Toughness, tensile properties and fracture behaviour of structures in modern steels

Toughness, tensile properties and fracture behaviour of structures in modern steels

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Industrial research and development

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Commission of the European Communities
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Properties and service performance
Toughness, tensile properties and fracture
behaviour of structures in modern steels s
Commission of the European Communities
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Properties and service performance
Toughness, tensile properties and fracture
behaviour of structures in modern steels
R. D'Haeyer, J. Defourny
Centre de recherches métallurgiques
Rue Ernest Solvay 11
B-4000 Liège
Contract No 7210-KE/205
(1 July 1986 to 30 June 1989)
Final report
Directorate-General
Science, Research and Development
PARL EUROP Biblioth.
1991
N c EUR 13281 EN Published by the
COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES
Directorate-General
Telecommunications, Information Industries and Innovation
L-2920 Luxembourg
LEGAL NOTICE
Neither the Commission of the European Communities nor any person
acting on behalf of the Commission is responsible for the use which might
be made of the following information
Cataloguing data can be found at the end of this publication
Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1991
ISBN 92-826-0539-6 Catalogue number: CD-NA-13281-EN-C
© ECSC-EEC-EAEC, Brussels • Luxembourg, 1991
Printed in Luxembourg RESUME
Le but de cette recherche était d'étendre à une plus grande gamme de
température d'une part, et aux joints soudés d'autre part, un modèle
proposé par le C.R.M. pour calculer dans les essais WIDE PLATE la taille
des défauts critiques selon le critère de plastification généralisée, à
partir des propriétés de traction et de resilience du métal de base.
A cette fin, l'étude expérimentale a porté sur des aciers produits
par refroidissement accéléré des nuances Fe E420 ou API X60 - X70, et
d'épaisseur comprise entre 7 et 20 mm. Outre la température de -20°C
considérée jusqu'alors, des essais jusque -60°C ont été conduits sur des
•éprouvettes du métal de base affecté d'un défaut traversant de forte
acuité. Sur les joints soudés, des essais WIDE PLATE avec défauts traver­
sants ont été réalisés entre -20 et -40°C. Différents choix du métal
d'apport et de l'énergie de soudage ont été retenus. L'influence exercée
par les tensions internes a été appréciée au moyen de mesures par jauges de
contrainte.
L'exploitation théorique de ces résultats a tout d'abord confirmé la
validité du modèle proposé et a permis ensuite d'étendre sa portée en
considérant pour les joints soudés les propriétés de traction et de
resilience non seulement du métal de base mais encore du métal d'apport et
de la zone affectée par la chaleur. C'est ainsi que, pour citer les
contributions essentielles de cette étude :
une nouvelle notion de MATCHING entre métaux de base et d'apport est
proposée selon laquelle cette condition est remplie lorsque les deux
métaux conduisent, à partir de leurs résistance et ténacité combinées
à une même longueur de défaut critique ;
le comportement à la rupture d'un assemblage soudé est aussi régi par
les propriétés locales de la HAZ et par l'interaction de la dureté et
de la resilience des différentes zones constituant celle-ci. Les données expérimentales et le modèle CRM de prévision montrent
ainsi que le comportement à la rupture des joints soudés est fortement régi
par les propriétés du métal d'apport et l'énergie de soudage. Des critères
objectifs de sélection de l'un et l'autre sont proposés de façon à unifor­
miser la taille critique des défauts propres dans les trois constituants du
joint soudé (métal d'apport, HAZ, métal de base).
Lorsque ces conditions sont appliquées aux aciers produits par
refroidissement accéléré, les résultats des essais montrent que ceux-ci
affichent à l'état soudé un très bon comportement vis-à-vis de la rupture
comparable à celui observé sur le métal à l'état de réception.
IV -SUMMARY
The aim of this research was to extend on the one hand to a
larger temperature range, and on the other hand to welded joints, a CRM model
for calculation of critical defect lengths in WIDE PLATE tests, according to
the full yield criterion, using as entry parameters the tensile and the impact
Charpy properties of the base metal.
The experimental study concerns steels produced by accelerated
