摘 要:依據(jù) GB/T２１１４３－２０１４,對０Cr１８Ni９不銹鋼板緊湊拉伸試樣進行了斷裂試驗,結合掃 描電鏡(SEM)觀察其鈍化線,采用數(shù)字散斑相關技術和有限元仿真相結合的方法得到了裂紋區(qū)域 的應變和應力場.結果表明:０Cr１８Ni９不銹鋼鈍化線斜率約為 GB/T２１１４３－２０１４推薦經(jīng)驗鈍化 線斜率的２倍;該材料呈現(xiàn)出高韌性斷裂特征,試樣在發(fā)生較大范圍屈服時,裂紋才明顯張開,試樣 啟裂時,韌帶區(qū)域已全面屈服;斷裂力學有限元仿真驗證了數(shù)字散斑相關技術的適用性,數(shù)字散斑 相關技術能夠比較準確地表征裂尖“奇異區(qū)”外的結構應變場.

關鍵詞:０Cr１８Ni９不銹鋼;斷裂試驗;鈍化線;數(shù)字散斑相關技術;有限元仿真

中圖分類號:O３４６．１ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３０９Ｇ０８

０Cr１８Ni９不銹鋼具有良好的耐蝕和低溫性能, 廣泛應用在運載火箭管路結構部件中.管路結構在 火箭飛行過程中要承受高溫、內壓以及振動載荷作 用,其典型的失效模式是疲勞斷裂,結構斷裂將直接 影響飛行成敗.０Cr１８Ni９不銹鋼是一種高韌性奧 氏體不銹鋼材料,美國電力研究協(xié)會對電力系統(tǒng)中 常用的０Cr１８Ni９不銹鋼管路結構進行了斷裂特性 研究,分別在靜載和動載下評估了其斷裂行為,近年來國內工業(yè)應用領域對０Cr１８Ni９不銹鋼的斷裂行 為也開展了相關研究[１Ｇ５].

為了測量裂紋前緣變形場,數(shù)字散斑相關技術 等光測方法被廣泛應用到材料斷裂行為研究中.數(shù) 字 散 斑 相 關 方 法 是 ２０ 世 紀 ８０ 年 代 由 日 本 的 YAMAGUCHI [６]和美國的 PETERS等[７]獨立提出 的.該方法通過對變形前后物體表面的兩幅散斑圖 進行相關處理來實現(xiàn)物體位移和變形的測量,是一 種計算機輔助的光學測量方法.數(shù)字散斑相關方法 通過相機和計算機攝取物體表面的圖像并處理數(shù) 據(jù),與以往的干涉計量法相比具有光路簡單、對測量 環(huán)境要求低以及自動進行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點,可以進 行全場非接觸測量.

近年來,數(shù)字散斑相關方法在材料斷裂性能測 試領域得到了充分發(fā)展.鄒廣平等[８]采用數(shù)字散斑 相關方法計算了試驗過程中試樣的應變場、應力場 以及位移場,并將計算結果用來求解J 積分.謝弋 琴等[９]利用數(shù)字散斑相關方法測得了試樣位移場, 并根據(jù)彈塑性裂紋尖端場的JＧA２ 三項解,在裂紋 前緣位移匹配得到約束參數(shù) A２.王懷文等[１０]將數(shù) 字散斑相關技術應用于薄膜材料斷裂問題研究,求 得了裂紋尖端位移場、應變場和應力強度因子.許 蔚等[１１]利用數(shù)字散斑相關技術與有限元方法求解 了應力強度因子并進行對比,研究了功能梯度材料 的I型裂紋靜態(tài)特性.AYATOLLAHI等[１２]分別 使用數(shù)字散斑相關方法測量的裂尖位移場和彈性平 面應變有限元模型得到的位移場計算了 Williams 展開式的高階系數(shù),發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的系數(shù)吻合 較好.

仿真研究手段可以獲得裂紋尖端精細化的應力 應變特征.根據(jù)斷裂力學理論,當裂紋尖端無限尖 時,裂紋尖端應力趨向于無窮大.為了實現(xiàn)裂紋尖 端應力奇異性的仿真計算,有限元法中發(fā)展了奇異 裂紋單元.MIAO 等[１３]采用奇異裂紋單元模擬靜 態(tài)裂紋問題,通過有限元的計算得到了裂紋擴展前 的極限載荷.于桂杰等[１４]通過奇異單元建立了含 斜裂紋的直管路有限元模型,考察了應力強度因子 隨裂紋傾角、載荷及管路幾何尺寸等的變化關系. 陳景杰等[１５]采用１２節(jié)點奇異元和２０節(jié)點奇異元 兩種單元模擬裂紋尖端應力應變場的奇異性,分別 考察了這兩種有限元模型中裂紋尖端網(wǎng)格參數(shù)變化 對應力強度因子的影響,對奇異有限元網(wǎng)格的劃分 具有參考意義.

