CTOD试验及其应用
中国船舶重工集团公司第七二五研究所 试验测试与计量技术研究中心 张亚军
目前，在水利水电、石化管道、远洋船舶、海洋平台等众多领域，要求做CTOD试验的客户越来越多。
中国船舶重工集团公司第七二五研究所试验测试与计量技术研究中心在CTOD试验方面积累了大量的经验，尤其在低温（如0℃～-80℃）和超低温（如-165℃、-196℃等）环境、大尺寸（板厚B=60mm～100mm）及超大尺寸（B＞100mm）方面，在国内具有显著的优势。
近年来，水利部门及相关公司、管道局、中石化，以及包括宝钢、鞍钢、武钢、沙钢、兴澄特钢、舞钢等在内的全国各大钢厂，陆续来我们这里进行了大量的系列尺寸和系列温度的CTOD试验。那么，究竟什么是CTOD试验呢？
一、什么是CTOD试验
大家常见的CTOD试验，指的是一种断裂韧性试验。CTOD是Crack Tip OpeningDisplacement（裂纹尖端张开位移）四个单词的首字母。
那么，什么是断裂韧性呢？断裂韧性是基于断裂力学基础上的，表征材料在服役过程中产生裂纹时，材料自身对裂纹启裂和扩展的抵抗能力。断裂韧性通常包括平面应变断裂韧性KIC、延性断裂韧性JIC和裂纹尖端张开位移断裂韧性CTOD三种。平面应变断裂韧性KIC适用于受力时裂纹尖端塑性变形很小或者基本不发生塑性变形的材料，如高强钢、高强钛合金等；延性断裂韧性JIC适用于受力时裂纹尖端有小变形时的情况，界定方法通常是当平面应变断裂韧性KIC通过试验难以获得有效值时，这时一般采用延性断裂韧性JIC的方法间接获得平面应变断裂韧性KIC；而对于受力时裂纹尖端塑性变形很大，即进入全塑性屈服的材料，如中、低强度钢等，一般要用裂纹尖端张开位移断裂韧性CTOD指标来评价材料的抗断能力。
由于工程中大量的焊接结构采用中、低强度钢，如船舶、海洋工程用钢及其焊缝等，这些材料多数是在弹塑性条件下发生断裂，一般都采用CTOD指标来评价。试验材料的断裂韧性值越大，表明材料的抗断性越好。CTOD指标，通常采用试验的方法得到，常用的试验标准见文献。
二、CTOD试验中的技术要点
CTOD试验通常涉及两部分内容，一部分是测量金属材料及其焊缝的阻力曲线，即dR-Da阻力曲线，根据该曲线可以获得任一裂纹扩展量下的CTOD值，但这时要求金属材料或者焊缝不得发生脆性断裂，否则将不得参与dR-Da阻力曲线数据的拟合，常见的dR-Da阻力曲线形貌见图1。另一部分内容，是通过试验获得金属材料及其焊缝的CTOD特征值，特别是在低温（如0℃～-80℃）或超低温（如-165℃、-196℃等）环境下，金属材料及其焊缝发生脆性断裂的可能性较大，用其CTOD特征值评价抗断能力比较合适。
CTOD试验中的主要技术要点如下：
（1）试样预制疲劳裂纹。由于断裂力学是基于裂纹基础上的，不是缺口，而采用常见机加工的方法很难加工出裂纹。为此，需要通过疲劳的方法，即给试样施加一个反复作用的动态力（见图2），使其缺口尖端萌生出并扩展一定长度的裂纹。具体做法见文献。
事实上，工程结构发生断裂前，通常也是裂纹扩展至其临界尺寸的结果。用疲劳方法预制的裂纹，可模拟材料或结构中的实际裂纹的尖锐度，具有极大的相似性。另外，对于比较厚的金属板，由于受到应力状态的影响，即心部为平面应变状态、表面为平面应力状态，预制的疲劳裂纹存在心部扩展过快、两边扩展过慢而不满足试验标准中对裂纹前缘平直度要求的情况，这时，需要考虑采用特殊的技术手段完成疲劳裂纹的预制。
（2）夹式COD规的应用。在CTOD试验过程中，需要用到夹式COD规测量试样裂纹嘴处张开位移的塑性分量。由于通常的COD规的有效量程一般不大于4.0mm，而随着钢铁行业的发展，近年来研制出的新钢种塑性和韧性越来越好，使得COD规4.0mm的行程常常不够用，文献专门分析了各种可能的情况，可供参考。当然，伴随着高塑性、高韧性金属材料的发展，试验机生产厂家也陆续制造出了大行程夹式COD规，只不过，价格会高哦！
（3）试样的F-V曲线及其断口。判断试验材料的CTOD特征值的种类，主要的依据就是其F-V曲线及其断口形貌，即是脆性断裂还是韧性断裂，脆性断裂时，是脆性启裂，还是脆性失稳。计算材料CTOD特征值所需的裂纹嘴处张开位移的塑性分量、最大载荷等数据，也是从其F-V曲线上获得。因此，试验时，需要选择适合的加载速率、数据采集速率、数据处理软件等，以便获得准确的F-V曲线。脆性断裂时，判断是脆性启裂还是脆性失稳，唯一的判据就是看断口上的裂纹扩展量。典型的F-V曲线图及试样断口见图3和图4。
三、CTOD值的实际应用
通过试验获得的CTOD断裂韧性值，可以用来评价冶金因素及工艺因素对金属材料断裂韧性的影响，也可以应用于建立在断裂力学基础上的缺陷评定规范；同时，也是母材、焊接金属和焊接热影响区制造质量控制和验收规范的依据。
中船725所长期从事金属材料的疲劳断裂试验和研究，在这方面有很多原创性研究成果和丰富的实践经验。如有大家有任何疑惑，欢迎跟帖留言，或者访问我们检测中心网站http://www.725tes.com/联系哈，我们会有专业技术人员跟进回复。
参考标准及文献：
BS7448-1:1991, Fracturemechanics toughness test---Part1: Method for determination of KIC,critical CTOD and critical J values of metallic materials;
BS7448-2:1997, Fracture mechanicstoughness test---Part2: Method for determination of KIC, criticalCTOD and critical J values of welds in metallic materials;
BS EN ISO 15653-2010, Metallicmaterials---Method of test for the determination of quasistatic fracturetoughness of welds;
GB/T 21143-2014, 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法；
张亚军, 朱林放. 海洋泊链用钢大尺寸试样CTOD试验研究.理化检验-物理分册，2005,41（7）：340-343.
张亚军. 行程受限COD规在裂纹尖端张开位移试验中的应用.理化检验-物理分册，2005,40（3）：122-125.
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