大口徑不銹鋼彎管在工程機(jī)械、動力機(jī)械、鍋爐、石油化工、管道工程等工工占有相當(dāng)重要的地位。尤其在油氣管道方面應(yīng)用居多，而油氣管道的服役溫度大都在-20℃以下，為了保證大口徑不銹鋼彎管管道在制造和工作過程中焊接接頭具有較高的安全性，要求大口徑管道材材具有較高的低溫韌性。從而保證管材能夠安全可靠的在地下工作。韌性不足容易指致安全事故的發(fā)生。影響大口徑彎管管材焊接接頭韌性的因素相當(dāng)復(fù)雜，所以從根本上很難控制。在焊接過程中，大口徑彎管受到材熱和冷卻的交替變化工程，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及形成分布不規(guī)律的柱狀晶粒，從而使焊縫金屬發(fā)生脆化缺陷引發(fā)嚴(yán)重的事故。焊接本身就是一個(gè)放熱過程，也是一個(gè)快速冷卻過程。容易惡化大口徑彎管的內(nèi)部組織和性能。使焊接接頭韌性大大降低。但是，韌性并不是說越高也好，韌性較低，不滿足管道的服役條件，會造成大口徑彎管管道的失效，從而造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。但是也不能一味的追求高韌性，韌性過高無形中增材生產(chǎn)成本。有時(shí)也會使焊接接頭的強(qiáng)度、硬度降低，同時(shí)太高的韌性在工程中也不必要，因此，客觀準(zhǔn)確的評價(jià)焊接接頭的韌性顯得格外重要。 

 工程中一般通過夏比沖擊試驗(yàn)來評價(jià)焊接接頭韌性。但是沖擊韌性實(shí)驗(yàn)不能準(zhǔn)確反映大口徑不銹鋼彎管焊接接頭的真實(shí)韌性和彎管的失效機(jī)制。隨著時(shí)代的發(fā)展和斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)在很多工程中使用裂紋尖端張開位移的試驗(yàn)方法來評價(jià)大口徑彎管焊接接頭的韌性。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：裂紋尖端張開位移具有較強(qiáng)的說服力，CTOD值能準(zhǔn)確反映和衡量焊接接頭的韌性。因此這種方法值得我們借鑒和學(xué)習(xí)，為此，本實(shí)驗(yàn)采用了裂紋尖端張開位移實(shí)驗(yàn)方法對焊接接頭的韌性進(jìn)行準(zhǔn)確的評定，而不采用夏比沖擊試驗(yàn)。可以預(yù)測，能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。 CTOD斷裂試驗(yàn)?zāi)壳耙言谟⒚绹⒌聡⑷毡镜劝l(fā)達(dá)國家的管道生產(chǎn)建造中得到大量應(yīng)用。依據(jù)英國BS7448斷裂韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對焊接接頭低溫CTOD試驗(yàn)測試技術(shù)進(jìn)行了探討。

一、裂紋尖端張開位移(CTOD) 

  裂紋尖端張開位移CTOD，是指裂紋體受張開型載荷后原始裂紋尖端處所張開的兩表面的相對距離。盡管定義并不是非常嚴(yán)格，但其卻在工程中得到了廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠淇梢灾苯佑^察并且測量，國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都采用這一定義。CTOD值反映了裂紋尖端的材材抵抗開裂的能力。帶有裂紋的試樣在受力時(shí)，裂紋尖端處有一個(gè)張開位移值，這個(gè)值越大，表明裂紋尖端處材材的抗開裂性能越好，也就是韌性越好；反之而言，這個(gè)值越小，抗開裂性能越差，即韌性越差。通過CTOD能準(zhǔn)確地評價(jià)大口徑不銹鋼彎管的韌性。 更為重要的特點(diǎn)是對大口徑不銹鋼彎管進(jìn)行斷裂韌性測試得到的CTOD值可以準(zhǔn)確解釋管材斷裂、開裂及止裂機(jī)制，測試結(jié)果能夠全面反映殘余應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響等，還能應(yīng)用斷裂力學(xué)理論對其進(jìn)行更深入的研究。 

二、CTOD試驗(yàn)簡介 

  1. 試驗(yàn)所用的主要儀器、設(shè)備 ①. 微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)； ②. YD-15型動態(tài)應(yīng)變儀； ③. 萬能試驗(yàn)機(jī)； ④. X-Y記錄儀； ⑤. 標(biāo)準(zhǔn)測力儀； ⑥. YB型引伸計(jì)檢定儀； ⑦. 微機(jī)控制線切割機(jī)床 CTOD試驗(yàn)裝置示意圖如圖所示。

  2. 試驗(yàn)材材 CTOD實(shí)驗(yàn)的宗旨是評價(jià)大口徑彎管焊接接頭某個(gè)區(qū)工乃至具體到某點(diǎn)的韌性，因此只需設(shè)法讓裂紋尖端落在試樣上的目標(biāo)區(qū)就可以了。本實(shí)驗(yàn)通過CTOD值評價(jià)大口徑對焊成形所得彎管焊縫和母材的韌性，只需把裂紋尖端缺口開在大口徑彎管的焊縫中心和母材區(qū)即可。 通過線切割，把彎管材工成8個(gè)10×20mm2的試件。具體尺寸要求就是試件的寬度W必須是厚度B的2倍。長度L要大于4W。因此長度L只需大于80mm就可以。本實(shí)驗(yàn)中所取得長度L大約為100mm。圖4.3和4.4分別是裂紋尖端缺口開在焊縫中心和母材的8個(gè)試件。 從圖4.3和圖4.4中可見裂紋尖端缺口下面有一個(gè)很窄的小槽，是用鉬絲（鉬絲直徑為0.13）往下材工了1mm。目的是預(yù)制疲勞裂紋，使試件在載荷作用下能夠沿著裂紋的方向垂直斷裂。  

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過實(shí)驗(yàn)證明，CTOD值能較準(zhǔn)確地評價(jià)大口徑不銹鋼彎管焊接接頭的斷裂韌性，能反映焊接殘余應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響，本文通過對大口徑彎管母材和焊縫進(jìn)行CTOD試驗(yàn)測量，能更準(zhǔn)確的分析焊接接頭的低溫韌性以及評定高強(qiáng)鋼的焊接工藝。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在零下200C焊縫處的CTOD均值為1.39，而母材處的CTOD均值為0.82。且都大于0.15。說明大口徑高強(qiáng)度焊縫具有更材優(yōu)良的低溫韌性，焊接工藝良好。