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裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究摘要：现有规范对裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值的描述，偏重于材料本身力学性能，一定程度上忽略了服役环境因素，致使CTOD允许值偏于保守。
通过对某项目EQ70(38 mm)系列用钢进行缺陷评估，发现如果考虑环境因素，其保守度会有所降低，由此提出环境CTOD允许值概念。
并基于欧盟“结构完整性评定方法”(SINTAP标准)，对CTOD允许值进一步分析，得出关于CTOD允许值的求解方法，并导出其定量计算式，为材料的验收和拒收提供了依据，具有一定的工程实践意义。
关键词：CTOD允许值; 保守度; 缺陷评估; SINTAP裂纹尖端张开位移(CTOD)表征的是缺陷材料裂纹尖端抵抗裂纹扩展的能力，这一判定指标可被用于材料弹性阶段、小范围屈服直至大范围屈服的各个阶段。
因此, CTOD值作为韧性参数，相比于理想弹塑性下的J积分与小范围屈服的夏比冲击功，有其独特的优势。
自20世纪以来，CTOD 作为材料的断裂韧度测试评判标准，已被广泛应用于各国工程领域中。
但是，很多规范只涉及到了CTOD试验准则及选择标准，对于CTOD允许值的问题则描述很少[1]。
CTOD允许值即结构所能容忍的CTOD最小值δmin，当测试结果大于或等于CTOD允许值时，认为材料的断裂韧度是合格的，反之，则不合格。
而且，大量工程实践表明，相关规范中给出的CTOD值非常保守，这违背了“合于使用”原则。
因此，笔者结合某项目EQ系列钢板缺陷失效评估的研究，对CTOD允许值问题提出了自己的见解，并导出了一个关于CTOD允许值的定量算式。
1 SINTAP原理以断裂力学为基础的SINTAP，对含缺陷结构的安全可靠性评估，主要有两种途径，即FAD和CDF。
CDF指的是裂纹推动力，通常用J积分来进行研究[2]。
由于本文以CTOD试验为依托，所以采用另一种途径FAD，即材料缺陷失效评定，如图1所示。
注：A为可接受区域；B为极限情况；C为不可接受区域。
用裂纹尖端张开位移法评价焊接接头韧性苗张木1 军2 王志坚2蒋 陶德馨1 李永信1 陈冰泉1 彭永春3(1 武汉理工大学交通学院; 2 深圳赤湾胜宝旺工程有限公司; 3 中国船级社)摘 要 用夏比 (ch a rp y ) 冲击试验值来评定焊接接头的韧性, 有一定的局限性, 而用裂纹 尖端张开位移 (简称 C T OD ) 试验方法能较准确地评价焊接接头的韧性。
介绍了裂纹尖端张开 位移的含义, C T O D 试验所用的主要设备及试验过程。
用 C T OD 试验方法对导管架焊接接头 的韧性进行了评定。
试验结果表明: 用 C T OD 试验评价焊接接头韧性, 效果良好, C TO D 试验 还可以作为焊接工艺认可试验, 也可用于评价不同焊接工艺的优劣。
关键词 焊接接头 韧性 裂纹尖端张开位移0 引 言性不足会造成失效, 但韧性过高也会使制造困难 从而增加成本。
因而工程实践中要求将焊接接头 的韧性控制在一个合理的范围内, 而要这样做, 首 先要能够准确评价焊接接头的韧性。
评价焊接接头韧性的传统试 验 方 法 是 夏 比(C h a rp y ) 冲击试验。
但是夏比冲击韧性实际上是一个衡量焊接接头抗冲击能力的指标, 它不能全 面反映焊接接头的真实韧性, 也不能解释焊接接 头的失效机制, 更不能反映焊接残余应力、焊接接 头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。
因此, 用夏 比冲击韧性值来评价焊接接头的韧性, 有明显的 局限性。
随着断裂力学学科的发展, 已有一种裂纹尖 端张开位移 ( 简称 C TO D ) 试验方法, 能较准确地 评价焊接接头的韧性。
1991 年, 英国焊接研究所 焊接是制造业的基础工艺与技术, 焊接结构 是结构物的重要组成部分。
焊接技术和焊接结构 广泛应用于经济建设的许多领域, 如航空航天、核 能利用、高层建筑、船舶与海洋工程等等。
焊接接 头是焊接结构的基本单元, 也是焊接结构强度和 韧性的薄弱环节。
东南大学力学实验报告随着断裂力学的发展，相继提出了材料的K 、J (J阻力曲线)、6 (CTOD阻力曲线)等一IC R R些新的力学性能指标，弥补了常规试验方法的不足，为工程应用提供了可靠的断裂判据和设计依据。
下面介绍下这几种方法的测试原理及试验方法。
