1 美國(guó)二戰(zhàn)斷裂自由輪鋼板測(cè)試報(bào)告

2 當(dāng)代材料及焊接沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

3 鋼材增韌技術(shù)

01 自由輪鋼板測(cè)試報(bào)告

在1942-43年(二次世界大戰(zhàn)期間)的冬天，美國(guó)許多焊接的商船和油輪發(fā)生了嚴(yán)重的斷裂。有些船完全裂成兩半，有些船的加強(qiáng)甲板或底部完全斷裂。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局被要求協(xié)助調(diào)查這些故障。因此，斷裂鋼板的樣品提交冶金司進(jìn)行檢查。隨著焊接的船只繼續(xù)斷裂，問(wèn)題變得很明顯且被意識(shí)到這是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)發(fā)出了指示，將斷裂板的樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)貥?biāo)識(shí)，并應(yīng)該送到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局進(jìn)行研究。這項(xiàng)調(diào)查從那時(shí)起就一直在進(jìn)行，有兩個(gè)主要目標(biāo)：第一，確定單個(gè)故障的原因，第二，獲取數(shù)據(jù)，用于評(píng)價(jià)導(dǎo)致斷裂的起源和擴(kuò)展的冶金和其他因素。

圖 1 二戰(zhàn)時(shí)期斷裂的自由輪

據(jù)統(tǒng)計(jì)期間共建造2500艘油輪，其中有145艘斷成兩截，有近700艘發(fā)生了嚴(yán)重破壞。通過(guò)分析表明這些斷裂無(wú)一不是起源于設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、焊接缺陷或意外損壞等因素引起的機(jī)械或冶金缺口。

斷裂的起源可以一直追溯到應(yīng)力集中點(diǎn)，如艙口角、梯子切口、加強(qiáng)筋末端或焊接缺陷。因此，在這一調(diào)查時(shí)期的早期，就對(duì)現(xiàn)有船舶和新建造船舶進(jìn)行了廣泛的結(jié)構(gòu)改造減少應(yīng)力集中。這些改進(jìn)和同時(shí)改進(jìn)的焊接工藝減少了局部高應(yīng)力集中的數(shù)量，從而大大降低了失效的發(fā)生率。

然而，顯然不可能消除所有的應(yīng)力集中。許多故障源自缺口，這些缺口是在服役后引入的缺陷造成的，例如在改造過(guò)程中由于小事故或焊接操作不當(dāng)造成的。因此，鋼的性能對(duì)失效有重要的影響。

事實(shí)上，當(dāng)早期的焊接船建造時(shí)，人們對(duì)在不同的操作條件下可能發(fā)生的應(yīng)力集中的大小知之甚少。在一個(gè)給定的點(diǎn)上，造成總應(yīng)力的眾多因素是如此復(fù)雜和多變，甚至平均應(yīng)力也無(wú)法以任何程度的準(zhǔn)確性估計(jì)出來(lái)。

傳統(tǒng)的拉力測(cè)試對(duì)于預(yù)防發(fā)生上述斷裂也毫無(wú)幫助。斷裂后鋼板的拉伸性能測(cè)試結(jié)果顯然與未斷裂鋼板的拉伸性能一樣好。在一些板材上進(jìn)行的拉力試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)表明，在使用中斷裂的板材的拉伸和彎曲性能滿足購(gòu)買(mǎi)時(shí)的規(guī)格要求。

但大多數(shù)的斷裂都發(fā)生在50華氏度以下，表明船只的運(yùn)行溫度范圍(通常20 - 90 ℉)位于所涉及鋼材的韌脆斷裂過(guò)渡溫度區(qū)間之內(nèi)。通過(guò)對(duì)板材在一系列的溫度下進(jìn)行的夏比V形缺口測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)假設(shè)評(píng)判。

斷裂幾乎為脆性類型，大致垂直于板塊表面。厚度的減少非常小，通常不到2%或3%。鋼板表面的油漆和水垢沒(méi)有破裂，這表明有很少或沒(méi)有大的塑性變形。許多脆性斷裂在板塊表面附近顯示出狹窄的剪切斷裂帶或剪切唇。

通常情況下，在更嚴(yán)重三向約束的殼板結(jié)構(gòu)中的斷裂以脆性模式傳播，但當(dāng)裂紋從嚴(yán)重約束結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到一些弱約束的構(gòu)件中時(shí)，裂紋變?yōu)榈捻g性斷裂，并且在很短的距離內(nèi)停止。在大多數(shù)情況下，斷裂停止時(shí)的區(qū)域內(nèi)，受側(cè)向約束比斷裂起始處少，斷裂會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性模式。由此可見(jiàn)，在常規(guī)平板拉伸試驗(yàn)所得到的鋼性能與脆性裂紋的萌生和擴(kuò)展關(guān)系不大。事實(shí)上，在常規(guī)平板拉伸試驗(yàn)中，每一個(gè)斷裂船只的8英寸鋼試件的拉伸延伸率都超過(guò)15%。

