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(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 １０００７６)
摘 要:參考 GB/T２１１４３－２０１４多試樣法設(shè)計(jì)試驗(yàn),采用鈍化線(xiàn)法和鈍化區(qū)寬 度 法 測(cè) 定 了０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji,并利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè).結(jié)果表明:與鈍化線(xiàn)法相比,利用鈍化區(qū)寬度法測(cè)定的０Cr１８Ni９不銹鋼板材啟裂韌度Ji 更接近真實(shí)值.根據(jù)聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果分析了不銹鋼板的斷裂過(guò)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(guān)鍵詞:啟裂韌度;鈍化區(qū);鈍化線(xiàn);聲發(fā)射
中圖分類(lèi)號(hào):TG１１５．５＋７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４７３Ｇ０６０Cr１８Ni９不銹鋼具有良好的耐蝕和耐低溫性能,廣泛應(yīng)用在運(yùn)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(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)０Cr１８Ni９不銹鋼的斷裂行為進(jìn)行了許多研究[１Ｇ４].大多數(shù)金屬材料的韌性斷裂過(guò)程分為４個(gè)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(kuò)展;④裂紋非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展.其斷裂阻力Ｇ裂紋擴(kuò)展量(JＧΔa)曲線(xiàn)示意圖如圖１[５]所示.其中,鈍化過(guò)程和裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展占主導(dǎo)地位,裂紋啟裂只在極短的時(shí)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(zhǔn)確地測(cè)定Ji 十分關(guān)鍵.對(duì)于延性金屬材料啟裂韌度Ji 的測(cè)定,有兩種測(cè)試方法.一種是以鈍化線(xiàn)與阻力曲線(xiàn)的交點(diǎn)作為啟裂韌度的工程估計(jì)值.鈍化線(xiàn)方程式可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,也 可 由 鈍 化 區(qū) 范 圍 內(nèi) 的 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 擬 合 得 到,GB/T２１１４３－２０１４«金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法»,ISO１２３１５:２００２MetallicMaterialsUnifiedMethodofTestfortheDeterminationofQuasistAticFractureToughness,ASTM E１８２０－１１Standard Test Method for Measurementof
FractureToughness中均介紹了相關(guān)方法.另一種是根據(jù)試樣的鈍化區(qū)寬度測(cè)定啟裂韌度Ji.由于金屬材料韌性斷裂過(guò)程由幾個(gè)不同過(guò)程組成,其斷口也會(huì)呈現(xiàn)出不同的微觀(guān)形貌,其中鈍化過(guò)程會(huì)在裂紋尖端形成鈍化區(qū)形貌.在掃描電鏡(SEM)下測(cè)量斷口鈍化區(qū)寬度(ΔaSZW ),結(jié)合JＧΔa 曲線(xiàn)也可測(cè)量Ji.鈍化區(qū)寬度法的測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值.國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者利用鈍化區(qū)寬度法進(jìn)行了相關(guān)研究[６Ｇ７].材料在外載荷作用下發(fā)生塑性變形或斷裂時(shí),會(huì)以彈性波的形式釋放出具有一定特征的聲發(fā)射信號(hào).利用聲發(fā)射裝置捕捉這些信號(hào),可以確定試驗(yàn)過(guò)程中的啟裂點(diǎn)位置,并對(duì)材料的斷裂韌性進(jìn)行研究[８].
筆者參 考 GB/T２１１４３－２０１４ 多 試 樣 法 設(shè) 計(jì)０Cr１８Ni９不銹鋼板斷裂試驗(yàn),測(cè)試并繪制了該不銹鋼板的JＧΔa 曲線(xiàn),分別采用鈍化線(xiàn)法和鈍化區(qū)寬度法計(jì)算啟裂韌度Ji,并結(jié)合聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果,確定０Cr１８Ni９不銹鋼板材的啟裂韌度Ji.
１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法
１．１ 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料選用厚度為１５mm 的０Cr１８Ni９不銹鋼板,Ji 的測(cè)試按照GB/T２１１４３－２０１４中的多試樣法進(jìn)行設(shè)計(jì),采用無(wú)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(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋.
