摘 要:参考 GB/T２１１４３－２０１４多试样法设计试验,采用钝化线法和钝化区宽 度 法 测 定 了 ０Cr１８Ni９不锈钢板的启裂韧度Ji,并利用声发射技术对试验过程进行了监测.结果表明:与钝化线 法相比,利用钝化区宽度法测定的０Cr１８Ni９不锈钢板材启裂韧度Ji 更接近真实值.根据声发射测 试结果分析了不锈钢板的断裂过程,并结合钝化区宽度法确定其启裂韧度Ji＝３５１．７７kJ??m－２.

关键词:启裂韧度;钝化区;钝化线;声发射

中图分类号:TG１１５．５＋７ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４７３Ｇ０６

０Cr１８Ni９不锈钢具有良好的耐蚀和耐低温性 能,广泛应用在运载火箭管路结构部件中,其典型失 效模式是疲劳断裂.近年来国内对０Cr１８Ni９不锈 钢的断裂行为进行了许多研究[１Ｇ４].大多数金属材 料的韧性断裂过程分为４个部分:①裂纹尖端因塑 性变形而发生钝化;②钝化区饱和,裂纹启裂;③裂 纹稳态扩展;④裂纹非稳态扩展.其断裂阻力Ｇ裂纹 扩展量(JＧΔa)曲线示意图如图１ [５]所示.其中,钝 化过程和裂纹稳态扩展占主导地位,裂纹启裂只在 极短的时间内发生.因此,人们通常以启裂韧度Ji 作为衡量材料裂纹启裂阻力的参数.

如何准确地测定Ji 十分关键.对于延性金属 材料启裂韧度Ji 的测定,有两种测试方法.一种是 以钝化线与阻力曲线的交点作为启裂韧度的工程估 计值.钝化线方程式可根据标准中给出的经验公式 计算,也 可 由 钝 化 区 范 围 内 的 数 据 点 拟 合 得 到,GB/T２１１４３－２０１４«金属材料准静态断裂韧度的统 一试验方法»,ISO１２３１５:２００２MetallicMaterialsＧ UnifiedMethodofTestfortheDeterminationof QuasistAticFractureToughness,ASTM E１８２０－ １１Standard Test Method for Measurementof FractureToughness中均介绍了相关方法.另一种 是根据试样的钝化区宽度测定启裂韧度Ji.由于金 属材料韧性断裂过程由几个不同过程组成,其断口也 会呈现出不同的微观形貌,其中钝化过程会在裂纹尖 端形成钝化区形貌.在扫描电镜(SEM)下测量断口 钝化区宽度(ΔaSZW ),结合JＧΔa 曲线也可测量Ji. 钝化区宽度法的测试结果更接近实测值.国内外已 有学者利用钝化区宽度法进行了相关研究[６Ｇ７].

材料在外载荷作用下发生塑性变形或断裂时,会 以弹性波的形式释放出具有一定特征的声发射信号. 利用声发射装置捕捉这些信号,可以确定试验过程中 的启裂点位置,并对材料的断裂韧性进行研究[８].

笔者参 考 GB/T２１１４３－２０１４ 多 试 样 法 设 计 ０Cr１８Ni９不锈钢板断裂试验,测试并绘制了该不锈 钢板的JＧΔa 曲线,分别采用钝化线法和钝化区宽 度法计算启裂韧度Ji,并结合声发射测试结果,确 定０Cr１８Ni９不锈钢板材的启裂韧度Ji.

１ 试验材料与试验方法

１．１ 试验材料

试验材料选用厚度为１５mm 的０Cr１８Ni９不锈 钢板,Ji 的测试按照 GB/T２１１４３－２０１４中的多试 样法进行设计,采用无侧槽的直通型紧凑拉伸试样 (CT 试样),缺口方向垂直板材纵向.试样加工完 成后,在ZwickHFP５１００高频疲劳试验机上预制 疲劳裂纹.

