摘 要:對(duì)12Cr1MoV鋼板進(jìn)行了不同試驗(yàn)溫度下的斷裂韌度測(cè)試,再按照3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算 了裂紋尖端張開位移,并分析其差異。結(jié)果表明:按照 ASTM E1820—2020b和 GB/T21143— 2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的裂紋尖端張開位移較小,而按照ISO12135:2021標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的裂紋尖端 張開位移較大。當(dāng)材料的斷裂韌性計(jì)算結(jié)果在裂紋尖端張開位移的最小允許值附近時(shí),計(jì)算依據(jù) 的標(biāo)準(zhǔn)不同,會(huì)導(dǎo)致判定結(jié)論的不一致。

關(guān)鍵詞:金屬材料;斷裂韌性;裂紋尖端張開位移;標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào):TH142.1;TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)02-0025-03

傳統(tǒng)的凈強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法能保證構(gòu)件不會(huì)因?yàn)槭?載時(shí)承受的最大特征應(yīng)力達(dá)到材料抗力而發(fā)生破 壞,但如果材料內(nèi)部存在缺陷或裂紋,在疲勞載荷作 用下或在低溫環(huán)境中產(chǎn)生的破壞就無(wú)法避免[1]。含 缺陷或裂紋構(gòu)件的塑性變形集中在裂紋尖端局部區(qū) 域,其宏觀塑性變形不明顯,再加上裂紋的擴(kuò)展極其 迅速,容易導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[2]。斷裂是材料最危 險(xiǎn)的失效方式,各行業(yè)對(duì)含裂紋構(gòu)件在外部載荷作 用下結(jié)構(gòu)安全性的研究也越來(lái)越重視[3]。斷裂韌度 是評(píng)估材料或結(jié)構(gòu)安全性和完整性的重要指標(biāo),可 以反映材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力,常被用于結(jié)構(gòu)防 斷裂設(shè)計(jì)以及含缺陷結(jié)構(gòu)完整性分析[4]。裂紋尖端 張開位移(CTOD)是斷裂韌度表征指標(biāo),能充分體 現(xiàn)材料的抗開裂能力,可被用于材料彈性階段、小范 圍屈服直至大范圍屈服的各個(gè)階段[5]。相比受到有 效性條件限制的平面應(yīng)變斷裂韌度 KIC 和斷裂韌 度J 積分JIC 具有更好的應(yīng)用效果,目前已被多個(gè) 領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6-7]。

材料或構(gòu)件上的裂紋受載荷后,裂紋會(huì)逐漸張 開,裂紋尖端出現(xiàn)鈍化。CTOD反映了材料裂紋尖 端抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。CTOD越大,則材料抵抗 開裂的能力越強(qiáng)、韌性越好。目前,金屬材料斷裂韌 性測(cè)試的主要標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T21143—2014《金屬材 料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》、ISO12135:2016《金屬材料 測(cè)定準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性的統(tǒng)一試驗(yàn) 方法》以及ASTME1820—2020b《斷裂韌性測(cè)量的 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。ASTM E1820—2020b標(biāo)準(zhǔn)采用 理想彈塑性材料假設(shè),GB/T21143—2014和ISO 12135:2016標(biāo)準(zhǔn)均是基于材料的真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 滿足冪次定律,而 GB/T21143—2014 標(biāo)準(zhǔn)則在 ISO12135:2016標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,依據(jù)剛性鉸鏈模型 進(jìn)行了改進(jìn),3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)過(guò)程基本一致,在測(cè)試 試樣和參數(shù)的要求上有所差異,這些差異對(duì)試驗(yàn)結(jié) 果的影響不大,在適用范圍、試驗(yàn)儀器、試樣尺寸、試 驗(yàn)過(guò)程等方面,3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有本質(zhì)的差異,在相互取 交集的部分可以等效,最大的區(qū)別在于3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中 的計(jì)算公式明顯不同,導(dǎo)致同一個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果 會(huì)有明顯差異。工程實(shí)際應(yīng)用中,如 DNV 規(guī)范等, 通常會(huì)規(guī)定CTOD的允許值δmin,但并不規(guī)定具體 的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范要求將測(cè)試得到的CTOD特征值 δo 與允許值δmin 進(jìn)行比較,來(lái)評(píng)判材料合格與否, 實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的選擇會(huì)使材料斷裂韌 性合格與否的評(píng)判結(jié)果不一致。

