岳鵬宇,苗張木
(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,武漢 430063)
Wells[1]在最初提出裂紋尖端張開位移(CTOD)理論時(shí)認(rèn)為,塑性好的金屬材料可以看作是理想的彈塑性體,對(duì)于用其制成的帶有裂紋的構(gòu)件來說,隨著外載荷的增大,裂紋尖端處于高度應(yīng)力集中的狀態(tài),在應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)由彈性變形轉(zhuǎn)變到塑性變形;當(dāng)塑性變形達(dá)到全面屈服之后,裂紋尖端的應(yīng)力不再增大,而裂紋尖端會(huì)發(fā)生鈍化,裂紋表面會(huì)產(chǎn)生一定的張開位移。CTOD是指裂紋受到張開型載荷后,原始裂紋尖端處兩表面間所張開的距離[2-3]。
目前,塑性鉸鏈法是工程中常用的確定材料CTOD的方法,即通過三點(diǎn)彎曲試樣的變形幾何關(guān)系,由裂紋張開位移換算并求得CTOD[4],原理如圖1所示,CTOD計(jì)算值δp與rp(塑性變形旋轉(zhuǎn)因子)、W(試樣的截面高度)、a(初始裂紋的長度)、Vp(夾伸引伸計(jì)記錄的裂紋口張開位移中的塑性位移)等參數(shù)有關(guān)。通過經(jīng)驗(yàn)確定出rp后即可推算CTOD。但是,不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的rp取值存在差異,如BS 7448中取0.4,GB/T 2358-1994中取0.44,而JB/T 4291-1999中取0.45。
圖1 塑性鉸鏈法測(cè)定CTOD示意Fig.1 Schematic diagram of CTOD measurement by plastic hinge method
塑性鉸鏈法適用于大樣本抽樣試驗(yàn),結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)給出的容許值來判定被檢材料的韌性合格與否,是一種程序化的方法,試驗(yàn)周期短,適合工程應(yīng)用。但是,該方法也存在以下缺點(diǎn)。(1)rp的取值來源于工程經(jīng)驗(yàn),不同標(biāo)準(zhǔn)取值存在差異,學(xué)者對(duì)其取值也存在分歧;(2)CTOD通過間接觀測(cè)和幾何換算得到,并不是裂紋尖端真實(shí)的張開位移,可能存在較大誤差;(3)受厚度效應(yīng)影響,大厚度鋼板貫穿裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜,CTOD沿厚度方向變化明顯,變化規(guī)律的定量表達(dá)仍未得到完美解決。
在科學(xué)研究中直接觀測(cè)是一種有效的方式,隨著試驗(yàn)儀器的進(jìn)步,目前基于直觀定義并借助顯微工具完全可以直接測(cè)得真實(shí)CTOD。但是,受限于器材精度和試驗(yàn)成本,目前對(duì)于CTOD的直接觀測(cè)大多只針對(duì)薄板的表面裂紋,對(duì)于厚板貫穿裂紋研究甚少,缺乏針對(duì)厚板貫穿裂紋簡單有效的觀測(cè)方法。
CTOD直接觀測(cè)的定義方法多樣,文獻(xiàn)[5]給出了一種稱之為“δ5”的CTOD讀數(shù)計(jì)算方法,它是將原始裂紋尖端處于5mm標(biāo)記線中點(diǎn)位置,標(biāo)記線長度的改變即CTOD。直接法[6]是將裂紋尖端張開總長和開裂間距的差作為CTOD,即δ=δ1-δ2。文獻(xiàn)[7]通過延長線法和等腰直角三角形法來得到CTOD。
這些定義方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如“δ5”方法可以降低裂紋尖端復(fù)雜形態(tài)帶來的影響,但需要進(jìn)行表面標(biāo)記,因此不適用于厚板貫穿裂紋;直接法通過直接測(cè)量裂紋尖端可以獲得任意剖面的CTOD,但裂紋尖端的復(fù)雜形態(tài)會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果造成不利影響;延長線法通過裂紋面延長線來界定CTOD,方便直觀,等腰直角三角形法通過幾何關(guān)系確定CTOD,簡單明了,但這兩種方法都只適用鈍化型裂紋,對(duì)于開裂型裂紋將無法確定。
新出現(xiàn)的多剖面法利用現(xiàn)代加工手段,能夠針對(duì)任意厚度位置進(jìn)行切割,彌補(bǔ)了上述方法的不足之處,大大提高了直接觀測(cè)的可行性和精度。常用的直接觀測(cè)CTOD的手段有光學(xué)顯微鏡法[8]和掃描電鏡法[9]。光學(xué)顯微鏡成本低廉、操作方便、觀測(cè)周期短,但只適用于鈍化型裂紋。對(duì)于開裂型裂紋,由于開裂處形態(tài)復(fù)雜,解析度低、精度低的光學(xué)顯微鏡達(dá)不到高精度觀測(cè)的要求,需要借助掃描電鏡。掃描電鏡解析度高,精度高,且可以拍攝清晰圖像,能應(yīng)對(duì)任意形態(tài)的裂紋尖端,但成本高昂,操作復(fù)雜,對(duì)于需要反復(fù)多次觀測(cè)的試驗(yàn)并不適用。
