傳統(tǒng)的凈強度設(shè)計方法能保證構(gòu)件不會因為受載時承受的最大特征應(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)生的破壞就無法避免。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，再加上裂紋的擴展極其迅速，容易導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。斷裂是材料最危險的失效方式，各行業(yè)對含裂紋構(gòu)件在外部載荷作用下結(jié)構(gòu)安全性的研究也越來越重視。斷裂韌度是評估材料或結(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展的能力，常被用于結(jié)構(gòu)防斷裂設(shè)計以及含缺陷結(jié)構(gòu)完整性分析。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階段。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，目前已被多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
材料或構(gòu)件上的裂紋受載荷后，裂紋會逐漸張開，裂紋尖端出現(xiàn)鈍化。CTOD反映了材料裂紋尖端抵抗裂紋擴展的能力。CTOD越大，則材料抵抗開裂的能力越強、韌性越好。目前，金屬材料斷裂韌性測試的主要標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 21143—2014 《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》、ISO 12135:2016 《金屬材料 測定準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性的統(tǒng)一試驗方法》以及ASTM E1820—2020b 《斷裂韌性測量的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》。ASTM E1820—2020b標(biāo)準(zhǔn)采用理想彈塑性材料假設(shè)，GB/T 21143—2014和ISO12135:2016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/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)則在ISO 12135:2016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個標(biāo)準(zhǔn)的試驗過程基本一致，在測試試樣和參數(shù)的要求上有所差異，這些差異對試驗結(jié)果的影響不大，在適用范圍、試驗儀器、試樣尺寸、試驗過程等方面，3個標(biāo)準(zhǔn)沒有本質(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個標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式明顯不同，導(dǎo)致同一個試樣的測試結(jié)果會有明顯差異。工程實際應(yīng)用中，如DNV規(guī)范等，通常會規(guī)定CTOD的允許值δmin，但并不規(guī)定具體的測試標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范要求將測試得到的CTOD特征值δo與允許值δmin進(jìn)行比較，來評判材料合格與否，實際工程應(yīng)用時，測試標(biāo)準(zhǔn)的選擇會使材料斷裂韌性合格與否的評判結(jié)果不一致。
張強、徐誠等研究人員制備了同時滿足以上3個標(biāo)準(zhǔn)要求的測試試樣，按照以上3種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法對同種材料在不同溫度下進(jìn)行斷裂韌性測試，再根據(jù)以上3個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計算公式進(jìn)行CTOD計算，并對測試結(jié)果進(jìn)行比較分析，判斷其中的差異，為工程實際應(yīng)用提供依據(jù)。
1、 試驗材料與方法
1.1 試樣形狀及尺寸
試驗材料板厚為25mm，材料為12Cr1MoV鋼。按照3個測試標(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，CTOD試樣為3點彎曲矩形試樣，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，試樣長度為230mm，試驗跨距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)制及測試
采用微機控制電液伺服疲勞試驗機，在室溫下預(yù)制疲勞裂紋，預(yù)制裂紋長度約為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箱，通過液氮制冷方式將試樣溫度降到測試溫度(20，0，-10，-20，-40，-60℃)，試樣在低溫下的保溫時間為規(guī)定時長(保溫時間不低于15min)，再進(jìn)行3點彎曲試驗。試驗開始后，測試系統(tǒng)自動記錄載荷(F)-缺口張開位移(V)曲線。測試完成后，根據(jù)F-V曲線測定測試過程的峰值載荷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。測試完成后將試樣壓斷，用光學(xué)顯微鏡觀察其斷口，測量裂紋長度，測量精度不低于0.025mm，平均裂紋長度計算公式為