１．２ 試驗(yàn)方法
疲勞裂紋預(yù)制完成后,在CMT５１０５電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),使用非接觸測(cè)量設(shè)備(DIC)記錄施力點(diǎn)(試樣銷(xiāo)孔)位移q,同時(shí)采用聲發(fā)射裝置對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),試驗(yàn)裝置如圖２所示.進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),首先對(duì)１號(hào)試樣拉伸至載荷開(kāi)始下降,記錄全程載荷Ｇ施力點(diǎn)位移(FＧq)曲線(xiàn),并根據(jù)測(cè)量結(jié)果設(shè)定不同載荷Fi,將其他試樣分別加載至不同的Fi,記錄相應(yīng)的施力點(diǎn)位移qi 并繪制FＧq曲線(xiàn).拉伸試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)試樣進(jìn)行高溫氧化著色,并進(jìn)行二次疲勞,之后采用九點(diǎn)法,在顯微鏡下測(cè)量每個(gè)試樣的裂紋擴(kuò)展量Δa,并計(jì)算相應(yīng)的J積分值,繪制JＧΔa 曲線(xiàn).對(duì)各試樣斷口的宏、微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察分析,并結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)確定啟裂韌度Ji。
２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論
２．１ 多試樣法試驗(yàn)設(shè)計(jì)
首先對(duì)１號(hào)試樣進(jìn)行拉伸加載,其 FＧq 曲線(xiàn)如圖３所示,可見(jiàn)其最大拉伸載荷為３３．１３３kN.隨著拉伸過(guò)程的推進(jìn),裂紋明顯擴(kuò)展,試樣兩側(cè)出現(xiàn)明顯的凹陷塑性變形,其斷口宏觀(guān)形貌如圖４所示.
根據(jù)１號(hào)試樣測(cè)試結(jié)果,確定了后續(xù)試驗(yàn)不同的載荷水平Fi,并進(jìn)行了一系列試驗(yàn).各試樣對(duì)應(yīng)的載荷水平如表１所示.
２．２ 試樣斷口宏、微觀(guān)形貌分析
部分試樣的斷口宏觀(guān)形貌如圖５所示,可見(jiàn)８,９,１０號(hào)試樣裂紋擴(kuò)展量較小,裂紋尖端比較平整,沒(méi)有明顯的塑性變形.１２,１４,１６號(hào)試樣裂紋擴(kuò)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(gè)不同的過(guò)程會(huì)在試樣斷口表面產(chǎn)生不同的微觀(guān)形貌,其中預(yù)制裂紋區(qū)和二次裂紋區(qū)呈縱紋,穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(guān)形貌.可見(jiàn)３,５號(hào)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(méi)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(shuō)明在相應(yīng)的載荷下,３,５號(hào)試樣處于韌性斷裂過(guò)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(hào)試樣斷口形貌與３,５號(hào)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(shuō)明裂紋尖端的局部位置鈍化過(guò)程達(dá)到飽和并啟裂、擴(kuò)展.由１０,１１號(hào)試樣斷口形貌。
可見(jiàn),鈍化區(qū)寬度逐漸停止增長(zhǎng),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(cè)量時(shí)鈍化區(qū)被隆起的變形部分遮擋而造成的;同時(shí),鈍化區(qū)附近出現(xiàn)了尺寸較大的韌窩形貌,說(shuō)明鈍化過(guò)程已經(jīng)達(dá)到飽和,開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展.１２,１６號(hào)試樣呈現(xiàn)出相同的狀況,且韌窩形貌更為明顯,這說(shuō)明載荷達(dá)到一定水平后(該試驗(yàn)材料約為２２．５kN),鈍化過(guò)程達(dá)到飽和,裂紋啟裂,并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū).根據(jù)試樣斷口 SEM 微觀(guān)形貌觀(guān)察的結(jié)果,確定材料鈍化過(guò)程飽和時(shí)鈍化區(qū)寬度 ΔaSZW 約為０．１１３mm。
２．３ 聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果分析
裂紋尖端應(yīng)力集中的釋放是促使裂紋擴(kuò)展和產(chǎn)生聲發(fā)射的主要因素.裂紋擴(kuò)展就是不斷重復(fù)裂紋尖端的應(yīng)力集中、釋放→裂紋擴(kuò)展→裂紋尖端應(yīng)力的再集中再釋放→裂紋再擴(kuò)展的過(guò)程,直至最終斷裂.裂紋的擴(kuò)展并不是連續(xù)進(jìn)行的,它會(huì)在裂紋尖端應(yīng)力釋放后的一段時(shí)間內(nèi)積蓄足夠的能量完成下一次擴(kuò)展.裂紋尖端的應(yīng)力集中Ｇ釋放的過(guò)程能夠產(chǎn)生可以被聲發(fā)射裝置測(cè)量到的聲發(fā)射波,因此通過(guò)聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)可以檢測(cè)材料裂紋擴(kuò)展的全部過(guò)程.
