ASME中MDMT的来龙去脉-防脆断失效

最早的ASME Ⅷ并未涉及防止容器的脆性断裂。在实际工程应用中，特别是在压力试验时发生了多起脆性断裂事故才逐步的开始引起注意。首次列入的防脆断措施，是根据美国国家标准局对二次大战期间发生的上百起船舶在低温环境下失效事故所得出的分析，为防止船舶和压力容器低温下的脆性断裂，需将材料的夏比V型缺口冲击试样的冲击功加以限制作为应对材料防止发生脆断能力的指标。在当时，压力容器材料一般都属于中低强度钢，所以这一措施在当时的一段时间内为防止压力容器的脆断起到了一定的作用。但随着中高强度、高强度钢在压力容器中的广泛应用，采用传统的的夏比V型缺口冲击试验作为防脆断的唯一手段已显得不足且暴露的问题越来越多。如下两种原因的分析：

（1）强度高、延塑性差的材料和强度低、延塑性好的材料在冲击功指标上可能十分接近，但二者的防脆断能力却会相差很大。如下图所示，曲线OABC分别为ⅠⅡⅢ三种材料的冲击力和挠度关系曲线，该曲线所包围的面积即为冲击功，因而这三种材料的冲击功可能相近，但所能承受的冲击力和变形可能会有很大的差距，即虽然可承受的冲击功相近，但防脆断能力会相差很大。 

（2）由弹性力学中关于平面应力和平面应变状态的分析可知，对于同一材料，当较薄时两自由表面不受约束，承载时离板面的大部分材料在厚度方向容易变形，为平面应力状态，具有较好的防脆断能力；当较厚时除接近两自由表面处的少量材料外，离表面的大多数材料都受到约束，承载时离板表面的大部分材料在厚度方向不容易变形，为平面应变转台，呈现较差的防脆断能力，这一现象对中低强度钢表现尤为明显。

综上两点说明：传统的夏比V型缺口试验的冲击功指标的制定既未考虑材料的不同也未考虑到元件厚度、应力水平大小等因素的影响，因而作为判别材料防脆断能力的指标，并不可靠。 

基于断裂力学的冲击功指标的制定

随着断裂力学学科的发展，认识到以断裂力学原理来分析不同材料在不同应力水平、不同元件厚度或几何缺陷时是否会引起脆性断裂的方法，远比建立在既有经验基础上制定的冲击功指标要合理和科学。根据断裂力学原理，对于具有一定尺寸的穿透性裂纹材料，在拉伸应力作用下，当裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料的临界应力场强度因子KC时，该裂纹就会失稳扩展，最终使材料发生脆性断裂。公式表示如下:

临界应力场强度因子KC是材料的一种固有力学性能，可以由专门的试验来测定。判别准则：如果KI＜KC，则表明该元件不会发生低温脆断，所以不必对材料、结构和制造方面采取相应的防脆断措施，即使在某一较低温度下操作，也不必去考虑低温脆断发生的可能性；如果KI≥KC，则说明该元件即使操作温度不是很低，也有可能发生脆断，必须采取包括测量并评定K在内的防脆断措施并在材料、结构和制造方面采取相应的措施。但由试验确定KC的过程很复杂，且与温度等因素有关，要测量在不同温度下的KC值不仅会耗费大量的人力、物力和财力等，在工程实际应用上也会带来诸多不便。为此，基于前人在一定条件下所得的KC值和夏比冲击功值在数值上的对应关系，将KC值相应的换算成冲击功值，因而在规范中虽然采用的是断裂力学原理，但在形式上仍然采用测量并评定夏比V型冲击功值指标作为判定依据，但采用断裂学原理制订的冲击功指标显然已经很科学和合理了，这也是ASME标准制定的依据所在。 

ASME Ⅷ-1防脆断判断和冲击温度确定

1．未经各项调整时的判断

根据上述断裂力学原理中基于应力场强度因子的判别方法，ASME标准综合考虑了材料种类、元件厚度（代表缺陷尺寸）、应力水平和最低金属设计温度等因素，作出了判断是否需要采取防脆断措施的判别图，以方便广大工程人员更为直观和方便的在工程实际应用。判别图如下所示（引自ASME Ⅷ-1 UCS-66）： 

该图以元件的最低设计金属温度MDMT（Minimum Design Metal Temperature）为纵坐标，公称厚度为横坐标，A，B，C，D分别代表四种材料。当MDMT和厚度的相交点位于对应曲线的上方时，则说明材料在此温度下不会发生脆断，不必采取防脆断措施，规范中称为“免除（豁免）冲击试验”；相反，当MDMT和厚度的相交点位于对应曲线的下方时，则存在发生脆断的可能，必须采用相应的措施防止脆断的发生，如在改MDMT下进行冲击试验等并满足一定的冲击功指标。

