劉 冬 杜麗影 李榮鋒

(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

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國家標準GB/T21143中CTOD計算公式轉動修正方法探討

劉 冬 杜麗影 李榮鋒

(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

針對新版國家標準GB/T21143-2014中裂紋尖端張開位移CTOD計算公式修正后，對金屬材料斷裂韌性測試結果的影響開展了試驗驗證研究工作。通過對比依據(jù)老版國家標準GB/T21143-2007與新版國家標準GB/T21143-2014，還有歐洲標準ISO1235:2002，英國標準BS7448:1991計算CTOD值，發(fā)現(xiàn)新版國家標準GB/T21143-2014相對其它主流標準計算結果偏低20%。這樣會導致依據(jù)不同國家標準進行產(chǎn)品出廠檢驗或者第三方仲裁時產(chǎn)生矛盾，引起質量異議。建議在以后其它國際標準修訂過程中，推廣我國標準修訂條款，到達最終國家標準與國際標準的統(tǒng)一，減少仲裁爭議。

裂紋尖端張開位移；CTOD測試標準；斷裂韌性；仲裁；質量異議；國標修訂；CTOD計算

裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement,CTOD)在材料斷裂韌度測試領域具有廣泛的應用，尤其是在橋梁、船舶、海洋工程結構等的安全評定中相對KIC、J積分具有更好的應用效果[1-3]。目前，國際和國內(nèi)均對該韌性指標測試制定了相應的標準，現(xiàn)行CTOD測試標準最新版本包括國家標準GB/T21143-2014、歐洲標準ISO12135：2002和英國標準BS7448：1991[4-8]。老版國家標準GB/T21143-2007中CTOD計算公式與歐洲標準ISO12135：2002(E)完全一致，而新版國家標準GB/T21143-2014在CTOD計算公式引入了轉動半徑進行轉動修正的概念，對計算公式中塑性部分進行了修改。

但是該處修改帶來了新的問題，使得依據(jù)新版國家標準GB/T21143-2014計算CTOD值相對老版國家標準GB/T21143-2007降低明顯。對于有些特殊條件下的材料，譬如焊接接頭或者較低溫度下母材的CTOD測試，依據(jù)老版國家標準GB/T21143-2007和歐洲標準ISO12135：2002來計算CTOD值可能剛好合格，但是按照新版國家標準GB/T21143-2014修正后CTOD值可能就不合格了，這樣在產(chǎn)品出廠檢驗或者第三方仲裁時就會產(chǎn)生矛盾。本文從新老兩個版本GB/T21143的CTOD計算公式的對比以及實例鋼種的CTOD計算結果修正前后對比驗證了轉動修正方法帶來的不同，希望引起標準修制訂人員的關注，盡量在歐洲標準ISO12135的修訂時能將國標中修訂意見引入，保證國家標準與ISO標準的一致性，并推動試驗機廠家對相關測試軟件系統(tǒng)進行更新，為測試人員帶來便利。

1 CTOD計算公式

老版國家標準GB/T21143-2007中CTOD計算公式為：

(1)

(2)

其中：δ為裂紋尖端張開位移CTOD；S為跨距；W為寬度；B為厚度；BN為開測槽試樣的凈厚度；F為載荷；ν為泊松比；Rp0.2為0.2%非比例延伸強度；E為彈性模量；a0為初始裂紋長度；Δa裂紋擴展量；Vp缺口張開位移塑性分量；z為引伸計裝卡位置到試樣表面的距離；SEB(single edged bending)試樣為三點彎曲試樣；CT(compact tension)試樣(compact tension)為緊湊拉伸試樣。

應力強度因子系數(shù)：

試樣

(3)

(4)

新版國家標準GB/T21143-2014中CTOD計算公式為：

(5)

其中轉動半徑計算由下式得到：

(6)

g(a/W)=10.51080-18.23599(a/W)-

92.96373(a/W)2+4061855(a/W)3-

648.1842(a/W)4+482.2612(a/W)5-

139.8167(a/W)6

(7)

(8)

其中：轉動半徑計算由下式得到：

(9)

g(a/W)=150.1554-1427.620(a/W)+

5712.630(a/W)2-12131.870(a/W)3+

14357.50(a/W)4-8967.939(a/W)5+

2309.530(a/W)6

(10)