共解剖了116艘船，把樣品按裂紋起源、擴(kuò)展及止裂部位進(jìn)行分類，采用V形缺口夏比沖擊試樣，縱向取樣且缺口垂直于板表面，在發(fā)生事故的溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)的船體鋼均為普通低碳鋼。實(shí)驗(yàn)分析后取得下列一些結(jié)果。

起裂區(qū)裂源部位的沖擊值平均為7.6ft-lb（10J），39個(gè)試樣中只有2個(gè)試樣的沖擊值為10.6和10.8ft-lb（15J），最低沖擊值只有3.2ft-lb。

裂紋擴(kuò)展部位的沖擊值平均只有9.3ft-lb，不足10ft-lb（1.4kgf-m或14J），最低沖擊值也只有3.8t-lb。

止裂部位或不裂部位的沖擊值平均為19.1ft-lb。各部位的沖擊能量值如表1所示。

表 1 斷裂溫度沖擊能

圖 2 船舶斷裂溫度的沖擊吸收能

注：從上至下的級(jí)別分別為

S1: 主斷裂源區(qū)

S2: 二次裂紋源區(qū)

T1: 主斷裂擴(kuò)展區(qū)

T2: 二次裂紋擴(kuò)展區(qū)

E1: 斷裂終止區(qū)，但明顯由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中水平降低決定

E2: 二次裂紋終止區(qū)，但并非由結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中水平?jīng)Q定

表2總結(jié)了Charpy測(cè)試的結(jié)果，包括每種斷裂部位的試板塊在10、15和25 ft-lb水平上的平均轉(zhuǎn)變溫度。可以看出，無(wú)論采用何種標(biāo)準(zhǔn)，裂源板（S1, S2, T1, T2, E1) 與不含裂源板（E2） 之間都存在顯著差異。并且E2組試樣的15fb-lb的臨界溫度（即vTr15）在50華氏度以下。但開(kāi)裂鋼板組（S1, S2, T1, T2, E1) 試樣的vTr15在50華氏度以上。

表 2 不同部位試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

由于船的損壞溫度在50℉以下，而不足15ft-lb的部位其臨界溫度大部分在50℉以上，見(jiàn)表2。所以，認(rèn)為可以采用15ft-lb（2.6kgf-m/cm2或20J/cm2）作為韌性臨界值或判據(jù)，即所謂vTr15判據(jù)。

為安全計(jì)，以后又規(guī)定0℃時(shí)的韌性臨界值 vE 為20ft-lb（3.5kgf-m/cm2或27J/cm2）。日本的 JIS SM便采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 

以后在其他焊接結(jié)構(gòu)的脆斷事故分析中，也得到類似的結(jié)果。例如一個(gè)10000噸焊接儲(chǔ)油罐，使用4.5年后，在-14℃~-16℃的溫度條件下脆裂。鋼板為低碳沸騰鋼，其脆裂區(qū)域及不裂區(qū)域的Ⅴ形缺口夏比沖擊試驗(yàn)的韌性數(shù)值，列于表1中。可見(jiàn)，起裂區(qū)在事故溫度（-15℃附近）下的韌性只有2.1~2.2kgf-m/cm2不足15ft-lb(2.6kgf-m/cm2)，僅相當(dāng)于12ft-lb左右?？磥?lái)，用15ft-1b作為判據(jù)是可行的。順便指出，油罐發(fā)生事故時(shí)，鋼板的靜載強(qiáng)度及延伸率均合格，達(dá)22~30%，可以表明，脆斷事故的產(chǎn)生取決于韌性的水平。另外，也發(fā)現(xiàn)脆裂始于厚板部位而止于薄板部位，到厚度為8mm的薄板處已呈延性斷裂。由表3可見(jiàn)，板厚為8mm的薄板，在-15℃時(shí)的韌性高達(dá)18kg-m/cm2，相當(dāng)于103ft-lb。

表 3 10000噸油罐脆裂區(qū)與不裂區(qū)的沖擊韌性

02 當(dāng)代材料及焊接沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

從上述歷史，可以看出，鋼鐵材料的沖擊門(mén)檻值27J是根據(jù)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)所得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，也一直沿用至今，目前普遍應(yīng)用的鋼鐵材料的沖擊韌性評(píng)判方法仍是V形缺口夏比（Charpy）沖擊方法，歐標(biāo)EN10025-6調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的按沖擊韌性測(cè)試溫度分為-20℃（無(wú)標(biāo)記）、-40℃（標(biāo)記為L(zhǎng)）及-60℃（標(biāo)記為L(zhǎng)1），最低沖擊值為27J（20ft-lb），如表4所示。

