CTOD試驗(yàn)J積分聯(lián)合測(cè)試方法與相關(guān)問題商榷

李永信

摘 要：本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，闡述了聯(lián)合測(cè)試方法的整個(gè)測(cè)試過程。用此方法測(cè)試了S355ML厚鋼板的CTOD與J積分的實(shí)驗(yàn)值，為香港西部通道工程材料做出了可靠的評(píng)定。在預(yù)制裂紋平直度方面提出了高K比的方法，保證了裂紋前沿的平直度，在測(cè)試使用的大小試件，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)公差問題提出可行的建議。

關(guān)鍵詞：裂紋尖端張開位移（CTOD）；J積分；CTOD試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.概述

在新產(chǎn)品的開發(fā)與研究中，冶金因素及工藝因素對(duì)金屬材料斷裂韌性的影響很大，用CTOD方法和J積分理論得出的值可以用來(lái)評(píng)價(jià)這些因素對(duì)金屬斷裂韌性的影響程度。在一些大型的焊接結(jié)構(gòu)中，焊后熱處理的可用性和實(shí)用性也不是絕對(duì)的。有時(shí)焊后熱處理還會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)。由此，需要有一種評(píng)價(jià)焊接接頭韌性的方法，確定一個(gè)恰當(dāng)?shù)捻g性指標(biāo)。而CTOD和J積分值就可以作為母材、焊接金屬和焊接熱影響區(qū)的制造質(zhì)量控制和驗(yàn)收規(guī)范的依據(jù)。根據(jù)這些指標(biāo)，在構(gòu)件建造過程中可以合理地選擇焊接材料、焊接工藝和方法，以保證焊接接頭的韌性。對(duì)增加結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的需求，導(dǎo)致對(duì)包括橋梁、飛機(jī)和核壓力容器在內(nèi)的許多結(jié)構(gòu)形式的各種斷裂做出一種評(píng)定，CTOD和J積分值可用于建立在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的缺陷評(píng)定規(guī)范。

2.CTOD與J積分試驗(yàn)原理

2.1 J積分試驗(yàn)原理

首先介紹一下加工試樣的要求，見圖2-1，標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸比例及公差。

圖2-1 標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸比例及公差

J積分是一個(gè)定義明確，理論嚴(yán)密的應(yīng)力，應(yīng)變場(chǎng)參量，它的實(shí)驗(yàn)測(cè)定也比較簡(jiǎn)單可靠。測(cè)試J積分的依據(jù)是J積分與形變功之間的關(guān)系

（2-1）

式中U是外界對(duì)試樣所做的形變功，包括彈性功和塑性功兩部分， 是裂紋長(zhǎng)度，B是試樣厚度。單試樣法可以測(cè)定J積分的特征值。對(duì)于三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣，加載并記錄加載點(diǎn)的位移，繪成載荷與加載點(diǎn)位移曲線，即F-δ曲線。J積分的表達(dá)式為：

（2-2）

式中W為試樣高度，外力變形功為：

（2-3）

F為外載荷，δ為加載點(diǎn)位移，U值即為F-δ曲線下方的圖解積分值。

2.2 CTOD試驗(yàn)原理

CTOD是指張開型裂紋的尖端在外力作用下所張開的距離，具有長(zhǎng)度量綱，常用的單位是毫米（英寸）。在CTOD試驗(yàn)中，把要測(cè)試的材料或焊接接頭做成帶有預(yù)制裂紋的試樣，加上外力后，可以測(cè)定裂紋尖端張開位移CTOD值。CTOD值的大小反映了受試材料或焊接接頭的抗開裂能力（即韌性）的高低。CTOD值越大，表示裂紋尖端處材料的抗開裂性能越好，即韌性越好；反之，CTOD值越小，表示裂紋尖端處材料的抗開裂性能越差，即韌性越差。其CTOD原理圖見圖2-2。

CTOD試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試樣：W為試樣高度，B為寬度， 為裂紋長(zhǎng)度，（W- ）為韌帶寬度，Z是刀口厚度，刀口用來(lái)安裝夾式電子引伸計(jì)。 為裂紋嘴張開位移的塑性部分。假設(shè)在塑性變形過程中，裂紋表面繞O點(diǎn)作剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。 稱為塑性變形階段的旋轉(zhuǎn)因子，它是試樣塑性變形時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心到原裂紋尖端的距離與韌帶寬度（W- ）的比值。不同規(guī)范建議 的取值不盡相同（一般取0.4）。假設(shè)塑性三角形 OBB'與 OF 相似，則：

