劉 冬 杜麗影 李榮鋒

(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

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國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143中CTOD計(jì)算公式轉(zhuǎn)動(dòng)修正方法探討

劉 冬 杜麗影 李榮鋒

(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

針對新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014中裂紋尖端張開位移CTOD計(jì)算公式修正后，對金屬材料斷裂韌性測試結(jié)果的影響開展了試驗(yàn)驗(yàn)證研究工作。通過對比依據(jù)老版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007與新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014，還有歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO1235:2002，英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448:1991計(jì)算CTOD值，發(fā)現(xiàn)新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014相對其它主流標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果偏低20%。這樣會(huì)導(dǎo)致依據(jù)不同國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)或者第三方仲裁時(shí)產(chǎn)生矛盾，引起質(zhì)量異議。建議在以后其它國際標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，推廣我國標(biāo)準(zhǔn)修訂條款，到達(dá)最終國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，減少仲裁爭議。

裂紋尖端張開位移；CTOD測試標(biāo)準(zhǔn)；斷裂韌性；仲裁；質(zhì)量異議；國標(biāo)修訂；CTOD計(jì)算

裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement,CTOD)在材料斷裂韌度測試領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在橋梁、船舶、海洋工程結(jié)構(gòu)等的安全評定中相對KIC、J積分具有更好的應(yīng)用效果[1-3]。目前，國際和國內(nèi)均對該韌性指標(biāo)測試制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行CTOD測試標(biāo)準(zhǔn)最新版本包括國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014、歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135：2002和英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991[4-8]。老版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007中CTOD計(jì)算公式與歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135：2002(E)完全一致，而新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014在CTOD計(jì)算公式引入了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)修正的概念，對計(jì)算公式中塑性部分進(jìn)行了修改。

但是該處修改帶來了新的問題，使得依據(jù)新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014計(jì)算CTOD值相對老版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007降低明顯。對于有些特殊條件下的材料，譬如焊接接頭或者較低溫度下母材的CTOD測試，依據(jù)老版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007和歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135：2002來計(jì)算CTOD值可能剛好合格，但是按照新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014修正后CTOD值可能就不合格了，這樣在產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)或者第三方仲裁時(shí)就會(huì)產(chǎn)生矛盾。本文從新老兩個(gè)版本GB/T21143的CTOD計(jì)算公式的對比以及實(shí)例鋼種的CTOD計(jì)算結(jié)果修正前后對比驗(yàn)證了轉(zhuǎn)動(dòng)修正方法帶來的不同，希望引起標(biāo)準(zhǔn)修制訂人員的關(guān)注，盡量在歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135的修訂時(shí)能將國標(biāo)中修訂意見引入，保證國家標(biāo)準(zhǔn)與ISO標(biāo)準(zhǔn)的一致性，并推動(dòng)試驗(yàn)機(jī)廠家對相關(guān)測試軟件系統(tǒng)進(jìn)行更新，為測試人員帶來便利。

1 CTOD計(jì)算公式

老版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007中CTOD計(jì)算公式為：

(1)

(2)

其中：δ為裂紋尖端張開位移CTOD；S為跨距；W為寬度；B為厚度；BN為開測槽試樣的凈厚度；F為載荷；ν為泊松比；Rp0.2為0.2%非比例延伸強(qiáng)度；E為彈性模量；a0為初始裂紋長度；Δa裂紋擴(kuò)展量；Vp缺口張開位移塑性分量；z為引伸計(jì)裝卡位置到試樣表面的距離；SEB(single edged bending)試樣為三點(diǎn)彎曲試樣；CT(compact tension)試樣(compact tension)為緊湊拉伸試樣。

應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)：

試樣

(3)

(4)

新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014中CTOD計(jì)算公式為：

(5)

其中轉(zhuǎn)動(dòng)半徑計(jì)算由下式得到：

(6)

g(a/W)=10.51080-18.23599(a/W)-

92.96373(a/W)2+4061855(a/W)3-

648.1842(a/W)4+482.2612(a/W)5-

139.8167(a/W)6

(7)

(8)

其中：轉(zhuǎn)動(dòng)半徑計(jì)算由下式得到：

(9)

g(a/W)=150.1554-1427.620(a/W)+

5712.630(a/W)2-12131.870(a/W)3+

14357.50(a/W)4-8967.939(a/W)5+

2309.530(a/W)6

(10)

