田根起, 侍克獻, 萬海波, 王延峰

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，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的新材料斷裂力學測試技術數(shù)十年來受到廣泛關注[1]。在壓力容器等關鍵部件的安全評價中，對含缺陷結構的塑性材料屈服、裂紋的啟裂、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展直至斷裂進行過程分析時，斷裂特征參量J積分被廣泛應用，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的發(fā)展被深入研究[2]。

目前，世界上很多國家都編制了相應的試驗標準來指導規(guī)范斷裂力學試驗，主要包括GB/T 21143—2014 《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌性的統(tǒng)一試驗方法》、ASTM E1820—2016 《斷裂韌性標準測試方法》、ISO 12135—2002 《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌性統(tǒng)一試驗方法》和BS:7448-1∶1991、BS:7448-2∶1997 《斷裂韌性測試方法》。國家標準化委員會將GB/T 2038—1991和GB/T 2359—1994合并修訂，形成統(tǒng)一的準靜態(tài)斷裂韌性測試標準GB/T 21143—2007。之后，鋼鐵研究總院和西南交通大學等組織對其進行修訂，形成現(xiàn)行的GB/T 21143—2014。相比之下，美國ASTM 協(xié)會幾乎每年都會對ASTM E1820進行修訂。2種標準在試樣規(guī)格和尺寸、試驗條件控制、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]。

斷裂韌性測試主要包括單試樣法和多試樣法。多試樣法直接測量多個試樣的裂紋擴展長度，裂紋長度測量精度相對較高，但浪費大量試料且試驗結果較為離散。單試樣法通常采用柔度法或電位法，對單個試樣進行逐級加載、卸載，測量每級加卸載對應的裂紋長度和擴展阻力。斷裂韌性試驗通常采用緊湊拉伸(CT)試樣和3點彎曲試樣，臺階型CT試樣廣泛應用于室溫和高溫條件下的斷裂力學測試，發(fā)展相對比較成熟[4]。因此，筆者采用單試樣法對臺階型CT試樣開展試驗，研究不同裂紋長度、試樣尺寸、試驗參數(shù)及試驗標準對斷裂韌性試驗結果的影響，為工程實踐提供數(shù)據(jù)和技術支持。

1 試驗材料與方法

試驗材料為CAP1400常規(guī)島發(fā)電機轉子鍛件，材料牌號為25Cr2Ni4MoV，該材料具有較高的強度和韌性。其具體化學成分見表1，常規(guī)力學性能參數(shù)見表2。

試驗設備為INSTRON 8802-25T電液伺服低周疲勞試驗機，COD型號為2670-132，標距10 mm、行程4 mm。CT試樣沿發(fā)電機轉軸芯棒軸向取樣，裂紋擴展方向與軸向平行。選擇CT25(25 mm厚)和CT38 (38 mm厚)2種規(guī)格的試樣進行試驗，具體試樣尺寸見圖1。

表1 25Cr2Ni4MoV主要化學成分

表2 25Cr2Ni4MoV常規(guī)力學性能參數(shù)

(a) CT25臺階型試樣

(b) CT38 臺階型試樣

參照ASTM E1820—2016中單試樣柔度法進行試驗，首先檢查并測量試樣尺寸，包括試樣寬度W、厚度B和初始裂紋長度a0。根據(jù)試驗標準要求預制疲勞裂紋，初始裂紋長度比a0/W=0.45～0.70。預制疲勞裂紋完成后開具側槽，側槽厚度B-BN=0.80B，側槽角度為90°，根部倒角半徑為0.2 mm。

試驗前，在彈性范圍內對試樣進行預加載，并對初始裂紋長度進行檢查。采用位移控制模式，逐步對試樣進行加載、卸載再加載，直至試驗結束。計算機軟件記錄載荷和加載線位移等數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗標準推薦的公式計算每次加載、卸載對應的裂紋擴展長度Δai和裂紋擴展阻力Ji，作出J-R阻力曲線，并計算斷裂韌性的特征值J1C[5-6]。

試驗結束后將試樣放入熱處理爐中，在300 ℃下保溫約30 min后進行著色處理，取出試樣經(jīng)2次疲勞試驗后將試樣拉斷。在體視顯微鏡下觀察并測量裂紋，計算初始裂紋長度和裂紋擴展長度，并進行裂紋平直性判定。