為此,作者嘗試將光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡結(jié)合使用,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),初步觀測(cè)使用光學(xué)顯微鏡,對(duì)于不易觀測(cè)的開裂型裂紋使用掃描電鏡二次觀測(cè),修正數(shù)據(jù),可以大大簡化流程,節(jié)約成本,同時(shí)得到高精度的數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)材料分別為調(diào)質(zhì)EQ56和EQ70高強(qiáng)鋼,化學(xué)成分見表1,其碳當(dāng)量均為0.56%。EQ70的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為780,816MPa;EQ56的分別為679,737MPa。三點(diǎn)彎曲試樣尺寸如圖2。
表1 試樣鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of test steels(mass) %
圖2 三點(diǎn)彎曲試樣尺寸Fig.2 Size of 3-point bending specimen
三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在 WAW-1000B型計(jì)算機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載至試樣表面裂紋尖端出現(xiàn)明顯塑性變形(如圖3所示)時(shí)即可卸載,以確保鈍化型裂紋和開裂型裂紋沿試樣厚度方向同時(shí)存在。
從圖3可以得出Vp=1.65mm,根據(jù)塑性鉸鏈法,按式(2)求得CTOD的值為0.47mm。其中rp依照現(xiàn)行規(guī)范取值為0.4,W為32mm,a=16mm,z取0。
圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的F-V曲線Fig.3 F-Vcurves of 3-point bending test
為觀測(cè)試樣厚度方向不同位置處的裂紋,在三點(diǎn)彎曲試樣中心沿厚度方向剖切得到不同剖面,剖面尺寸為15mm×15mm×2mm,如圖4所示,切片方式選用電火花線切割并對(duì)表面做打磨及拋光處理。
圖4 三點(diǎn)彎曲試樣切割示意圖Fig.4 Schematic diagram of incision of three-point bending specimen
圖5 光學(xué)顯微鏡測(cè)CTOD步驟示意Fig.5 Schematic of steps of CTOD measurement using optical microscope
由于剖切試樣數(shù)量較多、體積較小、裂紋尖端形態(tài)相似,為保證切割后能還原為切割前的排列,設(shè)計(jì)了雙“V”標(biāo)記法,即在待切割試樣的頂面和前表面分別切深度1mm左右、開口朝向相反的“V”字形標(biāo)記,如圖4所示。根據(jù)切痕的朝向、位置、距離可以快速定位切割試樣,恢復(fù)剖切前的位置順序。
首先用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行初步觀測(cè),步驟如圖5所示。先將目鏡度盤邊緣的角度讀數(shù)置于零度,移動(dòng)工作臺(tái)上的試樣使裂紋嘴與十字線之一重合;然后旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)平動(dòng)測(cè)微器找出裂紋尖端,旋轉(zhuǎn)目鏡度盤右上角旋鈕和平動(dòng)測(cè)微器,使目鏡中的十字線之一與裂紋面相切,并讓十字線的交點(diǎn)置于切點(diǎn)P′;將P′作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn),然后將度盤邊緣的角度調(diào)回到零度,測(cè)得P′點(diǎn)讀數(shù)。同上,可得到另一個(gè)切點(diǎn)Q′點(diǎn)讀數(shù),二讀數(shù)之差記為d1。再旋轉(zhuǎn)垂直于裂紋方向的工作臺(tái)測(cè)微器,使十字線分別通過兩個(gè)開裂點(diǎn)O1,O2,兩個(gè)開裂點(diǎn)之間距離為d2,則CTOD值δp=d1-d2。分別觀測(cè)每個(gè)剖切試樣的2個(gè)剖面,并求平均值,作為此試樣的CTOD值,以降低人工觀測(cè)誤差,提高觀測(cè)精度。
再采用S-3400N型掃描電鏡進(jìn)行二次觀測(cè),以EQ56鋼的7號(hào)試樣為例,測(cè)試方法與步驟與光學(xué)顯微鏡的相同。
圖6 CTOD初步觀測(cè)結(jié)果Fig.6 Preliminary observed result of CTOD
從圖6中可以看出,初步觀測(cè)數(shù)據(jù)總體分布規(guī)律是先降后升,文獻(xiàn)[10]指出,受厚度效應(yīng)的影響,厚度方向貫穿裂紋CTOD從邊緣到中心逐漸減小,兩者相符;但EQ56鋼的4,5,7,8號(hào)試樣和EQ70鋼的7,8,9,14號(hào)試樣剖面數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大偏差。
由圖7可以推斷,測(cè)量值偏大是因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡分辨率較低,誤將左側(cè)裂紋壁最右端b點(diǎn)視作了開裂點(diǎn)O1,得到δp=312μm。
