国内外标准中裂纹尖端张开位移的计算结果差异_张强.pdf

：国内外标准中裂纹尖端张开位移的计算结果差异张强，徐诚，章伟，甘美露，王书强 江苏澄信检验检测认证有限公司 国家船舶材料质量监督检验中心（江苏），江阴 摘要：对 钢板进行了不同试验温度下的断裂韧度测试，再按照个标准分别计算了裂纹尖端张开位移，并分析其差异。结果表明：按照 和 标准计算得到的裂纹尖端张开位移较小，而按照 ：标准计算得到的裂纹尖端张开位移较大。当材料的断裂韧性计算结果在裂纹尖端张开位移的最小允许值附近时，计算依据的标准不同，会导致判定结论的不一致。关键词：金属材料；断裂韧性；裂纹尖端张开位移；标准中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：张 强（），男，硕士，高级工程师，主要从事分析检验、材料疲劳、腐蚀、残余应力等方面的研究工作，（），：，：，：；传统的净强度设计方法能保证构件不会因为受载时承受的最大特征应力达到材料抗力而发生破坏，但如果材料内部存在缺陷或裂纹，在疲劳载荷作用下或在低温环境中产生的破坏就无法避免。含缺陷或裂纹构件的塑性变形集中在裂纹尖端局部区域，其宏观塑性变形不明显，再加上裂纹的扩展极其迅速，容易导致灾难性的后果。断裂是材料最危险的失效方式，各行业对含裂纹构件在外部载荷作用下结构安全性的研究也越来越重视。断裂韧度是评估材料或结构安全性和完整性的重要指标，可以反映材料抵抗裂纹扩展的能力，常被用于结构防断裂设计以及含缺陷结构完整性分析。裂纹尖端张开位移（）是断裂韧度表征指标，能充分体现材料的抗开裂能力，可被用于材料弹性阶段、小范围屈服直至大范围屈服的各个阶段。相比受到有效性条件限制的平面应变断裂韧度 和断裂韧度积分 具有更好的应用效果，目前已被多个领域广泛应用。材料或构件上的裂纹受载荷后，裂纹会逐渐张开，裂纹尖端出现钝化。反映了材料裂纹尖端抵抗裂纹扩展的能力。越大，则材料抵抗开裂的能力越强、韧性越好。目前，金属材料断裂韧性测试的主要标准为 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法、：张 强，等：国内外标准中裂纹尖端张开位移的计算结果差异 金属材料 测定准静态断裂韧性的统一试验方法 以及 断裂韧性测量的标准试验方法。标准采用理想弹塑性材料假设，和 ：标准均是基于材料的真应力应变关系满足 幂 次 定 律，而 标 准 则 在 ：标准的基础上，依据刚性铰链模型进行了改进，个标准的试验过程基本一致，在测试试样和参数的要求上有所差异，这些差异对试验结果的影响不大，在适用范围、试验仪器、试样尺寸、试验过程等方面，个标准没有本质的差异，在相互取交集的部分可以等效，最大的区别在于个标准中的计算公式明显不同，导致同一个试样的测试结果会有明显差异。工程实际应用中，如 规范等，通常会规定 的允许值 ，但并不规定具体的测试标准，规范要求将测试得到的 特征值与允许值 进行比较，来评判材料合格与否，实际工程应用时，测试标准的选择会使材料断裂韧性合格与否的评判结果不一致。笔者制备了同时满足以上个标准要求的测试试样，按照以上种标准规定的测试方法对同种材料在不同温度下进行断裂韧性测试，再根据以上个标准规定的计算公式进行 计算，并对测试结果进行比较分析，判断其中的差异，为工程实际应用提供依据。试验材料与方法试样形状及尺寸试验材料板厚为 ，材料为 钢。按照个测试标准中相互取交集的部分进行断裂韧度 试样的加工制备、疲劳裂纹的预制及试验，试样为点弯曲矩形试样，取样方向为方向，为钢板的主变形方向，为横向，与板宽度方向重合，为钢板的最小变形方向，与板厚方向重合。试样的厚度、宽度分别为 和 ，试 样 长 度 为 ，试 验 跨 距为 ，试样未开侧槽。试样取样方向如图所示。疲劳裂纹预制及测试采用微机控制电液伺服疲劳试验机，在室温下预制疲劳裂纹，预制裂纹长度约为，加载方式为正弦波，应力比为。疲劳裂纹预制完成后，将试样放入低温试验箱，通过液氮制冷方式将试样温度降到测试温度（，），图 试样取样方向示意试样在低温下的保温时间为规定时长（保温时间不低于 ），再进行点弯曲试验。试验开始后，测试系统自动记录载荷（）缺口张开位移（）曲线。测试完成后，根据曲线测定测试过程的峰值载荷 、缺口张开位移塑性分量及缺口张开位移曲线下面积的塑性分量。测试完成后将试样压断，用光学显微镜观察其断口，测量裂纹长度，测量精度不低于 ，平均裂纹长度计算公式为（）（）式中：为标称裂纹长度；为终止裂纹长度；为初始裂纹长度；为即时裂纹长度。取 的标准圆棒试样，根据标准 金属材料 拉伸试验 第部分：室温试验方法 和 金属材料低温拉伸试验方法，测试试验材料在不同测试温度（，）下的屈服强度、抗拉强度和弹性模量。的计算根据 、：及 等个标准中规定的 特征值的计算公式，计算试验材料在不同测试温度下的 特征值。