盡管０Cr１８Ni９不銹鋼的斷裂問題已有較多研 究,但裂紋的斷裂起始過程和裂尖塑性變形特征仍 需要深入研究.因此,為了揭示 ０Cr１８Ni９ 不銹鋼 這種高韌性材料的斷裂特征,準確描述其斷裂行為, 筆者依據(jù) GB/T２１１４３－２０１４«金屬材料 準靜態(tài)斷 裂韌度的統(tǒng)一試驗方法»對 ０Cr１８Ni９ 不銹鋼材料 進行了斷裂試驗,采用數(shù)字散斑技術和有限元仿真 相結合的方法對０Cr１８Ni９不銹鋼材料的斷裂行為 進行了分析.

１ 試驗材料與試驗方法

１．１ 試驗材料

試驗材料為１５mm 厚的０Cr１８Ni９不銹鋼板, 按照 GB/T ２１１４３－２０１４ 制 備 了 ７ 件 緊 湊 拉 伸 (CT)試樣,材料取向為軋制方向LＧ寬度方向T,試 樣的形狀和尺寸如圖１所示,裂紋通過線切割方法 預制而成,采用 Zwick HFP５１００高頻疲勞試驗機 進行疲勞裂紋擴展預制得到尖銳裂紋.其中６件試 樣(記為試樣１~６)按 GB/T２１１４３－２０１４測試缺口 張開位移,獲得了試樣斷裂時的鈍化線,另外１件試 樣(記為試樣７)表面制備散斑,用數(shù)字散斑相關技 術觀察試 樣 的 斷 裂 行 為,制 備 散 斑 后 的 試 樣 ７ 如 圖２所示.

試驗 ０Cr１８Ni９ 不 銹 鋼 板 其 化 學 成 分 采 用 Spectrovac１０００光 譜 儀 測 試 ,結 果 見 表１,可 見 其滿足 GB/T４２３７－２０１５«不 銹 鋼 熱 軋 鋼 板 和 鋼 帶»的技術要求.按照 GB/T２２８．１－２０１０«金 屬 材料 拉伸試驗 第１部分:室溫試驗方法»對該鋼 板取樣進行拉伸試 驗,得 到 材 料 的 基 礎 力 學 性 能 見表２.

１．２ 試驗方法

斷裂試驗按照 GB/T２１１４３－２０１４進行,試驗 中采用 CMT５１０５電子萬能試驗機(量程１００kN, 精度為０．５％)對 試 樣 進 行 拉 伸,試 驗 加 載 速 率 為 ２mm??min－１.其中試樣１~６拉伸前在缺口處安 裝引伸計(標距５ mm,量程－１~２．５ mm,精度為 ０．５％),同時采集記 錄 軸 向 拉 伸 載 荷 F 與 裂 紋 張 開位移V 的數(shù)據(jù).對于試樣７,試驗時通過數(shù)字散 斑相關技術獲取數(shù)據(jù),計算試樣的變形場,采用非 接觸光學 測 量 系 統(tǒng) ３DＧDIC 測 量.將 制 備 散 斑 后 的緊湊拉伸 試 樣 安 裝 好 后,調 整 光 源 亮 度 以 使 視 場中試樣受 光 充 分 且 不 過 曝 光,將 試 驗 機 載 荷 通 道信號接入光學測量系統(tǒng),試驗前使用３mm 標準 點陣校正板對測量系統(tǒng)進行標定.所有試驗完成 后穩(wěn) 定 裂 紋 擴 展 量 通 過 對 試 樣 進 行 二 次 疲 勞 標記.

在緊湊拉伸試樣斷裂測試中,一般需要獲得拉 伸載荷F 和裂紋張開位移V 的對應關系,其中裂紋 張開位移V 是指裂紋缺口張開的位移,如圖 ３ 所 示,即為AB 兩點間的相對位移.試樣１~６加載到 不同位移水平,最終的拉伸載荷F 和裂紋張開位移 V 見表３,可見試樣６加載載荷最大,其載荷Ｇ裂紋張 開位移曲線如圖４所示,６個試樣的載荷Ｇ裂紋張開 位移曲線均未出現(xiàn)下降點.