cooling, in the grades Fe E420 or API X60-X70, with thicknesses between 7 and
20 mm. Besides the temperature of -20'C, tests were performed down to -60'C on
specimens of base metal having a sharp through thickness defect. On welded
joints, WIDE PLATE tests, with through thickness defects were performed between
-20 and -40'C. Various choices of weld metal and welding heat inputs were
considered. The influence of internal stresses was measured by means of
strain-gages.
In a first step, the comparison of these results with theoretical
predictions has confirmed the value of the proposed model for base metal. In a
second step, the theoretical model has been extended to welded joints by
considering also the tensile and impact toughness properties of weld metal and
of heat affected zone (HAZ) in complement of those relating to base metal.
The basic contributions of this study are :
a new MATCHING concept between weld and base metal is proposed , in which
this condition is fulfilled when both metals lead from their combined
tensile and impact toughness properties to a same critical defect length ;
the assessement of fracture behaviour of welded joints is also governed by
the local properties of HAZ, and by the interaction of hardness and
toughness in the various areas constituting the HAZ. Experimental data and CRM model show that the fracture behaviour
of welded joints strongly depends upon weld metal properties and heat input.
Quantitative criteria for selection of weld metal and heat input are proposed,
so as to balance the critical defect lengths in the three regions of the joint
(weld metal, HAZ, base metal).
When those conditions are applied to steels processed by accele­
rated cooling, the test results highlight that such products display in the
welded condition a favourable fracture behaviour, comparable to that observed
for the metal in the as-received situation.
VI ZUSAMMENFASSUNG
Das Ziel dieser Untersuchung bestand in der Ausweitung des Anwen­
dungsbereiches eines vom CRM vorgeschlagenen Modells einerseits auf einen
grösseren Temperaturbereich und andererseits auf Schweißverbindungen. Das
Modell ist dazu bestimmt, die kritischen Fehlerlängen in großen Flach­
zugproben (WIDE PLATE) nach dem Kriterium des "Allgemeinen Fließens" ("FULL
YIELD") aus den Eigenschaften des Werkstoffes, die im Zug- und Kerbschlag­
biegeversuch bestimmt werden, zu berechnen.
Zu diesem Zweck werden Versuche an Stähle der Güte Fe E420 oder API
X60-X70 mit Dicken zwischen 7 und 20 mm durchgeführt. Zusätzlich zu der
schon betrachteten Temperatur von -20°C wurden Versuche bis -60°C mit "CCT"
Mittenfehlern im Grundwerkstoff durchgeführt. In den Schweißverbindungen
'wurden CCT Grosszugversuche zwischen -20°C und -40°C durchgeführt. Ver­
schiedene Zusatzwerkstoffe und Wärmeeinbringen wurden untersucht. Der
Einfluss der Eigenspannungen wurde durch "strain-gages" bestimmt. Die
theoretische Auswertung dieser Ergebnisse hat zuerst die Gültigkeit des CRM
Modells bestätigt. Danach konnte sein Anwendungsbereich durch Berücksichti­
gung der Zug- und Kerbschlageigenschaften nicht nur des Grundwerkstoffs
sondern auch auf Schweißverbindungen mit Zusatzwerkstoff und WEZ erweitert
werden. Die Kernpunkte dieser Untersuchung sind folgende :
eine neue "MATCHING" Bedingung für Grundwerkstoff und Zusatzwerk­
stoff, die dann erfüllt ist, wenn sich für diese Metalle, ausgehend
von ihrer Zugfestigkeit und Kerbschlagzäghigkeit, gleiche kritische
Fehlerlängen ergeben ;
das Bruchverhalten einer Schweißverbindung wird durch die örtlichen
Eigenschaften der WEZ und durch die gegenseitige Beeinflussung von
Härte und Kerbschlagzähigkeit der unterschiedlichen Zonen der WEZ
bestimmt.
Die experimentellen Ergebnisse und das CRM Modell zeigen, daß das
Bruchverhalten der Schweißverbindungen durch die Eigenschaften des Zusatz­
werkstoffes und das Wärmeeinbringen bestimmt werden. Sachliche Kriterien
der Auswahl für den Zusatzwerkstoff und für das Wärmeeinbringen werden
vorgeschlagen, um die kritischen Fehlerlängen in den drei Bereichen der
Schweißverbindungen (Zusatzwerkstoff, WEZ, Grundwerkstoff) zu homogenisie­
ren. Weiterhin ergab sich, daß die beschleunigt gekühlte Stähle ein
günstiges Bruchverhalten aufweisen.
-VII -LEGENDE DES TABLEAUX
Tableau I Présentation des aciers testés.
Tableau II Compositions chimiques.
Tableau III Propriétés mécaniques.
Tableau IVs de resilience.
Tableau V Valeurs mesurées des défauts critiques pour les essais
WIDE PLATE sur métal de base.
Tableau VI Propriétés des métaux d'apport.
VIII -