比較新老國家標準中CTOD計算公式可以看出，變化的只是后面塑性分量部分的計算公式。新標準引入了轉動半徑的計算公式，轉動修正用轉動半徑來表示，而老標準中指定SEB試樣轉動因子為0.4，CT試樣轉動因子為0.46，用轉動因子這一參數(shù)來表征轉動修正。

2 對比試驗

為驗證標準更新后CTOD計算公式的變化對產(chǎn)品韌性評定帶來的改變，筆者對日常檢驗中碰到較為常見的管線鋼產(chǎn)品開展了批量檢驗，測試了X65、X80、X100、X120這四種牌號管線鋼的CTOD值，并分別依據(jù)新老國家標準計算CTOD值進行了對比。選用X65、X80、X100、X120的常規(guī)力學性能測試結果如下表1。

由于四種牌號管線鋼產(chǎn)品原始厚度不同，依據(jù)國家標準GB/T21143-2014加工成三點彎曲SEB試樣尺寸有所不同，記錄測試過程中載荷F與缺口張開位移塑性分量Vp，分別依據(jù)新老國家標準計算公式(1)和(5)計算CTOD值。參與計算參數(shù)泊松比ν取0.3，引伸計裝卡位置到試樣表面的距離z為0，試樣未開測槽BN=B。

表1 管線鋼常規(guī)力學性能

3 試驗結果與討論

四種牌號管線鋼產(chǎn)品依據(jù)新老國家標準計算CTOD值如表2所示。表中δ07表示依據(jù)GB/T21143-2007計算的CTOD值，δ14表示依據(jù)GB/T21143-2014計算的CTOD值。從表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，隨著管線鋼鋼級的提高，材料斷裂韌性CTOD值不斷降低。比較兩種標準計算結果發(fā)現(xiàn)按照新國標計算結果明顯低于老國標，相對標準偏差高于20%。采用新標準轉動半徑修正方法計算結果相對老標準指定轉動因子的修正方法偏低20%。

管線鋼產(chǎn)品在進行斷裂韌度評估時一般依據(jù)挪威船級社近海結構物(海底管線系統(tǒng))建造規(guī)范DNV-OS-F101[9]中CTOD允許值δmin為0.20mm。

表2 新老國標管線鋼CTOD計算值對比

也就是說當材料在使用溫度下測試CTOD值大于該允許值時材料的斷裂韌性是合格的。從表2中可以看出依據(jù)老國標計算的CTOD值均是合格的，X120管線鋼最小測試值為0.22，但依然大于允許值δmin。而采用新國標GB/T21143-2014計算的CTOD值最小為0.176，不滿足大于允許值δmin的條件，一旦3件被測樣品中有一件斷裂韌性不合格，則該批產(chǎn)品斷裂韌度將被判定為不合格。因此，依據(jù)新國標轉動修正方法來評判材料的斷裂韌度相對老國標更加嚴苛，對于韌性較差的高強結構鋼來說，很容易出現(xiàn)依據(jù)老國標判定是合格的而改用新國標判定就是不合格的現(xiàn)象。

目前，新國標提出的依據(jù)轉動半徑修正CTOD計算值的方法還處于推廣階段，現(xiàn)行的試驗裝備軟件系統(tǒng)大多還是依據(jù)老標準進行計算的。對于多數(shù)韌性較好的材料計算CTOD值降低20%，還是能夠滿足大于允許值條件。但是，對于少數(shù)韌性正好處于允許值δmin附近的材料，依據(jù)新國標手動計算后的結果很可能被判定為不合格。現(xiàn)行國家標準還包括歐洲標準ISO12135:2002和英國標準BS7448：1991，它們?nèi)c彎曲SEB試樣的CTOD計算公式分別為：

(11)

(12)

歐洲標準ISO12135:2002計算公式與老國標GB/T21143-2007完全一致，因為老國標GB/T21143-2007是對歐洲標準ISO12135:2002的修改采用。但是目前歐洲標準ISO12135:2002還未出新版本。英國標準BS7448：1991計算公式相對老國標GB/T21143-2007來說在轉動修正方面沒考慮裂紋擴展量Δa的影響，比較英國標準BS7448：1991與老國標GB/T21143-2007計算CTOD值結果如表3所示。δ91表示依據(jù)英國標準BS7448：1991計算的CTOD值。從表3中可以看出英國標準BS7448：1991與老國標GB/T21143-2007計算值十分接近，相對標準偏差小于3%。基本不會在斷裂韌性判定時出現(xiàn)歧義結果。

