２．２ 試樣斷口宏、微觀形貌分析

    部分試樣的斷口宏觀形貌如圖５所示,可見８,９,１０號試樣裂紋擴展量較小,裂紋尖端比較平整,沒有明顯的塑性變形.１２,１４,１６號試樣裂紋擴展量明顯增大,裂紋尖端塑性變形逐漸明顯,隨著載荷水平的提高,裂紋尖端略有隆起,試樣兩側明顯向內部凹陷.金屬材料韌性斷裂中幾個不同的過程會在試樣斷口表面產生不同的微觀形貌,其中預制裂紋區和二次裂紋區呈縱紋,穩態擴展區呈韌窩形貌,而鈍化區表現為橫紋.圖 ６ 所示為部分試樣斷口的SEM 微觀形貌.可見３,５號試樣斷口形貌由上下兩段縱紋區和中間的橫紋區組成,斷口上沒有出現韌窩形貌,且隨著載荷水平的提高,橫紋區寬度逐漸增大。這說明在相應的載荷下,３,５號試樣處于韌性斷裂過程中的鈍化階段,且隨著載荷水平的提高,鈍化區不斷向前延伸.６,７號試樣斷口形貌與３,５號試樣基本一致,但在橫紋區范圍內出現了極少量的小韌窩形貌,說明裂紋尖端的局部位置鈍化過程達到飽和并啟裂、擴展.由１０,１１號試樣斷口形貌。

    可見,鈍化區寬度逐漸停止增長,甚至有所縮短,這是斷口附近發生塑性變形,裂紋尖端隆起,在測量時鈍化區被隆起的變形部分遮擋而造成的;同時,鈍化區附近出現了尺寸較大的韌窩形貌,說明鈍化過程已經達到飽和,開始進入穩態擴展.１２,１６號試樣呈現出相同的狀況,且韌窩形貌更為明顯,這說明載荷達到一定水平后(該試驗材料約為２２．５kN),鈍化過程達到飽和,裂紋啟裂,并進入穩態擴展區.根據試樣斷口 SEM 微觀形貌觀察的結果,確定材料鈍化過程飽和時鈍化區寬度 ΔaSZW 約為０．１１３mm。

２．３ 聲發射測試結果分析

    裂紋尖端應力集中的釋放是促使裂紋擴展和產生聲發射的主要因素.裂紋擴展就是不斷重復裂紋尖端的應力集中、釋放→裂紋擴展→裂紋尖端應力的再集中再釋放→裂紋再擴展的過程,直至最終斷裂.裂紋的擴展并不是連續進行的,它會在裂紋尖端應力釋放后的一段時間內積蓄足夠的能量完成下一次擴展.裂紋尖端的應力集中Ｇ釋放的過程能夠產生可以被聲發射裝置測量到的聲發射波,因此通過聲發射測試技術可以檢測材料裂紋擴展的全部過程.

    試驗中,采 用 聲 發 射 測 試 裝 置 對 試 驗 過 程 進行監控,選取 其 中 特 征 比 較 明 顯 的 幾 個 試 樣 進 行分析,其典 型 測 試 結 果 如 圖 ７ 所 示.可 見 聲 發 射計數曲線隨 拉 伸 載 荷 的 增 加 而 不 斷 增 加,但 變 化趨勢非單調 線 性 增 加,而 是 呈 現 為 波 浪 起 伏 狀 的變化趨勢,且 起 伏 的 間 隔 隨 載 荷 的 增 加 有 逐 漸 變短的趨勢.聲發射計數曲線的變化趨勢與裂紋擴展呈現出的應力斷續釋放規律相符.當載荷達到２０kN 附近時,聲發射計數達到了第一個明顯的峰值,說明試樣 中 的 微 裂 紋 已 經 匯 聚 形 成 了 宏 觀 主裂紋,該裂紋 在 ２０kN 載 荷 時 發 生 了 第 一 次 明 顯擴展.隨后聲發射計數曲線快速下降,并在２０~２１kN 達到最小值.隨后在２３kN 附近聲發射計數又出現了 第 二 個 明 顯 峰 值,此 峰 的 聲 發 射 計 數較２０kN 處的更高,且經歷的載荷范圍更小,這說明試樣中的主裂紋進入了宏觀裂紋擴展階段.此后聲發射計 數 峰 值 越 來 越 低,且 波 動 間 距 越 來 越小,直至試驗停止.

