国家标准GB/T21143中CTOD计算公式转动修正方法探讨

刘 冬 杜丽影 李荣锋

(武钢研究院 湖北 武汉：430080)



国家标准GB/T21143中CTOD计算公式转动修正方法探讨

刘 冬 杜丽影 李荣锋

(武钢研究院 湖北 武汉：430080)

针对新版国家标准GB/T21143-2014中裂纹尖端张开位移CTOD计算公式修正后，对金属材料断裂韧性测试结果的影响开展了试验验证研究工作。通过对比依据老版国家标准GB/T21143-2007与新版国家标准GB/T21143-2014，还有欧洲标准ISO1235:2002，英国标准BS7448:1991计算CTOD值，发现新版国家标准GB/T21143-2014相对其它主流标准计算结果偏低20%。这样会导致依据不同国家标准进行产品出厂检验或者第三方仲裁时产生矛盾，引起质量异议。建议在以后其它国际标准修订过程中，推广我国标准修订条款，到达最终国家标准与国际标准的统一，减少仲裁争议。

裂纹尖端张开位移；CTOD测试标准；断裂韧性；仲裁；质量异议；国标修订；CTOD计算

裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)在材料断裂韧度测试领域具有广泛的应用，尤其是在桥梁、船舶、海洋工程结构等的安全评定中相对KIC、J积分具有更好的应用效果[1-3]。目前，国际和国内均对该韧性指标测试制定了相应的标准，现行CTOD测试标准最新版本包括国家标准GB/T21143-2014、欧洲标准ISO12135：2002和英国标准BS7448：1991[4-8]。老版国家标准GB/T21143-2007中CTOD计算公式与欧洲标准ISO12135：2002(E)完全一致，而新版国家标准GB/T21143-2014在CTOD计算公式引入了转动半径进行转动修正的概念，对计算公式中塑性部分进行了修改。

但是该处修改带来了新的问题，使得依据新版国家标准GB/T21143-2014计算CTOD值相对老版国家标准GB/T21143-2007降低明显。对于有些特殊条件下的材料，譬如焊接接头或者较低温度下母材的CTOD测试，依据老版国家标准GB/T21143-2007和欧洲标准ISO12135：2002来计算CTOD值可能刚好合格，但是按照新版国家标准GB/T21143-2014修正后CTOD值可能就不合格了，这样在产品出厂检验或者第三方仲裁时就会产生矛盾。本文从新老两个版本GB/T21143的CTOD计算公式的对比以及实例钢种的CTOD计算结果修正前后对比验证了转动修正方法带来的不同，希望引起标准修制订人员的关注，尽量在欧洲标准ISO12135的修订时能将国标中修订意见引入，保证国家标准与ISO标准的一致性，并推动试验机厂家对相关测试软件系统进行更新，为测试人员带来便利。

1 CTOD计算公式

老版国家标准GB/T21143-2007中CTOD计算公式为：

(1)

(2)

其中：δ为裂纹尖端张开位移CTOD；S为跨距；W为宽度；B为厚度；BN为开测槽试样的净厚度；F为载荷；ν为泊松比；Rp0.2为0.2%非比例延伸强度；E为弹性模量；a0为初始裂纹长度；Δa裂纹扩展量；Vp缺口张开位移塑性分量；z为引伸计装卡位置到试样表面的距离；SEB(single edged bending)试样为三点弯曲试样；CT(compact tension)试样(compact tension)为紧凑拉伸试样。

应力强度因子系数：

试样

(3)

(4)

新版国家标准GB/T21143-2014中CTOD计算公式为：

(5)

其中转动半径计算由下式得到：

(6)

g(a/W)=10.51080-18.23599(a/W)-

92.96373(a/W)2+4061855(a/W)3-

648.1842(a/W)4+482.2612(a/W)5-

139.8167(a/W)6

(7)

(8)

