分享：研究０Cr１８Ni不锈钢的断裂行为

摘 要:依据 GB/T２１１４３－２０１４,对０Cr１８Ni９不锈钢板紧凑拉伸试样进行了断裂试验,结合扫 描电镜(SEM)观察其钝化线,采用数字散斑相关技术和有限元仿真相结合的方法得到了裂纹区域 的应变和应力场.结果表明:０Cr１８Ni９不锈钢钝化线斜率约为 GB/T２１１４３－２０１４推荐经验钝化 线斜率的２倍;该材料呈现出高韧性断裂特征,试样在发生较大范围屈服时,裂纹才明显张开,试样 启裂时,韧带区域已全面屈服;断裂力学有限元仿真验证了数字散斑相关技术的适用性,数字散斑 相关技术能够比较准确地表征裂尖“奇异区”外的结构应变场. 

关键词:０Cr１８Ni９不锈钢;断裂试验;钝化线;数字散斑相关技术;有限元仿真 

中图分类号:O３４６．１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３０９Ｇ０８

０Cr１８Ni９不锈钢具有良好的耐蚀和低温性能, 广泛应用在运载火箭管路结构部件中.管路结构在 火箭飞行过程中要承受高温、内压以及振动载荷作 用,其典型的失效模式是疲劳断裂,结构断裂将直接 影响飞行成败.０Cr１８Ni９不锈钢是一种高韧性奥 氏体不锈钢材料,美国电力研究协会对电力系统中 常用的０Cr１８Ni９不锈钢管路结构进行了断裂特性 研究,分别在静载和动载下评估了其断裂行为,近年来国内工业应用领域对０Cr１８Ni９不锈钢的断裂行 为也开展了相关研究[１Ｇ５].

为了测量裂纹前缘变形场,数字散斑相关技术 等光测方法被广泛应用到材料断裂行为研究中.数 字 散 斑 相 关 方 法 是 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 由 日 本 的 YAMAGUCHI [６]和美国的 PETERS等[７]独立提出 的.该方法通过对变形前后物体表面的两幅散斑图 进行相关处理来实现物体位移和变形的测量,是一 种计算机辅助的光学测量方法.数字散斑相关方法 通过相机和计算机摄取物体表面的图像并处理数 据,与以往的干涉计量法相比具有光路简单、对测量 环境要求低以及自动进行数据处理等优点,可以进 行全场非接触测量. 

近年来,数字散斑相关方法在材料断裂性能测 试领域得到了充分发展.邹广平等[８]采用数字散斑 相关方法计算了试验过程中试样的应变场、应力场 以及位移场,并将计算结果用来求解J 积分.谢弋 琴等[９]利用数字散斑相关方法测得了试样位移场, 并根据弹塑性裂纹尖端场的JＧA２ 三项解,在裂纹 前缘位移匹配得到约束参数 A２.王怀文等[１０]将数 字散斑相关技术应用于薄膜材料断裂问题研究,求 得了裂纹尖端位移场、应变场和应力强度因子.许 蔚等[１１]利用数字散斑相关技术与有限元方法求解 了应力强度因子并进行对比,研究了功能梯度材料 的I型裂纹静态特性.AYATOLLAHI等[１２]分别 使用数字散斑相关方法测量的裂尖位移场和弹性平 面应变有限元模型得到的位移场计算了 Williams 展开式的高阶系数,发现两种方法得到的系数吻合 较好. 

仿真研究手段可以获得裂纹尖端精细化的应力 应变特征.根据断裂力学理论,当裂纹尖端无限尖 时,裂纹尖端应力趋向于无穷大.为了实现裂纹尖 端应力奇异性的仿真计算,有限元法中发展了奇异 裂纹单元.MIAO 等[１３]采用奇异裂纹单元模拟静 态裂纹问题,通过有限元的计算得到了裂纹扩展前 的极限载荷.于桂杰等[１４]通过奇异单元建立了含 斜裂纹的直管路有限元模型,考察了应力强度因子 随裂纹倾角、载荷及管路几何尺寸等的变化关系. 陈景杰等[１５]采用１２节点奇异元和２０节点奇异元 两种单元模拟裂纹尖端应力应变场的奇异性,分别 考察了这两种有限元模型中裂纹尖端网格参数变化 对应力强度因子的影响,对奇异有限元网格的划分 具有参考意义.

