，，

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

材料斷裂韌性的試驗(yàn)測(cè)試研究對(duì)理論研究和工程應(yīng)用都有著重大的意義，一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2].在壓力容器安全評(píng)價(jià)中，對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)的塑性材料屈服、裂紋的起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程分析，斷裂特征參量J積分被廣泛運(yùn)用[3-5].而作為斷裂韌性的特征值JIC和J—R阻力曲線也伴隨彈塑性斷裂力學(xué)的發(fā)展被深入研究[6-7]，從中發(fā)展起來(lái)的失效評(píng)定方法被用于材料的彈塑性斷裂分析[8].而斷裂韌性分析精確程度更直接關(guān)系到對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)安全評(píng)定結(jié)果的可靠性.基于壓水堆主管道材料是我國(guó)核電廠用量較大、服役環(huán)境復(fù)雜、安全要求較高的核一級(jí)部件之一[9]，且材料的質(zhì)量直接關(guān)系到核電站的安全運(yùn)行，其斷裂韌性對(duì)于管道裂紋的穩(wěn)定性判斷至關(guān)重要，是破前漏(LBB)技術(shù)應(yīng)用分析論證工作的重要環(huán)節(jié)與核心工作內(nèi)容之一等情況.因此，對(duì)主管道材料的斷裂韌性及其失效評(píng)定曲線進(jìn)行試驗(yàn)研究具有重要的工程意義.

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)原理及標(biāo)準(zhǔn)

1968年Rice提出了圍繞裂紋尖端與積分路徑無(wú)關(guān)的線積分，稱為J積分.J積分是表征材料應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度變化的定量指標(biāo)，其理論廣泛適用于彈塑性斷裂力學(xué)[10].目前，對(duì)于J積分法的試驗(yàn)研究主要分為三點(diǎn)彎曲及緊湊拉伸(CT)型試驗(yàn)，而用緊湊拉伸來(lái)測(cè)定J積分試驗(yàn)中，又可分為單試樣法與多試樣法.目前，試驗(yàn)研究主要采取單試樣法進(jìn)行，所謂的單試樣法是指使用單個(gè)試樣在不同的加載條件下進(jìn)行卸載并根據(jù)卸載曲線得到裂紋擴(kuò)展量a與J關(guān)系，繪制J—R阻力曲線的試驗(yàn)方法.試驗(yàn)中，裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量采用柔度法[11]，并按照GB/T 21143“金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法”進(jìn)行.

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣，各載荷點(diǎn)的裂紋長(zhǎng)度ai和Δai為

(1)

式中：ULL=1/((BECiLL)0.5+1)；CiLL為第i次卸載時(shí)測(cè)得的彈性柔度系數(shù)，mm/kN；B為試樣厚度；W為試樣寬度；Δai為裂紋擴(kuò)展量，Δai=ai-a0，mm；ai為第i次裂紋長(zhǎng)度；a0為初始裂紋長(zhǎng)度.

(2)

(3)

得到J—R曲線及有效的特征值JIC后按照GB/T 21143—2007對(duì)J積分的有效性進(jìn)行判斷.

1.2 試驗(yàn)材料及尺寸

核主管道材料化學(xué)成分見(jiàn)表1，取樣下料后，按照GB/T 21143[11]標(biāo)準(zhǔn)的要求，加工成標(biāo)準(zhǔn)CT試樣進(jìn)行試驗(yàn).加工后試樣的實(shí)際尺寸見(jiàn)圖1，經(jīng)線切割的裂紋尺寸即疲勞引發(fā)裂紋尺寸為a0.

圖1 核主管道JIC試樣圖

表1 化學(xué)成分及ASME規(guī)范要求

2 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

2.1 預(yù)制疲勞裂紋

預(yù)制疲勞裂紋是采用恒應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK變化幅，同時(shí)要求預(yù)制疲勞裂紋時(shí)保持:ΔK/E≤0.005 mm并且載荷比0.6≤R=Pmin/Pmax≤1.0的方法完成疲勞裂紋的擴(kuò)展.根據(jù)GB/T 21143標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)控制最大預(yù)制裂紋載荷P不能大于0.5PL，對(duì)CT試樣預(yù)制裂紋載荷核算，即

(4)

式中：b0=W0-a0；σ0=σy+σu為材料的流變應(yīng)力.

