Page 42 - 理化检验-物理分册2023年第二期
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张 强, 等: 国内外标准中裂纹尖端张开位移的计算结果差异
2016 《 金属材料 测定准静态断裂韧性的统一试验
方法》 以及 ASTME1820 — 2020b 《 断裂韧性测量的
标准试验方法》。 ASTM E1820 — 2020b 标准采用
理想弹塑性材料假设, GB / T21143 — 2014 和ISO
12135 : 2016标准均是基于材料的真应力 - 应变关系
满足幂次定律, 而 GB / T21143 — 2014 标 准 则 在
ISO12135 : 2016标准的基础上, 依据刚性铰链模型 图1 CTOD试样取样方向示意
进行了改进, 3个标准的试验过程基本一致, 在测试 试样在低温下的保温时间为规定时长( 保温时间不
试样和参数的要求上有所差异, 这些差异对试验结 低于15min ), 再进行3点弯曲试验。试验开始后,
果的影响不大, 在适用范围、 试验仪器、 试样尺寸、 试 测试系统自动记录载荷( F ) - 缺口张开位移( V ) 曲
验过程等方面, 3个标准没有本质的差异, 在相互取 线。测试完成后, 根据F-V 曲线测定测试过程的峰
交集的部分可以等效, 最大的区别在于3个标准中 值载荷F max 、 缺口张开位移塑性分量V p 及缺口张
的计算公式明显不同, 导致同一个试样的测试结果 。测试完成后将
开位移曲线下面积的塑性分量 A p
会有明显差异。工程实际应用中, 如 DNV 规范等, 试样压断, 用光学显微镜观察其断口, 测量裂纹长
, 但并不规定具体 度, 测量精度不低于0.025mm , 平均裂纹长度计算
通常会规定 CTOD 的允许值δ min
的测试标准, 规范要求将测试得到的 CTOD 特征值 公式为
进行比较, 来评判材料合格与否, 8
δ o 与允许值δ min a= 1 a 1+ a 9 a ( 1 )
实际工程应用时, 测试标准的选择会使材料断裂韧 8 2 + i = 2
∑ i
性合格与否的评判结果不一致。 式中: a 为标称裂纹长度; a 1 为终止裂纹长度; a 9 为
笔者制备了同时满足以上3个标准要求的测试 初始裂纹长度; a i 为即时裂纹长度。
试样, 按照以上3种标准规定的测试方法对同种材 取 10mm 的标准圆棒试样, 根据标准 GB / T
ϕ
料在不同温度下进行断裂韧性测试, 再根据以上 3 228.1 — 2010 《 金属材料 拉伸试验 第 1 部分: 室温
个标准规定的计算公式进行 CTOD 计算, 并对测试 试验方法》 和 GB / T13239 — 2006 《 金属材料低温拉
结果进行比较分析, 判断其中的差异, 为工程实际应 伸试验方法》, 测试试验材料在不同测试温度( 20 , 0 ,
用提供依据。 、 抗拉
-10 , -20 , -40 , -60℃ ) 下的屈服强度R p 0.2
1 试验材料与方法 强度R m 和弹性模量E 。
1.3 CTOD 的计算
1.1 试样形状及尺寸 根据 GB / T21143 — 2014 、 ISO12135 : 2016 及
试验材料板厚为 25 mm , 材料为 12Cr1MoV ASTME1820 — 2020b等3个标准中规定的 CTOD
钢。按照3个测试标准中相互取交集的部分进行断 特征值的计算公式, 计算试验材料在不同测试温度
裂韧度 CTOD 试样的加工制备、 疲劳裂纹的预制及 下的 CTOD 特征值。
试验, CTOD 试样为 3 点弯曲矩形试样, 取样方向 其中, GB / T21143 — 2014 标准在 CTOD 计算
为 -x 方向, x 为钢板的主变形方向, 为横向, 与 公式 中 引 入 了 转 动 半 径 进 行 转 动 修 正, 与 ISO
y
y
板宽度方向重合, z 为钢板的最小变形方向, 与板厚 12135 : 2016对照, 计算公式中的塑性部分进行了修
方向重合。试样的厚度 B 、 宽度 W 分别为 25mm 改, 弹性部分与ISO12135 : 2016保持一致, 对应的
和50 mm , 试 样 长 度 为 230mm , 试 验 跨 距 S 为 CTOD 特征值的计算公式为
200mm , 试样未开侧槽。 CTOD 试样取样方向如 S F a 0 1- ν
2
2
δ 0= 0.5 × g 1 +
图1所示。 W W 2 R p 0.2 E
BB N W
1.2 疲劳裂纹预制及测试
R - a 0-Z V p
( 2 )
采用微机控制电液伺服疲劳试验机, 在室温下 R
预制疲劳裂纹, 预制裂纹长度约为4mm , 加载方式 式中: B N 为开侧槽试样的净厚度; ν 为泊松比; a 0
为正弦波, 应力比为0.1 。疲劳裂纹预制完成后, 将 为初始裂纹长度; V p 为对应载荷峰值时的缺口张开
试样放入低温试验箱, 通过液氮制冷方式将试样温 位移塑性分量; R 为转动半径; 为应力强度因子
g 1
度降到测试温度( 20 , 0 , -10 , -20 , -40 , -60℃ ), 系数。
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