試驗(yàn)中,采 用 聲 發(fā) 射 測(cè) 試 裝 置 對(duì) 試 驗(yàn) 過(guò) 程 進(jìn)行監(jiān)控,選取 其 中 特 征 比 較 明 顯 的 幾 個(gè) 試 樣 進(jìn) 行分析,其典 型 測(cè) 試 結(jié) 果 如 圖 ７ 所 示.可 見(jiàn) 聲 發(fā) 射計(jì)數(shù)曲線(xiàn)隨 拉 伸 載 荷 的 增 加 而 不 斷 增 加,但 變 化趨勢(shì)非單調(diào) 線(xiàn) 性 增 加,而 是 呈 現(xiàn) 為 波 浪 起 伏 狀 的變化趨勢(shì),且 起 伏 的 間 隔 隨 載 荷 的 增 加 有 逐 漸 變短的趨勢(shì).聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)與裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)出的應(yīng)力斷續(xù)釋放規(guī)律相符.當(dāng)載荷達(dá)到２０kN 附近時(shí),聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到了第一個(gè)明顯的峰值,說(shuō)明試樣 中 的 微 裂 紋 已 經(jīng) 匯 聚 形 成 了 宏 觀(guān) 主裂紋,該裂紋 在 ２０kN 載 荷 時(shí) 發(fā) 生 了 第 一 次 明 顯擴(kuò)展.隨后聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線(xiàn)快速下降,并在２０~２１kN 達(dá)到最小值.隨后在２３kN 附近聲發(fā)射計(jì)數(shù)又出現(xiàn)了 第 二 個(gè) 明 顯 峰 值,此 峰 的 聲 發(fā) 射 計(jì) 數(shù)較２０kN 處的更高,且經(jīng)歷的載荷范圍更小,這說(shuō)明試樣中的主裂紋進(jìn)入了宏觀(guān)裂紋擴(kuò)展階段.此后聲發(fā)射計(jì) 數(shù) 峰 值 越 來(lái) 越 低,且 波 動(dòng) 間 距 越 來(lái) 越小,直至試驗(yàn)停止.
根據(jù)聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果分析,０Cr１８Ni９不銹鋼板材的裂紋擴(kuò)展過(guò)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(kuò)展過(guò)程,隨著載荷的增加,經(jīng)歷該過(guò)程的微裂紋越來(lái)越多,同時(shí)已經(jīng)發(fā)生的微裂紋擴(kuò)展繼續(xù)發(fā)展,直至連成一片形成主裂紋,進(jìn)入宏觀(guān)裂紋擴(kuò)展階段,裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程在整個(gè)裂紋前緣發(fā)展.