IC对于线弹性或者小范围的I 型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态彻底由应力强度因子K 所决定。
K 是外载荷P ，裂纹长度a 及试样几何形状的函数。
在平面应变状态下，当P 和aI I的某一组合使K =K ，裂纹开始失稳扩展。
K 的临界值K 是一材料常数，称为平面应变断I IC I IC裂韧度。
测试K 保持裂纹长度 a 为定值，而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时的ICP 、a 代入所用试样的K 表达式即可求得K 。
C I ICK 的试验步骤普通包括：IC(1) 试样的选择和准备(包括试样类型选择、试样尺寸确定、试样方位选择、试样加工及疲劳预制裂纹等)；(2) 断裂试验；(3) 试验结果的处理(包括裂纹长度a 的测量、条件临界荷载P 的确定、实验测试值K 的Q Q 计算及KQ有效性的判断)。
J 积分延性断裂韧度是弹塑性裂纹试样受I 型载荷时，裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量J 积分的某些特征值。
测试J 积分的根据是J 积分与形变功之间的关系：UB ?a其中U 为外界对试样所作形变功， 包括弹性功和塑性功两部份， a 为裂纹长度， B 为试样厚度。
J 积分测试有单试样法和多试验法之分，其中多试样法又分为柔度标定法和阻力曲线法。
但无论是单试样法还是多试样柔度标定法，都须先确定启裂点，而艰难正在于此。
因此，我国 GB2038-80 标准中规定采用绘制J 阻力曲线来确定金属材料的延性断裂韧度。
这是一种多试样R法，其优点是无须判定启裂点， 且能达到较高的试验精度。
这种方法能同时得到几个J 积分值， 满足工程实际的不同需要。
所谓J 阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的J 积分值与该真实裂纹扩展量的关R系曲线。
裂纹尖端张开位移（CTOD）试验方法的进展──美国
ASTME1290标准简介
王宽福;匡继勇
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】1994(16)3
【摘要】介绍了美国ＡＳＴＭＥ１２９０一８９标准的主要内容和进展，为我国ＣＯＤ试验方法标准的修订提供重要的参考。
【总页数】4页(P77-80)
【关键词】裂纹;裂纹张开位移;试验法;美国;金属材料
【作者】王宽福;匡继勇
【作者单位】浙江大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.57
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4.美国ASTM裂纹尖端张开位移（CTOD）试验方法新标准简介 [J], 王宽福;匡继
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天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究报告委托单位：四川精控阀门制造有限公司试验单位：西南交通大学力学与工程学院试验人：包陈，贾琦，陈龙，姚博负责人：蔡力勋报告人：蔡力勋，包陈西南交通大学力学与工程学院二0一0年四月天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究报告1研究背景本项目为“天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目高压大口径全焊接球阀国产化试制”技术条件所要求的裂纹尖端张开位移（CTOD，crack tip opening displacement）试验。
高压大口径全焊接球阀型号为CL60040"、CL60048"，主要用于石油天然气管道运输及终端分配。
球阀连接管线分别为API5L X70钢级管线钢管和API5L X80钢级管线钢管，服役环境温度为-29℃～42℃，输送介质为管输天然气，介质温度0～93℃，输送介质压力10MPa。
该球阀既承受管道内部压力，服役环境又存在如地基沉降、泥石流、地下水的电位腐蚀和应力腐蚀等工况，条件十分恶劣，要求能连续运行30年以上，且相关性能长期满足工况要求。
CTOD是指裂纹受张开型载荷后，原始裂纹尖端处两裂纹面所张开的相对距离，反映了裂纹尖端的材料抵抗开裂的能力，可用来衡量材料的断裂韧性。