尽管０Cr１８Ni９不锈钢的断裂问题已有较多研 究,但裂纹的断裂起始过程和裂尖塑性变形特征仍 需要深入研究.因此,为了揭示 ０Cr１８Ni９ 不锈钢 这种高韧性材料的断裂特征,准确描述其断裂行为, 笔者依据 GB/T２１１４３－２０１４«金属材料 准静态断 裂韧度的统一试验方法»对 ０Cr１８Ni９ 不锈钢材料 进行了断裂试验,采用数字散斑技术和有限元仿真 相结合的方法对０Cr１８Ni９不锈钢材料的断裂行为 进行了分析. 

１ 试验材料与试验方法 

１．１ 试验材料

试验材料为１５mm 厚的０Cr１８Ni９不锈钢板, 按照 GB/T ２１１４３－２０１４ 制 备 了 ７ 件 紧 凑 拉 伸 (CT)试样,材料取向为轧制方向LＧ宽度方向T,试 样的形状和尺寸如图１所示,裂纹通过线切割方法 预制而成,采用 Zwick HFP５１００高频疲劳试验机 进行疲劳裂纹扩展预制得到尖锐裂纹.其中６件试 样(记为试样１~６)按 GB/T２１１４３－２０１４测试缺口 张开位移,获得了试样断裂时的钝化线,另外１件试 样(记为试样７)表面制备散斑,用数字散斑相关技 术观察试 样 的 断 裂 行 为,制 备 散 斑 后 的 试 样 ７ 如 图２所示.

试验 ０Cr１８Ni９ 不 锈 钢 板 其 化 学 成 分 采 用 Spectrovac１０００光 谱 仪 测 试 ,结 果 见 表１,可 见 其满足 GB/T４２３７－２０１５«不 锈 钢 热 轧 钢 板 和 钢 带»的技术要求.按照 GB/T２２８．１－２０１０«金 属 材料 拉伸试验 第１部分:室温试验方法»对该钢 板取样进行拉伸试 验,得 到 材 料 的 基 础 力 学 性 能 见表２.

１．２ 试验方法

断裂试验按照 GB/T２１１４３－２０１４进行,试验 中采用 CMT５１０５电子万能试验机(量程１００kN, 精度为０．５％)对 试 样 进 行 拉 伸,试 验 加 载 速 率 为 ２mm??min－１.其中试样１~６拉伸前在缺口处安 装引伸计(标距５ mm,量程－１~２．５ mm,精度为 ０．５％),同时采集记 录 轴 向 拉 伸 载 荷 F 与 裂 纹 张 开位移V 的数据.对于试样７,试验时通过数字散 斑相关技术获取数据,计算试样的变形场,采用非 接触光学 测 量 系 统 ３DＧDIC 测 量.将 制 备 散 斑 后 的紧凑拉伸 试 样 安 装 好 后,调 整 光 源 亮 度 以 使 视 场中试样受 光 充 分 且 不 过 曝 光,将 试 验 机 载 荷 通 道信号接入光学测量系统,试验前使用３mm 标准 点阵校正板对测量系统进行标定.所有试验完成 后稳 定 裂 纹 扩 展 量 通 过 对 试 样 进 行 二 次 疲 劳 标记.

