Fracture toughness evaluation and material performance optimization model of the low alloy steel at different temperatures

TONG Dihua; XU Yuhao; HUANG Yanqing; ZHOU Song; AN Jinlan; QIAN Zhaoxing

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.010

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Fracture toughness evaluation and material performance optimization model of the low alloy steel at different temperatures

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-07-17

- Fracture toughness evaluation and material performance optimization model of the low alloy steel at different temperatures
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 85-93(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100086
  2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100086
  3.中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京 100086
  4.沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110136
  5.飞行器快速试制技术研究教育部重点实验室，沈阳 110136
  6.沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点实验室，沈阳 110136
  7.沈阳飞机设计研究所，沈阳 110135
- 作者简介：
  
  ZHOU Song, E-mail: zhousong23@163.com
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation(52105157);China Postdoctoral Science Foundation(2023MD734242);Key Projects of Liaoning Provincial Department of Education(JYTZD2023007)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.010
  CLC： TG113.25
- Received：20 September 2024，
  
  Revised：2024-11-20，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
童第华，徐誉浩，黄研清，等. 不同温度下低合金钢的断裂韧性评价及材料性能适配选优模型［J］. 机械强度，2026，48（7）：85-93.

Tong Dihua，Xu Yuhao，Huang Yanqing，et al. Fracture toughness evaluation and material performance optimization model of the low alloy steel at different temperatures［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：85-93.
童第华，徐誉浩，黄研清，等. 不同温度下低合金钢的断裂韧性评价及材料性能适配选优模型［J］. 机械强度，2026，48（7）：85-93. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.010.

Tong Dihua，Xu Yuhao，Huang Yanqing，et al. Fracture toughness evaluation and material performance optimization model of the low alloy steel at different temperatures［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：85-93. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.010.

摘要

目的

核电用低合金钢长期服役于高温重载环境，现有断裂韧性评价方法缺乏量化断口形貌的数学手段，且未建立综合多性能参数的服役温度选优方法，因此，开展了不同温度下低合金钢断裂韧性评价及性能适配选优研究。

方法

首先，依据ASTM E8/E8M-22、ASTM E21-20及ASTM E1820标准，开展23、50、350 ℃条件下的拉伸与断裂韧性试验，获取材料力学性能与断裂韧性数据；其次，采用光学显微镜与扫描电子显微镜，分析不同温度下材料显微组织与断口形貌的变化规律；然后，提出韧-脆转换区域长度比作为断裂韧性的新评价指标，建立其与断裂韧性的量化关系；最后，构建考虑断裂韧性、有效屈服强度和断后延伸率的适配性（Fracture toughness-yield strength-Elongation

FYE）选优模型，求解最优服役温度。

结果

结果表明，当温度从23 ℃升高至350 ℃时，低合金钢断裂韧性平均值由0.703 9 kJ·mm

1/2

降低至0.431 6 kJ·mm

1/2

；铁素体含量降低、贝氏体含量升高，位错阻碍作用减弱是断裂韧性下降的主要机制；韧-脆转换长度比与断裂韧性呈指数关系，可快速预测材料断裂韧性；FYE选优模型计算得到最优服役温度为130 ℃，为核电关键部件设计提供参考。

Abstract

Objective

Low alloy steel for nuclear power is prone to damage under long-term service in high-temperature and heavy-load environments. Existing fracture toughness evaluation methods lack mathematical means for quantifying fracture morphology

and no service temperature optimization method integrating multiple performance parameters has been established. Research on fracture toughness evaluation and performance adaptation optimization of low alloy steel at different temperatures was carried out.

Methods

Firstly

tensile and fracture toughness tests were conducted at 23 ℃

50 ℃ and 350 ℃ in accordance with ASTM E8/E8M-22

ASTM E21-20 and ASTM E1820 standards to obtain material mechanical properties and fracture toughness data. Secondly

optical microscope and scanning electron microscope were used to analyze the variation laws of material microstructure and fracture morphology at different temperatures. Then

the length ratio of ductile-brittle transition zone was proposed as a new evaluation index of fracture toughness

and the quantitative relationship between it and fracture toughness was established. Finally

the fracture toughness-yield strength-elongation (FYE) optimization model considering fracture toughness

effective yield strength and elongation after fracture was constructed to solve the optimal service temperature.

Results

The results show that when the temperature increases from 23 ℃ to 350 ℃

the average fracture toughness of low alloy steel decreases from 0.703 9 kJ·mm

1/2

to 0.431 6 kJ·mm

1/2

. The decrease of ferrite content

increase of bainite content and weakening of dislocation hindrance are the main mechanisms for the reduction of fracture toughness. The length ratio of ductile-brittle transition zone has an exponential relationship with fracture toughness

which can quickly predict the fracture toughness of materials. The optimal service temperature calculated by the FYE optimization model is 130 ℃

which provides reference for the design of key nuclear power components.

