插銷試驗(定量評價焊接冷裂紋敏感性)
插銷試驗由法國焊接研究所的Henri Granjon 在20世紀(jì)60年代提出。“插銷”實際上就是一端帶有缺口的柱狀試樣,把試樣插入到試板中心上一個帶公差的配合孔中,帶有缺口的插銷試樣上表面和試板的上表面平齊。然后,在試驗試板表面上堆敷一個試驗焊道,并直接通過帶缺口的試樣和試樣孔,這樣就在圓柱形的試樣上形成一個焊接熱影響區(qū),并且缺口位于焊接熱影響區(qū)內(nèi)。由Granjon開發(fā)的早期試樣只有一個缺口,該缺口用作應(yīng)力集中源,以促進裂紋在焊接熱影響區(qū)中形成而不是在焊縫金屬中形成。焊接完成后,這套試板全部放在夾具上,并施加拉伸載荷,進行一系列拉伸試驗,確定并記錄在不同拉伸應(yīng)力水平下的試樣斷裂時間。然后將施加的應(yīng)力和斷裂時間作為橫縱坐標(biāo),繪制成圖。在這個對應(yīng)關(guān)系中,插銷試樣加載24h后,不發(fā)生斷裂的****應(yīng)力就確定為最低臨界應(yīng)力,最低臨界應(yīng)力是評價焊接熱影響區(qū)氫致裂紋敏感性的一個重要指標(biāo)。早期插銷試驗的主要缺陷是時間與斷裂應(yīng)力數(shù)據(jù),具有明顯分散性,這是因為用同樣材料和同樣試驗條件進行一系列試驗時,試樣的缺口不能可靠地位于熱影響區(qū)的相同位置中。為了解決這個問題,Sawhill等提出了一個改進型插銷試樣,該試樣使用螺旋形缺口替代單一的圓形缺口,這很容易做到,只要在試樣末端簡單地機加工成標(biāo)準(zhǔn)螺紋即可。改進后可以保證螺旋狀缺口橫穿全部熱影響區(qū)。為焊接后一個插銷試樣的橫截面。這樣,裂紋就會在最敏感熱影響區(qū)顯微組織中啟裂和擴展,對裂紋最敏感的顯微組織通常在熱影響區(qū)粗晶區(qū)內(nèi)。
為了提供不同鋼種的對比結(jié)果,定義了一個用來評價氫致裂紋敏感性的脆化指數(shù)(I),其中NTS代表母材金屬的缺口拉伸應(yīng)力(Notch Tensile Stress),LCS是最低臨界應(yīng)力(Lower Critical Stress),當(dāng)脆化指數(shù)增大時,氫致裂紋的敏感性也增加。有些學(xué)者對此進行了簡化,用LCS與NTS的比值來表示熱影響區(qū)的氫致裂紋敏感性。使用LCS/NTS 比值評價管線鋼氫致裂紋敏感性。該研究工作由Signes 和Howe完成。盡管試驗數(shù)據(jù)有些分散,但隨著碳當(dāng)量提高,氫致裂紋敏感性(更低的LCS/NTS比值)增大的總趨勢還是非常明顯的。Yue和Lippold對高強度海軍用鋼進行了大量研究。具有最高的碳含量和碳當(dāng)量的HY-100鋼,也具有最小的最低臨界應(yīng)力,并且對氫致裂紋具有較高的敏感性。 總之,與評價高強度鋼焊接熱影響區(qū)氫致裂紋敏感性的其他試驗方法相比,改進后的插銷試驗方法具有多種優(yōu)點。第一,插銷試驗方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,如美國焊接學(xué)會的B4.0標(biāo)準(zhǔn)和ISO 17642-3:2005(E) 國際標(biāo)準(zhǔn)。試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)化,使得在不同實驗室進行試驗時,增加了試驗結(jié)果的可重復(fù)性。第二,能使用不同焊接方法和多種焊接材料進行插銷試驗,也可用來研究預(yù)熱溫度對降低氫致裂紋的影響。
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