對帶散斑的試樣７進行拉伸試驗,使用數(shù)字散 斑相關方法記錄試樣的整個加載過程,加載的載荷Ｇ 施力點位移如圖５所示,最大拉伸載荷為３３．１kN,之后載 荷 隨 之 下 降.卸 載 后 對 試 樣 進 行 檢 查,如 圖６所示,可以發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)明顯擴展,裂紋擴展量 Δa＝０．９９１mm.

２ 試驗結果與討論

２．１ 斷裂過程分析

根據(jù)金屬 材 料 典 型 的 阻 力 曲 線(圖 ７ )可 知, 大多數(shù) 金 屬 材 料 的 韌 性 斷 裂 過 程 是 在 外 力 作 用 下,裂紋尖 端 由 于 塑 性 變 形 而 鈍 化,當 鈍 化 區(qū)(也 稱為伸張 區(qū))達 到 飽 和 時,裂 紋 啟 裂,之 后 裂 紋 開 始穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展直至斷裂[１６].因此,通過觀 察鈍化區(qū)的 大 小,可 以 了 解 裂 紋 的 鈍 化 過 程 并 確 定啟裂點.

試樣斷口的疲勞裂紋擴展區(qū)、鈍化區(qū)、延性斷裂 區(qū)及二次疲勞區(qū)呈現(xiàn)出不同微觀形貌特征[１６],疲勞裂紋擴展區(qū)和二次疲勞區(qū)微觀形貌為縱紋,延性斷 裂區(qū)布滿韌窩,鈍化區(qū)為橫紋.采用掃描電鏡對斷 口進行觀察,對各區(qū)形貌特征進行辨識,可以測量得 到鈍化區(qū)寬度.

圖８為試樣１,２,４~７的斷口微觀形貌,可見試 樣１,２,４,５,６在初始疲勞預制裂紋擴展區(qū)后都是鈍 化區(qū)所對應的橫紋,鈍化區(qū)后是二次疲勞對應的縱 紋,未發(fā)現(xiàn)韌窩.從微觀形貌觀察結果得出,試樣 １,２,４,５,６斷裂試驗對應裂紋鈍化過程,并未進入 延性裂紋擴展階段.試樣７為散斑試樣,觀察其斷 口發(fā)現(xiàn),經(jīng)過裂紋鈍化區(qū)的橫紋后,出現(xiàn)大量韌窩, 因此通過形貌觀察也可以證實試樣７進入了延性斷 裂階段.

試樣１~６反映了裂紋起裂前的鈍化行為,結合 GB/T２１１４３－２０１４關于鈍化線的定義,可以得到 試樣實測的鈍化線.對于已經(jīng)進入撕裂階段的試 樣７,結合數(shù)字散斑相關技術觀察試樣表面,可以確 定表面開裂時的載荷,然后采用有限元仿真計算得 到試樣的應力應變場.

２．２ 鈍化線確定

鈍化線一般通過裂紋擴展量 ΔaＧ裂紋尖端張開 位移δ 曲線來表征,反映裂紋塑性變形抵抗斷裂的 能力.

針對韌性材料的斷裂,GB/T２１１４３－２０１４ 推 薦的經(jīng)驗鈍化線有兩個,一個是針對J 積分,另一 個針對的是裂紋尖端張開位移δ,推薦鈍化線公式 如下

式中:J 為J 積分;Rm 為抗拉強度;Δa為裂紋擴展量.

式中:δ 為裂紋尖端張開位移;Rm 為抗拉強度;Rp０．２ 為屈服強度;Δa 為裂紋擴展量.

需要說明的是,式(１)和式(２)并未指定具體的 材料,凡是滿足并按照 GB/T２１１４３－２０１４進行的 斷裂試驗,都可以使用式(１)或式(２)作為相應鈍化 線,這種無差異的鈍化線公式在表征某些具體材料 鈍化行為時會有較大出入.