2．计及各项调整时的判断

上述的判别曲线未考虑受压元件的实际情况，例如：受压元件一般不会在满强度时工作，在不同的应力水平下，脆断产生的可能性不同；进行了焊后热处理的元件防脆断性能会有所改善；厚度的不同会呈现出不用的防脆断性能；对于某些中、低强度材料，由于其防脆断性恩能够较好，所以可免除冲击试验的条件可有所不同；冲击试验总是在快速加载条件下完成的，而实际上测定KC值是在缓慢的加载条件下得到的。基于上述的一些实际情况，标准中均给予了一定的考虑，并对判别曲线和冲击试验温度均作了相应的调整。

（1）计及元件所处应力水平高低对判断温度的调整：当元件处于低应力状态时，无疑防脆断性能比高应力状态时高，基于这点，在低应力状态下冲击试验所需的判别温度可相应调低。标准已制定了随着元件应力水平的降低，需要进行冲击试验的温度可以降低多少值的关系图，如下图所示（引自ASME Ⅷ-1 UCS-66.1）： 

上图中以元件所需的厚度与名义厚度之比tr/tn为纵坐标，表示元件所处的应力水平的高低；以温度为横坐标，表示需要进行冲击试验时，温度可以降低到多少值。比如：tr/tn=1时，即满强度工作时，冲击试验必须在规定的温度下进行判别，当tr/tn=0.5时，冲击试验温度可在规定温度降低30℃时的值作为判别依据。

（2）当进行了不是由于标准规定所要求的（即额外的）焊后热处理时，在一定条件下免除冲击试验的温度可予以降低。焊后热处理可以改善材料的性能并降低或消除焊接残余应力，从而提高防脆断性能。因而标准中在UCS-68(c)中规定：当标准并未要求做热处理，而实际上却进行了焊后热处理，则冲击试验可按降低17℃的时的温度值来查询豁免曲线作为判别是否可以豁免的依据。

（3）采用小尺寸试样时对冲击试验温度的调整。标准中明确规定：当元件厚度足以允许制作截面为10mm×10mm标准尺寸试样时，应制作标准试样进行冲击试验；当元件厚度大于等于10mm，但制作的试样的宽度不足8mm时，则试验温度应比设计时采用的最低温度（MDMT）要低，可降低多少值由下表确定（引自ASME Ⅷ-1 表UG-84.2）；当元件厚度小于10mm，而能制作的最大V型缺口试样的宽度小于厚度的80%时，则试验温度同样应比设计时采用的MDMT姚笛，所低的值=元件实际厚度由下表对应的温度降低值-实际试样宽度由下表对应的温度降低值。原因在于：这种调整反映出了因所取试样较薄、中低强度钢呈现出防脆断性能有所改善而对冲击试验温度所做的调低，已抵消对同一材料因采用小尺寸试样所得的偏高的冲击功值。 

（4）冲击试验和静加载试验加载速度不同的影响。容器的承载和测量临界应力场强度因子KC的静加载基本上不存在加载速度的差别，但用冲击试验测量冲击功值的加载速度和测量KC时的加载速度则差别很大，不能忽略这一因素的影响。前述分析可知，判别是否需要采取防脆断措施的思路是以KC为临界点判别的，只是由于测量KC不容易，所以才采用在数值上和KC值有一定关系的冲击功值作为判别。对于高强度钢，加载速度的差别对防脆断性能的影响不显著，而对于中、低强度钢，则影响显著，为调整这种差异，需将冲击功试验温度适当提高，即提高冲击功值来弥补二者之间的差异。标准中根据材料的屈服强度值，列出了重接试验温度可以高于MDMT的值，如下表所示（引自ASME Ⅷ-1 表UG-84.4）： 

以某一受压元件1并采用B曲线表示的材料为例，说明在标准中查询冲击试验豁免曲线的应用。如下图所示： 

上图分析：设计容器时所取的最低设计金属温度MDMT，即未经调整的判别温度用水平虚线表示。如图中MDMT1位于B曲线上方时，则表明可以免除冲击试验；如图中MDMT2位于B曲线下方时，则表明不能免除而需要做冲击试验。但如果属于低应力状态或标准并未要求做焊后热处理而实际做了焊后热处理，则对是否需要进行冲击试验的判别温度都可以由曲线的相交点予以调低，即相当于将材料曲线向下平移（如图中红色虚线所示位置），如上图中未做调整时元件1在5℃以下就需要做冲击试验，而调整后元件1在-12℃时才需要做冲击试验，需要做冲击试验的温度要求降低了17℃。当元件属于中、低强度钢时，冲击试验温度需按前所述予以调高（如上图4所示）；当采用小尺寸非标准尺寸试样进行冲击试验时，冲击试验温度需按前所述按表予以调低（如上图5所示）。

同理，对于一台容器上的多个其它元件均需按上述方法一一进行冲击试验豁免的判断或所需最低冲击试验温度的确认，最后取容器中各元件所允许的最低设计温度中的最高值作为该容器所允许的MDMT，并需标明在ASME铭牌上，意指防止发生脆断，该容器的操作温度不允许低于此值。

以上所述ASME设备中MDMT的由来，由笔者学习丁老师的相关资料并结合自己的一点理解整理总结出来，如有不当之处，还请不吝批评指正。