１．２ 试验方法

疲劳裂纹预制完成后,在 CMT５１０５电子万能 试验机 上 进 行 拉 伸 试 验,使 用 非 接 触 测 量 设 备 (DIC)记录施力点(试样销孔)位移q,同时采用声发 射装置对试验过程进行监测,试验装置如图２所示. 进行拉伸试验时,首先对１号试样拉伸至载荷开始 下降,记录全程载荷Ｇ施力点位移(FＧq)曲线,并根据 测量结果设定不同载荷Fi,将其他试样分别加载至 不同的 Fi,记录相应的施力点位移qi 并绘制 FＧq 曲线.拉伸试验结束后,对试样进行高温氧化着色, 并进行二次疲劳,之后采用九点法,在显微镜下测量 每个试样的裂纹扩展量 Δa,并计算相应的J积分值,绘制JＧΔa 曲线.对各试样断口的宏、微观形貌进行 观察分析,并结合测试数据确定启裂韧度Ji.

２ 试验结果与讨论

２．１ 多试样法试验设计

首先对１号试样进行拉伸加载,其 FＧq 曲线如 图３所示,可见其最大拉伸载荷为３３．１３３kN.随 着拉伸过程的推进,裂纹明显扩展,试样两侧出现明 显的凹陷塑性变形,其断口宏观形貌如图４所示.

根据１号试样测试结果,确定了后续试验不同 的载荷水平Fi,并进行了一系列试验.各试样对应 的载荷水平如表１所示.

２．２ 试样断口宏、微观形貌分析

部分试样的断口宏观形貌如图５所示,可见８, ９,１０号试样裂纹扩展量较小,裂纹尖端比较平整, 没有明显的塑性变形.１２,１４,１６号试样裂纹扩展 量明显增大,裂纹尖端塑性变形逐渐明显,随着载荷 水平的提高,裂纹尖端略有隆起,试样两侧明显向内 部凹陷.金属材料韧性断裂中几个不同的过程会在 试样断口表面产生不同的微观形貌,其中预制裂纹区和二次裂纹区呈纵纹,稳态扩展区呈韧窝形貌,而 钝化区表现为横纹.图 ６ 所示为部分试样断口的 SEM 微观形貌.可见３,５号试样断口形貌由上下 两段纵纹区和中间的横纹区组成,断口上没有出现 韧窝形貌,且随着载荷水平的提高,横纹区宽度逐渐 增大.这说明在相应的载荷下,３,５号试样处于韧 性断裂过程中的钝化阶段,且随着载荷水平的提高, 钝化区不断向前延伸.６,７号试样断口形貌与３,５ 号试样基本一致,但在横纹区范围内出现了极少量 的小韧窝形貌,说明裂纹尖端的局部位置钝化过程 达到饱和并启裂、扩展.由１０,１１号试样断口形貌 可见,钝化区宽度逐渐停止增长,甚至有所缩短,这 是断口附近发生塑性变形,裂纹尖端隆起,在测量时 钝化区被隆起的变形部分遮挡而造成的;同时,钝化 区附近出现了尺寸较大的韧窝形貌,说明钝化过程 已经达到饱和,开始进入稳态扩展.１２,１６号试样 呈现出相同的状况,且韧窝形貌更为明显,这说明载荷达到一定水平后(该试验材料约为２２．５kN),钝 化过程达到饱和,裂纹启裂,并进入稳态扩展区.根 据试样断口 SEM 微观形貌观察的结果,确定材料 钝化过程饱和时钝化区宽度 ΔaSZW 约为０．１１３mm.

２．３ 声发射测试结果分析

裂纹尖端应力集中的释放是促使裂纹扩展和产生 声发射的主要因素.裂纹扩展就是不断重复裂纹尖端 的应力集中、释放→裂纹扩展→裂纹尖端应力的再集 中再释放→裂纹再扩展的过程,直至最终断裂.裂纹 的扩展并不是连续进行的,它会在裂纹尖端应力释放 后的一段时间内积蓄足够的能量完成下一次扩展.裂 纹尖端的应力集中Ｇ释放的过程能够产生可以被声发 射装置测量到的声发射波,因此通过声发射测试技术 可以检测材料裂纹扩展的全部过程.