2 試驗結果與分析

2.1 初始裂紋長度的影響

試驗標準中規(guī)定初始裂紋長度比應滿足a0/W=0.45～0.70，為研究標準范圍內初始裂紋長度比對試驗結果的影響，選用a0/W為0.51、0.54、0.57、0.60和0.66這5種初始裂紋長度比的試樣進行試驗，并分別運用GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2016進行數(shù)據(jù)處理，試驗結果如圖2所示。

圖2 初始裂紋長度比與J1C和試驗最大載荷P的關系

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

GB/T 21143—2014中規(guī)定試驗機標稱測量能力應不小于F標稱?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著初始裂紋長度比的增加，試驗過程中的最大載荷逐漸降低，且最大載荷處于F標稱的75%左右，說明GB/T 21143—2014在試驗機載荷能力方面留有較大的富裕度，同時也可通過增加初始裂紋長度來擴大試驗機的能力范圍。

(1)

2.2 試樣尺寸的影響

試驗標準中對CT試樣的尺寸比例進行了規(guī)定，要求1≤W/B≤4(推薦W/B=2)，并要求用W-a0、a0和B對試驗結果進行有效性判定。為研究試樣厚度對試驗結果的影響，各選擇5個CT25和CT38試樣進行試驗，結果如圖3所示。

圖3 不同厚度試樣斷裂韌性試驗結果

圖4 試樣KC與試樣厚度的關系

2.3 試驗參數(shù)的影響

2.3.1 加載速率

在常規(guī)力學性能試驗中，加載速率對試驗結果有比較顯著的影響。斷裂韌性試驗標準中均給出了一定的加載速率范圍。GB/T 21143—2014中要求應力強度因子的加載速率應該在0.2～3 MPa·m0.5·s-1；ASTM E1820—2016中要求在0.3～3 min內加載到預制裂紋的最大限定值。為了分析加載速率對試驗結果的影響，選用不同加載速率進行試驗，結果見表3。由表3可知，加載速率在0.1～1.5 MPa·m0.5·s-1內時，加載速率對試驗結果影響不大；當加載速率大于2 MPa·m0.5·s-1時，隨著加載速率的增大，測得的斷裂韌性值減小。

2.3.2 保載時間

多數(shù)金屬材料在加載過程中會產生應力松弛。為避免在卸載過程中產生非線性曲線，需要在卸載前進行保載。筆者對比了保載6 s、15 s和24 s 3種試驗條件的影響，結果見表4。由表4可知，隨著保載時間的延長，斷裂韌性值減小，這是由于保載時間長，應力松弛較為明顯，載荷降低導致計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

在斷裂韌性試驗中，數(shù)據(jù)處理方法對試驗結果的影響較大[8]。Link[9]在利用卸載柔度法計算裂紋長度時，發(fā)現(xiàn)利用卸載段數(shù)據(jù)計算得到的裂紋長度偏小，獲得較大的條件斷裂韌性JQ；利用再加載段數(shù)據(jù)計算得到的裂紋長度偏大，獲得的JQ偏?。粚Ρ?個試驗室處理相同原始試驗數(shù)據(jù)得到的結果，發(fā)現(xiàn)最大差異達到20%，說明數(shù)據(jù)處理方法對試驗結果的影響較大。

圖2、圖3和表3、表4對比了不同試驗標準得到的斷裂韌性試驗結果，采用GB/T 21143—2014標準處理得到的試驗結果均比采用ASTME 1820—2016標準得到的結果要小，最小的差異也已達到20%。分析認為這主要是由于2種試驗標準在數(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J1C影響最為顯著。ASTM E1820—2016標準所采用的鈍化線針對的是理想的彈塑性材料，GB/T 21143—2014標準采用的鈍化線則針對的是真應力應變關系滿足冪次定律的材料[10]。從表5可以看到，GB/T 21143—2014標準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a0.2較小，從而導致得到的試驗結果偏小。

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

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

3 結 論

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

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

(3)當加載速率較小時(<1.5 MPa·m0.5·s-1)，加載速率變化對試驗結果影響不大；當加載速率繼續(xù)增大時，測得的斷裂韌性值減?。浑S著保載時間的延長，測得的斷裂韌性值減小。

(4)GB/T 21143—2014標準和ASTM E1820—2016標準在鈍化線斜率、有效數(shù)據(jù)判定和擬合曲線方程等方面對數(shù)據(jù)處理結果的影響較大，且前者得到的試驗結果比后者要小。