1 美國二戰斷裂自由輪鋼板測試報告

2 當代材料及焊接沖擊測試標準

3 鋼材增韌技術

01 自由輪鋼板測試報告

在1942-43年(二次世界大戰期間)的冬天，美國許多焊接的商船和油輪發生了嚴重的斷裂。有些船完全裂成兩半，有些船的加強甲板或底部完全斷裂。美國國家標準局被要求協助調查這些故障。因此，斷裂鋼板的樣品提交冶金司進行檢查。隨著焊接的船只繼續斷裂，問題變得很明顯且被意識到這是一個非常嚴重的問題，美國海岸警衛隊發出了指示，將斷裂板的樣品進行適當地標識，并應該送到國家標準局進行研究。這項調查從那時起就一直在進行，有兩個主要目標：第一，確定單個故障的原因，第二，獲取數據，用于評價導致斷裂的起源和擴展的冶金和其他因素。

圖 1 二戰時期斷裂的自由輪

據統計期間共建造2500艘油輪，其中有145艘斷成兩截，有近700艘發生了嚴重破壞。通過分析表明這些斷裂無一不是起源于設計細節、焊接缺陷或意外損壞等因素引起的機械或冶金缺口。

斷裂的起源可以一直追溯到應力集中點，如艙口角、梯子切口、加強筋末端或焊接缺陷。因此，在這一調查時期的早期，就對現有船舶和新建造船舶進行了廣泛的結構改造減少應力集中。這些改進和同時改進的焊接工藝減少了局部高應力集中的數量，從而大大降低了失效的發生率。

然而，顯然不可能消除所有的應力集中。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，例如在改造過程中由于小事故或焊接操作不當造成的。因此，鋼的性能對失效有重要的影響。

事實上，當早期的焊接船建造時，人們對在不同的操作條件下可能發生的應力集中的大小知之甚少。在一個給定的點上，造成總應力的眾多因素是如此復雜和多變，甚至平均應力也無法以任何程度的準確性估計出來。

傳統的拉力測試對于預防發生上述斷裂也毫無幫助。斷裂后鋼板的拉伸性能測試結果顯然與未斷裂鋼板的拉伸性能一樣好。在一些板材上進行的拉力試驗和彎曲試驗表明，在使用中斷裂的板材的拉伸和彎曲性能滿足購買時的規格要求。

但大多數的斷裂都發生在50華氏度以下，表明船只的運行溫度范圍(通常20 - 90 ℉)位于所涉及鋼材的韌脆斷裂過渡溫度區間之內。通過對板材在一系列的溫度下進行的夏比V形缺口測試結果也證實了這個假設評判。

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有破裂，這表明有很少或沒有大的塑性變形。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，在更嚴重三向約束的殼板結構中的斷裂以脆性模式傳播，但當裂紋從嚴重約束結構擴展到一些弱約束的構件中時，裂紋變為的韌性斷裂，并且在很短的距離內停止。在大多數情況下，斷裂停止時的區域內，受側向約束比斷裂起始處少，斷裂會轉變為韌性模式。由此可見，在常規平板拉伸試驗所得到的鋼性能與脆性裂紋的萌生和擴展關系不大。事實上，在常規平板拉伸試驗中，每一個斷裂船只的8英寸鋼試件的拉伸延伸率都超過15%。

共解剖了116艘船，把樣品按裂紋起源、擴展及止裂部位進行分類，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，在發生事故的溫度下進行沖擊試驗。當時的船體鋼均為普通低碳鋼。實驗分析后取得下列一些結果。

起裂區裂源部位的沖擊值平均為7.6ft-lb（10J），39個試樣中只有2個試樣的沖擊值為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：從上至下的級別分別為

S1: 主斷裂源區

S2: 二次裂紋源區

T1: 主斷裂擴展區

T2: 二次裂紋擴展區

E1: 斷裂終止區，但明顯由于結構應力集中水平降低決定

E2: 二次裂紋終止區，但并非由結構應力集中水平決定

表2總結了Charpy測試的結果，包括每種斷裂部位的試板塊在10、15和25 ft-lb水平上的平均轉變溫度。可以看出，無論采用何種標準，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，見表2。所以，認為可以采用15ft-lb（2.6kgf-m/cm2或20J/cm2）作為韌性臨界值或判據，即所謂vTr15判據。

