，，

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

材料断裂韧性的试验测试研究对理论研究和工程应用都有着重大的意义，一直是研究的热点问题[1-2].在压力容器安全评价中，对含缺陷结构的塑性材料屈服、裂纹的起裂、稳定扩展、失稳扩展直至断裂的过程分析，断裂特征参量J积分被广泛运用[3-5].而作为断裂韧性的特征值JIC和J—R阻力曲线也伴随弹塑性断裂力学的发展被深入研究[6-7]，从中发展起来的失效评定方法被用于材料的弹塑性断裂分析[8].而断裂韧性分析精确程度更直接关系到对含缺陷结构安全评定结果的可靠性.基于压水堆主管道材料是我国核电厂用量较大、服役环境复杂、安全要求较高的核一级部件之一[9]，且材料的质量直接关系到核电站的安全运行，其断裂韧性对于管道裂纹的稳定性判断至关重要，是破前漏(LBB)技术应用分析论证工作的重要环节与核心工作内容之一等情况.因此，对主管道材料的断裂韧性及其失效评定曲线进行试验研究具有重要的工程意义.

1 试验方法及材料

1.1 试验原理及标准

1968年Rice提出了围绕裂纹尖端与积分路径无关的线积分，称为J积分.J积分是表征材料应力应变场强度变化的定量指标，其理论广泛适用于弹塑性断裂力学[10].目前，对于J积分法的试验研究主要分为三点弯曲及紧凑拉伸(CT)型试验，而用紧凑拉伸来测定J积分试验中，又可分为单试样法与多试样法.目前，试验研究主要采取单试样法进行，所谓的单试样法是指使用单个试样在不同的加载条件下进行卸载并根据卸载曲线得到裂纹扩展量a与J关系，绘制J—R阻力曲线的试验方法.试验中，裂纹长度的测量采用柔度法[11]，并按照GB/T 21143“金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法”进行.

对于标准紧凑拉伸试样，各载荷点的裂纹长度ai和Δai为

(1)

式中：ULL=1/((BECiLL)0.5+1)；CiLL为第i次卸载时测得的弹性柔度系数，mm/kN；B为试样厚度；W为试样宽度；Δai为裂纹扩展量，Δai=ai-a0，mm；ai为第i次裂纹长度；a0为初始裂纹长度.

(2)

(3)

得到J—R曲线及有效的特征值JIC后按照GB/T 21143—2007对J积分的有效性进行判断.

1.2 试验材料及尺寸

核主管道材料化学成分见表1，取样下料后，按照GB/T 21143[11]标准的要求，加工成标准CT试样进行试验.加工后试样的实际尺寸见图1，经线切割的裂纹尺寸即疲劳引发裂纹尺寸为a0.

图1 核主管道JIC试样图

表1 化学成分及ASME规范要求

2 试验过程及数据分析

2.1 预制疲劳裂纹

预制疲劳裂纹是采用恒应力强度因子ΔK变化幅，同时要求预制疲劳裂纹时保持:ΔK/E≤0.005 mm并且载荷比0.6≤R=Pmin/Pmax≤1.0的方法完成疲劳裂纹的扩展.根据GB/T 21143标准要求，应控制最大预制裂纹载荷P不能大于0.5PL，对CT试样预制裂纹载荷核算，即

(4)

式中：b0=W0-a0；σ0=σy+σu为材料的流变应力.

若用CT标准试样计算应力强度因子K的方法求预制裂纹载荷则按下面两式进行计算，计算结果所得的载荷值小于0.5PL，满足要求，所得的P值与式(4)相同：

经预制后，裂纹扩展到a0=24.74 mm时停止，累计共扩展了2.14 mm.此时，Δa/a0已大于0.05，Δa也大于1.3 mm，达到标准要求.

2.2 JIC的试验测定过程

试样的测试过程中，第一次加载设置为Δa=0.2 mm时估算试样的柔度系数和初始裂纹长度，结果与预期的裂纹长度a0=24.72 mm一致.此后，载荷按2 kN或裂纹张开位移按0.02 mm递增，并以两者中先达到者进行卸载.每次卸载2 kN左右，共卸载60次，张开位移达到引伸计的最大量程时停止，得到张开位移Δa和载荷P曲线见图2.试验停止后，继续在最大载荷为20 kN条件下进行200 000次疲劳试验，使最终裂纹前缘形成明显的勾线，最后拉断试样，图3为拉断后的试样.

图2 JIC试验载荷-裂纹曲线

图3 JIC断后试样

2.3 试验结果的分析整理

试验完成后，按单试样测定法整理试验结果.在试验机的处理中(图2)卸载线上舍去上、下各10%的线段，取其中间的80%线段按其斜率整理计算其柔度系数和裂纹长度.用式(1)求得各载荷点的裂纹长度ai和Δai，将各数据标在J—Δa直角坐标图中，见图4.同时，试验原始数据按照所得的钝化线方程及左界限进行有效点的选择[12-13].钝化线方程为J=3.75RmΔa，左界限方程为J=3.75RmΔa+0.15，其中Rm为材料的抗拉强度.