若用CT標(biāo)準(zhǔn)試樣計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子K的方法求預(yù)制裂紋載荷則按下面兩式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果所得的載荷值小于0.5PL，滿足要求，所得的P值與式(4)相同：

經(jīng)預(yù)制后，裂紋擴(kuò)展到a0=24.74 mm時(shí)停止，累計(jì)共擴(kuò)展了2.14 mm.此時(shí)，Δa/a0已大于0.05，Δa也大于1.3 mm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.2 JIC的試驗(yàn)測(cè)定過(guò)程

試樣的測(cè)試過(guò)程中，第一次加載設(shè)置為Δa=0.2 mm時(shí)估算試樣的柔度系數(shù)和初始裂紋長(zhǎng)度，結(jié)果與預(yù)期的裂紋長(zhǎng)度a0=24.72 mm一致.此后，載荷按2 kN或裂紋張開(kāi)位移按0.02 mm遞增，并以兩者中先達(dá)到者進(jìn)行卸載.每次卸載2 kN左右，共卸載60次，張開(kāi)位移達(dá)到引伸計(jì)的最大量程時(shí)停止，得到張開(kāi)位移Δa和載荷P曲線見(jiàn)圖2.試驗(yàn)停止后，繼續(xù)在最大載荷為20 kN條件下進(jìn)行200 000次疲勞試驗(yàn)，使最終裂紋前緣形成明顯的勾線，最后拉斷試樣，圖3為拉斷后的試樣.

圖2 JIC試驗(yàn)載荷-裂紋曲線

圖3 JIC斷后試樣

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的分析整理

試驗(yàn)完成后，按單試樣測(cè)定法整理試驗(yàn)結(jié)果.在試驗(yàn)機(jī)的處理中(圖2)卸載線上舍去上、下各10%的線段，取其中間的80%線段按其斜率整理計(jì)算其柔度系數(shù)和裂紋長(zhǎng)度.用式(1)求得各載荷點(diǎn)的裂紋長(zhǎng)度ai和Δai，將各數(shù)據(jù)標(biāo)在J—Δa直角坐標(biāo)圖中，見(jiàn)圖4.同時(shí)，試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)按照所得的鈍化線方程及左界限進(jìn)行有效點(diǎn)的選擇[12-13].鈍化線方程為J=3.75RmΔa，左界限方程為J=3.75RmΔa+0.15，其中Rm為材料的抗拉強(qiáng)度.

圖4 JIC試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)圖

按照左界限整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，在該線右側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均為無(wú)效點(diǎn).因此，共獲得12個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，見(jiàn)表2，對(duì)有限點(diǎn)進(jìn)行擬合得到J—R阻力曲線式為

JR=-259.65+810.76(Δa)0.36

(5)

其擬合曲線見(jiàn)圖5.

過(guò)Δa=0.20 mm的點(diǎn)作鈍化線的平行線,與式(5)JR曲線相交點(diǎn)即為JIC=291.38 kJ/m2.

表2 有效原始數(shù)據(jù)

圖5 J—R試驗(yàn)的阻力曲線

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及處理，得到了J—R阻力曲線及JIC的值.在J積分測(cè)試中，只有當(dāng)試樣尺寸滿足有效性條件及平面應(yīng)變條件，測(cè)得的JIC才可以作為材料的屬性.因此，所得的結(jié)果是否有效需要進(jìn)行評(píng)定.J判據(jù)的有效性條件，目前還不能從理論上得到證明，但是，若能在某些特定的條件下獲得其穩(wěn)定值，也就反映該材料的延性斷裂屬性，這些特定的條件就是現(xiàn)階段所能確定的J判據(jù)有效性條件[14]，作為工程近似，這樣的條件只能由試驗(yàn)給出.Landes和Begley根據(jù)試驗(yàn)得出：a=25時(shí)，JIC值不再隨著試樣尺寸變化并確定作為檢驗(yàn)規(guī)則.在Landes和Begley有效性分析中，尺寸滿足公式：

(dJ/d(Δa))Q<σ0

b0=W0-a0>25JQ/σ0

B>25JQ/σ0

通過(guò)對(duì)所得的J—R阻力曲線進(jìn)行上述有效性分析，結(jié)果表明：試樣所得到的試驗(yàn)結(jié)果是有效的，J—R阻力曲線也是可靠的，JIC也是合理的.