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 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 13239—2006 《金屬材料低溫拉伸試驗方法》，測試試驗材料在不同測試溫度(20，0，-10，-20，-40，-60 ℃)下的屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm和彈性模量E。
1.3 CTOD的計算
根據(jù)GB/T 21143—2014、ISO 12135:2016及ASTM E1820—2020b等3個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的CTOD特征值的計算公式，計算試驗材料在不同測試溫度下的CTOD特征值。
其中，GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)在CTOD計算公式中引入了轉(zhuǎn)動半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)動修正，與ISO 12135:2016對照，計算公式中的塑性部分進(jìn)行了修改，彈性部分與ISO 12135:2016保持一致，對應(yīng)的CTOD特征值的計算公式為
R的計算公式為
g1(a/W)的計算公式為
其中ISO 12135—2021標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的CTOD特征值的計算公式為
ISO 12135—2021標(biāo)準(zhǔn)中CTOD特征值計算公式中的其他計算參數(shù)與GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)一致。
其中ASTM E1820—2020b標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的CTOD特征值的計算公式為
σY的計算公式為
2、 結(jié)果與討論
按照不同試驗溫度測試后，根據(jù)GB/T 21143—2014、ISO 12135:2021和ASTM E1820—2020b等3個斷裂韌度試驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的計算公式計算CTOD，結(jié)果如表1所示。隨著測試溫度的降低，按3個標(biāo)準(zhǔn)計算得到的CTOD均呈明顯下降趨勢。同一測試溫度下比較發(fā)現(xiàn)，按照ASTM E1820—2020b標(biāo)準(zhǔn)計算得到的CTOD最小，其次為按GB/T 21143—2014計算得到的CTOD，而按照ISO 12135:2021計算獲得的CTOD最大。當(dāng)測試溫度較高，材料具有較高的斷裂韌性時，3個不同斷裂韌度測試標(biāo)準(zhǔn)計算得到的CTOD差別較大，隨著測試溫度的降低，3個斷裂韌度試驗標(biāo)準(zhǔn)計算得到的CTOD差值減小。
通過查閱大量技術(shù)規(guī)范發(fā)現(xiàn)，在實際工程應(yīng)用中一般將CTOD最小允許值δmin確定為0.10~0.30 mm。當(dāng)材料具有較高的斷裂韌性時，3個不同標(biāo)準(zhǔn)的測試結(jié)果均較高，遠(yuǎn)超過一般規(guī)范中規(guī)定的CTOD最小允許值δmin，不會影響判定結(jié)果；按文中測試材料對應(yīng)的設(shè)計文件或技術(shù)規(guī)范規(guī)定，測試溫度為-20℃時，δmin為0.15mm，即該材料在規(guī)定的測試溫度下測試的CTOD大于該允許值時，材料的斷裂韌性才算合格。通過分析判斷可以發(fā)現(xiàn)，按照ISO 12135:2021標(biāo)準(zhǔn)測試時，該產(chǎn)品達(dá)到合格水平，而按照GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2020b測試時，該產(chǎn)品將被判定為不合格。這樣就會導(dǎo)致在實際工程應(yīng)用或者產(chǎn)品認(rèn)可過程中，因為選擇測試標(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ASTM E1820—2020等3個不同標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、試驗儀器、試樣尺寸、試驗過程等方面沒有本質(zhì)的差異，在相互取交集的部分可以等效，但3個標(biāo)準(zhǔn)中CTOD的計算公式具有明顯區(qū)別，導(dǎo)致同一試樣在相同測試溫度下測試的CTOD存在一定差異，其中按照ASTM E 1820—2020計算的CTOD最小，按照ISO 12135:2021計算的CTOD最大。
當(dāng)材料具有較高的斷裂韌性時，3個不同標(biāo)準(zhǔn)的測試結(jié)果均較高，遠(yuǎn)超過一般規(guī)范中規(guī)定的CTOD最小允許值δmin，不會影響判定結(jié)果；當(dāng)材料的斷裂韌性計算結(jié)果在δmin 附近時，按照不同標(biāo)準(zhǔn)計算可能導(dǎo)致判定結(jié)果不一致。
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