CTOD值越大，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好。
CTOD是断裂力学中唯一可直接观察的参量，是目前使用最广泛的一种弹塑性断裂力学分析方法，在材料和工艺选择以及工程构件的安全性评定、特别是在压力容器/管道等重要焊接结构的完整性评定中获得了广泛的应用。
由于焊接接头是非均质体，CTOD能够直接反映裂纹尖端所处材料组织的韧性。
CTOD试验在船舶制造中的应用CTOD：Crack Tip Opening Displacement. 裂纹尖端张开位移1、CTOD是为了检查材料和焊缝抗裂能力的，CTOD值越大，反应材料本身或焊接工艺越好，它检测的材料或焊缝的韧性，材料在低温情况下韧性会变差，所以低温海域对其要求更为严格。
2采用这种方法的原因是中高强度厚板和焊缝，由于本身缺陷或焊接延迟裂纹等因素无法用热处理或焊后热处理或为了节省热处理的费用，而采取的一种试验手段。
*所以必须在合同中确认做CTOD必须免除焊后热处理。
3、CTOD的国际通用规范是BS7448，规定的是试验试样的制作和试验方法，是个试验规范。
4、EEMUA 4.4.4(f) 只提到了一些试验的要求如试样不少于5个，温度偏差不大于2度，及试样制作和试验时间不超过21天等。
5、最终在什么情况下要求做CTOD还应该由船东提出按照的具体规范或直接提出要求，如DNV-OS-C101 ，DNV-OS-C201对于要在同一地点服役5年以上的海洋结构物，当设计温度在+100C 以下、特殊的连接部位、连接部件中至少有一个部件的屈服极限≥420MPa。
DNV-OS-C401[15]它规定屈服强度超过350MPa的钢板，其焊接接头（焊缝中心和熔合线）必须做CTOD试验。
它对熔合线试样的疲劳裂纹位置作了严格要求，以严格保证有效试样的疲劳裂纹准确位于试样熔合线上。
挪威规范NORSK STANDARD M101 [17]。
它规定钢板厚度超过50mm的焊接接头必须做CTOD试验；若屈服强度超过500MPa时，则钢板厚度大于30mm，其焊接接头就必须做CTOD试验。
还包括其他情况，可总结成下表。
需要特别强调的是，该规范指出：如果CTOD值足够，则焊接接头可以免除焊后热处理NORSK STANDARD 焊接接头是否做CTOD的规定6、国内目前比较领先的应该是武汉理工大学：苗张木博士业绩一、上海外高桥造船有限公司合作，全厚度低温-180C, 板厚72～80mm,母材日本F36高强钢，对接焊缝，手工电弧焊。
天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究报告委托单位：四川精控阀门制造有限公司试验单位：西南交通大学力学与工程学院试验人：包陈，贾琦，陈龙，姚博负责人：蔡力勋报告人：蔡力勋，包陈西南交通大学力学与工程学院二0一0年四月天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究报告1研究背景本项目为“天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目高压大口径全焊接球阀国产化试制”技术条件所要求的裂纹尖端张开位移（CTOD，crack tip opening displacement）试验。
高压大口径全焊接球阀型号为CL60040"、CL60048"，主要用于石油天然气管道运输及终端分配。
球阀连接管线分别为API5L X70钢级管线钢管和API5L X80钢级管线钢管，服役环境温度为-29℃～42℃，输送介质为管输天然气，介质温度0～93℃，输送介质压力10MPa。
该球阀既承受管道内部压力，服役环境又存在如地基沉降、泥石流、地下水的电位腐蚀和应力腐蚀等工况，条件十分恶劣，要求能连续运行30年以上，且相关性能长期满足工况要求。
CTOD是指裂纹受张开型载荷后，原始裂纹尖端处两裂纹面所张开的相对距离，反映了裂纹尖端的材料抵抗开裂的能力，可用来衡量材料的断裂韧性。
CTOD值越大，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好。
CTOD是断裂力学中唯一可直接观察的参量，是目前使用最广泛的一种弹塑性断裂力学分析方法，在材料和工艺选择以及工程构件的安全性评定、特别是在压力容器/管道等重要焊接结构的完整性评定中获得了广泛的应用。
由于焊接接头是非均质体，CTOD能够直接反映裂纹尖端所处材料组织的韧性。
图1全焊接球阀图1为CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀产品照片。
