岳鵬宇，苗張木

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，武漢 430063）

0 引 言

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(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)度的改變即CTOD。直接法［6］是將裂紋尖端張開總長(zhǎng)和開裂間距的差作為CTOD，即δ＝δ1－δ2。文獻(xiàn)［7］通過延長(zhǎng)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(zhǎng)線法通過裂紋面延長(zhǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)化流程，節(jié)約成本，同時(shí)得到高精度的數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

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。

1.2 試驗(yàn)方法

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

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)制提取；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)。

3 結(jié) 論

（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。

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