    根據聲發射測試結果分析,０Cr１８Ni９不銹鋼板材的裂紋擴展過程如下:試樣裂紋前緣中的部分微裂紋首先經歷鈍化→啟裂→擴展過程,隨著載荷的增加,經歷該過程的微裂紋越來越多,同時已經發生的微裂紋擴展繼續發展,直至連成一片形成主裂紋,進入宏觀裂紋擴展階段,裂紋穩態擴展過程在整個裂紋前緣發展.

２．４ 啟裂韌度Ji 的確定

    ２．４．１ 鈍化線法測定啟裂韌度Ji根據試驗結果,按照 GB/T２１１４３－２０１４中的公式(３６)計算了各試樣的J 積分值,并測量了各個試樣的裂紋擴展量,如圖８中各數據點所示.根據斷口的宏、微觀形貌判斷,２~９號試樣處于鈍化階段,１０~１９號試樣進入裂紋穩態擴展階段.因此,根據標準要求,按指數方程形式對１０~１９號試樣數

據擬合,得到阻力曲線方程如下所示

    J＝３５．９８＋２１４２．５１Δa０．８３ (１)GB/T２１１４３－２０１４中公式(４０)給出了一種計算鈍化線的經驗公式,根據此式計算得到了鈍化線方程如下所示

    J１ ＝３．７５RmΔa＝２５６８．７５Δa (２)式中:Rm 表示抗拉強度,Rm ＝６８５MPa.

    由于２~９號試樣處于鈍化階段,尚未進入穩態擴展,因此對其擬合了一條實測鈍化線,鈍化線方程

如下所示

J２ ＝２９３０．１３Δa (３)

    由圖８可見,實測鈍化線與標準給出的經驗鈍化線比較接近.根據定義,鈍化線與阻力曲線交點的J

積分值即為Ji.由此,根據兩條鈍化線分別得到了兩個Ji 值:Ji１＝１０８０．０２kJ??m－２;Ji２＝６４８．９１kJ??m－２.

    ２．４．２ 鈍化區寬度法測定啟裂韌度Ji在JＧΔa 曲線上平行于J 軸作一條通過臨界伸張區寬度的直線,如圖９所示.直線與JＧΔa 曲線交點即為啟裂點Ji 值.本試驗中,用伸張區寬度法測得Ji３＝３８７．８２kJ??m－２.有研究認為[９],從微觀角度思考,

得到阻力曲線方程如下所示

J′＝２１９１．２２Δa０．８４ (４)

同樣,用鈍化區寬度法測得Ji４＝３５１．７７kJ??m－２.

２．４．３　０Cr１８Ni９不銹鋼板啟裂韌度Ji 的確定利用鈍化線法和鈍化區寬度法測定的０Cr１８Ni９不銹鋼板啟裂韌度Ji 如表２所示.對于試驗使用的０Cr１８Ni９不銹鋼板,和鈍化區寬度法相比鈍化線法得到的Ji 明顯偏大,不適用于測定材料的啟裂韌度Ji.由于試樣斷口微觀形貌展現出的規律與金屬材料斷裂的經典理論相符,鈍化區寬度法得到的Ji 更接近真實值.根據掃描電鏡和聲發射監測結果,在裂紋擴展過程中,裂紋尖端的部分微裂紋首先經歷鈍化→ 啟裂→ 擴展過程,隨著載荷的增加,經歷該過程的微裂紋越來越多,同時已經發生的微裂紋擴展繼續發展,直至連成一片形成主裂紋,進入宏觀裂紋擴展階段.因此,在利用鈍化區寬度法測量Ji 時,應將測得的所有數據值擬合為JＧΔa 曲線進行計算,即Ji４更接近實際值.

３　結論

(１)０Cr１８Ni９不銹鋼板的裂紋擴展過程為:試樣裂紋前緣中的部分微裂紋首先經歷鈍化→啟裂→擴展過程,隨著載荷的增加,微觀裂紋擴展逐步增多、累積,直至連成一片形成主裂紋,進入宏觀裂紋擴展階段,裂紋穩態擴展過程在整個裂紋前緣發展.

(２)與鈍化線法相比,利用鈍化區寬度法得到的０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji 更接近真實值.擬合JＧΔa 曲線時,應將所有載荷下的數據點都擬合在內.０Cr１８Ni９不銹鋼板的啟裂韌度Ji 為３５１．７７kJ??m－２.

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗-物理分冊）