田根起, 侍克獻(xiàn), 萬(wàn)海波, 王延峰

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 201114)

隨著航空、核電及石油工程的高速發(fā)展，與工程安全密切相關(guān)的新材料斷裂力學(xué)測(cè)試技術(shù)數(shù)十年來(lái)受到廣泛關(guān)注[1]。在壓力容器等關(guān)鍵部件的安全評(píng)價(jià)中，對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)的塑性材料屈服、裂紋的啟裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展直至斷裂進(jìn)行過(guò)程分析時(shí)，斷裂特征參量J積分被廣泛應(yīng)用，而作為斷裂韌性的特征值J1C和J-R阻力曲線也伴隨彈塑性力學(xué)的發(fā)展被深入研究[2]。

目前，世界上很多國(guó)家都編制了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)規(guī)范斷裂力學(xué)試驗(yàn)，主要包括GB/T 21143—2014 《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》、ASTM E1820—2016 《斷裂韌性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》、ISO 12135—2002 《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性統(tǒng)一試驗(yàn)方法》和BS:7448-1∶1991、BS:7448-2∶1997 《斷裂韌性測(cè)試方法》。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)將GB/T 2038—1991和GB/T 2359—1994合并修訂，形成統(tǒng)一的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143—2007。之后，鋼鐵研究總院和西南交通大學(xué)等組織對(duì)其進(jìn)行修訂，形成現(xiàn)行的GB/T 21143—2014。相比之下，美國(guó)ASTM 協(xié)會(huì)幾乎每年都會(huì)對(duì)ASTM E1820進(jìn)行修訂。2種標(biāo)準(zhǔn)在試樣規(guī)格和尺寸、試驗(yàn)條件控制、有效數(shù)據(jù)判定、鈍化線方程、J-R阻力曲線等方面都有明顯的差異[3]。

斷裂韌性測(cè)試主要包括單試樣法和多試樣法。多試樣法直接測(cè)量多個(gè)試樣的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，裂紋長(zhǎng)度測(cè)量精度相對(duì)較高，但浪費(fèi)大量試料且試驗(yàn)結(jié)果較為離散。單試樣法通常采用柔度法或電位法，對(duì)單個(gè)試樣進(jìn)行逐級(jí)加載、卸載，測(cè)量每級(jí)加卸載對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度和擴(kuò)展阻力。斷裂韌性試驗(yàn)通常采用緊湊拉伸(CT)試樣和3點(diǎn)彎曲試樣，臺(tái)階型CT試樣廣泛應(yīng)用于室溫和高溫條件下的斷裂力學(xué)測(cè)試，發(fā)展相對(duì)比較成熟[4]。因此，筆者采用單試樣法對(duì)臺(tái)階型CT試樣開展試驗(yàn)，研究不同裂紋長(zhǎng)度、試樣尺寸、試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果的影響，為工程實(shí)踐提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為CAP1400常規(guī)島發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件，材料牌號(hào)為25Cr2Ni4MoV，該材料具有較高的強(qiáng)度和韌性。其具體化學(xué)成分見表1，常規(guī)力學(xué)性能參數(shù)見表2。

試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON 8802-25T電液伺服低周疲勞試驗(yàn)機(jī)，COD型號(hào)為2670-132，標(biāo)距10 mm、行程4 mm。CT試樣沿發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸芯棒軸向取樣，裂紋擴(kuò)展方向與軸向平行。選擇CT25(25 mm厚)和CT38 (38 mm厚)2種規(guī)格的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，具體試樣尺寸見圖1。

表1 25Cr2Ni4MoV主要化學(xué)成分

表2 25Cr2Ni4MoV常規(guī)力學(xué)性能參數(shù)

(a) CT25臺(tái)階型試樣

(b) CT38 臺(tái)階型試樣

參照ASTM E1820—2016中單試樣柔度法進(jìn)行試驗(yàn)，首先檢查并測(cè)量試樣尺寸，包括試樣寬度W、厚度B和初始裂紋長(zhǎng)度a0。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求預(yù)制疲勞裂紋，初始裂紋長(zhǎng)度比a0/W=0.45～0.70。預(yù)制疲勞裂紋完成后開具側(cè)槽，側(cè)槽厚度B-BN=0.80B，側(cè)槽角度為90°，根部倒角半徑為0.2 mm。

試驗(yàn)前，在彈性范圍內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)加載，并對(duì)初始裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行檢查。采用位移控制模式，逐步對(duì)試樣進(jìn)行加載、卸載再加載，直至試驗(yàn)結(jié)束。計(jì)算機(jī)軟件記錄載荷和加載線位移等數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式計(jì)算每次加載、卸載對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度Δai和裂紋擴(kuò)展阻力Ji，作出J-R阻力曲線，并計(jì)算斷裂韌性的特征值J1C[5-6]。

試驗(yàn)結(jié)束后將試樣放入熱處理爐中，在300 ℃下保溫約30 min后進(jìn)行著色處理，取出試樣經(jīng)2次疲勞試驗(yàn)后將試樣拉斷。在體視顯微鏡下觀察并測(cè)量裂紋，計(jì)算初始裂紋長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，并進(jìn)行裂紋平直性判定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始裂紋長(zhǎng)度的影響

