自1989年美国机械工程师学会（ASME）首次提出豁免曲线后，欧美承压设备标准中均采用豁免曲线进行设计。豁免曲线的起源地美国在“二战”后为防止船舶脆断首次提出钢材冲击吸收能量20J。随着断裂力学的发展，综合评估多种脆断因素使之标准化为豁免曲线，从而在承压设备领域广泛应用。
由于承压设备事故危害性大，对焊接脆性也更为关注，豁免曲线覆盖的产品不会发生脆断也就意味着脆性分界线，所以具有相当高的借鉴价值。能够标准化地规避脆断正是焊接脆性研究的目标之一，对于焊接产品的安全性提高有重要参考价值。
冲击试验源于1824年，由Tredgold开始探讨铸铁抵抗冲击的能力， Charpy(夏比)冲击试验机于1905年被设计出来并沿用至今。二战期间（1942年2月至1946年3月)美国海军，4694条焊接钢船中的970条（超过20%）遇到断裂问题。由美国国家标准局（NBS）的Williams M.L和Ellinger G.A,在1948年12月9日发布报告《Investigation of Fractured steel Plates Removed from Welded Ships》，首次提出了钢板冲击吸收能量20J的最低要求，夏比V形缺口（简称CVN）冲击试验也得到广泛认可[1]。
图1 夏比Charpy （1865-1945）及其技术论文[2]
有错误观念以为脆断只发生在低韧性材料，但是断裂力学发现由于材料、设计、制造、载荷的关系，改善造船钢材的冲击韧性并不能消除脆断（速度上限是2000m/s）。下面介绍一个美国材料实验学会（以下简称ASTM）典型的脆断案例[3]。
1972年1月10日，刚服役9个月的178m长的货船Ingram号，在7℃平静水面突然发生断裂，当时的载荷正常（2.5倍于常规载荷），钢材的冲击吸收能量75J。研究结论：在低温和/或快速加载等条件下，主应力σ1、σ2、σ3相等时，塑性材料也可以无变形脆断，即在高载荷与高拘束条件下，塑性材料也会发生脆断。该船舶设计中存在不合理的高应力结构加上压载水误操作，引发了脆断。
反例是冲击吸收能量只有2.7～4J的钢板焊制的稳压罐，服役温度-40℃，成功服役超过45年，该罐设计成简单圆筒，缓慢加载，应力约屈服强度的0.5倍，制造时工艺良好，严格检验。
ASTM结论：拘束度很大的结构，如货船Ingram号，虽然钢材的缺口韧性和延展性非常出色，依然在服役中脆断。与之形成对照，设计良好的简单结构可在钢材缺口韧性很低的情况下成功服役多年。因此拘束度和载荷的优化设计也是防止脆断关键的因素。
图2 脆断后的货船Ingram号
区别于控制钢材冲击吸收能量（20J、27J等固定值）的经验方法，断裂力学是一种量化分析方法，分析对于既定温度、应力水平、缺陷尺寸条件下是否脆断，更加合理与科学。特别是大型、复杂的结构例如桥梁、船舶、建筑、飞行器、压力容器等，工程师可使用断裂力学确定结构设计的许用应力，甚至对在役结构进行合乎使用的评估、延长寿命。
根据断裂力学原理：含有尺寸a的穿透性裂纹材料，在拉应力作用下，当裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料的临界应力强度因子KIC时，该裂纹就失稳扩展，使材料脆性断裂。KIC是材料的固有力学性能，和温度有关，但由于KIC值的试验复杂，测量不同温度下材料的KIC值耗费巨大，十分不便，为此，往往用经验性的CVN冲击吸收能量与断裂韧性KIC值的换算关系式进行计算。有资料指出CVN冲击吸收能量与KIC的关系只适用某些中等韧性水平的材料，而且是经验性的。焊缝和热影响区的数据与许多材料的试验结果不完全吻合，因为它们涉及的问题多，又受许多变量的影响，参考文献[4]也指出这种换算关系以经验为主，并举例ASTM的换算公式对屈服强度690MPa以下的材料相关性要好一些，但而对于屈服强度大于690MPa的材料，冲击吸收能量与KIC换算关系相关性就差一些。
1971年ASME首次提出豁免曲线的理论，结合了当时的断裂力学理论确保材料在假想缺陷下具有足够的韧性[5]；1989年ASME Ⅷ-1中UCS 66 首次使用冲击试验豁免曲线[6]。即依据豁免曲线设计的产品，其材料与焊接接头在豁免冲击的温度内不会脆断。该规则是以线弹性断裂力学理论以及对适用的压力容器钢的韧性试验全面考察的结果为基础的[7]。
ASME冲击试验豁免曲线和欧盟低温设计曲线都基于断裂力学原理和类似的细节规定，区别在于欧洲标准更多的兼容实践经验。
ASME豁免曲线大部分轮廓可以由理论方程直接计算得到，只有端部需要依据实际经验数据修正[8]，而欧盟技术委员会的低温设计曲线是对比分析各国规范，结合工程经验修正得到的，其最终发布的低温设计曲线与理论模型存在一定的偏差[9]。