為安全計，以后又規定0℃時的韌性臨界值 vE 為20ft-lb（3.5kgf-m/cm2或27J/cm2）。日本的 JIS SM便采用了這個標準。 

以后在其他焊接結構的脆斷事故分析中，也得到類似的結果。例如一個10000噸焊接儲油罐，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，其脆裂區域及不裂區域的Ⅴ形缺口夏比沖擊試驗的韌性數值，列于表1中。可見，起裂區在事故溫度（-15℃附近）下的韌性只有2.1~2.2kgf-m/cm2不足15ft-lb(2.6kgf-m/cm2)，僅相當于12ft-lb左右。看來，用15ft-1b作為判據是可行的。順便指出，油罐發生事故時，鋼板的靜載強度及延伸率均合格，達22~30%，可以表明，脆斷事故的產生取決于韌性的水平。另外，也發現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，板厚為8mm的薄板，在-15℃時的韌性高達18kg-m/cm2，相當于103ft-lb。

表 3 10000噸油罐脆裂區與不裂區的沖擊韌性

02 當代材料及焊接沖擊測試標準

從上述歷史，可以看出，鋼鐵材料的沖擊門檻值27J是根據大量的測試數據所得到的經驗數值，也一直沿用至今，目前普遍應用的鋼鐵材料的沖擊韌性評判方法仍是V形缺口夏比（Charpy）沖擊方法，歐標EN10025-6調質高強鋼的按沖擊韌性測試溫度分為-20℃（無標記）、-40℃（標記為L）及-60℃（標記為L1），最低沖擊值為27J（20ft-lb），如表4所示。

表 4 歐標EN10025-6調質高強鋼沖擊功要求

國內外的焊接材料標準中，高強鋼用焊接材料的強度級別雖不完全一致，但各種強度級別下的熔敷金屬韌性指標是相同的，主要有兩個體系：

（1）歐洲體系，沖擊吸收功要求大于或等于47J；

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

2000年以后，國際標準化組織 (ISO) 同時認可了這兩個體系，將其按A、B兩個體系并列于同一個標準中，如ISO18275:2005，ISO 16834:2006和ISO18276:2005，分別是高強鋼焊條，實芯焊絲和藥芯焊絲標準。在這三個標準的A體系中統一把熔敷金屬的屈服強度劃分為5個等級，即550MPa，620MPa，690MPa，790MPa，890MPa。而熔敷金屬的沖擊吸收功不隨著強度等級變化，它是一個固定數值，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。

但是在同一個沖擊吸收功條件下，又分成若干個試驗溫度，通常有20℃，0℃，-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃和-80℃。可根據焊接結構的使用溫度或對韌性儲備的要求選擇試驗溫度，以滿足對韌性的不同需要。

沖擊測試實驗結果準確性對試件的加工精度要求較高，結果具有一定的分散性，所以一般要求做5個試樣，之后去掉一個最大一個最小值，剩下的3個值中2個應等于或超過指定的值20 ft lbf [27 J]能量級。另一個可以稍低，但不低于15 ft lbf [20 J]。三者的平均值應不少于所需的20 ft lbf。通過上述的歷史，我們可以清楚的理解，此處的15 ft lbf [20 J]及20 ft lbf [27 J]兩個能量級別背后的意義所在。

03 鋼材增韌技術

每種應用都對其制造材料提出一定的材料性能要求，對于金屬來說，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。對于鋼鐵材料，減少碳量和細化晶粒可以增加了鋼的韌性。此外，鋼基體中的夾雜物必須減小，以增強韌性性能。

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

晶粒細化，控軋控冷軋制工藝，通過添加微合金元素鈮、釩來抑制再結晶，降低軋制溫度可以得到非常細小的晶粒，晶粒尺寸可達到10μm級別，甚至更小，晶粒細化是一種既可以強化及增韌的工藝，具體見《從鋼材命名變遷看現代鋼鐵制造技術》。

調質處理QT鋼，通過合金調節碳含量及合金成分，通過先進的TMCP+DQ技術或隨后輥軋淬火工藝，可以得到均勻且細小的相對軟的板條馬氏體或貝氏體結構，在提高強度的同時，使沖擊韌性得到進一步的提高。

不同種類材料韌脆轉變溫度范圍如圖2所示。高強鋼開發階段及增韌冶金技術見表5。

圖 2 不同種類鋼的韌脆轉變溫度

表 5 高強鋼開發階段及增韌冶金技術

參考文獻

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，機械工業出版社

3 李亞江，高強鋼的焊接， 冶金工業出版社