其中：转动半径计算由下式得到：

(9)

g(a/W)=150.1554-1427.620(a/W)+

5712.630(a/W)2-12131.870(a/W)3+

14357.50(a/W)4-8967.939(a/W)5+

2309.530(a/W)6

(10)

比较新老国家标准中CTOD计算公式可以看出，变化的只是后面塑性分量部分的计算公式。新标准引入了转动半径的计算公式，转动修正用转动半径来表示，而老标准中指定SEB试样转动因子为0.4，CT试样转动因子为0.46，用转动因子这一参数来表征转动修正。

2 对比试验

为验证标准更新后CTOD计算公式的变化对产品韧性评定带来的改变，笔者对日常检验中碰到较为常见的管线钢产品开展了批量检验，测试了X65、X80、X100、X120这四种牌号管线钢的CTOD值，并分别依据新老国家标准计算CTOD值进行了对比。选用X65、X80、X100、X120的常规力学性能测试结果如下表1。

由于四种牌号管线钢产品原始厚度不同，依据国家标准GB/T21143-2014加工成三点弯曲SEB试样尺寸有所不同，记录测试过程中载荷F与缺口张开位移塑性分量Vp，分别依据新老国家标准计算公式(1)和(5)计算CTOD值。参与计算参数泊松比ν取0.3，引伸计装卡位置到试样表面的距离z为0，试样未开测槽BN=B。

表1 管线钢常规力学性能

3 试验结果与讨论

四种牌号管线钢产品依据新老国家标准计算CTOD值如表2所示。表中δ07表示依据GB/T21143-2007计算的CTOD值，δ14表示依据GB/T21143-2014计算的CTOD值。从表中统计数据可以看出，随着管线钢钢级的提高，材料断裂韧性CTOD值不断降低。比较两种标准计算结果发现按照新国标计算结果明显低于老国标，相对标准偏差高于20%。采用新标准转动半径修正方法计算结果相对老标准指定转动因子的修正方法偏低20%。

管线钢产品在进行断裂韧度评估时一般依据挪威船级社近海结构物(海底管线系统)建造规范DNV-OS-F101[9]中CTOD允许值δmin为0.20mm。

表2 新老国标管线钢CTOD计算值对比

也就是说当材料在使用温度下测试CTOD值大于该允许值时材料的断裂韧性是合格的。从表2中可以看出依据老国标计算的CTOD值均是合格的，X120管线钢最小测试值为0.22，但依然大于允许值δmin。而采用新国标GB/T21143-2014计算的CTOD值最小为0.176，不满足大于允许值δmin的条件，一旦3件被测样品中有一件断裂韧性不合格，则该批产品断裂韧度将被判定为不合格。因此，依据新国标转动修正方法来评判材料的断裂韧度相对老国标更加严苛，对于韧性较差的高强结构钢来说，很容易出现依据老国标判定是合格的而改用新国标判定就是不合格的现象。

目前，新国标提出的依据转动半径修正CTOD计算值的方法还处于推广阶段，现行的试验装备软件系统大多还是依据老标准进行计算的。对于多数韧性较好的材料计算CTOD值降低20%，还是能够满足大于允许值条件。但是，对于少数韧性正好处于允许值δmin附近的材料，依据新国标手动计算后的结果很可能被判定为不合格。现行国家标准还包括欧洲标准ISO12135:2002和英国标准BS7448：1991，它们三点弯曲SEB试样的CTOD计算公式分别为：

(11)

(12)

欧洲标准ISO12135:2002计算公式与老国标GB/T21143-2007完全一致，因为老国标GB/T21143-2007是对欧洲标准ISO12135:2002的修改采用。但是目前欧洲标准ISO12135:2002还未出新版本。英国标准BS7448：1991计算公式相对老国标GB/T21143-2007来说在转动修正方面没考虑裂纹扩展量Δa的影响，比较英国标准BS7448：1991与老国标GB/T21143-2007计算CTOD值结果如表3所示。δ91表示依据英国标准BS7448：1991计算的CTOD值。从表3中可以看出英国标准BS7448：1991与老国标GB/T21143-2007计算值十分接近，相对标准偏差小于3%。基本不会在断裂韧性判定时出现歧义结果。