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定初始裂紋長(zhǎng)度比應(yīng)滿足a0/W=0.45～0.70，為研究標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)初始裂紋長(zhǎng)度比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用a0/W為0.51、0.54、0.57、0.60和0.66這5種初始裂紋長(zhǎng)度比的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，并分別運(yùn)用GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 初始裂紋長(zhǎng)度比與J1C和試驗(yàn)最大載荷P的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著初始裂紋長(zhǎng)度比的增加，試驗(yàn)得到的J1C逐漸減小。這主要是由于初始裂紋長(zhǎng)度比增加，韌帶長(zhǎng)度減小，裂紋尖端約束降低。

GB/T 21143—2014中規(guī)定試驗(yàn)機(jī)標(biāo)稱測(cè)量能力應(yīng)不小于F標(biāo)稱。可以發(fā)現(xiàn)隨著初始裂紋長(zhǎng)度比的增加，試驗(yàn)過(guò)程中的最大載荷逐漸降低，且最大載荷處于F標(biāo)稱的75%左右，說(shuō)明GB/T 21143—2014在試驗(yàn)機(jī)載荷能力方面留有較大的富裕度，同時(shí)也可通過(guò)增加初始裂紋長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大試驗(yàn)機(jī)的能力范圍。

(1)

2.2 試樣尺寸的影響

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)CT試樣的尺寸比例進(jìn)行了規(guī)定，要求1≤W/B≤4(推薦W/B=2)，并要求用W-a0、a0和B對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效性判定。為研究試樣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，各選擇5個(gè)CT25和CT38試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同厚度試樣斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試樣KC與試樣厚度的關(guān)系

2.3 試驗(yàn)參數(shù)的影響

2.3.1 加載速率

在常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)中，加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有比較顯著的影響。斷裂韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均給出了一定的加載速率范圍。GB/T 21143—2014中要求應(yīng)力強(qiáng)度因子的加載速率應(yīng)該在0.2～3 MPa·m0.5·s-1；ASTM E1820—2016中要求在0.3～3 min內(nèi)加載到預(yù)制裂紋的最大限定值。為了分析加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用不同加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可知，加載速率在0.1～1.5 MPa·m0.5·s-1內(nèi)時(shí)，加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大；當(dāng)加載速率大于2 MPa·m0.5·s-1時(shí)，隨著加載速率的增大，測(cè)得的斷裂韌性值減小。

2.3.2 保載時(shí)間

多數(shù)金屬材料在加載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛。為避免在卸載過(guò)程中產(chǎn)生非線性曲線，需要在卸載前進(jìn)行保載。筆者對(duì)比了保載6 s、15 s和24 s 3種試驗(yàn)條件的影響，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，斷裂韌性值減小，這是由于保載時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)力松弛較為明顯，載荷降低導(dǎo)致計(jì)算得到的阻力曲線降低。

表3 不同加載速率下的斷裂韌性

表4 不同保載時(shí)間下的斷裂韌性

2.4 數(shù)據(jù)處理方法的影響

在斷裂韌性試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)處理方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大[8]。Link[9]在利用卸載柔度法計(jì)算裂紋長(zhǎng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)利用卸載段數(shù)據(jù)計(jì)算得到的裂紋長(zhǎng)度偏小，獲得較大的條件斷裂韌性JQ；利用再加載段數(shù)據(jù)計(jì)算得到的裂紋長(zhǎng)度偏大，獲得的JQ偏?。粚?duì)比4個(gè)試驗(yàn)室處理相同原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)最大差異達(dá)到20%，說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。

圖2、圖3和表3、表4對(duì)比了不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)得到的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果，采用GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)處理得到的試驗(yàn)結(jié)果均比采用ASTME 1820—2016標(biāo)準(zhǔn)得到的結(jié)果要小，最小的差異也已達(dá)到20%。分析認(rèn)為這主要是由于2種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)處理方法上存在較大差異，包括有效數(shù)據(jù)的選擇和判定、鈍化線斜率、擬合曲線方程等(見表5)，其中鈍化線斜率的不同對(duì)J1C影響最為顯著。ASTM E1820—2016標(biāo)準(zhǔn)所采用的鈍化線針對(duì)的是理想的彈塑性材料，GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)采用的鈍化線則針對(duì)的是真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足冪次定律的材料[10]。從表5可以看到，GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)選擇的鈍化線斜率較大，因而0.2 mm偏置線與J-R曲線交點(diǎn)a0.2較小，從而導(dǎo)致得到的試驗(yàn)結(jié)果偏小。

表5 GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2016數(shù)據(jù)處理對(duì)比

注：1) Δamax和Δalimit表示裂紋擴(kuò)展極限； 2)Jmax代表J-R材料特性的極限值；3)J0.2BL代表裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展為0.2 mm鈍化偏置線時(shí)對(duì)應(yīng)的非尺寸敏感斷裂抗力J值。

3 結(jié) 論

(1)隨著初始裂紋長(zhǎng)度的增加，得到的斷裂韌性值減小，試驗(yàn)中加載所需要的最大載荷也逐漸降低。

(2)CT25試樣得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)高于CT38試樣；在一定范圍內(nèi)，隨著試樣厚度的增加，測(cè)得的斷裂韌性值減小。

(3)當(dāng)加載速率較小時(shí)(<1.5 MPa·m0.5·s-1)，加載速率變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大；當(dāng)加載速率繼續(xù)增大時(shí)，測(cè)得的斷裂韌性值減??；隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，測(cè)得的斷裂韌性值減小。

(4)GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)和ASTM E1820—2016標(biāo)準(zhǔn)在鈍化線斜率、有效數(shù)據(jù)判定和擬合曲線方程等方面對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的影響較大，且前者得到的試驗(yàn)結(jié)果比后者要小。