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。
             2 6
   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47