王宇寧１,盧克非１,韓 露１,劉哲軍１,王儒文２

(１．航天材料及工藝研究所,北京 １０００７６;２．北京宇航系統(tǒng)工程研究所 深低溫技術研究北京市重點實驗室,北京 １０００７６)

摘 要:參考 GB/T２１１４３－２０１４多試樣法設計試驗,采用鈍化線法和鈍化區(qū)寬 度 法 測 定 了０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji,并利用聲發(fā)射技術對試驗過程進行了監(jiān)測.結(jié)果表明:與鈍化線法相比,利用鈍化區(qū)寬度法測定的０Cr１８Ni９不銹鋼板材啟裂韌度Ji 更接近真實值.根據(jù)聲發(fā)射測試結(jié)果分析了不銹鋼板的斷裂過程,并結(jié)合鈍化區(qū)寬度法確定其啟裂韌度Ji＝３５１．７７kJ??m－２.

關鍵詞:啟裂韌度;鈍化區(qū);鈍化線;聲發(fā)射

中圖分類號:TG１１５．５＋７ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４７３Ｇ０６

０Cr１８Ni９不銹鋼具有良好的耐蝕和耐低溫性能,廣泛應用在運載火箭管路結(jié)構(gòu)部件中,其典型失效模式是疲勞斷裂.近年來國內(nèi)對０Cr１８Ni９不銹鋼的斷裂行為進行了許多研究[１Ｇ４].大多數(shù)金屬材料的韌性斷裂過程分為４個部分:①裂紋尖端因塑性變形而發(fā)生鈍化;②鈍化區(qū)飽和,裂紋啟裂;③裂紋穩(wěn)態(tài)擴展;④裂紋非穩(wěn)態(tài)擴展.其斷裂阻力Ｇ裂紋擴展量(JＧΔa)曲線示意圖如圖１[５]所示.其中,鈍化過程和裂紋穩(wěn)態(tài)擴展占主導地位,裂紋啟裂只在極短的時間內(nèi)發(fā)生.因此,人們通常以啟裂韌度Ji作為衡量材料裂紋啟裂阻力的參數(shù).

如何準確地測定Ji 十分關鍵.對于延性金屬材料啟裂韌度Ji 的測定,有兩種測試方法.一種是以鈍化線與阻力曲線的交點作為啟裂韌度的工程估計值.鈍化線方程式可根據(jù)標準中給出的經(jīng)驗公式計算,也 可 由 鈍 化 區(qū) 范 圍 內(nèi) 的 數(shù) 據(jù) 點 擬 合 得 到,GB/T２１１４３－２０１４«金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法»,ISO１２３１５:２００２MetallicMaterialsＧUnifiedMethodofTestfortheDeterminationofQuasistAticFractureToughness,ASTM E１８２０－１１Standard Test Method for MeasurementofFractureToughness中均介紹了相關方法.另一種是根據(jù)試樣的鈍化區(qū)寬度測定啟裂韌度Ji.由于金屬材料韌性斷裂過程由幾個不同過程組成,其斷口也會呈現(xiàn)出不同的微觀形貌,其中鈍化過程會在裂紋尖端形成鈍化區(qū)形貌.在掃描電鏡(SEM)下測量斷口鈍化區(qū)寬度(ΔaSZW ),結(jié)合JＧΔa 曲線也可測量Ji.鈍化區(qū)寬度法的測試結(jié)果更接近實測值.國內(nèi)外已有學者利用鈍化區(qū)寬度法進行了相關研究[６Ｇ７].材料在外載荷作用下發(fā)生塑性變形或斷裂時,會

以彈性波的形式釋放出具有一定特征的聲發(fā)射信號.利用聲發(fā)射裝置捕捉這些信號,可以確定試驗過程中的啟裂點位置,并對材料的斷裂韌性進行研究[８].筆者參 考 GB/T２１１４３－２０１４ 多 試 樣 法 設 計０Cr１８Ni９不銹鋼板斷裂試驗,測試并繪制了該不銹鋼板的JＧΔa 曲線,分別采用鈍化線法和鈍化區(qū)寬度法計算啟裂韌度Ji,并結(jié)合聲發(fā)射測試結(jié)果,確定０Cr１８Ni９不銹鋼板材的啟裂韌度Ji

１ 試驗材料與試驗方法

１．１ 試驗材料

試驗材料選用厚度為１５mm 的０Cr１８Ni９不銹鋼板,Ji 的測試按照 GB/T２１１４３－２０１４中的多試樣法進行設計,采用無側(cè)槽的直通型緊湊拉伸試樣(CT 試樣),缺口方向垂直板材縱向.試樣加工完成后,在ZwickHFP５１００高頻疲勞試驗機上預制疲勞裂紋.

