高強鋼厚板貫穿裂紋CTOD的直接觀測

岳鵬宇，苗張木

（武漢理工大學交通學院，武漢 430063）

0 引 言

Wells［1］在最初提出裂紋尖端張開位移（CTOD）理論時認為，塑性好的金屬材料可以看作是理想的彈塑性體，對于用其制成的帶有裂紋的構件來說，隨著外載荷的增大，裂紋尖端處于高度應力集中的狀態，在應力集中區域會由彈性變形轉變到塑性變形；當塑性變形達到全面屈服之后，裂紋尖端的應力不再增大，而裂紋尖端會發生鈍化，裂紋表面會產生一定的張開位移。CTOD是指裂紋受到張開型載荷后，原始裂紋尖端處兩表面間所張開的距離［2－3］。

目前，塑性鉸鏈法是工程中常用的確定材料CTOD的方法，即通過三點彎曲試樣的變形幾何關系，由裂紋張開位移換算并求得CTOD［4］，原理如圖1所示，CTOD計算值δp與rp（塑性變形旋轉因子）、W（試樣的截面高度）、a（初始裂紋的長度）、Vp（夾伸引伸計記錄的裂紋口張開位移中的塑性位移）等參數有關。通過經驗確定出rp后即可推算CTOD。但是，不同標準中規定的rp取值存在差異，如BS 7448中取0.4，GB/T 2358－1994中取0.44，而JB/T 4291－1999中取0.45。

圖1 塑性鉸鏈法測定CTOD示意Fig.1 Schematic diagram of CTOD measurement by plastic hinge method

塑性鉸鏈法適用于大樣本抽樣試驗，結合標準給出的容許值來判定被檢材料的韌性合格與否，是一種程序化的方法，試驗周期短，適合工程應用。但是，該方法也存在以下缺點。（1）rp的取值來源于工程經驗，不同標準取值存在差異，學者對其取值也存在分歧；（2）CTOD通過間接觀測和幾何換算得到，并不是裂紋尖端真實的張開位移，可能存在較大誤差；（3）受厚度效應影響，大厚度鋼板貫穿裂紋尖端應力場復雜，CTOD沿厚度方向變化明顯，變化規律的定量表達仍未得到完美解決。

在科學研究中直接觀測是一種有效的方式，隨著試驗儀器的進步，目前基于直觀定義并借助顯微工具完全可以直接測得真實CTOD。但是，受限于器材精度和試驗成本，目前對于CTOD的直接觀測大多只針對薄板的表面裂紋，對于厚板貫穿裂紋研究甚少，缺乏針對厚板貫穿裂紋簡單有效的觀測方法。

CTOD直接觀測的定義方法多樣，文獻［5］給出了一種稱之為“δ5”的CTOD讀數計算方法，它是將原始裂紋尖端處于5mm標記線中點位置，標記線長度的改變即CTOD。直接法［6］是將裂紋尖端張開總長和開裂間距的差作為CTOD，即δ＝δ1－δ2。文獻［7］通過延長線法和等腰直角三角形法來得到CTOD。

這些定義方法有各自的優缺點。如“δ5”方法可以降低裂紋尖端復雜形態帶來的影響，但需要進行表面標記，因此不適用于厚板貫穿裂紋；直接法通過直接測量裂紋尖端可以獲得任意剖面的CTOD，但裂紋尖端的復雜形態會對觀測結果造成不利影響；延長線法通過裂紋面延長線來界定CTOD，方便直觀，等腰直角三角形法通過幾何關系確定CTOD，簡單明了，但這兩種方法都只適用鈍化型裂紋，對于開裂型裂紋將無法確定。

