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寬 度 法 測 定 了０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji,并利用聲發射技術對試驗過程進行了監測.結果表明:與鈍化線法相比,利用鈍化區寬度法測定的０Cr１８Ni９不銹鋼板材啟裂韌度Ji 更接近真實值.根據聲發射測試結果分析了不銹鋼板的斷裂過程,并結合鈍化區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;鈍化線;聲發射

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構部件中,其典型失效模式是疲勞斷裂.近年來國內對０Cr１８Ni９不銹鋼的斷裂行為進行了許多研究[１Ｇ４].大多數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生鈍化;②鈍化區飽和,裂紋啟裂;③裂紋穩態擴展;④裂紋非穩態擴展.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,鈍化過程和裂紋穩態擴展占主導地位,裂紋啟裂只在極短的時間內發生.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.

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標準中給出的經驗公式計算,也 可 由 鈍 化 區 范 圍 內 的 數 據 點 擬 合 得 到,GB/T２１１４３－２０１４«金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法»,ISO１２３１５:２００２MetallicMaterialsＧUnifiedMethodofTestfortheDeterminationofQuasistAticFractureToughness,ASTM E１８２０－１１Standard Test Method for MeasurementofFractureToughness中均介紹了相關方法.另一種是根據試樣的鈍化區寬度測定啟裂韌度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形貌.在掃描電鏡(SEM)下測量斷口鈍化區寬度(ΔaSZW ),結合JＧΔa 曲線也可測量Ji.鈍化區寬度法的測試結果更接近實測值.國內外已有學者利用鈍化區寬度法進行了相關研究[６Ｇ７].材料在外載荷作用下發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射信號.利用聲發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寬度法計算啟裂韌度Ji,并結合聲發射測試結果,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,同時采用聲發射裝置對試驗過程進行監測,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,并根據測量結果設定不同載荷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,并結合測試數據確定啟裂韌度Ji.

２ 試驗結果與討論

 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,試樣兩側出現明 顯的凹陷塑性變形,其斷口宏觀形貌如圖４所示. 

根據１號試樣測試結果,確定了后續試驗不同 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,試樣兩側明顯向內部凹陷.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生不同的微觀形貌,其中預制裂紋區和二次裂紋區呈縱紋,穩態擴展區呈韌窩形貌,而鈍化區表現為橫紋.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和中間的橫紋區組成,斷口上沒有出現韌窩形貌,且隨著載荷水平的提高,橫紋區寬度逐漸增大.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,但在橫紋區范圍內出現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,鈍化區寬度逐漸停止增長,甚至有所縮短,這是斷口附近發生塑性變形,裂紋尖端隆起,在測量時鈍化區被隆起的變形部分遮擋而造成的;同時,鈍化區附近出現了尺寸較大的韌窩形貌,說明鈍化過程已經達到飽和,開始進入穩態擴展.１２,１６號試樣呈現出相同的狀況,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,并進入穩態擴展區.根據試樣斷口 SEM 微觀形貌觀察的結果,確定材料鈍化過程飽和時鈍化區寬度 ΔaSZW 約為０．１１３mm.

２．３ 聲發射測試結果分析

裂紋尖端應力集中的釋放是促使裂紋擴展和產生聲發射的主要因素.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進行的,它會在裂紋尖端應力釋放后的一段時間內積蓄足夠的能量完成下一次擴展.裂紋尖端的應力集中Ｇ釋放的過程能夠產生可以被聲發射裝置測量到的聲發射波,因此通過聲發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 射 測 試 裝 置 對 試 驗 過 程 進行監控,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 果 如 圖 ７ 所 示.可 見 聲 發 射計數曲線隨 拉 伸 載 荷 的 增 加 而 不 斷 增 加,但 變 化趨勢非單調 線 性 增 加,而 是 呈 現 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.聲發射計數曲線的變化趨勢與裂紋擴

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

根據聲發射測試結果分析,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歷鈍化→啟裂→擴展過程,隨著載荷的增加,經歷該過程的微裂紋越來越多,同時已經發生的微裂紋擴展繼續發展,直至連成一片形成主裂紋,進入宏觀裂紋擴展階段,裂紋穩態擴展過程在整個裂紋前緣發展.

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

根據試驗結果,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中各數據點所示.根據斷口的宏、微觀形貌判斷,２~９號試樣處于鈍化階段,１０~１９號試樣進入裂紋穩態擴展階段.因此,根據標準要求,按指數方程形式對１０~１９號試樣數據擬合,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 算鈍化線的經驗公式,根據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,尚未進入穩態擴展,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驗鈍化 線比較接近.根據定義,鈍化線與阻力曲線交點的J 積分值即為Ji.由此,根據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生開裂并進入穩態擴展,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據點擬合至JＧΔa 阻力曲線中,如圖１０所示,按指數方程形式進行擬合,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 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出的規律 與 金 屬 材 料 斷 裂 的 經 典 理 論 相 符,鈍化區寬度法得到的Ji 更接近真實值.根據掃描電鏡和聲發射監測結果,在裂紋擴展過程中,裂紋尖端的部 分 微 裂 紋 首 先 經 歷 鈍 化 → 啟 裂 → 擴 展 過程,隨著載荷的增加,經歷該過程的微裂紋越來越多,同時已經發生的微裂紋擴展繼續發展,直至連成一片形 成 主 裂 紋,進 入 宏 觀 裂 紋 擴 展 階 段.因此,在利用鈍化區寬度法測量Ji 時,應將測得的所有數據值 擬 合 為JＧΔa 曲 線 進 行 計 算,即Ji４ 更 接近實際值.

３ 結論

(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,裂紋穩態擴展過程在整個裂紋前緣發展.

(２)與鈍化線法相比,利用鈍化區寬度法得到的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據點都擬合在內.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-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 7期 > pp.473）