921A 钢的延性断裂韧性测试研究

921A 钢的延性断裂韧性测试研究周启雄;范俊明;程红渝;董承武【摘要】以 GB ／T 21143的柔度法及美国标准 ASTME1820－11推荐规则化数据还原技术为基准，对921A 钢试样进行预制疲劳裂纹、收集试验数据、试验数据后处理、有效性评估等几个方面的试验研究。

研究结果表明：通过采用规则化数据还原技术以及柔度法对所有试样进行数据处理，两种数据处理方法得到的 J—Δa 曲线以及启裂韧度 JQ均较为接近，且试验预测的最终裂纹长度与光学显微镜实测裂纹长度吻合。

说明了采用 GB ／T 21143可以有效测定高强度塑性材料的延性断裂韧性。

%Based on unloading compliance method by GB /T 21143 and rules for normalized data reduction technique recommended by American standard ASTME1820 -11.Several experimental studies were con-ducted,such as prefabricating fatigue pre-crack of 921A steel specimens,collecting and processing test data,and evaluating validity of experiments.The results of this research show that J—Δa curve and crack initiation toughness JQ acquired by the normalized data reduction technology and unloading compliance method are relatively consistent,and there is an approximate consistency between the final crack length of prediction and actual crack length observed by optical microscope.It can be concluded that the use of GB /T 21143 can be effectively measured ductile fracture toughness of high-strength plastic material.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2016(033)006【总页数】7页(P1-7)【关键词】921A钢;延性断裂韧度;规则化数据还原技术;柔度法【作者】周启雄;范俊明;程红渝;董承武【作者单位】成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都 610400;成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都 610400;成都市特种设备检验院，四川成都610041;成都市特种设备检验院，四川成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TH142;TG142.1;TG111.91根据构件的服役条件，在对构件进行安全评定时，材料的延性断裂韧度是重要的性能指标。

用于指导材料延性断裂韧性试验评定的测试标准有BS 7448-part 1[1]，ISO 12135—2002(E)[2]，ASTM E1820-11[3]，GB/T 21143—2014 [4]等。

对于满足平面应变条件的材料断裂韧性测试，GB/T 21143—2014与上述其他标准测试方法和判定条件相同，标准在应用时，几无异议。

但是对于塑性材料，特别是高强度的塑性材料，如何确定材料的延性断裂韧度，目前GB/T 21143—2014的应用存在疑议。

921A钢是我国自行研发的舰船材料，属于高强度可焊接的结构钢，适用于制造壳体、容器、管道及军事机械，其热处理后Rm≥760 MPa，Rp0.2≥590 MPa，A≥18%。

本文分别采用GB/T 21143卸载柔度法和ASTM E1820-11规则化数据还原技术对比测试921A钢延性断裂韧性，以研究GB/T 21143标准对于高强度的塑性材料测试的适应性。

ASTM E1820-11推荐的基于载荷分离理论的数据还原技术适用于快速加载及恶劣环境下的延性断裂韧性研究，相对于卸载柔度法，该方法通过单调加载即可得到实时裂纹长度[5]。

为了能够方便比较两种标准在数据处理上的结果，本文试验试样采用ASTM E1820-11推荐的标准SEB试样(见图1) [6]，921A钢试样宽度W=25 mm，厚度B=15 mm，跨距S=100 mm，机械加工初始缺口长度为12.5 mm。

试样数量为6件。

试验在MTS809 250 kN电液伺服试验机上完成，其控制系统为TestStarII，采用COD引伸计MTS632.03F-30测量试样的裂纹嘴张开位移，应用MTS793.50标准断裂力学软件完成疲劳裂纹预制和准静态断裂韧性试验的控制；试验温度为室温；采用19JA型万能工具显微镜测量试样断面的最终裂纹长度af[7]。

2.1 单位厚度B下载荷F的确定在变形初期的小范围区域之外，多数金属材料满足载荷分离理论。

在变形初期的小范围载荷下，试样裂纹尚未扩展，此时产生的小段载荷不可分离现象不影响试样裂纹扩展过程中的裂纹长度估测。

基于载荷分离理论，将初始裂纹长度和试验终止裂纹长度作为标定点并结合标定试样，即可直接从试验试样的载荷-裂纹张开位移曲线中获得实时裂纹长度。

若试样直接测量的最终裂纹扩展量超过4 mm或15%初始剩余韧带长度中较小者，则该方法无效。

对于多种构形的断裂试样(CT，SEB等)，GB/T 21143和ASTM E1820-11均推荐使用载荷分离理论，GB/T 21143规定厚度B下的载荷F满足式(1)：式中σY——流动应力，取为屈服强度与抗拉强度的平均值，MPaW——试样宽度,mmηP——塑性因子,mmH(VP/W)——与塑性位移VP相关的变形函数2.2 J积分的计算按照GB/T 21143的柔度法,试样预制裂纹后[8-10]，SEB试样的J积分采用下列公式[11]计算:式中F——载荷，kNυ——泊松比E——等效弹性模量，GPaηP——塑性因子，mmAP——塑性功，Ja——试样裂纹长度,mm,a=a0+Δaa0——初始裂纹长度,mmΔa——裂纹扩展量,mmW,S,B,BN——试样的宽度、跨距、厚度、净厚度,mm，对于无侧槽试样，B=BN 3.1 GB/T 21143判定GB/T 21143—2014中关于J—Δa阻力曲线的数据区间划分如图2所示，其中上界限线采用以下3式中Jmax最小值：推荐钝化线方程为：J=3.75RmΔa如图2所示，GB/T 21143—2014规定的有效数据区是由左界限线、右界限线、上界限线围成的封闭区域。