图2～图4分别给出了球阀不同部位的焊接示意图，其中阀体和颈部接管所用材料均为LF2钢，左/右体材料为F60钢，袖管材料为X70管线钢或X80管线钢。
阀体与颈部接管连接部分采用埋弧焊（SAW）焊接而成，阀体与左/右体连接部分也采用埋弧焊（SAW）焊接而成，左/右体与袖管连接部分采用埋弧焊（SAW）+氩弧焊（GTAW）焊接而成。
图2阀体与颈部接管焊接示意图图3阀体与左/右体焊接示意图图4左/右体与袖管焊接示意图2试验标准GB/T21143-2007金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法ASTM E1820-01～08a Standard test method for measurement of fracture toughness API1104-2005Welding of pipelines and related facilitiesDNV-OS-C401-2004Fabrication and testing of offshore structures3材料、试样与试验条件试验材料取CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀中各焊接部位的焊缝材料，分别为LF2+LF2焊缝（埋弧焊）、LF2+F60焊缝（埋弧焊）、F60+X70焊缝（埋弧焊+氩弧焊）和F60+X80焊缝（埋弧焊+氩弧焊），母材和焊缝的化学成分实测值如表1所示。
表1母材及焊缝化学成分（质量百分数，%）材料C Si Mn P S Cr Ni Mo V Ti Cu Al Fe LF20.210.280.920.0100.0040.070.060.020.01/0.12/其余F600.190.22 1.190.0130.0080.10.040010.010.020.26/其余X700.180.22 1.290.0090.0060.130.10.070.070.020.4/其余LF2+LF20.0530.39 1.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余埋弧焊LF2+F600.0530.39 1.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余埋弧焊F60+X700.070.72 1.440.0070.018////0.20.120.024其余氩弧焊F60+X700.0530.39 1.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余埋弧焊对于试验试样型式，GB/T21143-2007推荐了三点弯曲试样（SEB，single edged bending）和紧凑拉伸（CT，compact tension），两类试样均可用于CTOD试验，且CTOD特征值属于材料特性，不因试样型式的不同产生差异，而且，台阶型紧凑拉伸试样比三点弯曲试样更易满足平面应变条件。
因此，考虑到现有试验条件和操作便利性，本次试验试样采用台阶型CT试样，每组材料中选用一个试样作为标定试样，试样型式如图5所示。
四种焊缝材料按照图6所示两个方向截取CT试样，其中立式标注为A，卧式标注为B，表2列出了各组试样的详细信息。
试样的制备按照以下流程依序完成：锻件毛坯要求→毛坯采购→毛坯交付（含质量证明文件）→毛坯进厂复验（外观/尺寸、化学成分、力学性能、无损检测、非金属夹杂物、金相组织、晶粒度）→合格毛坯入库→加工外形/坡口→按焊接工艺规程（WPS）施焊试件→过程检查/监督/记录→清理检查打磨→焊缝/热影响区(HAZ,heat affected zone)超声波检测（UT）→合格试件→按试样图取样加工→检验→标识。
图5a)CT试样型式图5b)标定试样型式图6a）CTOD试样取样示意图立式（标注为A）图6b）CTOD试样取样示意图卧式（标注为B）表2焊缝试样信息材料取样方式试样名义宽度W/mm试样名义厚度B/mm名义初始裂纹长度/mm试样数量/件LF2+LF2焊缝A（立式）5025278B（卧式）5025277 LF2+F60焊缝A（立式）50252710B（卧式）50252711 F60+X70焊缝A（立式）50252712B（卧式）50252712 F60+X80焊缝B（卧式）5022278试验设备为MTS809250kN电液伺服试验机、TestStarII控制系统、COD（crack opening displacement）引伸计MTS632.02F-20和19JA型万能工具显微镜。