图4 JIC试验有效数据图

按照左界限整理试验数据后，在该线右侧的数据点均为无效点.因此，共获得12个有效数据点，见表2，对有限点进行拟合得到J—R阻力曲线式为

JR=-259.65+810.76(Δa)0.36

(5)

其拟合曲线见图5.

过Δa=0.20 mm的点作钝化线的平行线,与式(5)JR曲线相交点即为JIC=291.38 kJ/m2.

表2 有效原始数据

图5 J—R试验的阻力曲线

2.4 试验数据的有效性分析

通过对试验数据的分析及处理，得到了J—R阻力曲线及JIC的值.在J积分测试中，只有当试样尺寸满足有效性条件及平面应变条件，测得的JIC才可以作为材料的属性.因此，所得的结果是否有效需要进行评定.J判据的有效性条件，目前还不能从理论上得到证明，但是，若能在某些特定的条件下获得其稳定值，也就反映该材料的延性断裂属性，这些特定的条件就是现阶段所能确定的J判据有效性条件[14]，作为工程近似，这样的条件只能由试验给出.Landes和Begley根据试验得出：a=25时，JIC值不再随着试样尺寸变化并确定作为检验规则.在Landes和Begley有效性分析中，尺寸满足公式：

(dJ/d(Δa))Q<σ0

b0=W0-a0>25JQ/σ0

B>25JQ/σ0

通过对所得的J—R阻力曲线进行上述有效性分析，结果表明：试样所得到的试验结果是有效的，J—R阻力曲线也是可靠的，JIC也是合理的.

3 断裂分析图(FAD)的绘制

为了能对含缺陷核主管道进行安全评定，根据英国BS7910—1999(Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures)和R6(Assessment of the Integrity of structures containing defects, R/H/R6-Revision 3, Nuclear electric confidential, 2001)的规定，可以使用以材料的特性绘制断裂分析图(FAD)的方法进行.断裂分析图(FAD)的横坐标是以外加载荷与塑性屈服载荷的比值Lr来表示，纵坐标是以外加载荷在含缺陷结构上的应力强度因子与材料的断裂韧度的比值Kr来表示.根据BS7910和R6的规定，由材料的拉伸曲线特性可以在FAD图上绘制出相应的断裂评定曲线[15].

通过主管道材料进行常温拉伸得到其拉伸曲线，见图6，其相应的性能参数见表3，并且拟合得到其短时拉伸方程为

ε=5.95×10-6σ+1.14×10-11σ4.41

式中：σ为拉伸应力；ε为拉伸应变.

图6 静态拉伸曲线

表3 主管道材料静态拉伸试验结果

对于一含缺陷主管道材料，根据其缺陷尺寸和外加载荷的实际情况可以计算其Kr与Lr值，从而获得一评定点.若该评定点落在断裂评定曲线的内侧，则结构属安全，反之则不安全.现根据主管道不锈钢材料的试验结果，绘制其断裂评定曲线即材料特性评价曲线和通用曲线方程为

(6)

(7)

(8)

Lmax=(σy+σb)/2σy

(9)

式中：Lmax为断裂分析图中Lr的最大值；σy为材料的屈服强度；σb为材料的抗拉强度；E为弹性模量；σ，ε分别为材料拉伸曲线中相应的应力与应变量.

按照以上结果及方程式(6—9)，整理得主管道材料在常温条件下的FAD图，如图7所示.

图7 R6失效评定曲线

对比分析发现：对主管道材料来说，认为通用曲线1是保守的，而实验结果并非如此.从图7中可以看出：材料的特性曲线相对通用曲线更加保守；但是，材料的特性曲线过于保守，而通用曲线则相对宽松的.对于核电主管道材料这样要求较高并且工作环境相对复杂、安全要求较高的核一级部件之一，选择曲线2评定其含裂纹结构是最适合的.

4 结 论

采用紧凑拉伸试样及单试样卸载柔度法进行核主管道材料J积分法断裂韧性试验研究，获得了该材料的断裂韧性J—R阻力曲线方程：JR=-259.65+810.76(Δa)0.36及核主管道材料断裂韧度值JIC为291.38 kJ/m2，表明主管道材料的韧性较好；通过所得的J—R阻力曲线对试样有效性的要求分析的结果表明，试样所得到的试验结果是有效的，J—R阻力曲线是可靠的，JIC也是合理的；另外，对要求较高的主管道材料来说，材料的特性曲线相对通用曲线更加保守，其可作为材料的失效评定曲线，从而为工程运用提供依据，为材料断裂韧度的测试研究提供指导.

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