２．４ 啟裂韌度Ji 的確定
２．４．１ 鈍化線(xiàn)法測(cè)定啟裂韌度Ji根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,按照 GB/T２１１４３－２０１４中的公式(３６)計(jì)算了各試樣的J 積分值,并測(cè)量了各個(gè)試樣的裂紋擴(kuò)展量,如圖８中各數(shù)據(jù)點(diǎn)所示.根據(jù)斷口的宏、微觀(guān)形貌判斷,２~９號(hào)試樣處于鈍化階段,１０~１９號(hào)試樣進(jìn)入裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段.因此,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,按指數(shù)方程形式對(duì)１０~１９號(hào)試樣數(shù)
據(jù)擬合,得到阻力曲線(xiàn)方程如下所示
J＝３５．９８＋２１４２．５１Δa０．８３ (１)GB/T２１１４３－２０１４中公式(４０)給出了一種計(jì)算鈍化線(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式,根據(jù)此式計(jì)算得到了鈍化線(xiàn)方程如下所示
J１ ＝３．７５RmΔa＝２５６８．７５Δa (２)式中:Rm 表示抗拉強(qiáng)度,Rm ＝６８５MPa.
由于２~９號(hào)試樣處于鈍化階段,尚未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展,因此對(duì)其擬合了一條實(shí)測(cè)鈍化線(xiàn),鈍化線(xiàn)方程
如下所示
J２ ＝２９３０．１３Δa (３)
由圖８可見(jiàn),實(shí)測(cè)鈍化線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)給出的經(jīng)驗(yàn)鈍化線(xiàn)比較接近.根據(jù)定義,鈍化線(xiàn)與阻力曲線(xiàn)交點(diǎn)的J
積分值即為Ji.由此,根據(jù)兩條鈍化線(xiàn)分別得到了兩個(gè)Ji 值:Ji１＝１０８０．０２kJ??m－２;Ji２＝６４８．９１kJ??m－２.
２．４．２ 鈍化區(qū)寬度法測(cè)定啟裂韌度Ji在JＧΔa 曲線(xiàn)上平行于J 軸作一條通過(guò)臨界伸張區(qū)寬度的直線(xiàn),如圖９所示.直線(xiàn)與JＧΔa 曲線(xiàn)交點(diǎn)即為啟裂點(diǎn)Ji 值.本試驗(yàn)中,用伸張區(qū)寬度法測(cè)得Ji３＝３８７．８２kJ??m－２.有研究認(rèn)為[９],從微觀(guān)角度思考,
得到阻力曲線(xiàn)方程如下所示
J′＝２１９１．２２Δa０．８４ (４)
同樣,用鈍化區(qū)寬度法測(cè)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(xiàn)法和鈍化區(qū)寬度法測(cè)定的０Cr１８Ni９不銹鋼板啟裂韌度Ji 如表２所示.對(duì)于試驗(yàn)使用的０Cr１８Ni９不銹鋼板,和鈍化區(qū)寬度法相比鈍化線(xiàn)法得到的Ji 明顯偏大,不適用于測(cè)定材料的啟裂韌度Ji.由于試樣斷口微觀(guān)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(shí)值.根據(jù)掃描電鏡和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果,在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中,裂紋尖端的部分微裂紋首先經(jīng)歷鈍化→ 啟裂→ 擴(kuò)展過(guò)程,隨著載荷的增加,經(jīng)歷該過(guò)程的微裂紋越來(lái)越多,同時(shí)已經(jīng)發(fā)生的微裂紋擴(kuò)展繼續(xù)發(fā)展,直至連成一片形成主裂紋,進(jìn)入宏觀(guān)裂紋擴(kuò)展階段.因此,在利用鈍化區(qū)寬度法測(cè)量Ji 時(shí),應(yīng)將測(cè)得的所有數(shù)據(jù)值擬合為JＧΔa 曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算,即Ji４更接近實(shí)際值.
３ 結(jié)論
(１)０Cr１８Ni９不銹鋼板的裂紋擴(kuò)展過(guò)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(kuò)展過(guò)程,隨著載荷的增加,微觀(guān)裂紋擴(kuò)展逐步增多、累積,直至連成一片形成主裂紋,進(jìn)入宏觀(guān)裂紋擴(kuò)展階段,裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程在整個(gè)裂紋前緣發(fā)展.
(２)與鈍化線(xiàn)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(shí)值.擬合JＧΔa 曲線(xiàn)時(shí),應(yīng)將所有載荷下的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)）