其中，标准在 计算公式 中 引 入 了 转 动 半 径 进 行 转 动 修 正，与 ：对照，计算公式中的塑性部分进行了修改，弹性部分与 ：保持一致，对应的 特征值的计算公式为（）（）（）（）（）（）式中：为开侧槽试样的净厚度；为泊松比；为初始裂纹长度；为对应载荷峰值时的缺口张开位移塑性分量；为转动半径；为应力强度因子系数。张 强，等：国内外标准中裂纹尖端张开位移的计算结果差异的计算公式为（）（）（）式中：为应力强度因子系数。（）（）（）（）（）（）（）（）（）的计算公式为（）（）（）（）（）（）（）其中 标准对应的 特征值的计算公式为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）标准中 特征值计算公式中的其他计算参数与 标准一致。其中 标准对应的 特征值的计算公式为（）式中：为有效屈服强度。（）（）（）（）式中：为屈服强度；，均为计算系数；为极限抗拉强度。的计算公式为 （）结果与讨论按 照 不 同 试 验 温 度 测 试 后，根 据 、：和 等个断裂韧度试验标准中规定的计算公式计算 ，结果如表所示。随着测试温度的降低，按个标准计算得到的 均呈明显下降趋势。同 一 测 试 温 度 下 比 较 发 现，按 照 标准计算得到的 最小，其次为按 计算得到的 ，而按照 ：计算获得的 最大。当测试温度较高，材料具有较高的断裂韧性时，个不同断裂韧度测试标准计算得到的 差别较大，随着测试温度的降低，个断裂韧度试验标准计算得到的 差值减小。通过查阅大量技术规范发现，在实际工程应用中一般将 最小允许值 确定为 。当材料具有较高的断裂韧性时，个不同标准的测试结果均较高，远超过一般规范中规定的 最小允许值 ，不会影响判定结果；按文中测 试材 料 对应 的设计文件或技术 规 范 规定，测试温度为 时，为，即该材料在规定的测试温度下测试的 大于该允许值时，材料的断裂韧性才算合格。通过分析判断可以发现，按照 ：标准测试时，该产品达到合格水平，而按照 和 测试时，该产品将被判定为不合格。这样就会导致在实际工程应用或者产品认可过程中，因为选择测试标准的不同而出现质量异议。结论 、：和 等个不同标准在适用范围、试验仪器、试样尺寸、试验过程等方面没有本质的差异，在相互取交集的部分可以等效，但个标准中 的计算公式具有明显区别，导致同一试样在相同测试温度下测试的 存在一定差异，其中按照 计算的 最小，按照 ：计算的 最大。当材料具有较高的断裂韧性时，个不同标准的测试 结 果 均 较 高，远 超 过 一 般 规 范 中 规 定 的 最小允许值 ，不会影响判定结果；当材料的断裂韧性计算结果在 附近时，按照不同标准计算可能导致判定结果不一致。（下转第 页）叶永魁，等：某核电机组阀门引漏管开裂原因综合分析引漏管材料的硬度高于标准要求，化学成分及显微组织未见异常。引漏管内表面存在多条环向裂纹，微观下存在因腐蚀形成的腐蚀裂纹和腐蚀坑；裂纹面无宏观塑性变形，呈脆性穿晶开裂，无疲劳断裂特征，裂纹面上存在黄褐色的腐蚀产物；由内壁向外壁发生穿晶开裂，存在很多分枝，尖端多呈树枝状分叉；内表面及裂纹面均存在腐蚀性元素氯。裂纹特征均属于应力腐蚀裂纹。应力腐蚀是材料、环境、应力相互作用的结果。材料对应力腐蚀的敏感性与材料的强度、显微组织、杂质含量、所受应力的大小以及腐蚀介质等因素有关。硬度超标表明开裂引漏管试样残留较高的残余应力，是应力腐蚀开裂的根源。内壁均有腐蚀坑，表明管内存在少量氯离子引起的点蚀。阀门内部流动的一回路介质，是严格控制氯离子的除盐水，但不能排除少量渗漏的一回路水中氯离子的富集，也不排除在人为去污擦拭过程中引入氯离子的可能。综上所述，引漏管开裂的原因为应力腐蚀，腐蚀介质为氯离子，在应力和腐蚀介质氯离子的共同作用下，发生了应力腐蚀开裂。结语引漏管开裂的原因为应力腐蚀，腐蚀介质为氯离子。建议严格控制引漏管内的氯离子含量，并使用经过充分固溶处理的引漏管，以降低应力腐蚀的敏感性。参考文献：刘建洲奥氏体不锈钢的应力腐蚀及其防护石油化工设备技术，（）：李嘉栋，陈超，张世贵，等 不同应力条件下不锈钢局部腐蚀行为的研究进展表面技术，（）：，（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第 页）表 钢板在不同试验温度及计算公式下得到的 试样编号 国标 标准 标准 参考文献：徐斌，颜银标断裂韧度 评定技术的现状及应用材料导报，（）：曾小川，阴志英，王龙，等 金属材料断裂韧性试验标准对比分析 核标准计量与质量，（）：马建章，高驰名 可靠性安全系数法在结构静强度设计中的应用 无线电工程，（）：关鹏涛，李相清，郑三龙，等 和 标准断裂韧度测试方法比较研究 机械工程学报，（）：孙洋洋，孔维拯 裂纹尖端张开位移（）允许值研究钢结构，（）：包陈，蔡力勋 试验方法与转子材料的延性断裂性能 机械强度，（）：石凯凯，蔡力勋，包陈 单边裂纹弯曲试样的转动修正方法研究机械强度，（）：