… 6廿 uE a a   儿    一 u  

2  

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Fa tr  rcueM

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T   S a   i h   ct r e t e e h nc I 。 4 c a is 9 8


1  )。 9 6 

R rt ̄   E g  d g   o s jj …   ni “’d”    。     g




18 0 5—1 9 03


f 下转第 2 页 J 1  

第2 5卷第 l 2期 

压 

力 

容 

器 

总第 13期  9

都在该范围内, 胀接工艺合理 。管子厚度 5 越大胀  度越 小 ; 薄 量 尺 越 大 胀 度 越 大 ; 板 孔 与 管 子 外  减 管
径 的间 隙越 大胀度 越小 。其 中当管板 孔 与管子 外径  的 间隙过 大 时 , 子 容 易 产 生裂 缝 ; 隙过 小 时 , 管 间 管  子仅 产生 弹性 变形 就 与 管 孔 紧 密贴 合 , 当退 出胀 管  后, 管端 弹性 变形 消失 而恢 复原 状 , 胀接 失效 。一  使 般直 径 是 2  T的 管 子 , 隙取 0 3~0 5i 即  5ml I 间 . . n n
可。  

表 4 胀接前后 管子纵 截面硬度值 
胀 接 前  编 号 
HV  1   2   3   2 68.   9 2 3.   6 2 2 68.   60 H RC  1 9 3.   3 5  0. 5 2 1  7. 0 HV  28 2   7. 6 2 98. 6 2  2 77.   31 HRC   2 78 9.   31 2   .8 2 41 8.  

胀 接 后 

5 结论   
表 3 管子胀 接后点腐蚀试验结果   

4 2 胀接 后 点腐蚀 试 验 结果见 表 3 .  

( ) 子 与 管 板 胀 接 时 需 较 高 的初 始 作 用 力 , 1管   胀接 宜一 次完 成 , 力 大小 应 进 行 工 艺性 试 验 来 确  胀 定 , 试验 条件 下 , 本 双相 不锈 钢管 子与 管板胀 接 的最 
佳胀 力为 15MP ; 9  a 

试 件  同  壁 厚   表 面 积  原 始  (    m) 重量  试验 后  腐蚀速率  编 号 m   r  ( ( m)( m) a 质 量 ( ) g n h  g (/ /? ) ×1  ) 0   () g 
1 2 6     0. 44 2.1  1 0. 69 7 2. 9   l 6 68 7 77 7 6  1 8 57 2. 4   2 2 8     0. 98 2.1  1 5 8 48 2. 35 1 1 01 8 8 9. 66  1 45   2. 5   3 21 3     . o0 2.1 1 3. 48  1 31   l 0 4 1 81 9 61 2. 48 2. 6   5. 57 8   6. 97 7   5. 61 7  

( ) 相不 锈钢 管子 胀 接 后 耐点 腐 蚀 性 能及 硬  2双 度 都 有所 提高 , 液袋 胀 是 双 相 不 锈 钢 管子 与 管 板 胀  接使 用较好 的一种方 法 。  
参 考 文 献 

根据 失重 法计 算得 出 : 同种 2 0 2 5双 相不 锈钢 管  子胀 接前 的点蚀 速 率 为 7 7  /n h 胀 接 后平 均  . 1g i  ? ;

腐蚀 点腐 蚀速 率 为 6 1 /   h  .3gi n 。
4 3 显 微 金 相 检 验 的 结 果  .

[ ] 孙 样升. 1  换热器管子 与管 板接头 连接方 法 的试 验研究 
[ ]石 油化 工设 备 ,9 62 ( ) 3 4 . J. 19 ,5 6 :8— 0  

根据 A T 标 准 E 6 7 《 系统 的人 工数 点  SM 52— 6 用 测 定 体积 分数 》 铁 素体 体 积 分数 的计 算 , 出 : 对 得 胀  接前 管子铁 素 体平 均体 积 分数 为 4 . % ; 19 胀接 后 管  子铁 素体平 均 体积分 数 为 4 .5 。利 用 数 点法 计  73%

[ ] 曲春范 , 贺东 . 2   骆 液压胀 管技 术在 小管 径胀 接 中的应 
用 [ ] 压力 容器 ,9 85 5 :1 8 . J. 1 8 ,( )8 — 3  

[ ] G  34 不锈钢三氯化铁腐蚀试验方法 [ ] 3 B4 3 . S.   [ ] A T   5 2—7 ,用系统的人工数点 测定体积分数 的  4  S M E 6 6 标 准推荐操 作法 [ ] s.  
收 稿 日期 :0 8— 7—0  20 0 7 修 稿 日期 : 0 2 8—1 0 0—3  0

算 出的铁素体体积分数对比可知管子胀接后铁素体  相 比胀 前增 多 了 。  
4 4 胀接 前后硬 度检 验 结果 见表 4 .  

可 以看 出 管 子 胀 接 后 的硬 度 大 于胀 接 前 的 硬 
度 , 是 因为双 相不 锈 钢 的强 度 在 很 大程 度 上 取 决  这

作 者简 介 : 张莹 莹 ( 9 1一) 女 , 18 , 助教 , 主要从 事 焊接 、 力  压 容器制 造方 面的教学及研 究工作 , 讯地址 : 宁省抚顺 市  通 辽 望花 区丹东路 西段 1号辽 宁石 油化 工大学 机械工 程学 院焊  接与检测 系。  

于铁 素体相 , 韧 性 则 取 决 于奥 氏体 相 。根 据 计 算  而 出的体 积分 数可 知胀 接后 的管 子 铁 素 体 相增 多 , 强 

度增大 , 胀后奥氏体相变少 , 韧性降低 。  
( 上接 第 1 3页 )   3  A T   12 .Sadr  et e o  r eemnt no ] S M E 9 1 t adT s M t df   t i i  f n   h o D r ao  
Ree e c  Te p r t e, r frn e m e aur 0, fr o  Fe rtc te s n he rii Se l i t  

I ai i   a g  n  rc r  n l i [ ,P P— r dao D maead Fat e A a s C] V   r tn u ys
Vo 1 0 , Am ei a   S cey f e h n c l l 7 rc n o it o  M c a i a En i e r   g n e s,

Ne Yok, uy1 8 . w  r J l 9 9 

Ta si   ag [ ] nulB o fA T  tnad , rnio R ne S .A na oko  S M s drs tn   a  
2 2. 00  

  I S M E 8 0一o ,tnad Ts M to  rMesr— 1  A T   12 6  l Sadr  et ehdf   aue   o  

m n o rc r T uh es S .A n a B o f S M et f at e og ns[ ] nul oko  T     F u    A
San a d 2 01  t d r s, 0 .

[ ] G /  33 2 0 , 属 材 料 低 温 拉 伸 试 验 方 法 [ ] 4  B T 12 9— 0 6 金 S.  
20   0 6.

[ ] Wal .K,  ipeT ert a C ap    C r l— 5 ln i A Sm l hoei l hryV—   c  or a  e
t n f  r dao  m rt met A] A M   rsue i   rI ai i E bil n [ , S E Pesr  o o r tn te
V s e sa d P p n   o fr n e n o aie Ap r a h st  e s l n   i ig C n ee c ,I n v t   p o c e  o   v

收 稿 日期 :0 8—1 0  20 2— 5

作者简介 : 曹昱澎 , 博士 , 主要从 事压 力容 器设计 、 构完 整  结

性等工作 , 通讯地址 : 上海市梅陇路 10号华东理工大学。 3  


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