25Cr2Ni4MoV合金鍛件斷裂韌性試驗影響因素的研究

田根起, 侍克獻, 萬海波, 王延峰

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 201114)

隨著航空、核電及石油工程的高速發展，與工程安全密切相關的新材料斷裂力學測試技術數十年來受到廣泛關注[1]。在壓力容器等關鍵部件的安全評價中，對含缺陷結構的塑性材料屈服、裂紋的啟裂、穩定擴展、失穩擴展直至斷裂進行過程分析時，斷裂特征參量J積分被廣泛應用，而作為斷裂韌性的特征值J1C和J-R阻力曲線也伴隨彈塑性力學的發展被深入研究[2]。

目前，世界上很多國家都編制了相應的試驗標準來指導規范斷裂力學試驗，主要包括GB/T 21143—2014 《金屬材料 準靜態斷裂韌性的統一試驗方法》、ASTM E1820—2016 《斷裂韌性標準測試方法》、ISO 12135—2002 《金屬材料 準靜態斷裂韌性統一試驗方法》和BS:7448-1∶1991、BS:7448-2∶1997 《斷裂韌性測試方法》。國家標準化委員會將GB/T 2038—1991和GB/T 2359—1994合并修訂，形成統一的準靜態斷裂韌性測試標準GB/T 21143—2007。之后，鋼鐵研究總院和西南交通大學等組織對其進行修訂，形成現行的GB/T 21143—2014。相比之下，美國ASTM 協會幾乎每年都會對ASTM E1820進行修訂。2種標準在試樣規格和尺寸、試驗條件控制、有效數據判定、鈍化線方程、J-R阻力曲線等方面都有明顯的差異[3]。

斷裂韌性測試主要包括單試樣法和多試樣法。多試樣法直接測量多個試樣的裂紋擴展長度，裂紋長度測量精度相對較高，但浪費大量試料且試驗結果較為離散。單試樣法通常采用柔度法或電位法，對單個試樣進行逐級加載、卸載，測量每級加卸載對應的裂紋長度和擴展阻力。斷裂韌性試驗通常采用緊湊拉伸(CT)試樣和3點彎曲試樣，臺階型CT試樣廣泛應用于室溫和高溫條件下的斷裂力學測試，發展相對比較成熟[4]。因此，筆者采用單試樣法對臺階型CT試樣開展試驗，研究不同裂紋長度、試樣尺寸、試驗參數及試驗標準對斷裂韌性試驗結果的影響，為工程實踐提供數據和技術支持。

1 試驗材料與方法

試驗材料為CAP1400常規島發電機轉子鍛件，材料牌號為25Cr2Ni4MoV，該材料具有較高的強度和韌性。其具體化學成分見表1，常規力學性能參數見表2。

試驗設備為INSTRON 8802-25T電液伺服低周疲勞試驗機，COD型號為2670-132，標距10 mm、行程4 mm。CT試樣沿發電機轉軸芯棒軸向取樣，裂紋擴展方向與軸向平行。選擇CT25(25 mm厚)和CT38 (38 mm厚)2種規格的試樣進行試驗，具體試樣尺寸見圖1。

表1 25Cr2Ni4MoV主要化學成分

表2 25Cr2Ni4MoV常規力學性能參數

(a) CT25臺階型試樣

(b) CT38 臺階型試樣

參照ASTM E1820—2016中單試樣柔度法進行試驗，首先檢查并測量試樣尺寸，包括試樣寬度W、厚度B和初始裂紋長度a0。根據試驗標準要求預制疲勞裂紋，初始裂紋長度比a0/W=0.45～0.70。預制疲勞裂紋完成后開具側槽，側槽厚度B-BN=0.80B，側槽角度為90°，根部倒角半徑為0.2 mm。

試驗前，在彈性范圍內對試樣進行預加載，并對初始裂紋長度進行檢查。采用位移控制模式，逐步對試樣進行加載、卸載再加載，直至試驗結束。計算機軟件記錄載荷和加載線位移等數據。根據試驗標準推薦的公式計算每次加載、卸載對應的裂紋擴展長度Δai和裂紋擴展阻力Ji，作出J-R阻力曲線，并計算斷裂韌性的特征值J1C[5-6]。

試驗結束后將試樣放入熱處理爐中，在300 ℃下保溫約30 min后進行著色處理，取出試樣經2次疲勞試驗后將試樣拉斷。在體視顯微鏡下觀察并測量裂紋，計算初始裂紋長度和裂紋擴展長度，并進行裂紋平直性判定。

2 試驗結果與分析

2.1 初始裂紋長度的影響

試驗標準中規定初始裂紋長度比應滿足a0/W=0.45～0.70，為研究標準范圍內初始裂紋長度比對試驗結果的影響，選用a0/W為0.51、0.54、0.57、0.60和0.66這5種初始裂紋長度比的試樣進行試驗，并分別運用GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2016進行數據處理，試驗結果如圖2所示。