１．２ 試驗方法

疲勞裂紋預制完成后,在 CMT５１０５電子萬能試驗機 上 進 行 拉 伸 試 驗,使 用 非 接 觸 測 量 設 備(DIC)記錄施力點(樣銷孔)位移q,同時采用聲發(fā)射裝置對試驗過程進行監(jiān)測,試驗裝置如圖２所示.進行拉伸試驗時,首先對１號試樣拉伸至載荷開始下降,記錄全程載荷Ｇ施力點位移(FＧq)曲線,并根據(jù)測量結(jié)果設定不同載荷Fi,將其他試樣分別加載至不同的 Fi,記錄相應的施力點位移qi 并繪制 FＧq曲線.拉伸試驗結(jié)束后,對試樣進行高溫氧化著色,并進行二次疲勞,之后采用九點法,在顯微鏡下測量每個試樣的裂紋擴展量 Δa,并計算相應的J積分值,繪制JＧΔa 曲線.對各試樣斷口的宏、微觀形貌進行觀察分析,并結(jié)合測試數(shù)據(jù)確定啟裂韌度Ji.

２ 試驗結(jié)果與討論

 ２．１ 多試樣法試驗設計

 首先對１號試樣進行拉伸加載,其 FＧq 曲線如 圖３所示,可見其最大拉伸載荷為３３．１３３kN.隨 著拉伸過程的推進,裂紋明顯擴展,試樣兩側(cè)出現(xiàn)明 顯的凹陷塑性變形,其斷口宏觀形貌如圖４所示. 

根據(jù)１號試樣測試結(jié)果,確定了后續(xù)試驗不同 的載荷水平Fi,并進行了一系列試驗.各試樣對應 的載荷水平如表１所示. 

２．２ 試樣斷口宏、微觀形貌分析

部分試樣的斷口宏觀形貌如圖５所示,可見８,９,１０號試樣裂紋擴展量較小,裂紋尖端比較平整,沒有明顯的塑性變形.１２,１４,１６號試樣裂紋擴展量明顯增大,裂紋尖端塑性變形逐漸明顯,隨著載荷水平的提高,裂紋尖端略有隆起,試樣兩側(cè)明顯向內(nèi)部凹陷.金屬材料韌性斷裂中幾個不同的過程會在試樣斷口表面產(chǎn)生不同的微觀形貌,其中預制裂紋區(qū)和二次裂紋區(qū)呈縱紋,穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)呈韌窩形貌,而鈍化區(qū)表現(xiàn)為橫紋.圖 ６ 所示為部分試樣斷口的SEM 微觀形貌.可見３,５號試樣斷口形貌由上下兩段縱紋區(qū)和中間的橫紋區(qū)組成,斷口上沒有出現(xiàn)韌窩形貌,且隨著載荷水平的提高,橫紋區(qū)寬度逐漸增大.這說明在相應的載荷下,３,５號試樣處于韌性斷裂過程中的鈍化階段,且隨著載荷水平的提高,鈍化區(qū)不斷向前延伸.６,７號試樣斷口形貌與３,５號試樣基本一致,但在橫紋區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)了極少量的小韌窩形貌,說明裂紋尖端的局部位置鈍化過程達到飽和并啟裂、擴展.由１０,１１號試樣斷口形貌可見,鈍化區(qū)寬度逐漸停止增長,甚至有所縮短,這是斷口附近發(fā)生塑性變形,裂紋尖端隆起,在測量時鈍化區(qū)被隆起的變形部分遮擋而造成的;同時,鈍化區(qū)附近出現(xiàn)了尺寸較大的韌窩形貌,說明鈍化過程已經(jīng)達到飽和,開始進入穩(wěn)態(tài)擴展.１２,１６號試樣呈現(xiàn)出相同的狀況,且韌窩形貌更為明顯,這說明載荷達到一定水平后(該試驗材料約為２２．５kN),鈍化過程達到飽和,裂紋啟裂,并進入穩(wěn)態(tài)擴展區(qū).根據(jù)試樣斷口 SEM 微觀形貌觀察的結(jié)果,確定材料鈍化過程飽和時鈍化區(qū)寬度 ΔaSZW 約為０．１１３mm.

