一种高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法与流程

本发明涉及材料断裂失效研究，特别涉及一种高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法。

背景技术：

1、断裂是金属材料失效的主要原因之一，在大量的破坏事故研究中发现断裂失效往往是由低应力脆性破坏引起的，暴露出传统的强度设计方法并不能完全保证金属材料及焊接结构的使用安全，从而引起了人们对金属材料及焊接结构抗断性能的广泛重视，并逐渐发展了诸多抗断性能评价方法，这其中以基于韧脆转变温度的韧脆转变评价方法和基于断裂韧性参量的断裂力学评价方法最具代表性。

2、韧脆转变评价方法主要评价具有韧脆转变特性的金属材料，而工程上常用的高强度结构钢主要为体心立方结构，在温度低于某一特定温度时，断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂，具有明显的韧脆转变特性。低温脆性破坏一般为低应力破坏，裂纹扩展速度极快，一旦发生将引起严重的安全事故，因此，低温脆性研究是高强度结构钢服役安全评价中至关重要的一环。

3、目前已形成夏比冲击试验、动态撕裂试验、落锤撕裂试验等多种试验方法评估高强度结构钢的韧脆转变特性，通过系列温度试验测得钢板的韧脆转变温度值，并与结构的最低服役温度进行对比，从而评价高强度结构钢用于低温服役环境结构的可行性。

4、夏比冲击试验在检验材料品质、内部缺陷、工艺质量等方面，具有比其他力学性能检验方法更为敏感的优点，是目前评价钢板韧脆转变特性最为常用的试验方法。而动态撕裂试验相比于冲击试验试样尺寸更大、缺口尖锐度更高，与实际使用性能更为接近，是评价高强度结构钢实际韧脆转变特性的有效方法。目前，夏比冲击试验和动态撕裂试验是评价钢板韧脆转变特性最为常用的两种方法，但无论是夏比冲击试验还是动态撕裂试验，均需先通过开展系列温度试验测得不同温度下的冲击吸收能量或动态撕裂能，然后采用boltzmann函数(y＝a2+(a1-a2)/(1+exp((x-x0)/dx)))对韧脆转变温度与冲击吸收能量或动态撕裂能进行拟合获得钢板韧脆转变温度值，而系列温度试验所需要的试样多、试验温度多，试验周期长，不仅耗时，还需耗费大量的人力与物力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，涉及一种用于确定高强度结构钢材料韧脆转变特性表征参量-韧脆转变温度的快速预测模型，通过特定温度冲击吸收能量与动态撕裂能和韧脆转变温度的相关性分析，建立一种新的韧脆转变温度ett50计算模型，实现冲击试样韧脆转变温度和动态撕裂试样韧脆转变温度的快速预测评估。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，通过在特定温度下进行夏比冲击试验与动态撕裂试验，针对特定温度下冲击试样韧脆转变温度和动态撕裂试样韧脆转变温度的ett50相关性分析，建立冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度与特定温度t特定时冲击吸收能量与动态撕裂能相关性模型，具体包括如下步骤：

4、s1：建立韧脆转变温度与特定温度t特定温度下冲击吸收能量的计算模型，如式(1)：

5、

6、式中，ett50——冲击韧脆转变温度，单位为℃；——t特定时冲击吸收能量，单位为j；α、β、θ——待定参数；

7、s2：根据动态撕裂韧脆转变温度ett50相关系分析，建立韧脆转变温度与特定温度t特定温度下动态撕裂能的计算模型，如式(2)

8、

9、式中，ett50——动态撕裂韧脆转变温度，单位为℃；——t特定时动态撕裂能量，单位为j；γ、η——待定参数；

10、s3：根据不同强度等级的高强度结构钢开展系列温度冲击试验和系列温度动态撕裂试验，采用boltzmann函数对试验温度与冲击吸收能量的关系、试验温度与动态撕裂能量的关系进行拟合，确定韧脆转变温度值和特定温度t特定下冲击吸收能量动态撕裂能量通过设置拟合公式得到的待定参数α、β、θ、γ、η的计算值或者计算值范围。