试验中,采 用 声 发 射 测 试 装 置 对 试 验 过 程 进 行监控,选取 其 中 特 征 比 较 明 显 的 几 个 试 样 进 行 分析,其典 型 测 试 结 果 如 图 ７ 所 示.可 见 声 发 射 计数曲线随 拉 伸 载 荷 的 增 加 而 不 断 增 加,但 变 化 趋势非单调 线 性 增 加,而 是 呈 现 为 波 浪 起 伏 状 的 变化趋势,且 起 伏 的 间 隔 随 载 荷 的 增 加 有 逐 渐 变 短的趋势.声发射计数曲线的变化趋势与裂纹扩 展呈现出的应力断续释放规律相符.当载荷达到 ２０kN 附近时,声发射计数达到了第一个明显的峰 值,说明试样 中 的 微 裂 纹 已 经 汇 聚 形 成 了 宏 观 主 裂纹,该裂纹 在 ２０kN 载 荷 时 发 生 了 第 一 次 明 显 扩展.随后声发射计数曲线快速下降,并在２０~ ２１kN 达到最小值.随后在２３kN 附近声发射计 数又出现了 第 二 个 明 显 峰 值,此 峰 的 声 发 射 计 数 较２０kN 处的更高,且经历的载荷范围更小,这说 明试样中的主裂纹进入了宏观裂纹扩展阶段.此 后声发射计 数 峰 值 越 来 越 低,且 波 动 间 距 越 来 越 小,直至试验停止.

根据声发射测试结果分析,０Cr１８Ni９不锈钢板 材的裂纹扩展过程如下:试样裂纹前缘中的部分微 裂纹首先经历钝化→启裂→扩展过程,随着载荷的 增加,经历该过程的微裂纹越来越多,同时已经发生 的微裂纹扩展继续发展,直至连成一片形成主裂纹, 进入宏观裂纹扩展阶段,裂纹稳态扩展过程在整个 裂纹前缘发展.

２．４ 启裂韧度Ji 的确定

２．４．１ 钝化线法测定启裂韧度Ji

根据试验结果,按照 GB/T２１１４３－２０１４中的 公式(３６)计算了各试样的J 积分值,并测量了各个 试样的裂纹扩展量,如图８中各数据点所示.根据 断口的宏、微观形貌判断,２~９号试样处于钝化阶 段,１０~１９号试样进入裂纹稳态扩展阶段.因此, 根据标准要求,按指数方程形式对１０~１９号试样数 据拟合,得到阻力曲线方程如下所示

GB/T２１１４３－２０１４中公式(４０)给出了一种计 算钝化线的经验公式,根据此式计算得到了钝化线 方程如下所示

式中:Rm 表示抗拉强度,Rm ＝６８５MPa.

由于２~９号试样处于钝化阶段,尚未进入稳态 扩展,因此对其拟合了一条实测钝化线,钝化线方程 如下所示

由图８可见,实测钝化线与标准给出的经验钝化 线比较接近.根据定义,钝化线与阻力曲线交点的J 积分值即为Ji.由此,根据两条钝化线分别得到了两 个Ji 值:Ji１＝１０８０．０２kJ??m－２;Ji２＝６４８．９１kJ??m－２.

２．４．２ 钝化区宽度法测定启裂韧度Ji

在JＧΔa 曲线上平行于J 轴作一条通过临界伸 张区宽度的直线,如图９所示.直线与JＧΔa 曲线 交点即为启裂点Ji 值.本试验中,用伸张区宽度法 测得Ji３＝３８７．８２kJ??m－２.

有研究认为[９],从微观角度思考,试样受力后, 裂纹前沿的钝化是不均匀的,启裂不是同时发生在 整个裂纹前缘的.尺寸较大、形状复杂且距离顶端 较近的缺陷处会首先发生开裂并进入稳态扩展,但 在宏观上裂纹体仍处在塑性变形和钝化阶段.因此,也可将处于钝化阶段的数据点拟合至JＧΔa 阻 力曲线中,如图１０所示,按指数方程形式进行拟合, 得到阻力曲线方程如下所示

同样,用钝化区宽度法测得Ji４＝３５１．７７kJ??m－２.