在紧凑拉伸试样断裂测试中,一般需要获得拉 伸载荷F 和裂纹张开位移V 的对应关系,其中裂纹 张开位移V 是指裂纹缺口张开的位移,如图 ３ 所 示,即为AB 两点间的相对位移.试样１~６加载到 不同位移水平,最终的拉伸载荷F 和裂纹张开位移 V 见表３,可见试样６加载载荷最大,其载荷Ｇ裂纹张 开位移曲线如图４所示,６个试样的载荷Ｇ裂纹张开 位移曲线均未出现下降点.

对带散斑的试样７进行拉伸试验,使用数字散 斑相关方法记录试样的整个加载过程,加载的载荷Ｇ 施力点位移如图５所示,最大拉伸载荷为３３．１kN,之后载 荷 随 之 下 降.卸 载 后 对 试 样 进 行 检 查,如 图６所示,可以发现裂纹已经明显扩展,裂纹扩展量 Δa＝０．９９１mm.

２ 试验结果与讨论 

２．１ 断裂过程分析 

根据金属 材 料 典 型 的 阻 力 曲 线(图 ７ )可 知, 大多数 金 属 材 料 的 韧 性 断 裂 过 程 是 在 外 力 作 用 下,裂纹尖 端 由 于 塑 性 变 形 而 钝 化,当 钝 化 区(也 称为伸张 区)达 到 饱 和 时,裂 纹 启 裂,之 后 裂 纹 开 始稳定扩展、失稳扩展直至断裂[１６].因此,通过观 察钝化区的 大 小,可 以 了 解 裂 纹 的 钝 化 过 程 并 确 定启裂点. 

试样断口的疲劳裂纹扩展区、钝化区、延性断裂 区及二次疲劳区呈现出不同微观形貌特征[１６],疲劳裂纹扩展区和二次疲劳区微观形貌为纵纹,延性断 裂区布满韧窝,钝化区为横纹.采用扫描电镜对断 口进行观察,对各区形貌特征进行辨识,可以测量得 到钝化区宽度. 

图８为试样１,２,４~７的断口微观形貌,可见试 样１,２,４,５,６在初始疲劳预制裂纹扩展区后都是钝 化区所对应的横纹,钝化区后是二次疲劳对应的纵 纹,未发现韧窝.从微观形貌观察结果得出,试样 １,２,４,５,６断裂试验对应裂纹钝化过程,并未进入 延性裂纹扩展阶段.试样７为散斑试样,观察其断 口发现,经过裂纹钝化区的横纹后,出现大量韧窝, 因此通过形貌观察也可以证实试样７进入了延性断 裂阶段. 

试样１~６反映了裂纹起裂前的钝化行为,结合 GB/T２１１４３－２０１４关于钝化线的定义,可以得到 试样实测的钝化线.对于已经进入撕裂阶段的试 样７,结合数字散斑相关技术观察试样表面,可以确 定表面开裂时的载荷,然后采用有限元仿真计算得 到试样的应力应变场.

２．２ 钝化线确定 

钝化线一般通过裂纹扩展量 ΔaＧ裂纹尖端张开 位移δ 曲线来表征,反映裂纹塑性变形抵抗断裂的 能力. 

针对韧性材料的断裂,GB/T２１１４３－２０１４ 推 荐的经验钝化线有两个,一个是针对J 积分,另一 个针对的是裂纹尖端张开位移δ,推荐钝化线公式 如下

式中:J 为J 积分;Rm 为抗拉强度;Δa为裂纹扩展量.

式中:δ 为裂纹尖端张开位移;Rm 为抗拉强度;Rp０．２ 为屈服强度;Δa 为裂纹扩展量.

需要说明的是,式(１)和式(２)并未指定具体的 材料,凡是满足并按照 GB/T２１１４３－２０１４进行的 断裂试验,都可以使用式(１)或式(２)作为相应钝化 线,这种无差异的钝化线公式在表征某些具体材料 钝化行为时会有较大出入.