新出現的多剖面法利用現代加工手段，能夠針對任意厚度位置進行切割，彌補了上述方法的不足之處，大大提高了直接觀測的可行性和精度。常用的直接觀測CTOD的手段有光學顯微鏡法［8］和掃描電鏡法［9］。光學顯微鏡成本低廉、操作方便、觀測周期短，但只適用于鈍化型裂紋。對于開裂型裂紋，由于開裂處形態復雜，解析度低、精度低的光學顯微鏡達不到高精度觀測的要求，需要借助掃描電鏡。掃描電鏡解析度高，精度高，且可以拍攝清晰圖像，能應對任意形態的裂紋尖端，但成本高昂，操作復雜，對于需要反復多次觀測的試驗并不適用。

為此，作者嘗試將光學顯微鏡和掃描電鏡結合使用，優勢互補，初步觀測使用光學顯微鏡，對于不易觀測的開裂型裂紋使用掃描電鏡二次觀測，修正數據，可以大大簡化流程，節約成本，同時得到高精度的數據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料分別為調質EQ56和EQ70高強鋼，化學成分見表1，其碳當量均為0.56%。EQ70的屈服強度及抗拉強度分別為780，816MPa；EQ56的分別為679，737MPa。三點彎曲試樣尺寸如圖2。

表1 試樣鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of test steels（mass） %

圖2 三點彎曲試樣尺寸Fig.2 Size of 3-point bending specimen

三點彎曲試驗在 WAW-1000B型計算機控制電液伺服萬能試驗機上進行，加載至試樣表面裂紋尖端出現明顯塑性變形（如圖3所示）時即可卸載，以確保鈍化型裂紋和開裂型裂紋沿試樣厚度方向同時存在。

從圖3可以得出Vp＝1.65mm，根據塑性鉸鏈法，按式（2）求得CTOD的值為0.47mm。其中rp依照現行規范取值為0.4，W為32mm，a＝16mm，z取0。

圖3 三點彎曲試驗的F-V曲線Fig.3 F-Vcurves of 3-point bending test

為觀測試樣厚度方向不同位置處的裂紋，在三點彎曲試樣中心沿厚度方向剖切得到不同剖面，剖面尺寸為15mm×15mm×2mm，如圖4所示，切片方式選用電火花線切割并對表面做打磨及拋光處理。

圖4 三點彎曲試樣切割示意圖Fig.4 Schematic diagram of incision of three-point bending specimen

圖5 光學顯微鏡測CTOD步驟示意Fig.5 Schematic of steps of CTOD measurement using optical microscope

由于剖切試樣數量較多、體積較小、裂紋尖端形態相似，為保證切割后能還原為切割前的排列，設計了雙“V”標記法，即在待切割試樣的頂面和前表面分別切深度1mm左右、開口朝向相反的“V”字形標記，如圖4所示。根據切痕的朝向、位置、距離可以快速定位切割試樣，恢復剖切前的位置順序。

1.2 試驗方法

首先用光學顯微鏡對試樣進行初步觀測，步驟如圖5所示。先將目鏡度盤邊緣的角度讀數置于零度，移動工作臺上的試樣使裂紋嘴與十字線之一重合；然后旋轉工作臺平動測微器找出裂紋尖端，旋轉目鏡度盤右上角旋鈕和平動測微器，使目鏡中的十字線之一與裂紋面相切，并讓十字線的交點置于切點P′；將P′作為一個測量點，然后將度盤邊緣的角度調回到零度，測得P′點讀數。同上，可得到另一個切點Q′點讀數，二讀數之差記為d1。再旋轉垂直于裂紋方向的工作臺測微器，使十字線分別通過兩個開裂點O1，O2，兩個開裂點之間距離為d2，則CTOD值δp＝d1－d2。分別觀測每個剖切試樣的2個剖面，并求平均值，作為此試樣的CTOD值，以降低人工觀測誤差，提高觀測精度。

再采用S-3400N型掃描電鏡進行二次觀測，以EQ56鋼的7號試樣為例，測試方法與步驟與光學顯微鏡的相同。

圖6 CTOD初步觀測結果Fig.6 Preliminary observed result of CTOD

2 試驗結果與討論

從圖6中可以看出，初步觀測數據總體分布規律是先降后升，文獻［10］指出，受厚度效應的影響，厚度方向貫穿裂紋CTOD從邊緣到中心逐漸減小，兩者相符；但EQ56鋼的4，5，7，8號試樣和EQ70鋼的7，8，9，14號試樣剖面數據出現了較大偏差。

