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1、(10)申请公布号 CN 101975702 A (43)申请公布日 2011.02.16 CN 101975702 A *CN101975702A* (21)申请号 201010281793.0 (22)申请日 2010.09.15 G01N 3/303(2006.01) (71)申请人 河北省电力研究院 地址 050021 河北省石家庄市体育南大街 238 号 (72)发明人 冯砚厅 牛晓光 李中伟 李文彬 郑相锋 (74)专利代理机构 石家庄新世纪专利商标事务 所有限公司 13100 代理人 杨钦祥 (54) 发明名称 一种金属焊缝冲击功试验及计算方法 (57) 摘要 本发明涉及一种金属。
2、焊缝冲击功试验及计算 方法， 本发明包括一、 计算金属焊缝冲击试样的细 晶比例， 二、 对金属母材和金属焊缝处进行冲击试 验， 三、 计算金属母材、 金属焊缝的冲击功和比例 常数 k， 四、 目标金属焊缝的冲击功计算， 按照公 式(4) ： efkE， 计算得目标金属焊缝的冲击 功 e ； 本发明可以减少过程繁琐的重复性试验， 节 约大量试验材料， 降低试验成本。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 101975707 A1/1 页 2 1. 一种金属焊缝冲击功试验及计算方法， 其特征是， 。
3、( 一 )、 计算金属焊缝冲击试样的细晶比例 ： 取 n 个 55mmx10mmx10mm 的进行冲击试验前的金属焊缝， 采用下述公式 (1) 计算 n 个金 属焊缝冲击试样的细晶比例， 公式 (1) 其中， Si为金属焊缝冲击试样侧面处第 i 段细晶的长度， 单位为 mm ； L 为金属焊缝冲击 试样侧面的长度， 单位为 mm ； ( 二 )、 对金属母材和金属焊缝处进行冲击试验， 试验步骤是 ： 取 m 个 55mmx10mmx10mm 金属母材冲击试样和上述 n 个 55mmx10mmx10mm 金属焊缝冲击 试样， 使其具有 V 型或 U 型缺口， 分别在夏比冲击试验机上处于简支梁状态。
4、， 以夏比冲击试 验机举起的摆锤作一次冲击， 使所述金属母材和金属焊缝沿缺口冲断 ； ( 三 )、 计算金属母材、 金属焊缝的冲击功和比例常数 k ： (1)、 在夏比冲击试验机上分别记录金属母材的冲击功 Em和金属焊缝的冲击功 en， 计算 金属母材的平均冲击功单位为焦耳 ； (2)、 采用下述公式 (2) 计算 kn值， 公式 (2) 其中， en为金属焊缝的冲击功， 单位为焦耳， fn为金属焊缝处的细晶比例， E 为金属母材 的平均冲击功 ； 然后计算比例系数 k 值 ( 四 )、 目标金属焊缝的冲击功计算 (1) 通过上述试验获得金属母材冲击功的前提下， 对目标金属焊缝断面或表面进行宏。
5、 观金相观察， (2) 采用如下方法计算冲击功 ： a、 采用下述公式 (3) 计算目标金属焊缝侧面的细晶比例， 公式 (3) 其中， Si为金属焊缝侧面处第 i 段细晶的长度 ； L 为金属焊缝侧面的长度 ； b、 采用下述公式 (4) 计算目标金属焊缝冲击功值， e fkE 公式 (4) 其中， e 为目标金属焊缝冲击功值， 单位为焦耳， f 为公式 (3) 的计算值， E 为所述金属 母材的平均冲击功值， 单位为焦耳， k 值为上述步骤 ( 三 ) 计算的比例常数 k 值。 权 利 要 求 书 CN 101975702 A CN 101975707 A1/4 页 3 一种金属焊缝冲击功试。
6、验及计算方法 技术领域 0001 本发明涉及一种金属焊缝冲击功试验及计算方法。 背景技术 0002 金属材料的冲击韧性一般通过标准冲击试验来获取冲击功的办法得到。 冲击试验 是将金属材料加工成一定形状的试样， 试样在冲击荷载作用下产生冲击断裂， 根据吸收功 的大小， 结合断口特征来评定材料的冲击性能。在室温下进行冲击试验一般采用国家标准 GB/T229-1994金属夏比冲击试验方法 ； 若按试样的缺口形状， 可分为 “U” 型缺口和 “V” 型缺口两种冲击试验， 现有技术中， 金属焊缝处的冲击功值计算需要每次对金属焊缝进行 冲击试验， 这种方法试验成本大、 过程繁琐并且由于试样缺口在加工过程中。