２．４．３ ０Cr１８Ni９不锈钢板启裂韧度Ji 的确定

利 用 钝 化 线 法 和 钝 化 区 宽 度 法 测 定 的 ０Cr１８Ni９不锈 钢 板 启 裂 韧 度 Ji 如 表 ２ 所 示.对 于试验使用的０Cr１８Ni９不锈钢板,和钝化区宽度 法相比钝化线法得到的Ji 明显偏大,不适用于测 定材料的启裂韧度Ji.由于试样断口微观形貌展 现出的规律 与 金 属 材 料 断 裂 的 经 典 理 论 相 符,钝 化区宽度法得到的Ji 更接近真实值.根据扫描电 镜和声发射监测结果,在裂纹扩展过程中,裂纹尖 端的部 分 微 裂 纹 首 先 经 历 钝 化 → 启 裂 → 扩 展 过 程,随着载荷的增加,经历该过程的微裂纹越来越 多,同时已经发生的微裂纹扩展继续发展,直至连 成一片形 成 主 裂 纹,进 入 宏 观 裂 纹 扩 展 阶 段.因 此,在利用钝化区宽度法测量Ji 时,应将测得的所 有数据值 拟 合 为JＧΔa 曲 线 进 行 计 算,即Ji４ 更 接 近实际值.

３ 结论

(１)０Cr１８Ni９不锈钢板的裂纹扩展过程为:试 样裂纹前缘中的部分微裂纹首先经历钝化→启裂→ 扩展过程,随着载荷的增加,微观裂纹扩展逐步增 多、累积,直至连成一片形成主裂纹,进入宏观裂纹 扩展阶段,裂纹稳态扩展过程在整个裂纹前缘发展.

(２)与钝化线法相比,利用钝化区宽度法得到 的０Cr１８Ni９不锈钢板的启裂韧度Ji 更接近真实 值.拟合JＧΔa 曲线时,应将所有载荷下的数据点 都拟合在内.０Cr１８Ni９不锈钢板的启裂韧度Ji 为 ３５１．７７kJ??m－２.

参考文献:

[１] 张本所,夏明六．临 氢 管 道 焊 接 接 头 断 裂 失 效 分 析 [J]．中国特种设备安全,２０１５,３１(６):７２Ｇ７５．

[２] 魏志刚,于明明,宋艳会,等．奥氏体不锈钢０Cr１８Ni９ 管板裂纹失效机理分析[J]．化工设计通讯,２０１６,４２ (５):１１５Ｇ１１６．

[３] 廖振华,张学彬,钟奇鸣．不锈钢波纹管膨胀节早期 断裂原 因 分 析[J]．热 加 工 工 艺,２０１４,４３(１８):２１８Ｇ ２２０．

[４] 王朋．环境对３０４不锈钢断裂韧性及断裂行为的影响 [D]．沈阳:东北大学,２００９．

[５] CARLSON K W,WILLIAMSJ A．A morebasic approach to the analysis of multiple specimen RＧcurvesfordeterminationofJIC[J]．Archivesof OralBiology,１９８０,２６(２):１１１Ｇ１１６．

[６] 冯苏宁,汪承璞,季思凯．实验确定JIC 试验启裂韧度 的SZW 细观测量法[J]．理化检测(物理分册),１９９５, ３１(２):４１Ｇ４２．

[７] KRISHNANSA,SASIKALA,MOITRA A,etal． Alocaldamageapproachtopredictcrackinitiationin typeAISI３１６L(N)stainlesssteel[J]．Journalof MaterialsEngineeringandPerformance,２０１４,２３(５): １７４０Ｇ１７４９．

[８] 朱波,蔡珣,王成国,等．声发射特性与材料断裂韧性 相关性研究[J]．物理学报,２００３,５２(８):１９６０Ｇ１９６４．

[９] 郝丽丽,果焕春,杨卓青,等．高撕裂阻力金属延性断 裂韧度测 试 方 法 探 讨 [J]．机 械 强 度,２００７,２９(３): ４５４Ｇ４５８．

文章来源——材料与测试网