为了更精细表征０Cr１８Ni９不锈钢的启裂前钝 化行为,对 其 真 实 钝 化 线 进 行 分 析.试 验 中 试 样 １~６加载 到 不 同 的 裂 纹 张 开 位 移 V,根 据 GB/T ２１１４３－２０１４的处理方法,从拉伸载荷Ｇ裂纹张开位 移曲线中得到裂纹张开位移的塑性分量Vp(图９), 然后代下式(３)求出δ

式中:F 为加载时的最大载荷;B 为试样厚度;BN 为净厚度,此处 BN ＝B;W 为试样宽度;a０ 为初始 裂纹长度;g２ a０ W ? è ? ? ? ÷ 为应力强度因子系数,具体表达 式参见 GB/T２１１４３－２０１４;ν 为泊松比,z 为引伸 计装夹位置与试样表面的距离. 

对试样１~６分别进行处理,得到不同裂纹扩展 量对应的裂纹尖端张开位移,对裂纹尖端张开位移 数据 进 行 拟 合,得 到 线 性 函 数 关 系 式 δ ＝ ９．８４６９Δa,即得到材料在钝化过程中真 实 的 钝 化 线,如图１０所示.

本 试 验 中 求 出 钝 化 线 斜 率 近 似 为 GB/T ２１１４３－２０１４推荐的经验钝化线的２倍,更陡峭的钝 化曲线说明该材料抵抗断裂的能力更强.

２．３ 试样表面起裂点确定

采用数字散斑相关技术可以得到试样准静态加 载过程中的位移场和应变场,进而更准确地观察钝 化过程和试样表面启裂情况,将图像序列导入 VICＧ ３D软件,计算位移场和应变场.图１１a)和图１１b)为散斑试样７的位移场,图１１c)为试样拉断后的截 面图,在图中可测出裂纹长度.可以发现试样在加 载到载荷为 ２５kN 时,试样表面张开的裂纹长 度 Δa＝２．９５mm,这和试验后测量的从疲劳预制起始 点到韧窝起始点的距离长度相等,可认为这是试样 裂纹表面处的启裂点,试样表面启裂时载荷可应用 到有限元分析.此处需要说明的是,由于试样的差 异性,试样６在２５kN 时处于钝化阶段,而试样７已 经启裂. 

２．４ 试样起裂点应力应变场分析

２．４．１ 有限元模型 

为了更精细化研究裂纹尖端的应力应变场,使 用有限 元 方 法 对 散 斑 试 样 ７ 进 行 仿 真 计 算. 如 图１２所示,试验后用九点法测量初始的疲劳预制裂 纹前缘,用椭圆方程拟合裂纹曲线,根据拟合方程描 述试样裂纹.使用 ABAQUS软件,考虑试样的对 称性,取试样的１/２建模,划分裂纹时,裂纹尖端为 半椭圆线[１７],建立如图１３所示的有限元模型,有限 元模型采用２０节点等参实体单元,在裂尖区域采用 具有奇异应力分布的１/４单元[１５].

仿真时,在 CT 试样的两个加载孔施加集中力 载荷,力的大小为试验时裂纹未扩展时的最大载荷 ２５kN,因为取了试样的１/２建立模型,此处施加载 荷为１２．５kN.

如图１４所示,考虑到试样的１/２对称模型,所 以沿对称面施加xoy 面对称约束.为了约束模型 的刚体位移,限制沿裂纹方向的对称面上两条平行 线沿y 向的移动,从而实现约束模型y 方向的平动和z 方向转动;模型x 方向平动通过试样处在yoz 背面的一个点来限制.

材料的本构关系由拉伸试验得到的真应力Ｇ真 应变曲线获得,真应力Ｇ真应变曲线如图１５所示,计 算时弹性段的弹性模量和泊松比分别取 ２０７GPa 和０．３,屈服应力为２８３MPa,屈服后的应力Ｇ应变数 据按照图１５获得.