其中，左界限线为0.1 mm钝化线偏置线，右界限线为Δamax钝化线偏置线，上界限线为Jmax处横轴的平行线。

过Δa最大数据点作钝化线的平行线与横坐标轴交于一点，此点的横坐标定义为Δamax，且Δamax需满足0.5≤Δamax≤0.10(W-a0)。

在有效数据区内至少有6个数据点定义J—Δa阻力曲线，在4个等间距的裂纹扩展区内，至少有1个数据点。

在0.1 mm和0.3 mm钝化线偏置线之间至少有1个数据，在0.1 mm和0.5 mm钝化线偏置线之间至少有2个数据点。

对于封闭区域内的有效数据点，GB/T 21143—2014推荐采用指数方程J=α+βΔaγ(α≥0,β≥0,0≤γ≤1)进行拟合，拟合曲线与0.2 mm钝化线偏置线的交点即为(J0.2BL,Δa0.2BL)，J0.2BL有效性判断：如果J0.2BL超过Jmax，那么J0.2BL无效；如果J—Δa曲线在0.2 mm裂纹扩展量偏置线交点处的斜率(dJ/da)Δa0.2B L不能满足3.75Rm>[2(dJ/da)]Δa0.2BL的要求，那么J0.2BL无效。

当满足数据有效区间分布及以下有效性条件时，J0.2BL即可作为非尺寸敏感的特征启裂韧度。

(1)dJ/da幂乘拟合线在0.2 mm偏置钝化线交点的切线斜率小于1.875Rm；(2)40J0.2BL /(Rp0.2+Rm) ≤a0;(3) 40J0.2BL /(Rp0.2+Rm) ≤B;(4) 40J0.2BL /(Rp0.2+Rm) ≤W-a0。

当不满足上述有效性条件时，J0.2BL为尺寸敏感的启裂韧度。

在获得上述启裂韧度J0.2BL后，对应的应力强度因子KJ0.2BL可由下式换算得到:3.2 ASTM E1820-11判定ASTM E1820-11中关于J—Δa阻力曲线的数据区间划分如图3所示，其中上界限线Jlimit=b0σy/7.5[12] 。

推荐钝化线方程为:J=2σYΔa式中σY——抗拉强度,同RmASTM E1820-11规定的有效数据区是由左、右界限线、上界限线和Δalimit竖直轴围成的封闭区域。

其中，左界限线为0.15 mm钝化线偏置线，右界限线为1.5 mm钝化线偏置线，上界限线为过极限值δlimit处横轴的平行线。

在有效数据区内至少有5个数据点，在0.15 mm和0.5 mm钝化线偏置线之间至少有1个数据点，在0.5 mm和1.5 mm钝化线偏置线之间至少有1个数据点。

对于封闭区域内的有效数据点，ASTM E1820-11推荐采用幂函数方程J=C1ΔaC2进行拟合，拟合曲线与0.2 mm钝化线偏置线的交点即为(JQ,ΔaQ)。

当满足数据有效区间分布及以下有效性条件时，JQ即可作为非尺寸敏感的特征启裂韧度JIC。

(1)B>10JQ/σy；(2)b0>10JQ/σy；(3)dJ/da在ΔaQ处的值小于σy。

当不满足上述有效性条件时，JQ为尺寸敏感的启裂韧度。

在获得上述启裂韧度JIC或JQ后，对应的应力强度因子KJIC或KJQ可由下式换算得到：通过对921A的试验，图4示出根据柔度法试验程序得到的5个试样的载荷F-裂纹嘴张开位移CMOD曲线，其中，2#试样因试验过程中出现明显的卸载非线性而舍弃。

可以看出，所有试样的F-CMOD曲线处于一定分散带内。

对于上述5个试样，仅有3#～6#试样根据柔度法处理得到了较为理想的J—Δa 曲线，且柔度法预测的最终裂纹长度符合ASTM E1820-11相关要求。

图5示出了3#～6#试样根据柔度法处理得到的J—Δa曲线。

可以看到，不同试样的J—Δa 曲线处于较小的分散带内。

为了获得1#试样的J—Δa曲线，采用前述规则化法对所有5个试样的原始记录进行数据处理。

图6示出5个试样分别根据柔度法和规则化法得到J—Δa曲线。