為了更精細表征０Cr１８Ni９不銹鋼的啟裂前鈍 化行為,對 其 真 實 鈍 化 線 進 行 分 析.試 驗 中 試 樣 １~６加載 到 不 同 的 裂 紋 張 開 位 移 V,根 據(jù) GB/T ２１１４３－２０１４的處理方法,從拉伸載荷Ｇ裂紋張開位 移曲線中得到裂紋張開位移的塑性分量Vp(圖９), 然后代下式(３)求出δ

式中:F 為加載時的最大載荷;B 為試樣厚度;BN 為凈厚度,此處 BN ＝B;W 為試樣寬度;a０ 為初始 裂紋長度;g２ a０ W ? è ? ? ? ÷ 為應力強度因子系數(shù),具體表達 式參見 GB/T２１１４３－２０１４;ν 為泊松比,z 為引伸 計裝夾位置與試樣表面的距離.

對試樣１~６分別進行處理,得到不同裂紋擴展 量對應的裂紋尖端張開位移,對裂紋尖端張開位移 數(shù)據(jù) 進 行 擬 合,得 到 線 性 函 數(shù) 關 系 式 δ ＝ ９．８４６９Δa,即得到材料在鈍化過程中真 實 的 鈍 化 線,如圖１０所示.

本 試 驗 中 求 出 鈍 化 線 斜 率 近 似 為 GB/T ２１１４３－２０１４推薦的經(jīng)驗鈍化線的２倍,更陡峭的鈍 化曲線說明該材料抵抗斷裂的能力更強.

２．３ 試樣表面起裂點確定

采用數(shù)字散斑相關技術可以得到試樣準靜態(tài)加 載過程中的位移場和應變場,進而更準確地觀察鈍 化過程和試樣表面啟裂情況,將圖像序列導入 VICＧ ３D軟件,計算位移場和應變場.圖１１a)和圖１１b)為散斑試樣７的位移場,圖１１c)為試樣拉斷后的截 面圖,在圖中可測出裂紋長度.可以發(fā)現(xiàn)試樣在加 載到載荷為 ２５kN 時,試樣表面張開的裂紋長 度 Δa＝２．９５mm,這和試驗后測量的從疲勞預制起始 點到韌窩起始點的距離長度相等,可認為這是試樣 裂紋表面處的啟裂點,試樣表面啟裂時載荷可應用 到有限元分析.此處需要說明的是,由于試樣的差 異性,試樣６在２５kN 時處于鈍化階段,而試樣７已 經(jīng)啟裂.

２．４ 試樣起裂點應力應變場分析

２．４．１ 有限元模型

為了更精細化研究裂紋尖端的應力應變場,使 用有限 元 方 法 對 散 斑 試 樣 ７ 進 行 仿 真 計 算. 如 圖１２所示,試驗后用九點法測量初始的疲勞預制裂 紋前緣,用橢圓方程擬合裂紋曲線,根據(jù)擬合方程描 述試樣裂紋.使用 ABAQUS軟件,考慮試樣的對 稱性,取試樣的１/２建模,劃分裂紋時,裂紋尖端為 半橢圓線[１７],建立如圖１３所示的有限元模型,有限 元模型采用２０節(jié)點等參實體單元,在裂尖區(qū)域采用 具有奇異應力分布的１/４單元[１５].

仿真時,在 CT 試樣的兩個加載孔施加集中力 載荷,力的大小為試驗時裂紋未擴展時的最大載荷 ２５kN,因為取了試樣的１/２建立模型,此處施加載 荷為１２．５kN.

如圖１４所示,考慮到試樣的１/２對稱模型,所 以沿對稱面施加xoy 面對稱約束.為了約束模型 的剛體位移,限制沿裂紋方向的對稱面上兩條平行 線沿y 向的移動,從而實現(xiàn)約束模型y 方向的平動和z 方向轉動;模型x 方向平動通過試樣處在yoz 背面的一個點來限制.

材料的本構關系由拉伸試驗得到的真應力Ｇ真 應變曲線獲得,真應力Ｇ真應變曲線如圖１５所示,計 算時彈性段的彈性模量和泊松比分別取 ２０７GPa 和０．３,屈服應力為２８３MPa,屈服后的應力Ｇ應變數(shù) 據(jù)按照圖１５獲得.