比較新老國家標(biāo)準(zhǔn)中CTOD計(jì)算公式可以看出，變化的只是后面塑性分量部分的計(jì)算公式。新標(biāo)準(zhǔn)引入了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的計(jì)算公式，轉(zhuǎn)動(dòng)修正用轉(zhuǎn)動(dòng)半徑來表示，而老標(biāo)準(zhǔn)中指定SEB試樣轉(zhuǎn)動(dòng)因子為0.4，CT試樣轉(zhuǎn)動(dòng)因子為0.46，用轉(zhuǎn)動(dòng)因子這一參數(shù)來表征轉(zhuǎn)動(dòng)修正。

2 對比試驗(yàn)

為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)更新后CTOD計(jì)算公式的變化對產(chǎn)品韌性評定帶來的改變，筆者對日常檢驗(yàn)中碰到較為常見的管線鋼產(chǎn)品開展了批量檢驗(yàn)，測試了X65、X80、X100、X120這四種牌號管線鋼的CTOD值，并分別依據(jù)新老國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算CTOD值進(jìn)行了對比。選用X65、X80、X100、X120的常規(guī)力學(xué)性能測試結(jié)果如下表1。

由于四種牌號管線鋼產(chǎn)品原始厚度不同，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014加工成三點(diǎn)彎曲SEB試樣尺寸有所不同，記錄測試過程中載荷F與缺口張開位移塑性分量Vp，分別依據(jù)新老國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式(1)和(5)計(jì)算CTOD值。參與計(jì)算參數(shù)泊松比ν取0.3，引伸計(jì)裝卡位置到試樣表面的距離z為0，試樣未開測槽BN=B。

表1 管線鋼常規(guī)力學(xué)性能

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

四種牌號管線鋼產(chǎn)品依據(jù)新老國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算CTOD值如表2所示。表中δ07表示依據(jù)GB/T21143-2007計(jì)算的CTOD值，δ14表示依據(jù)GB/T21143-2014計(jì)算的CTOD值。從表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，隨著管線鋼鋼級的提高，材料斷裂韌性CTOD值不斷降低。比較兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)按照新國標(biāo)計(jì)算結(jié)果明顯低于老國標(biāo)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差高于20%。采用新標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑修正方法計(jì)算結(jié)果相對老標(biāo)準(zhǔn)指定轉(zhuǎn)動(dòng)因子的修正方法偏低20%。

管線鋼產(chǎn)品在進(jìn)行斷裂韌度評估時(shí)一般依據(jù)挪威船級社近海結(jié)構(gòu)物(海底管線系統(tǒng))建造規(guī)范DNV-OS-F101[9]中CTOD允許值δmin為0.20mm。

表2 新老國標(biāo)管線鋼CTOD計(jì)算值對比

也就是說當(dāng)材料在使用溫度下測試CTOD值大于該允許值時(shí)材料的斷裂韌性是合格的。從表2中可以看出依據(jù)老國標(biāo)計(jì)算的CTOD值均是合格的，X120管線鋼最小測試值為0.22，但依然大于允許值δmin。而采用新國標(biāo)GB/T21143-2014計(jì)算的CTOD值最小為0.176，不滿足大于允許值δmin的條件，一旦3件被測樣品中有一件斷裂韌性不合格，則該批產(chǎn)品斷裂韌度將被判定為不合格。因此，依據(jù)新國標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)修正方法來評判材料的斷裂韌度相對老國標(biāo)更加嚴(yán)苛，對于韌性較差的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼來說，很容易出現(xiàn)依據(jù)老國標(biāo)判定是合格的而改用新國標(biāo)判定就是不合格的現(xiàn)象。

目前，新國標(biāo)提出的依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑修正CTOD計(jì)算值的方法還處于推廣階段，現(xiàn)行的試驗(yàn)裝備軟件系統(tǒng)大多還是依據(jù)老標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的。對于多數(shù)韌性較好的材料計(jì)算CTOD值降低20%，還是能夠滿足大于允許值條件。但是，對于少數(shù)韌性正好處于允許值δmin附近的材料，依據(jù)新國標(biāo)手動(dòng)計(jì)算后的結(jié)果很可能被判定為不合格?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)還包括歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135:2002和英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991，它們?nèi)c(diǎn)彎曲SEB試樣的CTOD計(jì)算公式分別為：

(11)

(12)

歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135:2002計(jì)算公式與老國標(biāo)GB/T21143-2007完全一致，因?yàn)槔蠂鴺?biāo)GB/T21143-2007是對歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135:2002的修改采用。但是目前歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135:2002還未出新版本。英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991計(jì)算公式相對老國標(biāo)GB/T21143-2007來說在轉(zhuǎn)動(dòng)修正方面沒考慮裂紋擴(kuò)展量Δa的影響，比較英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991與老國標(biāo)GB/T21143-2007計(jì)算CTOD值結(jié)果如表3所示。δ91表示依據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991計(jì)算的CTOD值。從表3中可以看出英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991與老國標(biāo)GB/T21143-2007計(jì)算值十分接近，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%?；静粫?huì)在斷裂韌性判定時(shí)出現(xiàn)歧義結(jié)果。

表3 老國標(biāo)與英國標(biāo)準(zhǔn)管線鋼CTOD計(jì)算值對比

新國標(biāo)GB/T21143-2014中CTOD計(jì)算公式的修正，具有一定的先進(jìn)性。主要體現(xiàn)在：

(2)CTOD計(jì)算塑性部分采用轉(zhuǎn)動(dòng)半徑計(jì)算修正代替了轉(zhuǎn)動(dòng)因子修正，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑也是隨裂紋長度隨時(shí)變化的函數(shù)，相對固定的轉(zhuǎn)動(dòng)因子常數(shù)更有現(xiàn)實(shí)意義。這兩處改動(dòng)正是造成新老標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算CTOD值偏差高于20%的原因。

4 結(jié)論

金屬材料斷裂韌性測試國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007與歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO12135:2002和英國標(biāo)準(zhǔn)BS7448：1991在CTOD計(jì)算結(jié)果上有很高的數(shù)據(jù)一致性，但是新推出的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014對于CTOD計(jì)算公式進(jìn)行的修正，測試結(jié)果相對之前的版本國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2007偏低了近20%。對于韌性較好的材料，測試結(jié)果降低20%不會(huì)導(dǎo)致韌性判定不合格，但是對于有些材料斷裂韌性在允許值附近的將會(huì)導(dǎo)致韌性判定不合格。這樣在產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量異議，引起爭端，因?yàn)檫@類材料依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014以外其他標(biāo)準(zhǔn)判定是合格的。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014的計(jì)算公式修正是合理的，有其先進(jìn)性，但是還需要在用戶中去推廣，讓更多的人去接受，因?yàn)樗呐卸ńY(jié)果更加嚴(yán)苛，對于提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量還是有指導(dǎo)性的。建議在日后其他國際標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中中方代表極力提出GB/T21143-2014中的修正方法，力求國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，確保日后進(jìn)出口產(chǎn)品的韌性檢定過程中不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量異議。

[1] 杜麗影，邱保文，李榮鋒，等.橋梁用鋼三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)研究與分析[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，26(1)：13-15.

[2] 包陳，蔡立勛.CTOD試驗(yàn)方法與轉(zhuǎn)子材料的延性斷裂性能[J].機(jī)械強(qiáng)度，2012,34(4):573-577

[3] 石凱凱，蔡立勛，包陳.單邊裂紋彎曲試樣的轉(zhuǎn)動(dòng)修正方法研究[J]機(jī)械強(qiáng)度，2012,34(2):250-255

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T21143-2007金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T21143-2014金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014

[6]GB/T21143-2014金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[7]ISO12135:2002Metallicmaterials-Unifiedmethodoftestforthedeterminationofquasistaticfracturetoughness[S].

[8]BS7448-1:1991,Fracturemechanicstoughnesstests-Part1:MethodfordeterminationofKIC,criticalCTODandcriticalJvaluesofmetallicmaterials[S].

[9]DETNORSKEVERITAS.OffshoreStandardDNV-OS-F101-2000:SubmarinePipelineSystems[S].NORSOKStandard,2000.

(責(zé)任編輯：李文英)

Study on Rotation Correction Methods of CTOD Calculation Formula Recommended by GB/T 21143

Liu Dong Du Liying Li Rongfeng

(Research & Development Center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei)

In response to the crack tip opening displacement (CTOD) calculation formula revision in the new edition GB/T 21143-2014, study on the effect of metal material fracture toughness testing results was conducted. By making a comparative analysis of GB/T 21143-2007, GB/T 21143-2014, ISO 1235:2002 and BS 7448:1991, we found that CTOD values calculated according to GB/T 21143-2014 were 20% lower than that of other standards. As a result, when inspecting product quality according to different standards or making third-part arbitration, argument arises. In view of this situation, the rotation correction methods recommended by GB/T 21143-2014 should be popularized and accepted by other standards while revising.

crack tip opening displacement; CTOD test standard; fracture toughness; arbitration; quality objection;national standard modification; CTOD calculation

2016-10-09

劉 冬(1985～)，男，碩士，工程師.E-mail：martinlau@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)04-0005-04