11、进一步的，步骤s1包括如下步骤：

12、s11：为不同强度等级高强度结构钢在a1～a2典型温度下冲击吸收能量与韧脆转变温度的相关性进行试验分析；

13、s12：根据冲击韧脆转变温度ett50相关性分析，确定韧脆转变温度呈现明显的幂函数关系的特定温度t特定；

14、s13：建立韧脆转变温度与特定温度t特定温度下冲击吸收能量如式(1)的计算模型；

15、其中，a1、a2为预设温度值。

16、进一步的，步骤s2包括如下步骤：

17、s21：为不同强度等级高强度结构钢在b1～b2典型温度下进行动态撕裂能量与韧脆转变温度的相关性规律；

18、s22根据冲击韧脆转变温度ett50相关性分析，确定韧脆转变温度与动态撕裂能的对数呈现明显线性关系的特定温度t特定；

19、s23：建立韧脆转变温度与特定温度t特定温度下动态撕裂能量如式(2)的计算模型；

20、其中，b1、b2为预设温度值。

21、进一步的，在步骤s3中，利用最小二乘法进行拟合，计算得到待定参数α、β、θ、γ、η的计算值或者计算值范围。

22、进一步的，a1～a2的取值范围为20℃～-196℃。

23、进一步的，b1～b2的取值范围为20℃～-196℃。

24、进一步的，所述高强度结构钢为抗拉强度在355mpa～690mpa之间的结构钢。

25、进一步的，所述高强度结构钢为船舶与桥梁用高强度结构钢。

26、进一步的，a1～a2的取值范围为0℃～-120℃，b1～b2的取值范围为0℃～-120℃，特定温度t特定为-120℃。

27、相对于现有技术，本发明所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法具有以下优势：

28、(1)本发明所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，提出高强度结构钢的夏比冲击试样韧脆转变温度和动态撕裂试样韧脆转变温度预测模型，该计算模型通过固定温度测得的冲击吸收能量或动态撕裂能量即可建立，可实现高强度结构钢韧脆转变温度的快速预测评估，为高强度结构钢低温脆性倾向评估和抗脆断设计提供技术基础。

29、(2)本发明所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其物理机理明确，大幅减少了评价高强度结构钢的韧脆转变试验量和计算量，构建简单，使用快捷。

技术特征：

1.一种高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，通过在特定温度进行夏比冲击试验与动态撕裂试验，针对特定温度下冲击试样韧脆转变温度和动态撕裂试样韧脆转变温度的ett50相关性分析，建立冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度与特定温度t特定时冲击吸收能量与动态撕裂能相关性模型，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，步骤s1包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，步骤s2包括如下步骤：

4.根据权利要求2或3所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，在步骤s3中，利用最小二乘法进行拟合，计算得到待定参数α、β、θ、γ、η的计算值或者计算值范围。

5.根据权利要求2所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，a1～a2的取值范围为20℃～-196℃。

6.根据权利要求3所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，b1～b2的取值范围为20℃～-196℃。

7.根据权利要求4所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，所述高强度结构钢为抗拉强度在355mpa～690mpa之间的结构钢。

8.根据权利要求7所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，所述高强度结构钢为船舶与桥梁用高强度结构钢。

9.根据权利要求8所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其特征在于，a1～a2的取值范围为0℃～-120℃，b1～b2的取值范围为0℃～-120℃，特定温度t特定为-120℃。

技术总结
本发明提供了一种高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，通过在特定温度下进行夏比冲击试验与动态撕裂试验，针对特定温度下冲击试样韧脆转变温度和动态撕裂试样韧脆转变温度的ETT<subgt;50</subgt;相关性分析，建立冲击韧脆转变温度与动态撕裂韧脆转变温度与特定温度T<subgt;特定</subgt;时冲击吸收能量与动态撕裂能相关性模型。本发明所述的高强度结构钢材料韧脆转变温度的预测分析方法，其物理机理明确，大幅减少了评价高强度结构钢的韧脆转变试验量和计算量，构建简单，使用快捷，实现冲击试样韧脆转变温度和动态撕裂试样韧脆转变温度的快速预测评估。

技术研发人员：高珍鹏,宫旭辉,牛佳佳,朱官朋
受保护的技术使用者：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）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13