欧美标准的防脆断设计方法都有断裂力学，已经使用多年。欧标叫低温设计曲线，包括了压力容器规范 BS EN 13445 和压力管道规范 BS EN 13480。欧美影响力大的压力容器标准中均使用断裂力学和豁免曲线：ASME Ⅷ-1 (图3和图4给出了典型豁免曲线)[10]， ASME Ⅷ-2还有多种ASME B31压力管道标准，PD 5500，BS EN 13445。
图3 ASME冲击试验豁免曲线
图4 免除冲击试验设计最低温度的MDMT降低值
各种豁免曲线共同的目的就是设计阶段有效地规避焊接制造的承压设备发生脆断事故，因为豁免曲线以下的区域脆断风险极低，实际上豁免曲线也就成了该领域中焊接脆性的分界线。
拥有了标准豁免曲线的工程领域，只要设计条件符合豁免曲线的要求，无论实际制造和检验过程中是否进行冲击试验，都已经从本质上规避了脆断风险，因而具有很大的实用价值，所以也应该引起焊接脆性研究者的足够重视并纳入理论基础部分。
豁免曲线不能解决焊接脆性的所有问题，适用性局限于以下条件：
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最高温度限于343℃以下，不适用回火脆性（475℃）一类的问题；
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国内的豁免曲线尚未形成，国外标准的豁免曲线无法在国内标准体系下使用。
欧美标准的豁免曲线如此普及，而国内的标准却没有出现类似设计曲线，为什么呢？
国内已经开始了豁免曲线相关项目，在重点研发计划项目“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”(项目编号：2016YFC0801900)课题2中设立的子任务03“基于断裂力学的低温压力容器防脆断设计技术研究”（任务编号：2016YFC0801902-03）。该任务以深冷压力容器典型材料为研究对象，通过分析、对比、借鉴欧美低温压力容器防脆断设计理念，结合国产低温材料的产品特性和工程实践，推导我国低温压力容器典型材料的低温设计曲线[9]。
此外还需要足够的材料低温试验基础数据积累，以绘制出基本的材料算图 [11]。如同ASME Ⅷ-1 UCS-66 一样，冲击试验豁免曲线大部分轮廓可以由理论方程直接计算得到，但也需要实际数据验证，最后公布的豁免曲线与最初计算的豁免曲线相比，最大的差别在最右侧，厚度最大区域，Corten教授的计算曲线根据实践数据进行了修正，参见图5。
图5 记录在案的，基于计算的最初断裂力学假设的豁免曲线与公开的曲线比较
断裂力学上升成为标准：需结合上述材料标准发展和工程实践，多学科合作，并和标准的执行、检定机制相结合[12]。
淘汰落后钢铁产能和低劣品质钢材，能整体上降低国产材料的脆性，也是豁免曲线的条件之一。
发达国家比国内更重视断裂力学，相关标准更新也快，例如：断裂韧度主要测试标准为ASTME1820和ISO 12135[13]。国内类似项目2017年获国家自然科学基金及省公益类重点资助项目，GB/T 21443-2014[14]也修改采用了ISO 12135—2002，但2017年3月，ISO 12135和ASTM E1820都更新为2016年版，其中ASTM E1820更是在2011年至2017年共更新4次，近五年（2015年至2018年）每年都在更新。相比之下，国内这方面投入还有待加大。
通过了解欧美标准中的豁免曲线对比焊接脆性，有以下结论：
（1）适用豁免曲线的领域内，豁免曲线就是焊接脆性的分界线。
（2）焊接脆性研究涉及的领域和范围更大，有广阔的发展空间。
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[2]L TÓTH, ROSSMANITH H P ,SIEWERT T A . Historical background and development of the Charpy test[J].European Structural Integrity Society, 2002, 30:3-19.
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[14] 全国钢标准化技术管理委员会.金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法：GB/T 21143—2014 [S].北京：中国标准出版社，2015.
段凯扬，男，本科，高级工程师，现从事海洋工程国际项目的现场焊接技术、材料、无损检测和质量管理方面工作。
