一种奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测方法与

本发明涉及材料断裂失效研究，具体而言，涉及一种奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测方法。背景技术：1、随着全球经济的快速发展和各国对环保的重视，天然气(lng)需求量与日剧增。同时也促进了lng存储和运输行业的快速发展。传统的lng储罐建造材料镍系低温钢价格昂贵，且焊接困难，与镍系低温钢相比，高锰钢的低温韧性、耐疲劳性、耐腐蚀性等性能与目前广泛应用的9％ni钢相当，由于其优异的性能和相对低廉的价格，在船用lng储罐上获得了越来越广泛的应用。为了保证高锰钢奥氏体低温钢储罐在服役过程中的安全性，要求材料在服役温度下具有良好的抗断性能。2、对于船舶和压力容器等大型焊接结构来说，如何进行材料、结构断裂控制设计，防止断裂事故发生，一直以来均是一个很受关注的研究领域。现有采用的评定材料断裂性能的技术主要为基于转变温度的韧脆转变温度评价技术和基于断裂力学的断裂韧性评价技术。奥氏体低温钢为面心立方结构，随温度变化并不会呈现明显的韧脆转变特性，基于韧脆转变的评价方法并不适用于高锰奥氏体低温钢。奥氏体低温钢在服役温度下材料的断裂模式为韧性断裂，从裂纹萌生、扩展到抑制这一过程而言，材料韧性应分为启裂韧性和止裂韧性，ctod和j积分试验虽能评估其韧性启裂能力，但并不能有效评估其止裂能力。目前，针对奥氏体低温钢等高韧性材料的韧性断裂，仍缺乏完整有效且规范统一的试验标准。3、夏比冲击试验是目前工业标准化程度最高的材料韧性评价方法，但10mm×10mm×55mm的夏比冲击试样在冲击试验过程中显现出明显的尺寸效应，且较窄的韧带宽度(8mm)不足以裂纹的稳定扩展，冲击能量主要被试样的启裂能所消耗，这使得冲击吸收能量并不能完成反映出材料的韧性水平。动态撕裂试样的尺寸虽较冲击试样更大(16mm×40mm×180mm)，但其韧带宽度(28.5mm)仍不足以完成反映材料的韧性水平。相比冲击和动态撕裂试样，落锤撕裂试样(19mm×76.2mm×305mm)的尺寸更大，缺口尖端应力约束更大，韧带宽度更长(71.1mm)，这使得落锤撕裂能更能反映出材料的韧性水平。4、作为常规夏比冲击试验的技术拓展，落锤撕裂试验韧带宽、全厚度的特点使得试样断口形貌与管线管全尺寸燃气爆破试验的断口形貌、裂纹扩展速率接近一致，自20世纪60年代开始被美国石油协会(api)推荐为api rp 5l3方法准则，并指定服役温度条件时的85％的剪切面积分数(psa)为供货保证指标，以确保实物处于韧性断裂条件。5、落锤撕裂试验技术的发展主要经历了三个典型的阶段，第一阶段为高能量落锤撕裂试验技术，主要通过获取材料的psa评价其韧性优劣；第二阶段为可测能量落锤撕裂试验技术，不仅可以获得材料的psa，还可获得材料的落锤撕裂吸收能，并建立了基于大尺寸试样的batlle双曲线止裂预报模型和基于m-v动力学模型估算材料稳态时的临界ψctoa.c值；第三阶段为仪器化测力型落锤撕裂技术，可实测并记录落锤撕裂试样加载断裂过程中载荷、位移与能量的关系，将落锤撕裂能对应裂纹的萌生和扩展区分为启裂能和扩展能，并推动了落锤撕裂试验标准的更新换代，由主要用于铁素体钢的试验方法gb/t8363-2007《铁素体钢落锤撕裂试验方法》修订为可用于所有钢材料的试验方法gb/t 8363-2018《钢材落锤撕裂试验方法》。落锤撕裂试样相比冲击试样和动态撕裂试样更大的尺寸，对试验设备和试验材料提出了更高和更多的需求，在实际生产供货中难以用于材料性能的一致性检验。因此，通过建立落锤撕裂能估算方法，快捷而又准确地得到材料的落锤撕裂能，进而实现奥氏体低温钢断裂性能的有效评估，对高锰奥氏体低温钢的服役安全有着重要的意义，目前关于落锤撕裂能估算方法的研究并未见公开报导。技术实现思路1、有鉴于此，本发明旨在提出一种奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测方法，该预测方法通过冲击试验测得的冲击韧度或动态撕裂试验测得的动态撕裂能密度即可实现奥氏体低温钢落锤撕裂能的快速预测评估。