关键词

Keywords

references

韩豫，周微，徐晔，等 . 应变强化奥氏体不锈钢压力容器的变形规律研究［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 2 ）： 409 - 415 .

Han Yu ， Zhou Wei ， Xu Ye ， et al . Study on the deformation law of cold-stretching for austenitic stainless steel pressure vessel ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 2 ）： 409 - 415 . （In Chinese）

Lin S R ， Chou H W ， Chen J J . International case survey and literature review of maintenance strategy for decommissioning nuclear power plant during transition period ［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping ， 2022 ， 198 ： 104654 .

Wu S W ， Zhang Z . Long term ageing effect on fracture toughness of the GTAW welded joints for nuclear power main pipelines ［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping ， 2020 ， 188 ： 104250 .

Chopra O K ， Shack W J . A review of the effects of coolant environments on the fatigue life of LWR structural materials ［J］. Journal of Pressure Vessel Technology ， 2009 ， 131 （ 2 ）： 021409 .

Anderson T L . Fracture mechanics：fundamentals and applications ［M］. 4th ed . Boca Rton ： CRC Press ， 2017 ： 560 - 635 .

Moskvichev E V . An evaluation of the fracture toughness of a thin-walled pressure vessel with account for the structural and mechanical inhomogeneity of the welded joint ［J］. Journal of Machinery Manufacture and Reliability ， 2015 ， 44 （ 2 ）： 135 - 139 .

吴海利，孙林根 . 新型转子钢FW2高温断裂韧性实验研究［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 1 ）： 232 - 238 .

Wu Haili ， Sun Lingen . Experimental research of fracture toughness on new rotor steel FW2 at elevated temperature ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 232 - 238 . （In Chinese）

邹广平，吴松阳，闫安石，等 . 基于CT试样的动态断裂韧性尺寸影响因素试验研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1326 - 1331 .

Zou Guangping ， Wu Songyang ， Yan Anshi ， et al . Experimental study on influence factors of dynamic fracture toughness size based on CT sample ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1326 - 1331 . （In Chinese）

许天旱，冯耀荣 . Ⅲ型载荷分量对不同显微组织套管钻井用钢断裂韧性的影响［J］. 材料工程， 2015 ， 43 （ 9 ）： 66 - 73 .

Xu Tianhan ， Feng Yaorong . Influence of mode Ⅲ load component on fracture toughness of casing-drilling steels with different microstructures ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2015 ， 43 （ 9 ）： 66 - 73 . （In Chinese）

赵家鑫，王国珍，涂善东，等 . 不同材料延性断裂韧性与裂尖拘束的关联及其影响因素分析［J］. 压力容器， 2022 ， 39 （ 2 ）： 24 - 33 .

Zhao Jiaxin ， Wang Guozhen ， Tu Shantung ， et al . Correlation between ductile fracture toughness of different materials and crack-tip constraint and analysis of influencing factors ［J］. Pressure Vessel Technology ， 2022 ， 39 （ 2 ）： 24 - 33 . （In Chinese）

杨长树，陈策，杨平，等 . 奥氏体化温度对超强耐热齿轮轴承钢显微组织和强韧性的影响［J］. 材料工程， 2023 ， 51 （ 2 ）： 98 - 105 .

Yang Changshu ， Chen Ce ， Yang Ping ， et al . Effect of austenitizing temperature on microstructure，strength and toughness of gear and bearing steel with ultrahigh strength and high heat-resistant ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2023 ， 51 （ 2 ）： 98 - 105 . （In Chinese）

钟群鹏，赵子华，张峥 . 断口学的发展及微观断裂机理研究［J］. 机械强度， 2005 ， 27 （ 3 ）： 358 - 370 .

Zhong Qunpeng ， Zhao Zihua ， Zhang Zheng . Development of "fractography" and research of fracture micromechanism ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2005 ， 27 （ 3 ）： 358 - 370 . （In Chinese）

李博，刘新宝，朱麟，等 . 基于变形机制的P91钢蠕变行为分析［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 1 ）： 198 - 202 .

Li Bo ， Liu Xinbao ， Zhu Lin ， et al . Deformation-mechanism-based modeling of creep behavior of P91 steel ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 198 - 202 . （In Chinese）

王良，周芙蓉，胡议文，等 . X80管线钢焊接接头HAZ断裂韧性研究［J］. 塑性工程学报， 2023 ， 30 （ 10 ）： 212 - 220 .