為尋找真實(shí)的開裂點(diǎn),使用Photoshop圖像軟件對(duì)圖7進(jìn)行后期處理分析,如圖8所示。先用自帶“鋼筆”工具將兩側(cè)裂紋壁輪廓精細(xì)描出;然后將描好的裂紋壁輪廓線進(jìn)行復(fù)制提??;最后將左右裂紋壁輪廓線進(jìn)行平移拼接,平移過程中不可發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖7 EQ56-7試樣裂紋的SEM形貌Fig.7 SEMmorphology of the crack in the specimen EQ56-7
圖8 EQ56-7試樣剖面后期處理示意圖Fig.8 Schematic diagram of processing of EQ56-7section
從圖8可以看出,經(jīng)過平移拼接,左右裂紋壁輪廓形成互補(bǔ),這說明開裂擴(kuò)展的新裂紋源于原始裂紋尖端的一個(gè)點(diǎn),因此可以確定,圖8中O1和O2點(diǎn)才是原始裂紋尖端真正的開裂點(diǎn)。根據(jù)掃描電鏡觀察時(shí)的比例尺進(jìn)行測(cè)量計(jì)算得到δp=L1+L2=104+116=220μm。
采用同樣的方法,對(duì)剩余剖面進(jìn)行二次觀測(cè),修正數(shù)據(jù)點(diǎn)。修正前后的CTOD曲線如圖9所示,可見修正后分布曲線過渡更為平滑,與理論分布相吻合,為后續(xù)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)。
(1)高強(qiáng)鋼厚板貫穿裂紋CTOD的直接觀測(cè),可采用多剖面法得到不同厚度位置的剖面,并使用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡相結(jié)合的方法進(jìn)行初步觀測(cè)和二次觀測(cè),降低了試驗(yàn)成本,同時(shí)保證了觀測(cè)精度。
圖9 EQ56鋼修正前后的CTOD分布曲線Fig.9 CTOD distribution curves before and after correction for EQ56steel
(2)二次觀測(cè)得到的修正后的厚板貫穿裂紋CTOD沿厚度方向的分布曲線更加平滑,具有較好的參考價(jià)值。
[1]WELLS A A.Application of fracture mechanics at/and beyond general yielding[J].British Welding Journal,1963,10:563-570.
[2]周望周.化工設(shè)備斷裂失效分析基礎(chǔ)[M].南京:東南大學(xué)出版社,1991.
[3]陳小娟.CTOD試驗(yàn)技術(shù)中幾個(gè)關(guān)鍵問題研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011:4-6.
[4]苗張木.厚鋼板焊接接頭韌度CTOD評(píng)定研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005:22.
[5]GUBELJAK N,SEMENSKI D,DRVAR N,et al.Object grating method application in strain determination on CTOD tests[J].Strain,2006,42:81-87.
[6]PARDOEN T,DELANNAY F.A method for the metallographical measurement of the CTOD at cracking initiation and the role of reverse plasticity on unloading[J].Engineering Fracture Mechanics,2000,65:455-466
[7]THAULOWC,SCHIEFFER S V,VATNE I R,et al.Crack Tip Opening Displacement in atomistic modeling of fracture of silicon[J].Computational Materials Science,2011,50:2621-2627.
[8]WERNER K.The fatigue crack growth rate and crack opening displacement in 18G2A-steel under tension[J].International Journal of Fatigue,2012,39:25-31.
[9]JACOBSSON L,PERSSON C,MELIN S.Determination of displacements around fatigue cracks using image analysis of insitu scanning electron microscope images[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,2008,31:1091-1100.
[10]YANG Ji-yun,ZHANG Xing.Research on the relation between fracture toughness and sample thickness[J].Journal of Mechanical Strength,2003,25(1):76-80.