国产CF-62钢及对焊接头缺陷失效评定曲线研究

图1　CF-62钢焊接接头材料的应力-应变曲线
Fig.1　Stress-strain curves of materials of CF-62 steel welded joints

2　基于弹塑性有限元法建立JFAC
　　含裂纹结构J积分的计算以有限元法最为精确。根据Rice的J积分定义^［3］为

　（1）

　　式中：
　　ds——回路上的微弧长；
　　U——应变能密度；
　　T——作用在ds上的张力向量；
　　d——ds上的位移向量。
　　弹塑性有限元法的计算思路是首先计算出整个结构的应力、应变和位移场，然后按定义及给定回路用数值法计算J积分值。大量的有限元计算结果表明，对于由母材、焊缝和热影响区所组成的焊接接头中裂纹的J积分守恒性依然基本成立，因此可采用J积分建立失效评定曲线（JFAC），并且在建立JFAC时，无论裂纹位于母材、焊缝还是热影响区 都必须用母材的屈服强度计算Lr^［4，5］。本文采用Master程序^［2］计算了4种典型试件：中心裂纹板（CCP）、单边裂纹板（SECP）、双边裂纹板（DECP）、紧凑拉伸试样(CT)，在不同的裂纹尺寸（a/W＝0.4，0.6，0.75）；不同焊缝宽度（H/W＝10/35，13/35，16/35）及不同裂纹位置（h/H＝1/2，1/4，0）等情况下的失效评定曲线，其中a为裂纹半长；W为板半宽；H为焊缝宽度；h为裂纹离焊缝边缘的距离，共绘制141根JFAC，如图2所示。

下界1 SECP，a/W＝1/4，H/W＝16/35；
下界2 DECP，a/W＝1/4，H/W＝16/35。

下界1—SECP, a/W=, H/W=16/35;
下界2—SECP, a/W=, H/W=16/35
图2　CF-62钢对焊接头典型试样的失效评定曲线
Fig.2　Failure assessment curves （FAC）of welded
joints of CF-62 steel typical specimens

　　图中R6-1线是R6第3版^［6］推荐的通用失效评定曲线；通用FAC②线是由文献［7］所提出的一条适合长屈服平台钢的通用失效评定曲线，其方程为
　　Kr=(1-0.211Lr^1.32)［0.1+
　　　　0.9exp(-1.72Lr^10.4)］　(2)
　　由图2可见CF-62钢焊接接头区裂纹的失效评定曲线在Lr>1.0以后，多种计算模型的JFAC降至通用FAC以下，这是由于CF-62钢及焊缝金属具有屈服平台，从而使得FAC在Lr＝1.0附近出现陡降所致，但均在长屈服平台钢通用FAC之上。因此对CF-62钢压力容器的缺陷安全评定，建议在Lr1.0时采用R6通用FAC；在Lr>1.0时，采用长屈服平台钢通用FAC。
3　基于EPRI工程方法建立JFAC
　　采用EPRI的J积分工程计算方法，在弹塑性范围内有

J＝J_e(a_e)+J_p(a，n)　（3）

　　式中:
　　J_e(a_e)——J积分的弹性分量；
　　J_p(a，n)——J积分的塑性分量；
　　　（4）
　　其中:h₁(a/W,n)可查手册^［8］求得。
　　由于EPRI工程方法是适用于均质材料的构件，对于非均质的焊接构件如何计算其J积分仍是个尚未解决的难题。本文仅对CCP试件的J积分工程计算方法进行修正，得出基于修正的EPRI方法的JFAC。其它类型的试件也可采用类似的方法求得基于修正的EPRI方法的JFAC。
　　研究表明，焊接接头的非均匀性对弹性分量J_e的影响很弱，而主要影响的是J积分的塑性分量J_p项。为此，本文提出修正后的J_p表达式为
　　　（5）
　　式中f(H/W，a/W，P/P₀)——J的修正系数，其表达式为:
　　f(H/W，a/W，P/P₀)＝
　　　(6)
　　其中J_FEM——有限元计算的弹塑性J积分值。
　　本文通过以下2种计算模型：
　　a/W＝1/4；2W＝70 mm；H＝12 mm；
　　a/W＝3/7；2W＝140 mm；H＝21 mm。
　　采用修正后的EPRI工程方法和弹塑性有限元法绘制了CCP试板的JFAC，如图3所示。

图3　基于修正的EPRI工程方法与弹塑性有限元法建立的CCP试样JFAC
Fig.3　JFAC established by the modified EPRI method and elastic-plastic finite element method for CCP specimens

4　结　论
4.1　CF-62钢和新结607-CF焊材的应力-应变曲线存在有屈服平台，其本构关系不符合R-O关系。HAZ金属的应力-应变曲线无屈服平台，其本构关系符合R-O关系。
4.2　由CCP试件的计算结果表明，经修正后的EPRI工程方法可用于计算非均质焊接结构的J积分全塑性解。
4.3　对于CF-62钢压力容器的缺陷安全评定，建议在Lr1.0时采用R6通用FAC；在Lr>1.0时，采用长屈服平台钢通用FAC。

*武汉钢铁公司资助项目

作者单位：邓志强　黄文龙　周昌玉　於孝春　南京化工大学机械工程系，南京，210009

参考文献

1　邓志强，国产CF-62钢焊接接头区纵向裂纹体J积分失效评定曲线（FAC）的研究:［学位论文］.南京： 南京化工大学，1996
2　Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and crack. Trains ASME J, Apple Mech. 1968(35)：379～386
3　郭　奇，王志文，李培宁，等. 焊缝区中裂纹J积分和失效评定曲线的研究（一）. 压力容器，1994(2)：110～114
4　王志文，金风美. 焊缝区中裂纹J积分和失效评定曲线的研究（二）. 压力容器，1994(4)：16～21
5　Milne L著.有缺陷结构完整性的评定标准.李培宁等译.R/H/R6第三版. 上海:华东理工大学出版社，1988
6　王志文，李培宁．我国常用压力容器缺陷通用失效评定曲线的研究.国家重点科技攻关课题85-924-02课题论文集，1994，119～120
7　库　默，杰曼施著.弹塑性断裂分析工程方法．周洪范等译．北京：国防工业出版社，1985，38～39