表 4 歐標(biāo)EN10025-6調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼沖擊功要求

國(guó)內(nèi)外的焊接材料標(biāo)準(zhǔn)中，高強(qiáng)鋼用焊接材料的強(qiáng)度級(jí)別雖不完全一致，但各種強(qiáng)度級(jí)別下的熔敷金屬韌性指標(biāo)是相同的，主要有兩個(gè)體系：

（1）歐洲體系，沖擊吸收功要求大于或等于47J；

（2）美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)等采用另一個(gè)體系，沖擊吸收功要求大于或等于27J。

2000年以后，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 同時(shí)認(rèn)可了這兩個(gè)體系，將其按A、B兩個(gè)體系并列于同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，如ISO18275:2005，ISO 16834:2006和ISO18276:2005，分別是高強(qiáng)鋼焊條，實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲標(biāo)準(zhǔn)。在這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的A體系中統(tǒng)一把熔敷金屬的屈服強(qiáng)度劃分為5個(gè)等級(jí)，即550MPa，620MPa，690MPa，790MPa，890MPa。而熔敷金屬的沖擊吸收功不隨著強(qiáng)度等級(jí)變化，它是一個(gè)固定數(shù)值，即A體系要求沖擊吸收功不低于47J，B體系要求沖擊吸收功不低于27J。

但是在同一個(gè)沖擊吸收功條件下，又分成若干個(gè)試驗(yàn)溫度，通常有20℃，0℃，-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃和-80℃?？筛鶕?jù)焊接結(jié)構(gòu)的使用溫度或?qū)g性儲(chǔ)備的要求選擇試驗(yàn)溫度，以滿足對(duì)韌性的不同需要。

沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性對(duì)試件的加工精度要求較高，結(jié)果具有一定的分散性，所以一般要求做5個(gè)試樣，之后去掉一個(gè)最大一個(gè)最小值，剩下的3個(gè)值中2個(gè)應(yīng)等于或超過(guò)指定的值20 ft lbf [27 J]能量級(jí)。另一個(gè)可以稍低，但不低于15 ft lbf [20 J]。三者的平均值應(yīng)不少于所需的20 ft lbf。通過(guò)上述的歷史，我們可以清楚的理解，此處的15 ft lbf [20 J]及20 ft lbf [27 J]兩個(gè)能量級(jí)別背后的意義所在。

03 鋼材增韌技術(shù)

每種應(yīng)用都對(duì)其制造材料提出一定的材料性能要求，對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，韌性是其重要的特性，可以使其在較低溫度下仍具有較好的沖擊抗裂性。對(duì)于鋼鐵材料，減少碳量和細(xì)化晶?？梢栽黾恿虽摰捻g性。此外，鋼基體中的夾雜物必須減小，以增強(qiáng)韌性性能。

雜質(zhì)，如磷、氧等雜質(zhì)。磷雖能使鋼材的強(qiáng)度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時(shí)，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱“冷脆”。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低。尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響，具體見(jiàn)《鋼鐵的韌性》。潔凈鋼技術(shù)使鋼的強(qiáng)韌性獲得大幅度提高，見(jiàn)《鋼鐵是怎樣煉成的II --- 潔凈鋼》。

晶粒細(xì)化，控軋控冷軋制工藝，通過(guò)添加微合金元素鈮、釩來(lái)抑制再結(jié)晶，降低軋制溫度可以得到非常細(xì)小的晶粒，晶粒尺寸可達(dá)到10μm級(jí)別，甚至更小，晶粒細(xì)化是一種既可以強(qiáng)化及增韌的工藝，具體見(jiàn)《從鋼材命名變遷看現(xiàn)代鋼鐵制造技術(shù)》。

調(diào)質(zhì)處理QT鋼，通過(guò)合金調(diào)節(jié)碳含量及合金成分，通過(guò)先進(jìn)的TMCP+DQ技術(shù)或隨后輥軋淬火工藝，可以得到均勻且細(xì)小的相對(duì)軟的板條馬氏體或貝氏體結(jié)構(gòu)，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，使沖擊韌性得到進(jìn)一步的提高。

不同種類材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍如圖2所示。高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)階段及增韌冶金技術(shù)見(jiàn)表5。

圖 2 不同種類鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

表 5 高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)階段及增韌冶金技術(shù)

參考文獻(xiàn)

1 Final Report of Project SR-106 to the SHIP STRUCTURE COMMITTEE, CORRELATION OF METALLURGICAL PROPERTIES, V-NOTCH CHARPY ENERGY CRITERIA,AND SERVICE PERFORMANCE OF STEEL PLATES FROM FRACTURED SHIPS 

2 陳伯蠡，金屬焊接性基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社

3 李亞江，高強(qiáng)鋼的焊接， 冶金工業(yè)出版社