２．３ 聲發(fā)射測試結(jié)果分析

裂紋尖端應力集中的釋放是促使裂紋擴展和產(chǎn)生聲發(fā)射的主要因素.裂紋擴展就是不斷重復裂紋尖端的應力集中、釋放→裂紋擴展→裂紋尖端應力的再集中再釋放→裂紋再擴展的過程,直至最終斷裂.裂紋的擴展并不是連續(xù)進行的,它會在裂紋尖端應力釋放后的一段時間內(nèi)積蓄足夠的能量完成下一次擴展.裂紋尖端的應力集中Ｇ釋放的過程能夠產(chǎn)生可以被聲發(fā)射裝置測量到的聲發(fā)射波,因此通過聲發(fā)射測試技術可以檢測材料裂紋擴展的全部過程.

試驗中,采 用 聲 發(fā) 射 測 試 裝 置 對 試 驗 過 程 進行監(jiān)控,選取 其 中 特 征 比 較 明 顯 的 幾 個 試 樣 進 行分析,其典 型 測 試 結(jié) 果 如 圖 ７ 所 示.可 見 聲 發(fā) 射計數(shù)曲線隨 拉 伸 載 荷 的 增 加 而 不 斷 增 加,但 變 化趨勢非單調(diào) 線 性 增 加,而 是 呈 現(xiàn) 為 波 浪 起 伏 狀 的變化趨勢,且 起 伏 的 間 隔 隨 載 荷 的 增 加 有 逐 漸 變短的趨勢.聲發(fā)射計數(shù)曲線的變化趨勢與裂紋擴

展呈現(xiàn)出的應力斷續(xù)釋放規(guī)律相符.當載荷達到２０kN 附近時,聲發(fā)射計數(shù)達到了第一個明顯的峰值,說明試樣 中 的 微 裂 紋 已 經(jīng) 匯 聚 形 成 了 宏 觀 主裂紋,該裂紋 在 ２０kN 載 荷 時 發(fā) 生 了 第 一 次 明 顯擴展.隨后聲發(fā)射計數(shù)曲線快速下降,并在２０~２１kN 達到最小值.隨后在２３kN 附近聲發(fā)射計數(shù)又出現(xiàn)了 第 二 個 明 顯 峰 值,此 峰 的 聲 發(fā) 射 計 數(shù)較２０kN 處的更高,且經(jīng)歷的載荷范圍更小,這說明試樣中的主裂紋進入了宏觀裂紋擴展階段.此后聲發(fā)射計 數(shù) 峰 值 越 來 越 低,且 波 動 間 距 越 來 越小,直至試驗停止.

根據(jù)聲發(fā)射測試結(jié)果分析,０Cr１８Ni９不銹鋼板材的裂紋擴展過程如下:試樣裂紋前緣中的部分微裂紋首先經(jīng)歷鈍化→啟裂→擴展過程,隨著載荷的增加,經(jīng)歷該過程的微裂紋越來越多,同時已經(jīng)發(fā)生的微裂紋擴展繼續(xù)發(fā)展,直至連成一片形成主裂紋,進入宏觀裂紋擴展階段,裂紋穩(wěn)態(tài)擴展過程在整個裂紋前緣發(fā)展.