（2-4）

即 （2-5）

是原裂紋尖端張開位移， 是塑性部分，而 的彈性部分應(yīng)為：

（2-6）

因此，原裂紋尖端的張開位移應(yīng)為：

（2-7）

式中： E為材料的彈性模量； 為材料的屈服極限； 為材料的泊松比； 一應(yīng)力強(qiáng)度因子。對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣，有：

（2-8）

（2-9）

式中： S為試樣跨度； B為試樣厚度； F為載荷。

圖2-2 CTOD原理圖

CTOD和J積分試驗(yàn)原理利用三點(diǎn)彎曲試樣，在同一根試樣的裂紋嘴及壓頭和試樣側(cè)面分別安裝夾式引伸計(jì)，分別記錄裂紋嘴張開位移和加載線位移，由此，就可在同一根試樣上同時(shí)得到CTOD值和J積分值。目前，國(guó)際上普遍使用的CTOD值的測(cè)量原理為：把裂紋表面處切線延長(zhǎng)到裂紋尖端所得截距作為CTOD值。但實(shí)際上，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，無(wú)論采用哪一種方式，通過直接測(cè)量的手段受到許多條件的限制，無(wú)法非常精確地得到該值。對(duì)于試驗(yàn)得到的CTOD值，不同國(guó)家指定的規(guī)范有不同的標(biāo)準(zhǔn)。人們通常采用間接計(jì)算的方法來(lái)獲得裂紋尖端張開位移（CTOD）值。目前應(yīng)用較為廣泛的方法均利用三點(diǎn)彎曲試樣受壓變形后的幾何關(guān)系，用裂紋嘴的張開位移V通過幾何推倒換算出CTOD值。對(duì)于J積分的測(cè)試，在得出載荷與加載線位移曲線后，利用此曲線確定Up。本文根據(jù)現(xiàn)行英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7448進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試件制備中要注意的問題

試件尺寸及相關(guān)公差的見圖1。在三點(diǎn)彎曲的試件中，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸及形位公差要求均以試件的高度為準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)公差。對(duì)于小試件是可以的，但對(duì)于大試件就不行了。其改進(jìn)方法是：一是限定高度的最大值；二是統(tǒng)一規(guī)定確定的公差及形位公差值，這樣可以更好保證試件的加工質(zhì)量。

2.4試件預(yù)制裂紋要注意的問題

2.4.1 疲勞裂紋前沿平直性

為便于描述所預(yù)制的疲勞裂紋前沿的平直程度，本文定義參數(shù)：

（2-10）

稱為疲勞裂紋前沿平直性。式中 是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的九個(gè)測(cè)點(diǎn)上疲勞裂紋擴(kuò)展量的算術(shù)平均值。顯然有0≤St≤1，St值越大，疲勞裂紋前沿越平直，最理想的情況St=1，裂紋前沿為一條直線。

2.4.2疲勞載荷比

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只給出了最大疲勞載荷上限值，這里記為

（2-11）

式中σs為材料的屈服極限值，式中σb為材料的強(qiáng)度極限值。

在預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，實(shí)際施加的最大疲勞載荷，稱為最大疲勞載荷實(shí)驗(yàn)值，記為 ，用比值：

（2-12）

表征所施加的 大小，稱f為疲勞載荷比，其取值范圍為0

在金屬厚板焊縫CTOD試樣中預(yù)制前沿平直的疲勞裂紋，是CTOD試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵難題。研究了疲勞裂紋前沿平直性St與疲勞載荷比f(wàn)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者高度正相關(guān)，為預(yù)制具有平直裂紋前沿的疲勞裂紋提供了有效的途徑和方法。疲勞載荷比f(wàn)越大，疲勞裂紋前沿平直性St就越大，所預(yù)制的疲勞裂紋前沿就越平直。這一結(jié)論具有重要的實(shí)踐意義。CTOD試驗(yàn)，對(duì)裂紋的制作要求頗為嚴(yán)格。而在預(yù)制疲勞裂紋的過程中，只能在試樣兩表面觀測(cè)裂紋，試樣內(nèi)部的裂紋無(wú)法觀測(cè)。即使是應(yīng)用了彈性柔度法技術(shù)的先進(jìn)試驗(yàn)機(jī)（如Instron、MTS等），也無(wú)法知道試樣內(nèi)部的最小裂紋擴(kuò)展量 。因此，如果裂紋前沿平直性St很小，那么，在試樣表面測(cè)得的裂紋擴(kuò)展量已經(jīng)較大時(shí)，裂紋在試樣內(nèi)部的那部分中仍極有可能存在