试验装置如图7～图8所示。
所用MTS(material test system)应用软件：(1)MTS790.50标准应用软件，该软件用于完成疲劳裂纹预制和准静态断裂韧度试验的控制；(2)MTS TestStar/SX编程软件，该软件用于CTOD试验的控制以及载荷与COD数据采集。
试验温度为常温。
图7试验装置图8用于断后试样裂纹长度测量的19JA型万能工具显微镜4试验与数据分析方法4.1预制疲劳裂纹应用MTS790.50标准断裂力学试验软件在MTS试验机上对试样精确预制疲劳裂纹。
试验预制裂纹长度增量约3mm，预制裂纹的时间约60~90分钟。
MTS790.50软件预制疲劳裂纹的优点是采用等ΔK 控制，既保证裂纹扩展驱动力均匀，还可确保裂纹尖端不出现大范围屈服。
4.2裂纹尖端张开位移（CTOD）试验方法由于试验材料表现出较高的韧性，致使由卸载柔度法获得的试样裂纹长度同物理直接测量得到的裂纹长度存在一定误差，因此本项目CTOD 试验采用ASTM E1820-01~08a 系列标准推荐的载荷分离法来获得试样的实时裂纹长度。
4.2.1载荷分离法（Load Separation Method）对于裂纹稳定扩展的情形，CTOD 试验关键技术之一为试样在加载过程中的实时裂纹长度的准确确定，常用方法包括多试样法和单试样法两大类。
多试样法为采用多个相同结构和初始尺寸的试样，分别将各个试样加载到不同的载荷水平，然后打开试样，直接采用物理测量的方法获得各试样的裂纹扩展量，从而得到CTOD 阻力曲线上数据点。
该方法往往需要至少8个试样才能获得一条CTOD 阻力曲线，耗费材料，试验耗时也较多，而且所得试验点分散性大，无效点多。
柔度法是最为广泛采用的单试样法之一，比多试样法更易实施，每个试样都可以获得一条阻力曲线，便于考虑材料的分散性。
该方法强烈依赖于试样弹性卸载过程中的P-V 曲线线性度，且受裂纹前沿平直度的影响较大，对于普通中低韧性材料具有良好适应性。
而对于高韧性材料，由柔度法测得的裂纹长度同物理测量结果往往差异较大。
载荷分离法是一种可直接从载荷-张开位移曲线中通过初始和终止点裂纹标定获得实时裂纹长度的方法。
该方法理论基础强，操作简便，节省材料和试验时间，在多种金属和非金属材料的延性断裂韧性测试中得到广泛应用，并被美国ASTM E1820系列规范推荐为标准测试方法。
对于多种构形的断裂试样（CT 、SEB 等），载荷分离理论认为试样在加载过程中，其单位厚度B 下的载荷P 可由与试样裂纹长度a 相关的裂纹几何函数G (a/W )和与塑性变形V p 相关的变形函数H (V p /W )的乘积来表示，()()()()////mp p P WB G a W H V W WB a WH V W =⋅⋅=⋅（1）式中，W 为试样宽度，m 为材料参数。
在变形初期的小范围区域之外，多数金属材料满足载荷分离理论。
在变形初期的小范围载荷下，试样裂纹尚未扩展，此时产生的小段载荷不可分离现象不影响试样裂纹扩展过程中的裂纹长度估测。
基于载荷分离理论，将初始裂纹长度和试验终止裂纹长度作为标定点并结合标定试样，即可直接从试验试样的载荷-裂纹张开位移曲线中获得实时裂纹长度。
4.2.2CTOD 试验过程（1）对尖裂纹试样预制疲劳裂纹，预制裂纹增量约为3mm ；（2）采用位移控制对标定试样进行加载，加载速率为0.02mm/s ，加载到接近COD 引伸计满量程时停止加载；（3）为了确保试样裂纹均匀扩展，将疲劳预制后的尖裂纹试样参照图9开侧槽，侧槽在试样厚度方向上对称分布，侧槽断面为边长为3mm 的等边三角形，侧槽根部圆弧半径为0.2mm ；开侧槽的目的是为了让裂纹均匀扩展，使裂纹前沿尽量平直。
GB/T21143-2007明确规定测定阻力曲线的全部试样都应开侧槽，且侧槽深度为0.2B±1%，而ASTM系列标准和早期国标对侧槽的规定为最大侧槽深度不超过0.25B。
本次试验所开侧槽深约为0.1B，从试样断口可以观察到裂纹前沿平直度较好，达到了所需效果。
图9CT试样侧槽加工图（4）对已开侧槽的尖裂纹试样进行位移控制加载，加载速率为0.02mm/s，当试样的载荷达到最大载荷并有少量下降时停止加载；（5）对已加载过的尖裂纹试样进行二次疲劳，二次疲劳的循环峰值载荷约为单调加载时最大载荷的70%，疲劳时间以能够勾出裂纹扩展前沿为准；（6）二次疲劳后，将试样拉断，利用工具显微镜根据九点平均法测量预制后的初始裂纹长度和裂纹扩展终止时的裂纹长度，从而获得载荷分离法所需的两个裂纹长度标定点。