表3 老国标与英国标准管线钢CTOD计算值对比

新国标GB/T21143-2014中CTOD计算公式的修正，具有一定的先进性。主要体现在：

(2)CTOD计算塑性部分采用转动半径计算修正代替了转动因子修正，转动半径也是随裂纹长度随时变化的函数，相对固定的转动因子常数更有现实意义。这两处改动正是造成新老标准计算CTOD值偏差高于20%的原因。

4 结论

金属材料断裂韧性测试国家标准GB/T21143-2007与欧洲标准ISO12135:2002和英国标准BS7448：1991在CTOD计算结果上有很高的数据一致性，但是新推出的国家标准GB/T21143-2014对于CTOD计算公式进行的修正，测试结果相对之前的版本国家标准GB/T21143-2007偏低了近20%。对于韧性较好的材料，测试结果降低20%不会导致韧性判定不合格，但是对于有些材料断裂韧性在允许值附近的将会导致韧性判定不合格。这样在产品认证时就会出现质量异议，引起争端，因为这类材料依据国家标准GB/T21143-2014以外其他标准判定是合格的。国家标准GB/T21143-2014的计算公式修正是合理的，有其先进性，但是还需要在用户中去推广，让更多的人去接受，因为它的判定结果更加严苛，对于提高产品生产质量还是有指导性的。建议在日后其他国际标准修订过程中中方代表极力提出GB/T21143-2014中的修正方法，力求国家标准与国际标准的统一，确保日后进出口产品的韧性检定过程中不会出现质量异议。

[1] 杜丽影，邱保文，李荣锋，等.桥梁用钢三点弯曲断裂试验研究与分析[J].武汉工程职业技术学院学报，2014，26(1)：13-15.

[2] 包陈，蔡立勋.CTOD试验方法与转子材料的延性断裂性能[J].机械强度，2012,34(4):573-577

[3] 石凯凯，蔡立勋，包陈.单边裂纹弯曲试样的转动修正方法研究[J]机械强度，2012,34(2):250-255

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T21143-2007金属材料准静态断裂韧度统一试验方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T21143-2014金属材料准静态断裂韧度统一试验方法[S].北京：中国标准出版社，2014

[6]GB/T21143-2014金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法[S].北京：中国标准出版社，2014.

[7]ISO12135:2002Metallicmaterials-Unifiedmethodoftestforthedeterminationofquasistaticfracturetoughness[S].

[8]BS7448-1:1991,Fracturemechanicstoughnesstests-Part1:MethodfordeterminationofKIC,criticalCTODandcriticalJvaluesofmetallicmaterials[S].

[9]DETNORSKEVERITAS.OffshoreStandardDNV-OS-F101-2000:SubmarinePipelineSystems[S].NORSOKStandard,2000.

(责任编辑：李文英)

Study on Rotation Correction Methods of CTOD Calculation Formula Recommended by GB/T 21143

Liu Dong Du Liying Li Rongfeng

(Research & Development Center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei)

In response to the crack tip opening displacement (CTOD) calculation formula revision in the new edition GB/T 21143-2014, study on the effect of metal material fracture toughness testing results was conducted. By making a comparative analysis of GB/T 21143-2007, GB/T 21143-2014, ISO 1235:2002 and BS 7448:1991, we found that CTOD values calculated according to GB/T 21143-2014 were 20% lower than that of other standards. As a result, when inspecting product quality according to different standards or making third-part arbitration, argument arises. In view of this situation, the rotation correction methods recommended by GB/T 21143-2014 should be popularized and accepted by other standards while revising.

crack tip opening displacement; CTOD test standard; fracture toughness; arbitration; quality objection;national standard modification; CTOD calculation

2016-10-09

刘 冬(1985～)，男，硕士，工程师.E-mail：martinlau@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)04-0005-04