3 斷裂分析圖(FAD)的繪制

為了能對(duì)含缺陷核主管道進(jìn)行安全評(píng)定，根據(jù)英國(guó)BS7910—1999(Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures)和R6(Assessment of the Integrity of structures containing defects, R/H/R6-Revision 3, Nuclear electric confidential, 2001)的規(guī)定，可以使用以材料的特性繪制斷裂分析圖(FAD)的方法進(jìn)行.斷裂分析圖(FAD)的橫坐標(biāo)是以外加載荷與塑性屈服載荷的比值Lr來(lái)表示，縱坐標(biāo)是以外加載荷在含缺陷結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力強(qiáng)度因子與材料的斷裂韌度的比值Kr來(lái)表示.根據(jù)BS7910和R6的規(guī)定，由材料的拉伸曲線特性可以在FAD圖上繪制出相應(yīng)的斷裂評(píng)定曲線[15].

通過(guò)主管道材料進(jìn)行常溫拉伸得到其拉伸曲線，見(jiàn)圖6，其相應(yīng)的性能參數(shù)見(jiàn)表3，并且擬合得到其短時(shí)拉伸方程為

ε=5.95×10-6σ+1.14×10-11σ4.41

式中：σ為拉伸應(yīng)力；ε為拉伸應(yīng)變.

圖6 靜態(tài)拉伸曲線

表3 主管道材料靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于一含缺陷主管道材料，根據(jù)其缺陷尺寸和外加載荷的實(shí)際情況可以計(jì)算其Kr與Lr值，從而獲得一評(píng)定點(diǎn).若該評(píng)定點(diǎn)落在斷裂評(píng)定曲線的內(nèi)側(cè)，則結(jié)構(gòu)屬安全，反之則不安全.現(xiàn)根據(jù)主管道不銹鋼材料的試驗(yàn)結(jié)果，繪制其斷裂評(píng)定曲線即材料特性評(píng)價(jià)曲線和通用曲線方程為

(6)

(7)

(8)

Lmax=(σy+σb)/2σy

(9)

式中：Lmax為斷裂分析圖中Lr的最大值；σy為材料的屈服強(qiáng)度；σb為材料的抗拉強(qiáng)度；E為彈性模量；σ，ε分別為材料拉伸曲線中相應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變量.

按照以上結(jié)果及方程式(6—9)，整理得主管道材料在常溫條件下的FAD圖，如圖7所示.

圖7 R6失效評(píng)定曲線

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)主管道材料來(lái)說(shuō)，認(rèn)為通用曲線1是保守的，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此.從圖7中可以看出：材料的特性曲線相對(duì)通用曲線更加保守；但是，材料的特性曲線過(guò)于保守，而通用曲線則相對(duì)寬松的.對(duì)于核電主管道材料這樣要求較高并且工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜、安全要求較高的核一級(jí)部件之一，選擇曲線2評(píng)定其含裂紋結(jié)構(gòu)是最適合的.

4 結(jié) 論

采用緊湊拉伸試樣及單試樣卸載柔度法進(jìn)行核主管道材料J積分法斷裂韌性試驗(yàn)研究，獲得了該材料的斷裂韌性J—R阻力曲線方程：JR=-259.65+810.76(Δa)0.36及核主管道材料斷裂韌度值JIC為291.38 kJ/m2，表明主管道材料的韌性較好；通過(guò)所得的J—R阻力曲線對(duì)試樣有效性的要求分析的結(jié)果表明，試樣所得到的試驗(yàn)結(jié)果是有效的，J—R阻力曲線是可靠的，JIC也是合理的；另外，對(duì)要求較高的主管道材料來(lái)說(shuō)，材料的特性曲線相對(duì)通用曲線更加保守，其可作為材料的失效評(píng)定曲線，從而為工程運(yùn)用提供依據(jù)，為材料斷裂韌度的測(cè)試研究提供指導(dǎo).

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