裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究
摘要：现有规范对裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值的描述，偏重于材料本身力学性能，一定程度上忽略了服役环境因素，致使CTOD允许值偏于保守。

通过对某项目EQ70(38 mm)系列用钢进行缺陷评估，发现如果考虑环境因素，其保守度会有所降低，由此提出环境CTOD允许值概念。

并基于欧盟“结构完整性评定方法”(SINTAP标准)，对CTOD允许值进一步分析，得出关于CTOD允许值的求解方法，并导出其定量计算式，为材料的验收和拒收提供了依据，具有一定的工程实践意义。

关键词：CTOD允许值; 保守度; 缺陷评估; SINTAP
裂纹尖端张开位移(CTOD)表征的是缺陷材料裂纹尖端抵抗裂纹扩展的能力，这一判定指标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。

因此, CTOD值作为韧性参数，相比于理想弹塑性下的J积分与小范围屈服的夏比冲击功，有其独特的优势。

自20世纪以来，CTOD 作为材料的断裂韧度测试评判标准，已被广泛应用于各国工程领域中。

但是，很多规范只涉及到了CTOD试验准则及选择标准，对于CTOD允许值的问题则描述很少[1]。

CTOD允许值即结构所能容忍的CTOD最小值δmin，当测试结果大于或等于CTOD允许值时，认为材料的断裂韧度是合格的，反之，则不合格。

而且，大量工程实践表明，相关规范中给出的CTOD值非常保守，这违背了“合于使用”原则。

因此，笔者结合某项目EQ系列钢板缺陷失效评估的研究，对CTOD允许值问题提出了自己的见解，并导出了一个关于CTOD允许值的定量算式。

1 SINTAP原理
以断裂力学为基础的SINTAP，对含缺陷结构的安全可靠性评估，主要有两种途径，即FAD和CDF。

CDF指的是裂纹推动力，通常用J积分来进行研究[2]。

由于本文以CTOD试验为依托，所以采用另一种途径FAD，即材料缺陷失效评定，如图1所示。

注：A为可接受区域；B为极限情况；C为不可接受区域。

图1 SINTAP失效评定
由图1可知，如果评定点(Lr, Kr)在曲线内部，则结构是安全的，反之，则结构不安全。

自20世纪80年代始，断裂力学的不断完善与发展，促使世界各国逐渐制定了基于“合于使用”原则的缺陷评估方法，且其大多数采用的是FAD方法。

这种方便易行的失效评估方法，囊括了从钢结构材料脆断到塑性崩溃的所有范围。

FAD图的Y轴表征的是结构的抗开裂能，即对脆性断裂的阻力，X轴表征的是缺陷结构的启裂能力[3]。

由此可见，任一个评定点的位置，是由外部荷载条件、缺陷裂纹尺寸及材料本身力学性能所确定的，即是对应的函数关系。

对于SINTAP规范等级划分问题，由于篇幅限制，本文只根据所需内容着重介绍SINTAP三级评定。

这个评定方法需要通过试验得出材料的全应力-应变曲线，本文只介绍焊缝和母材强度基本匹配时的情况。

其断裂线定义为：
(1a)
(1b)
其中σref=σyLr
式中：σref为真实应力；εref为真实应变，为材料真应力-应变曲
线中σref对应的应变值；Lr为载荷比；为断裂比率因子，表征的是在对应载荷比下材料的抗裂能力。

对材料缺陷进行评估时，由于本文研究过程中，以CTOD值为断裂韧性判据，所以采用下列方程进行分析：
(2a)
(2b)
式中：δI为断裂韧性参量；δu为试验CTOD值；ρ为与裂纹尺寸有关的计算参数；KI为应力强度因子；σy为屈服强度；σmax为极限抗拉强度。

2 CTOD试验及结果
在高频疲劳实验机下预制疲劳裂纹，为模拟自然裂纹，选择常温环境。

采用的方法是高K比法[4]，以达到保持疲劳裂纹平直度的目的。

主题试验的主要过程如下[5]：1)荷载(F)-位移(v)的标定(试验前)；2)放置试样，并且确定F-v坐标定位原点；3)加入荷载同时绘制F-v曲线(自动)，完成后卸载; 4)再次对荷载-位移进行标定 ( 试验后); 5) 判断其是否需要二次疲劳，如果需要，则进行二次疲劳试验，否则，直接压断；6)用工程显微镜观测断口并测量记录原始裂纹长度a0及裂纹扩展量a; 7)对试验测量数据结合断口做有效性检验。

注意：试验过程中始终把试样温度控制在-10±1 ℃。

根据试验数据，CTOD值δ由下式计算：
(3a)
(3b)
式中：δe、δp分别表示CTOD的弹性、塑性分量；F为施加荷载；S 为试样跨度；B为试样厚度；W为试样宽度；μ为泊松比；E为弹性模量；a0为原始裂纹平均长度;σys为材料的屈服极限强度；Vp为刀口间位移的塑性分量；rp为旋转因子；Z为刀口厚度。

根据试验数据及式(3)，其结果如表1所示。

表1 EQ70(38 mm)的CTOD试验结果(-10 ℃)。