筆者制備了同時(shí)滿足以上3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試 試樣,按照以上3種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法對(duì)同種材 料在不同溫度下進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試,再根據(jù)以上3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算公式進(jìn)行CTOD計(jì)算,并對(duì)測(cè)試 結(jié)果進(jìn)行比較分析,判斷其中的差異,為工程實(shí)際應(yīng) 用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣形狀及尺寸

試驗(yàn)材料板厚為25 mm,材料為12Cr1MoV 鋼。按照3個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中相互取交集的部分進(jìn)行斷 裂韌度CTOD試樣的加工制備、疲勞裂紋的預(yù)制及 試驗(yàn),CTOD試樣為3點(diǎn)彎曲矩形試樣,取樣方向 為y-x 方向,x 為鋼板的主變形方向,y 為橫向,與 板寬度方向重合,z為鋼板的最小變形方向,與板厚 方向重合。試樣的厚度B、寬度W 分別為25mm 和50mm,試樣長(zhǎng)度為 230mm,試驗(yàn)跨距 S 為 200mm,試樣未開側(cè)槽。CTOD 試樣取樣方向如 圖1所示。

1.2 疲勞裂紋預(yù)制及測(cè)試

采用微機(jī)控制電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),在室溫下 預(yù)制疲勞裂紋,預(yù)制裂紋長(zhǎng)度約為4mm,加載方式 為正弦波,應(yīng)力比為0.1。疲勞裂紋預(yù)制完成后,將 試樣放入低溫試驗(yàn)箱,通過(guò)液氮制冷方式將試樣溫 度降到測(cè)試溫度(20,0,-10,-20,-40,-60℃),試樣在低溫下的保溫時(shí)間為規(guī)定時(shí)長(zhǎng)(保溫時(shí)間不 低于15min),再進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后, 測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)記錄載荷(F)-缺口張開位移(V)曲 線。測(cè)試完成后,根據(jù)F-V 曲線測(cè)定測(cè)試過(guò)程的峰 值載荷Fmax、缺口張開位移塑性分量Vp 及缺口張 開位移曲線下面積的塑性分量Ap。測(cè)試完成后將 試樣壓斷,用光學(xué)顯微鏡觀察其斷口,測(cè)量裂紋長(zhǎng) 度,測(cè)量精度不低于0.025mm,平均裂紋長(zhǎng)度計(jì)算 公式為

式中:a為標(biāo)稱裂紋長(zhǎng)度;a1 為終止裂紋長(zhǎng)度;a9 為 初始裂紋長(zhǎng)度;ai 為即時(shí)裂紋長(zhǎng)度。

取?10mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫 試驗(yàn)方法》和GB/T13239—2006《金屬材料低溫拉 伸試驗(yàn)方法》,測(cè)試試驗(yàn)材料在不同測(cè)試溫度(20,0, -10,-20,-40,-60℃)下的屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉 強(qiáng)度Rm 和彈性模量E。

1.3 CTOD的計(jì)算

根據(jù) GB/T21143—2014、ISO12135:2016及 ASTME1820—2020b等3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的CTOD 特征值的計(jì)算公式,計(jì)算試驗(yàn)材料在不同測(cè)試溫度 下的CTOD特征值。

其中,GB/T21143—2014標(biāo)準(zhǔn)在 CTOD 計(jì)算 公式 中 引 入 了 轉(zhuǎn) 動(dòng) 半 徑 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 動(dòng) 修 正,與 ISO 12135:2016對(duì)照,計(jì)算公式中的塑性部分進(jìn)行了修 改,彈性部分與ISO12135:2016保持一致,對(duì)應(yīng)的 CTOD特征值的計(jì)算公式為