2、本发明公开了一种奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测方法，包括以下步骤：3、步骤s1：通过落锤撕裂性能表征参量与冲击性能表征参量或动态撕裂表征参量的相关性分析，建立奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测模型；4、在步骤s1中，落锤撕裂性能表征参量与冲击性能表征参量的相关性分析至少包括落锤撕裂能和冲击吸收能的相关性分析和落锤撕裂能密度与冲击韧度的相关性分析，落锤撕裂性能表征参量与动态撕裂表征参量的相关性分析至少包括落锤撕裂能和动态吸收能的相关性分析和落锤撕裂能密度与动态撕裂能密度的相关性分析，根据相关性分析建立落锤撕裂能和冲击韧度与落锤撕裂韧带面积乘积的一元一次方程：5、edwtt＝α·ak·sdwtt+β (1)6、其中，edwtt为落锤撕裂能，j；ak为冲击韧度，j/cm2；sdwtt为落锤撕裂试样韧带面积，cm2；α、β为待定系数；7、或者，根据相关性分析建立落锤撕裂能和动态撕裂能密度与落锤撕裂韧带面积的乘积的一元一次方程：8、edwtt＝γ·adte·sdwtt+μ (2)9、其中，adte为动态撕裂能密度，j/cm2；γ、μ为待定系数；10、步骤s2：开展奥氏体低温钢典型温度的落锤撕裂试验和冲击试验，获得落锤撕裂能、冲击韧度，或者，开展奥氏体低温钢典型温度的落锤撕裂试验和动态撕裂试验，获得落锤撕裂能、动态撕裂能密度；11、步骤s3：将落锤撕裂能、冲击韧度代入式(1)中拟合获得α、β，或者，将落锤撕裂能、动态撕裂能密度代入式(2)中拟合获得γ、μ。12、进一步的，在步骤s1中，落锤撕裂性能表征参量与冲击性能表征参量的相关性分析的试验数据包括高锰奥氏体低温钢在室温、-100℃、-196℃的落锤撕裂能和冲击吸收能。13、进一步的，在步骤s1中，落锤撕裂性能表征参量与动态撕裂表征参量的相关性分析的试验数据包括高锰奥氏体低温钢在室温、-100℃、-196℃的落锤撕裂能和动态撕裂能。14、进一步的，在步骤s1中的试验用奥氏体低温钢试样的厚度取值范围为8mm-40mm。15、进一步的，所述预测方法还包括：16、步骤s4：在确定待定系数α、β后，在后续的奥氏体低温钢落锤撕裂能预测时，无需再进行落锤撕裂试验，仅通过冲击试验即可预测奥氏体低温钢落锤撕裂能；或者，在确定待定系数γ、μ后，在后续的奥氏体低温钢落锤撕裂能预测时，无需再进行落锤撕裂试验，仅通过动态撕裂试验即可预测奥氏体低温钢落锤撕裂能。17、进一步的，所述奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测方法，应用于-196℃～0℃的奥氏体低温钢落锤撕裂能的预测。18、进一步的，α＝2.7，β＝93.8，将其代入式(1)中获得奥氏体低温钢落锤撕裂能预测模型如式(3)19、edwtt＝2.7·ak·sdwtt+93.8 (3)。20、进一步的，γ＝1.9，μ＝-298.5，将其代入式(2)中获得奥氏体低温钢落锤撕裂能预测模型如式(4)21、edwtt＝1.9·adte·sdwtt-298.5 (4)。22、相对于现有技术，本发明所述的奥氏体低温钢材料落锤撕裂能的预测方法具有以下优势：23、本发明从奥氏体低温钢落锤撕裂能和动态撕裂能与冲击吸收能的温度相关性出发，通过落锤撕裂能和动态撕裂能与冲击吸收能相关系分析，建立了落锤撕裂能和动态撕裂能和冲击韧度与动态撕裂试样韧带面积的相关性模型，该预测模型具有物理机理明确、构建简单、使用快捷等优点。24、在奥氏体低温钢落锤撕裂能预测时，通过开展奥氏体低温钢典型温度的动态撕裂试验和冲击试验，获得动态撕裂能密度和冲击韧度，代入对应模型中确定所需参数。在后续的奥氏体低温钢落锤撕裂能估算时，无需再进行落锤撕裂试验，仅通过冲击试验或动态撕裂试验即可快速预测奥氏体低温钢的落锤撕裂能，相对于落锤撕裂试验，显著降低了对试验设备和试验材料的要求，降低了检测成本，在实际生产供货中能够用于材料性能的一致性检验。