7、的不规则， 对冲 击韧性的结果产生比较大的误差。 发明内容 0003 本发明要解决的技术问题是提供一种易操作的金属焊缝冲击功试验及其计算方 法。 0004 本发明的技术方案是， 其包括 0005 ( 一 )、 计算金属焊缝冲击试样的细晶比例 ： 0006 取 n 个 55mmx10mmx10mm 的进行冲击试验前的金属焊缝， 采用下述公式 (1) 计算 n 个金属焊缝冲击试样的细晶比例， 0007 公式 (1) 0008 其中， Si为金属焊缝冲击试样侧面处第 i 段细晶的长度， 单位为 mm ； L 为金属焊缝 冲击试样侧面的长度， 单位为 mm ； 0009 ( 二 )、 对金属母材和金属。
8、焊缝处进行冲击试验， 试验步骤是 ： 0010 取 m 个 55mmx10mmx10mm 金属母材冲击试样和上述 n 个 55mmx10mmx10mm 金属焊缝 冲击试样， 使其具有 V 型或 U 型缺口， 分别在夏比冲击试验机上处于简支梁状态， 以夏比冲 击试验机举起的摆锤作一次冲击， 使所述金属母材和金属焊缝沿缺口冲断 ； 0011 ( 三 )、 计算金属母材、 金属焊缝的冲击功和比例常数 k ： 0012 (1)、 在夏比冲击试验机上分别记录金属母材的冲击功 Em和金属焊缝的冲击功 en， 计算金属母材的平均冲击功单位为焦耳 ； 0013 (2)、 采用下述公式 (2) 计算 kn值， 。
9、0014 公式 (2) 0015 其中， en为金属焊缝的冲击功， 单位为焦耳， fn为金属焊缝处的细晶比例， E 为金属 母材的平均冲击功 ； 说 明 书 CN 101975702 A CN 101975707 A2/4 页 4 0016 然后计算比例系数 k 值 0017 ( 四 )、 目标金属焊缝的冲击功计算 0018 (1) 通过上述试验获得金属母材冲击功的前提下， 对目标金属焊缝断面或表面进 行宏观金相观察， 0019 (2) 采用如下方法计算冲击功 ： 0020 a、 采用下述公式 (3) 计算目标金属焊缝侧面的细晶比例， 0021 公式 (3) 0022 其中， Si为金属焊缝侧。
10、面处第 i 段细晶的长度 ； L 为金属焊缝侧面的长度 ； 0023 b、 采用下述公式 (4) 计算目标金属焊缝冲击功值， 0024 e fkE 公式 (4) 0025 其中， e 为目标金属焊缝冲击功值， 单位为焦耳， f 为公式 (3) 的计算值， E 为所述 金属母材的平均冲击功值， 单位为焦耳， k 值为上述步骤 ( 三 ) 计算的比例常数 k 值。 0026 在多层焊的厚板焊缝中， 存在着后焊焊道对先焊焊道的再热作用问题， 原始柱状 晶组织根据所受再热温度的不同转变成不同类型的再热组织的区域， 形成等轴细晶， 在焊 缝的整个断面上细晶与柱状粗晶随焊层交替分布， 这样标准冲击金属焊缝。
11、的断面上， 不仅 存在粗晶区而且还存在细晶区， 简化的冲击金属焊缝粗细晶的分布如附图所示， s1、 s2、 s3 为细晶长度， L 为断面的长度， 采用公式 (3) 对冲击试样断面细晶比例进行量化 ： 0027 公式 (3) 0028 式中 ： Si为第 i 段细晶的长度 ； L 为断面的长度。(Si、 L 的单位是毫米 ) 0029 晶粒大小对金属性能的影响， 实际上是晶界对位错运动的影响。位错在晶体中运 动有两种方式 ： 滑移和攀移。只有刃型位错才能发生攀移运动， 螺型位错不发生攀移。位 错攀移是一个热激活过程， 通常只有在高温下攀移才对位错的运动产生重要的影响， 常温 下它的贡献不大。位。
12、错的滑移是在切应力作用下进行的， 只有当滑移面上的切应力分量达 到一定值后位错才能滑移。晶界上存在晶格畸变， 原子排列相对无序， 也比较稀疏一些， 对 位错运动起阻耐作用。 晶粒越细， 晶界越多， 对位错运动的阻力就越大， 金属的强度就越高。 此外晶粒越细， 位错塞积造成的应力集中也小， 所以金属的塑性也得到改善。 这种强化方式 称为细晶强化， 细晶强化可以使强度和塑性同时得到改善。冲击试验综合衡量了冲击载荷 的情况下金属的强度和塑性， 用试样断裂所消耗的功来表示。厚板结构焊接时大多采用多 层焊， 存在着后焊焊道对先焊焊道的再热作用， 先焊焊道的一部分柱状晶会形成细晶。 当整 个焊缝柱状粗晶与。