２．４ 啟裂韌度Ji 的確定

２．４．１ 鈍化線法測定啟裂韌度J i

根據(jù)試驗結(jié)果,按照 GB/T２１１４３－２０１４中的公式(３６)計算了各試樣的J 積分值,并測量了各個試樣的裂紋擴展量,如圖８中各數(shù)據(jù)點所示.根據(jù)斷口的宏、微觀形貌判斷,２~９號試樣處于鈍化階段,１０~１９號試樣進入裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段.因此,根據(jù)標準要求,按指數(shù)方程形式對１０~１９號試樣數(shù)據(jù)擬合,得到阻力曲線方程如下所示

GB/T２１１４３－２０１４中公式(４０)給出了一種計 算鈍化線的經(jīng)驗公式,根據(jù)此式計算得到了鈍化線 方程如下所示

式中:Rm 表示抗拉強度,Rm ＝６８５MPa.由于２~９號試樣處于鈍化階段,尚未進入穩(wěn)態(tài)擴展,因此對其擬合了一條實測鈍化線,鈍化線方程如下所示

由圖８可見,實測鈍化線與標準給出的經(jīng)驗鈍化 線比較接近.根據(jù)定義,鈍化線與阻力曲線交點的J 積分值即為Ji.由此,根據(jù)兩條鈍化線分別得到了兩 個Ji 值:J i１＝１０８０．０２kJ??m－２;Ji２＝６４８．９１kJ??m－２.

２．４．２ 鈍化區(qū)寬度法測定啟裂韌度J i

在JＧΔa 曲線上平行于J 軸作一條通過臨界伸張區(qū)寬度的直線,如圖９所示.直線與JＧΔa 曲線交點即為啟裂點Ji 值.本試驗中,用伸張區(qū)寬度法測得J i３＝３８７．８２kJ??m－２.有研究認為[９],從微觀角度思考,試樣受力后,裂紋前沿的鈍化是不均勻的,啟裂不是同時發(fā)生在整個裂紋前緣的.尺寸較大、形狀復雜且距離頂端較近的缺陷處會首先發(fā)生開裂并進入穩(wěn)態(tài)擴展,但在宏觀上裂紋體仍處在塑性變形和鈍化階段.因此,也可將處于鈍化階段的數(shù)據(jù)點擬合至JＧΔa 阻力曲線中,如圖１０所示,按指數(shù)方程形式進行擬合,得到阻力曲線方程如下所示

同樣,用鈍化區(qū)寬度法測得Ji４＝３５１．７７kJ??m－２.

２．４．３ ０Cr１８Ni９不銹鋼板啟裂韌度Ji 的確定

利 用 鈍 化 線 法 和 鈍 化 區(qū) 寬 度 法 測 定 的０Cr１８Ni９不銹 鋼 板 啟 裂 韌 度 Ji 如 表 ２ 所 示.對于試驗使用的０Cr１８Ni９不銹鋼板,和鈍化區(qū)寬度法相比鈍化線法得到的Ji 明顯偏大,不適用于測定材料的啟裂韌度Ji.由于試樣斷口微觀形貌展現(xiàn)出的規(guī)律 與 金 屬 材 料 斷 裂 的 經(jīng) 典 理 論 相 符,鈍化區(qū)寬度法得到的Ji 更接近真實值.根據(jù)掃描電鏡和聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果,在裂紋擴展過程中,裂紋尖端的部 分 微 裂 紋 首 先 經(jīng) 歷 鈍 化 → 啟 裂 → 擴 展 過程,隨著載荷的增加,經(jīng)歷該過程的微裂紋越來越多,同時已經(jīng)發(fā)生的微裂紋擴展繼續(xù)發(fā)展,直至連成一片形 成 主 裂 紋,進 入 宏 觀 裂 紋 擴 展 階 段.因此,在利用鈍化區(qū)寬度法測量Ji 時,應將測得的所有數(shù)據(jù)值 擬 合 為JＧΔa 曲 線 進 行 計 算,即Ji４ 更 接近實際值.

３ 結(jié)論

(１)０Cr１８Ni９不銹鋼板的裂紋擴展過程為:試樣裂紋前緣中的部分微裂紋首先經(jīng)歷鈍化→啟裂→擴展過程,隨著載荷的增加,微觀裂紋擴展逐步增多、累積,直至連成一片形成主裂紋,進入宏觀裂紋擴展階段,裂紋穩(wěn)態(tài)擴展過程在整個裂紋前緣發(fā)展.

(２)與鈍化線法相比,利用鈍化區(qū)寬度法得到的０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji 更接近真實值.擬合JＧΔa 曲線時,應將所有載荷下的數(shù)據(jù)點都擬合在內(nèi).０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji 為３５１．７７kJ??m－２.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 7期 > pp.473）