２．４．２ 裂紋尖端應力應變場分析

為了更精準地描述裂紋區(qū)域的應力應變場特 征,對比分析數(shù)字散斑相關技術和有限元仿真得到 的應變場.圖１６和圖１７是仿真和數(shù)字散斑測試得 到的試樣表面應變云圖.圖１６a)為有限元仿真得 到的垂直于裂紋方向的正應變,發(fā)現(xiàn)僅靠近裂尖的 小范圍區(qū)域處于高應變狀態(tài),試樣絕大部分區(qū)域處 于低應變狀態(tài),因此在該圖中觀察不出應變場具體 變化的細節(jié).同時,將圖１６a)與圖１６b)中數(shù)字散斑 相關計算結果進行對比發(fā)現(xiàn),有限元仿真得到應變 場應變區(qū)間與數(shù)字散斑相關計算得到的應變場應變 區(qū)間相差很大.為了使有限元仿真應變場更合理地 顯示和更好地對比仿真與數(shù)字散斑相關技術在相同 應變場應變區(qū)間里的應變場,根據(jù)數(shù)字散斑相關技 術的結果,將有限元仿真得到的應變場劃分成高應 變的“奇異區(qū)”[圖１６c)]和低應變的“非奇異區(qū)”[圖 １６d)].高應變的“奇異區(qū)”面積較小,其范圍大約為 ０．５~１mm,低應變的“非奇異區(qū)”占據(jù)了試樣表面 絕大多數(shù)面積,可以發(fā)現(xiàn)在“非奇異區(qū)”仿真結果與數(shù)字散斑相關技術結果吻合較好.圖１７所示為沿 裂紋方向的正應變,其分析方法及結論與垂直于裂 紋方向的正應變類似,此處不再贅述.

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于裂紋尖端具有數(shù)學上的應 力應變奇異性,有限元繼承了該奇異性,在裂尖附近 呈現(xiàn)出局部的應變峰值和局部高應變梯度[１８].而 數(shù)字散斑測試得到的應變實際上是以散斑點為中心 的子區(qū)的平均應變,同時裂尖張開導致某些散斑子 區(qū)相關計算不能進行,應變場在裂尖處產生局部缺 失,因此數(shù)字散斑相關技術計算的裂紋尖端處應變 結果會遠低于仿真的.

綜上,“非奇異區(qū)”數(shù)字散斑相關技術計算得到 的結果是可靠的;在靠近裂紋尖端的“奇異區(qū)”,需要 根據(jù)奇異性應變場分布特征和數(shù)字散斑相關技術測 量精度,開展進一步地研究,以準確獲取“奇異區(qū)”真 實的應力應變場.

進一步分析有限元模型,試樣啟裂時的變形如 圖１８所示,可見試樣裂紋明顯張開,裂尖附近有明 顯的凹陷,這與實際試樣觀察結果(圖６)一致.

當 Mises應 力 超 過 ２８３ MPa時,材 料 進 入 屈 服.有限元計算的試樣表面在不同載荷水平下裂紋 尖端塑性區(qū)如圖１９所示,在加載過程中,藍色部分 為塑性屈服區(qū).試樣初始受力時,試樣表面的塑性 區(qū)不斷擴展,擴展方向基本為與裂紋面成４５°的傾 斜面上擴展.在試樣屈服尺寸較小時,裂尖張開很 小,當逐步進入全面屈服后,裂尖開始快速張開,裂 紋尖端嚴重鈍化.

有限元計算的試樣啟裂時 Mises應力云圖(深 紅色部分為塑性區(qū))如圖２０所示,發(fā)現(xiàn)啟裂時試樣 裂紋平面已經(jīng)進入全面屈服,并且試樣表面屈服區(qū) 的面積明顯大于試樣中面屈服區(qū)的.試樣表面更接 近平面應力狀態(tài),材料更易于屈服.

３ 結論

研究了 ０Cr１８Ni９ 不銹鋼材料的斷裂行為,通 過裂紋鈍化區(qū)分析和觀測,得到了該材料的裂紋擴 展鈍 化 線,試 驗 求 出 鈍 化 線 斜 率 近 似 為 GB/T２１１４３－２０１４推薦的經(jīng)驗鈍化線的２倍;０Cr１８Ni９ 不銹鋼材料呈現(xiàn)出高韌性斷裂特征,試樣在發(fā)生較 大范圍屈服時,裂紋才明顯張開,試樣起裂時,韌帶 區(qū)域已全面屈服;通過斷裂力學有限元仿真驗證了 數(shù)字散斑相關技術的適用性,數(shù)字散斑相關技術能 夠比較準確地表征裂尖“奇異區(qū)”外的結構應變場.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)