式中:BN 為開側(cè)槽試樣的凈厚度;ν 為泊松比;a0 為初始裂紋長(zhǎng)度;Vp 為對(duì)應(yīng)載荷峰值時(shí)的缺口張開 位移塑性分量;R 為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;g1 為應(yīng)力強(qiáng)度因子 系數(shù)。

R 的計(jì)算公式為

式中:g 為應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)。

其中ISO12135—2021標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的 CTOD 特 征值的計(jì)算公式為

ISO12135—2021標(biāo)準(zhǔn)中 CTOD 特征值計(jì)算 公式中的其他計(jì)算參數(shù)與 GB/T21143—2014標(biāo)準(zhǔn) 一致。

其中ASTME1820—2020b標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的CTOD 特征值的計(jì)算公式為

2 結(jié)果與討論

按照 不 同 試 驗(yàn) 溫 度 測(cè) 試 后,根 據(jù) GB/T21143—2014、ISO12135:2021和 ASTM E1820— 2020b等3個(gè)斷裂韌度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的計(jì)算公式 計(jì)算CTOD,結(jié)果如表1所示。隨著測(cè)試溫度的降 低,按3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的CTOD均呈明顯下降趨 勢(shì)。同 一 測(cè) 試 溫 度 下 比 較 發(fā) 現(xiàn),按 照 ASTM E1820—2020b標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的 CTOD 最小,其次 為按GB/T21143—2014計(jì)算得到的 CTOD,而按 照ISO12135:2021計(jì)算獲得的CTOD最大。當(dāng)測(cè) 試溫度較高,材料具有較高的斷裂韌性時(shí),3個(gè)不同 斷裂韌度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的CTOD差別較大,隨 著測(cè)試溫度的降低,3個(gè)斷裂韌度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得 到的CTOD差值減小。

通過(guò)查閱大量技術(shù)規(guī)范發(fā)現(xiàn),在實(shí)際工程應(yīng) 用中一般將CTOD最小允許值δmin 確定為0.10~ 0.30mm。當(dāng)材料具有較高的斷裂韌性時(shí),3個(gè)不 同標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果均較高,遠(yuǎn)超過(guò)一般規(guī)范中規(guī) 定的CTOD最小允許值δmin,不會(huì)影響判定結(jié)果; 按文中測(cè)試材料對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)文件或技術(shù)規(guī)范規(guī) 定,測(cè)試溫度為-20 ℃時(shí),δmin 為0.15mm,即該 材料在規(guī)定的測(cè)試溫度下測(cè)試的 CTOD大于該允 許值時(shí),材料的斷裂韌性才算合格。通過(guò)分析判 斷可以發(fā)現(xiàn),按照ISO12135:2021標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí), 該產(chǎn)品達(dá)到合格水平,而按照 GB/T21143—2014 和 ASTME1820—2020b測(cè)試時(shí),該產(chǎn)品將被判定 為不合格。這樣就會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際工程應(yīng)用或者產(chǎn) 品認(rèn)可過(guò)程中,因?yàn)檫x擇測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不同而出現(xiàn) 質(zhì)量異議。

3 結(jié)論

GB/T 21143—2014、ISO 12135:2021 和 ASTME1820—2020等3個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、 試驗(yàn)儀器、試樣尺寸、試驗(yàn)過(guò)程等方面沒(méi)有本質(zhì)的差 異,在相互取交集的部分可以等效,但3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中 CTOD的計(jì)算公式具有明顯區(qū)別,導(dǎo)致同一試樣在 相同測(cè)試溫度下測(cè)試的CTOD存在一定差異,其中 按照 ASTM E1820—2020計(jì)算的 CTOD最小,按 照ISO12135:2021計(jì)算的CTOD最大。

當(dāng)材料具有較高的斷裂韌性時(shí),3個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn) 的測(cè)試 結(jié) 果 均 較 高,遠(yuǎn) 超 過(guò) 一 般 規(guī) 范 中 規(guī) 定 的 CTOD最小允許值δmin,不會(huì)影響判定結(jié)果;當(dāng)材料 的斷裂韌性計(jì)算結(jié)果在δmin 附近時(shí),按照不同標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算可能導(dǎo)致判定結(jié)果不一致。

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