Wang Liang ， Zhou Furong ， Hu Yiwen ， et al . Study on HAZ fracture toughness of X80 pipeline steel welded joints ［J］. Journal of Plasticity Engineering ， 2023 ， 30 （ 10 ）： 212 - 220 . （In Chinese）

郭鹰，杨尚玉，周聪，等 . LNG储罐用9Ni钢-196 ℃焊缝断裂韧性及断口分析［J］. 压力容器， 2022 ， 39 （ 11 ）： 9 - 15 .

Guo Ying ， Yang Shangyu ， Zhou Cong ， et al . Fracture toughness and fracture analysis of 9Ni steel weld at -196 ℃ for LNG storage tank ［J］. Pressure Vessel Technology ， 2022 ， 39 （ 11 ）： 9 - 15 . （In Chinese）

韦卫昌，马志民，张梦晗，等 . Cu含量对Al-9.0Zn-1.5Mg- x Cu合金断裂韧性的影响［J］. 中国有色金属学报， 2022 ， 32 （ 11 ）： 3245 - 3256 .

Wei Weichang ， Ma Zhimin ， Zhang Menghan ， et al . Effect of Cu content on fracture toughness of Al-9.0Zn-1.5Mg- x Cu alloys ［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals ， 2022 ， 32 （ 11 ）： 3245 - 3256 . （In Chinese）

Gao W H ， Chen K ， Guo X L ， et al . Fracture toughness of type 316LN stainless steel welded joints ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2017 ， 685 ： 107 - 114 .

李鹤飞，张鹏，张哲峰 . 高强钢断裂韧性与疲劳裂纹扩展评价方法研究进展［J］. 机械工程学报， 2023 ， 59 （ 16 ）： 18 - 31 .

Li Hefei ， Zhang Peng ， Zhang Zhefeng . Research progress on evaluation methods of fracture toughness and fatigue crack propagation of high strength steel ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 16 ）： 18 - 31 . （In Chinese）

赵庚，方金祥，张显程 . 基于微米压入的延性金属单轴拉伸性能与断裂韧性评价技术研究进展［J］. 机械工程学报， 2023 ， 59 （ 2 ）： 51 - 68 .

Zhao Geng ， Fang Jinxiang ， Zhang Xiancheng . Review of techniques for evaluating the uniaxial tensile properties and fracture toughness of ductile metallic materials based on micron indentation ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 2 ）： 51 - 68 . （In Chinese）

余圣甫，吴伟，李志远，等 . 单试样 J - R 阻力曲线测试技术及其应用［J］. 机械强度， 2002 ， 24 （ 2 ）： 270 - 272 .

Yu Shengfu ， Wu Wei ， Li Zhiyuan ， et al . Test techniques of J - R curve on single specimen and application ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2002 ， 24 （ 2 ）： 270 - 272 . （In Chinese）

蔡力勋，包陈 . 金属材料延性断裂韧度测试中的柔度方法研究［J］. 航空学报， 2010 ， 31 （ 10 ）： 1974 - 1984 .

Cai Lixun ， Bao Chen . Investigation on compliance test method for ductile fracture toughness of metallic materials ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2010 ， 31 （ 10 ）： 1974 - 1984 . （In Chinese）

ASTM E 8/E 8M-22 Standard test methods for tension testing of metallic materials ［S］.

ASTM E21-20 Standard test methods for elevated temperature tension tests of metallic materials ［S］.

ASTM E1820 Standard test methods for measurement of fracture toughness ［S］.

刘昶，王章琼，苏亮亮，等 . 建筑3D打印胶凝材料工程性能评价体系研究［J］. 混凝土与水泥制品， 2023 （ 12 ）： 28 - 33 .

Liu Chang ， Wang Zhangqiong ， Su Liangliang ， et al . Research on evaluation system of engineering performance of cementitious materials for building 3D printing ［J］. China Concrete and Cement Products ， 2023 （ 12 ）： 28 - 33 . （In Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Study on fracture toughness of commercially pure titanium based on small punch test

STUDY ON A508 STEEL CONSTRAINT RELATED FRACTURE TOUGHNESS OF NUCLEAR POWER MAIN PIPELINE UNDER DIFFERENT VERTICAL EARTHQUAKE LOADS

STUDY ON MODE III FRACTURE TOUGHNESS OF ADHESIVE BONDED STRUCTURE

EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE FACTORS OF DYNAMIC FRACTURE TOUGHNESS SIZE BASED ON CT SAMPLE

COMPARISON OF DIFFERENT THERMAL AGING PREDICTION MODELS OF CAST AUSTENITIC STAINLESS STEEL

Related Author

LI Jun

DAI Qiao

HAO Long

CHEN Haofeng

CUI Wei

GUO Guoliang

YUAN Hongwei

YANG Jie

Related Institution

School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology

Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, Ministry of Education, East China University of Science and Technology

Yanfeng Automotive Intelligent Safety System Co., Ltd.

Anhui Ronds Science & Technology Incorporated Company

School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology

⁰