表3 老國標與英國標準管線鋼CTOD計算值對比

新國標GB/T21143-2014中CTOD計算公式的修正，具有一定的先進性。主要體現(xiàn)在：

(2)CTOD計算塑性部分采用轉動半徑計算修正代替了轉動因子修正，轉動半徑也是隨裂紋長度隨時變化的函數(shù)，相對固定的轉動因子常數(shù)更有現(xiàn)實意義。這兩處改動正是造成新老標準計算CTOD值偏差高于20%的原因。

4 結論

金屬材料斷裂韌性測試國家標準GB/T21143-2007與歐洲標準ISO12135:2002和英國標準BS7448：1991在CTOD計算結果上有很高的數(shù)據(jù)一致性，但是新推出的國家標準GB/T21143-2014對于CTOD計算公式進行的修正，測試結果相對之前的版本國家標準GB/T21143-2007偏低了近20%。對于韌性較好的材料，測試結果降低20%不會導致韌性判定不合格，但是對于有些材料斷裂韌性在允許值附近的將會導致韌性判定不合格。這樣在產(chǎn)品認證時就會出現(xiàn)質量異議，引起爭端，因為這類材料依據(jù)國家標準GB/T21143-2014以外其他標準判定是合格的。國家標準GB/T21143-2014的計算公式修正是合理的，有其先進性，但是還需要在用戶中去推廣，讓更多的人去接受，因為它的判定結果更加嚴苛，對于提高產(chǎn)品生產(chǎn)質量還是有指導性的。建議在日后其他國際標準修訂過程中中方代表極力提出GB/T21143-2014中的修正方法，力求國家標準與國際標準的統(tǒng)一，確保日后進出口產(chǎn)品的韌性檢定過程中不會出現(xiàn)質量異議。

[1] 杜麗影，邱保文，李榮鋒，等.橋梁用鋼三點彎曲斷裂試驗研究與分析[J].武漢工程職業(yè)技術學院學報，2014，26(1)：13-15.

[2] 包陳，蔡立勛.CTOD試驗方法與轉子材料的延性斷裂性能[J].機械強度，2012,34(4):573-577

[3] 石凱凱，蔡立勛，包陳.單邊裂紋彎曲試樣的轉動修正方法研究[J]機械強度，2012,34(2):250-255

[4] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T21143-2007金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度統(tǒng)一試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2007.

[5] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T21143-2014金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度統(tǒng)一試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2014

[6]GB/T21143-2014金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2014.

[7]ISO12135:2002Metallicmaterials-Unifiedmethodoftestforthedeterminationofquasistaticfracturetoughness[S].

[8]BS7448-1:1991,Fracturemechanicstoughnesstests-Part1:MethodfordeterminationofKIC,criticalCTODandcriticalJvaluesofmetallicmaterials[S].

[9]DETNORSKEVERITAS.OffshoreStandardDNV-OS-F101-2000:SubmarinePipelineSystems[S].NORSOKStandard,2000.

(責任編輯：李文英)

Study on Rotation Correction Methods of CTOD Calculation Formula Recommended by GB/T 21143

Liu Dong Du Liying Li Rongfeng

(Research & Development Center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei)

In response to the crack tip opening displacement (CTOD) calculation formula revision in the new edition GB/T 21143-2014, study on the effect of metal material fracture toughness testing results was conducted. By making a comparative analysis of GB/T 21143-2007, GB/T 21143-2014, ISO 1235:2002 and BS 7448:1991, we found that CTOD values calculated according to GB/T 21143-2014 were 20% lower than that of other standards. As a result, when inspecting product quality according to different standards or making third-part arbitration, argument arises. In view of this situation, the rotation correction methods recommended by GB/T 21143-2014 should be popularized and accepted by other standards while revising.

crack tip opening displacement; CTOD test standard; fracture toughness; arbitration; quality objection;national standard modification; CTOD calculation

2016-10-09

劉 冬(1985～)，男，碩士，工程師.E-mail：martinlau@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)04-0005-04