13、细晶的比例发生变化时， 整个焊缝的韧性也必将发生变化。试验结果也 表明细晶占有率越高， 试样的冲击韧性越高， 与母材的冲击功成正的相关关系。 在焊接过程 中， 柱状粗晶一般不可避免， 可以通过冲击试样断面细晶比例与母材的冲击功对焊缝冲击 功进行计算。 0030 当焊后热处理条件一定的情况下， 已知金属母材的冲击功值为 E， 利用公式 (4) 对 目标金属焊缝的冲击韧性进行计算 ： 0031 e fkE 公式 (4) 说 明 书 CN 101975702 A CN 101975707 A3/4 页 5 0032 式中 ： e 为焊缝预测冲击功值， 单位为焦耳 ； f 为由公式 (3) 得出的细晶。
14、比例 ； k 为 比例系数 0 1， 根据不同材料由上述试验确定 ； E 为金属母材的平均冲击功， 单位为焦耳。 0033 本发明的有益效果是依据焊缝细晶比例计算其冲击功值的方法是一种非物理性 试验的方法， 是一种无损检测的方法。对同一种材料而言， 通过一次试验求出 k 值后， 根据 公式可以从宏观金相的角度对焊缝的冲击韧性进行评估， 对于一种新材料只需要做一系列 试验， 求出 K 值就可以计算焊缝的冲击功， 否则， 同样材料用在不同场合， 都需要做这些试 验来考察焊缝的冲击功， 从而可以减少过程繁琐的重复性试验， 节约大量试验材料， 降低试 验成本。 附图说明 0034 附图为冲击金属试样粗。
15、细晶分布概图 ； 具体实施方式 0035 下面根据具体实施例对本发明进行进一步说明， 0036 一、 取编号为 1-8 的 P92 钢焊缝冲击试样， 对其两侧面进行宏观金相观察， 根据公 式 (1) 计算其细晶比例 fn， 计算后如表 2 所示。 0037 公式 (1) 0038 其中， Si为 P92 钢焊缝侧面处第 i 段细晶的长度， 单位为 mm ； L 为 P92 钢焊缝侧面 的长度， 单位为 mm ； 0039 二、 对编号为 A、 B 和 C 的 P92 钢母材进行冲击试验， 试验步骤是 ： 0040 取编号为 A、 B 和 C 的 3 个 55mmx10mmx10mm 的 P92。
16、 钢母材和上述编号为 1-8 的 8 个 55mmx10mmx10mm 的 P92 钢焊缝， 使其具有 V 形缺口， 在夏比冲击试验机上处于简支梁状 态， 以夏比冲击试验机举起的摆锤作一次冲击， 使试样沿缺口冲断。 0041 三、 计算金属母材、 金属焊缝的冲击功和比例系数 k ： 0042 (1)、 从夏比冲击试验机上读出编号为 A、 B 和 C 的 P92 钢母材的冲击功值， 如表 1 所示， 求得母材冲击功平均值 E (Ea+Eb+Ec)/3 169.3J。 0043 表 1P92 钢母材冲击功 0044 0045 从夏比冲击试验机上读出编号为 1-8 的 P92 钢焊缝的冲击功值， 如。
17、表 2 所示。 0046 已知 P92 钢母材冲击功 E 169.3J， 对 P92 钢焊缝根据公式 (2) 求出第 n 个试样 的 kn值， 0047 公式 (2) 0048 其中， en为 P92 钢焊缝的冲击功， 单位为焦耳， fn为 P92 钢焊缝处的细晶比例， E 为 P92 钢母材的平均冲击功 ； 说 明 书 CN 101975702 A CN 101975707 A4/4 页 6 0049 表 2P92 钢焊缝细晶比例焊缝冲击功关系表 0050 0051 0052 经计算得 kn的平均值为 0053 根据上述试验和计算得， P92 钢母材的冲击功值 E 为 E 169.3J， P。
18、92 钢焊缝的比 例常数 k 0.819。 0054 四、 取需要测算冲击功的目标P92钢焊缝， 在其表面上对尺寸为55mmx10mmx8mm的 区域进行宏观金相观察， 测量在 8mmm 假定的开裂线上的细晶长度， 经观测得金属焊缝假定 断裂面即侧面处有 3 段细晶的 S1、 S2 和 S3 长度为 1.0mm、 1.1mm 和 1.1mm， 金属焊缝侧面的 长度 L 为 8mm ； 按照公式 (3) 计算得 f 40， 0055 公式 (3) 0056 其中， Si为金属焊缝侧面处第 i 段细晶的长度 ； L 为金属焊缝侧面的长度 ； 0057 再根据P92钢焊缝冲击功计算公式(4)计算得目标P92钢焊缝冲击功e55.46J。 0058 e fkE(f 40、 k 0.819、 E 169.3J) 公式 (4) 说 明 书 CN 101975702 A CN 101975707 A1/1 页 7 说 明 书 附 图 CN 101975702 A 。