由圖7可以推斷，測量值偏大是因為光學顯微鏡分辨率較低，誤將左側裂紋壁最右端b點視作了開裂點O1，得到δp＝312μm。

為尋找真實的開裂點，使用Photoshop圖像軟件對圖7進行后期處理分析，如圖8所示。先用自帶“鋼筆”工具將兩側裂紋壁輪廓精細描出；然后將描好的裂紋壁輪廓線進行復制提取；最后將左右裂紋壁輪廓線進行平移拼接，平移過程中不可發生轉動。

圖7 EQ56-7試樣裂紋的SEM形貌Fig.7 SEMmorphology of the crack in the specimen EQ56-7

圖8 EQ56-7試樣剖面后期處理示意圖Fig.8 Schematic diagram of processing of EQ56-7section

從圖8可以看出，經過平移拼接，左右裂紋壁輪廓形成互補，這說明開裂擴展的新裂紋源于原始裂紋尖端的一個點，因此可以確定，圖8中O1和O2點才是原始裂紋尖端真正的開裂點。根據掃描電鏡觀察時的比例尺進行測量計算得到δp＝L1＋L2＝104＋116＝220μm。

采用同樣的方法，對剩余剖面進行二次觀測，修正數據點。修正前后的CTOD曲線如圖9所示，可見修正后分布曲線過渡更為平滑，與理論分布相吻合，為后續研究提供了可靠的數據。

3 結 論

（1）高強鋼厚板貫穿裂紋CTOD的直接觀測，可采用多剖面法得到不同厚度位置的剖面，并使用光學顯微鏡和掃描電鏡相結合的方法進行初步觀測和二次觀測，降低了試驗成本，同時保證了觀測精度。

圖9 EQ56鋼修正前后的CTOD分布曲線Fig.9 CTOD distribution curves before and after correction for EQ56steel

（2）二次觀測得到的修正后的厚板貫穿裂紋CTOD沿厚度方向的分布曲線更加平滑，具有較好的參考價值。

［1］WELLS A A.Application of fracture mechanics at/and beyond general yielding［J］.British Welding Journal，1963，10：563-570.

［2］周望周.化工設備斷裂失效分析基礎［M］.南京：東南大學出版社，1991.

［3］陳小娟.CTOD試驗技術中幾個關鍵問題研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011：4-6.

［4］苗張木.厚鋼板焊接接頭韌度CTOD評定研究［D］.武漢：武漢理工大學，2005：22.

［5］GUBELJAK N，SEMENSKI D，DRVAR N，et al.Object grating method application in strain determination on CTOD tests［J］.Strain，2006，42：81-87.

［6］PARDOEN T，DELANNAY F.A method for the metallographical measurement of the CTOD at cracking initiation and the role of reverse plasticity on unloading［J］.Engineering Fracture Mechanics，2000，65：455-466

［7］THAULOWC，SCHIEFFER S V，VATNE I R，et al.Crack Tip Opening Displacement in atomistic modeling of fracture of silicon［J］.Computational Materials Science，2011，50：2621-2627.

［8］WERNER K.The fatigue crack growth rate and crack opening displacement in 18G2A-steel under tension［J］.International Journal of Fatigue，2012，39：25-31.

［9］JACOBSSON L，PERSSON C，MELIN S.Determination of displacements around fatigue cracks using image analysis of insitu scanning electron microscope images［J］.Fatigue ＆ Fracture of Engineering Materials ＆ Structures，2008，31：1091-1100.

［10］YANG Ji-yun，ZHANG Xing.Research on the relation between fracture toughness and sample thickness［J］.Journal of Mechanical Strength，2003，25（1）：76-80.