圖2-3 在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制裂紋

3.畫F—V，F(xiàn)—δ曲線的過程

試件尺寸匯總表見表1。測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖3-9；引伸計(jì)安裝見圖3-10；斷口見圖3-11。

表1 試件尺寸匯總表

圖3-9 CTOD實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3-10 引伸計(jì)裝置示意圖

圖3-11 斷口示意圖

CTOD特征值的分類和選擇：根據(jù)不同用途和要求，可分別取以下特征值。

啟裂CTOD值，符號(hào)為δi mm ；條件啟裂CTOD值，符號(hào)為δ 0.05 mm；

脆性啟裂CTOD值，符號(hào)為δC mm；脆性失穩(wěn)CTOD值，符號(hào)為δu. mm；

飽和啟裂CTOD值，符號(hào)為δis mm；最大載荷CTOD值，符號(hào)為δm mm。

從P-V曲線上獲得CTOD特征值。J積分測(cè)試可用多事樣法進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)之前，預(yù)估最大位移及最大載荷，首先進(jìn)行載荷、位移（刀口位移及垂直位移）的前標(biāo)定，之后選擇試驗(yàn)溫度，按照規(guī)定的降溫時(shí)間對(duì)試樣進(jìn)行保溫，安裝刀口引伸計(jì)及測(cè)垂直位移的引伸計(jì)，打開動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及X-Y記錄儀，調(diào)好相應(yīng)的衰減及放大，裝上記錄紙，將記錄筆調(diào)到適中的位置同時(shí)落下，選擇一定的加載速率，對(duì)試樣進(jìn)行加載試驗(yàn)，在最大載荷開始下降時(shí)卸載，試驗(yàn)過程中，得到的最大載荷及位移在標(biāo)定的范圍之內(nèi)最合理，試驗(yàn)完成后再進(jìn)行一次后標(biāo)定。

測(cè)試的CTOD值和J積分記錄圖形在雙筆X-Y記錄儀上畫出示意圖，如圖3-12所示。

圖3-12 P-V P-δ曲線

由P-V曲線，可以通過計(jì)算程序計(jì)算出CTOD值；由P-δ曲線可以通過計(jì)算程序計(jì)算出J積分的值。

4.斷口測(cè)量要注意的問題

試件斷口測(cè)量圖與實(shí)物對(duì)比圖見圖4-1；裂紋測(cè)量示意圖見圖4-2 。由于試件大，可以在線切割的位置畫一條基準(zhǔn)線，以基準(zhǔn)線為準(zhǔn)來(lái)測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的擴(kuò)展量。測(cè)量在工具顯微鏡下進(jìn)行，也可以在自己設(shè)計(jì)開發(fā)的三維數(shù)顯大空間CTOD讀數(shù)儀上進(jìn)行。

圖4-1 測(cè)量與實(shí)物對(duì)比圖

圖4-2 裂紋測(cè)量示意圖

5.CTOD與J積分測(cè)試舉例

用高K比方法的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)

6.聯(lián)合試驗(yàn)方法討論

一般一個(gè)大的CTOD試件是很貴的，因此在一根試件上得到兩個(gè)參數(shù)是一件很有意義的事情。根據(jù)不同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，使用不同的數(shù)據(jù)來(lái)判斷有裂紋試件的性能，使用起來(lái)會(huì)更加方便。對(duì)于測(cè)試來(lái)講，在CTOD測(cè)試裝置上加上一個(gè)垂直方向的位移傳感器即可得到J積分的值，是非常節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的，是一件效益科研雙豐收的事情。得到兩個(gè)參數(shù)之后，使用起來(lái)更加方便，也可以進(jìn)一步研究CTOD與J積分的關(guān)系，這是目前一些研究生正在研究的課題。 用此方法測(cè)試了S355ML厚鋼板的CTOD與J積分的實(shí)驗(yàn)值，為香港西部通道工程材料做出了可靠的評(píng)定。在預(yù)制裂紋平直度方面提出了高K比的方法，保證了裂紋前沿的平直度，在測(cè)試中使用的大小試件，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸及形位公差要求均以試件的高度為準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)公差。對(duì)于小試件是可以的，但對(duì)于大試件就不行了。其改進(jìn)方法是：一是限定高度的最大值；二是用統(tǒng)一規(guī)定公差的方法，確定的尺寸公差及形位公差值，這樣可以更好保證試件的加工質(zhì)量。

（本文審稿 張端丹）