２．４．２ 裂纹尖端应力应变场分析 

为了更精准地描述裂纹区域的应力应变场特 征,对比分析数字散斑相关技术和有限元仿真得到 的应变场.图１６和图１７是仿真和数字散斑测试得 到的试样表面应变云图.图１６a)为有限元仿真得 到的垂直于裂纹方向的正应变,发现仅靠近裂尖的 小范围区域处于高应变状态,试样绝大部分区域处 于低应变状态,因此在该图中观察不出应变场具体 变化的细节.同时,将图１６a)与图１６b)中数字散斑 相关计算结果进行对比发现,有限元仿真得到应变 场应变区间与数字散斑相关计算得到的应变场应变 区间相差很大.为了使有限元仿真应变场更合理地 显示和更好地对比仿真与数字散斑相关技术在相同 应变场应变区间里的应变场,根据数字散斑相关技 术的结果,将有限元仿真得到的应变场划分成高应 变的“奇异区”[图１６c)]和低应变的“非奇异区”[图 １６d)].高应变的“奇异区”面积较小,其范围大约为 ０．５~１mm,低应变的“非奇异区”占据了试样表面 绝大多数面积,可以发现在“非奇异区”仿真结果与数字散斑相关技术结果吻合较好.图１７所示为沿 裂纹方向的正应变,其分析方法及结论与垂直于裂 纹方向的正应变类似,此处不再赘述.

出现上述现象是由于裂纹尖端具有数学上的应 力应变奇异性,有限元继承了该奇异性,在裂尖附近 呈现出局部的应变峰值和局部高应变梯度[１８].而 数字散斑测试得到的应变实际上是以散斑点为中心 的子区的平均应变,同时裂尖张开导致某些散斑子 区相关计算不能进行,应变场在裂尖处产生局部缺 失,因此数字散斑相关技术计算的裂纹尖端处应变 结果会远低于仿真的. 

综上,“非奇异区”数字散斑相关技术计算得到 的结果是可靠的;在靠近裂纹尖端的“奇异区”,需要 根据奇异性应变场分布特征和数字散斑相关技术测 量精度,开展进一步地研究,以准确获取“奇异区”真 实的应力应变场. 

进一步分析有限元模型,试样启裂时的变形如 图１８所示,可见试样裂纹明显张开,裂尖附近有明 显的凹陷,这与实际试样观察结果(图６)一致.

当 Mises应 力 超 过 ２８３ MPa时,材 料 进 入 屈 服.有限元计算的试样表面在不同载荷水平下裂纹 尖端塑性区如图１９所示,在加载过程中,蓝色部分 为塑性屈服区.试样初始受力时,试样表面的塑性 区不断扩展,扩展方向基本为与裂纹面成４５°的倾 斜面上扩展.在试样屈服尺寸较小时,裂尖张开很 小,当逐步进入全面屈服后,裂尖开始快速张开,裂 纹尖端严重钝化.

有限元计算的试样启裂时 Mises应力云图(深 红色部分为塑性区)如图２０所示,发现启裂时试样 裂纹平面已经进入全面屈服,并且试样表面屈服区 的面积明显大于试样中面屈服区的.试样表面更接 近平面应力状态,材料更易于屈服.

３ 结论

研究了 ０Cr１８Ni９ 不锈钢材料的断裂行为,通 过裂纹钝化区分析和观测,得到了该材料的裂纹扩 展钝 化 线,试 验 求 出 钝 化 线 斜 率 近 似 为 GB/T２１１４３－２０１４推荐的经验钝化线的２倍;０Cr１８Ni９ 不锈钢材料呈现出高韧性断裂特征,试样在发生较 大范围屈服时,裂纹才明显张开,试样起裂时,韧带 区域已全面屈服;通过断裂力学有限元仿真验证了 数字散斑相关技术的适用性,数字散斑相关技术能 够比较准确地表征裂尖“奇异区”外的结构应变场. 

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文章来源——材料与测试网