圖2 初始裂紋長度比與J1C和試驗最大載荷P的關系

從圖2可以看出，隨著初始裂紋長度比的增加，試驗得到的J1C逐漸減小。這主要是由于初始裂紋長度比增加，韌帶長度減小，裂紋尖端約束降低。

GB/T 21143—2014中規定試驗機標稱測量能力應不小于F標稱。可以發現隨著初始裂紋長度比的增加，試驗過程中的最大載荷逐漸降低，且最大載荷處于F標稱的75%左右，說明GB/T 21143—2014在試驗機載荷能力方面留有較大的富裕度，同時也可通過增加初始裂紋長度來擴大試驗機的能力范圍。

(1)

2.2 試樣尺寸的影響

試驗標準中對CT試樣的尺寸比例進行了規定，要求1≤W/B≤4(推薦W/B=2)，并要求用W-a0、a0和B對試驗結果進行有效性判定。為研究試樣厚度對試驗結果的影響，各選擇5個CT25和CT38試樣進行試驗，結果如圖3所示。

圖3 不同厚度試樣斷裂韌性試驗結果

圖4 試樣KC與試樣厚度的關系

2.3 試驗參數的影響

2.3.1 加載速率

在常規力學性能試驗中，加載速率對試驗結果有比較顯著的影響。斷裂韌性試驗標準中均給出了一定的加載速率范圍。GB/T 21143—2014中要求應力強度因子的加載速率應該在0.2～3 MPa·m0.5·s-1；ASTM E1820—2016中要求在0.3～3 min內加載到預制裂紋的最大限定值。為了分析加載速率對試驗結果的影響，選用不同加載速率進行試驗，結果見表3。由表3可知，加載速率在0.1～1.5 MPa·m0.5·s-1內時，加載速率對試驗結果影響不大；當加載速率大于2 MPa·m0.5·s-1時，隨著加載速率的增大，測得的斷裂韌性值減小。

2.3.2 保載時間

多數金屬材料在加載過程中會產生應力松弛。為避免在卸載過程中產生非線性曲線，需要在卸載前進行保載。筆者對比了保載6 s、15 s和24 s 3種試驗條件的影響，結果見表4。由表4可知，隨著保載時間的延長，斷裂韌性值減小，這是由于保載時間長，應力松弛較為明顯，載荷降低導致計算得到的阻力曲線降低。

表3 不同加載速率下的斷裂韌性

表4 不同保載時間下的斷裂韌性

2.4 數據處理方法的影響

在斷裂韌性試驗中，數據處理方法對試驗結果的影響較大[8]。Link[9]在利用卸載柔度法計算裂紋長度時，發現利用卸載段數據計算得到的裂紋長度偏小，獲得較大的條件斷裂韌性JQ；利用再加載段數據計算得到的裂紋長度偏大，獲得的JQ偏小；對比4個試驗室處理相同原始試驗數據得到的結果，發現最大差異達到20%，說明數據處理方法對試驗結果的影響較大。

圖2、圖3和表3、表4對比了不同試驗標準得到的斷裂韌性試驗結果，采用GB/T 21143—2014標準處理得到的試驗結果均比采用ASTME 1820—2016標準得到的結果要小，最小的差異也已達到20%。分析認為這主要是由于2種試驗標準在數據處理方法上存在較大差異，包括有效數據的選擇和判定、鈍化線斜率、擬合曲線方程等(見表5)，其中鈍化線斜率的不同對J1C影響最為顯著。ASTM E1820—2016標準所采用的鈍化線針對的是理想的彈塑性材料，GB/T 21143—2014標準采用的鈍化線則針對的是真應力應變關系滿足冪次定律的材料[10]。從表5可以看到，GB/T 21143—2014標準選擇的鈍化線斜率較大，因而0.2 mm偏置線與J-R曲線交點a0.2較小，從而導致得到的試驗結果偏小。

表5 GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2016數據處理對比

注：1) Δamax和Δalimit表示裂紋擴展極限； 2)Jmax代表J-R材料特性的極限值；3)J0.2BL代表裂紋穩定擴展為0.2 mm鈍化偏置線時對應的非尺寸敏感斷裂抗力J值。

3 結 論

(1)隨著初始裂紋長度的增加，得到的斷裂韌性值減小，試驗中加載所需要的最大載荷也逐漸降低。

(2)CT25試樣得到的試驗數據高于CT38試樣；在一定范圍內，隨著試樣厚度的增加，測得的斷裂韌性值減小。

(3)當加載速率較小時(<1.5 MPa·m0.5·s-1)，加載速率變化對試驗結果影響不大；當加載速率繼續增大時，測得的斷裂韌性值減小；隨著保載時間的延長，測得的斷裂韌性值減小。

(4)GB/T 21143—2014標準和ASTM E1820—2016標準在鈍化線斜率、有效數據判定和擬合曲線方程等方面對數據處理結果的影響較大，且前者得到的試驗結果比后者要小。