苗 張 木1 王 振 宇2
（1．武漢理工大學 交通學院， 武漢市余家頭， 430063； 2．舞陽鋼鐵有限責任公司 科技部，河南舞鋼市，462500）
摘要：介紹了CTOD的概念、CTOD試驗方法；介紹了CTOD試驗應用于厚鋼板及其焊接接頭韌性評定的幾個主要領域：焊接工藝評定、海洋平臺建造、FPSO的斷裂與安全性評估、鋼箱梁建造、厚鋼板的工廠認證和產品認證等；最后簡要談了CTOD試驗的主要特點。
1.引言
目前，海洋石油平臺、鋼結構橋梁、大型船舶（如FPSO）等許多鋼結構呈大型化、厚壁化的趨勢，且越來越多地采用中高強度鋼。在這些大型厚壁鋼結構的設計建造過程中，存在一個與強度、剛度和穩定性同等重要的問題 厚鋼板及其焊接接頭的韌性控制。所謂韌性，是指材料在彈塑性變形直至斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現[1，2]。如所周知，母材和焊接接頭的韌性不足，是焊接結構破壞的主要原因。日本機械工程學會在20世紀60年代統計數據表明，在焊接結構破壞事故中，疲勞破壞占61%，脆性斷裂占15%，因焊接裂紋引起的事故占13 %[3]�？梢�89%的焊接結構破壞事故與材料和焊接接頭的韌性不足密切相關。厚鋼板越厚，韌性問題越突出。這是因為鋼板厚度大了以后，由于金屬學冶金因素的影響，其韌性必定會有所下降[1]。從力學上看，厚鋼板內部呈三軸應力狀態，這種應力狀態會使材料不容易發生塑性變形而容易呈現脆性斷裂。另外，鋼的強度與韌性往往呈現二律背反，鋼的強度提高后，其韌性往往會降低[3]（目前已經有既能提高強度又能提高韌性的細化晶粒方法來制造超細晶粒鋼，但規�；a可能有待時日）。厚鋼板焊接后，其焊接接頭厚度大，焊接缺欠（如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等等[3]）比較容易發生，導致厚鋼板焊接接頭韌性明顯降低。因此，準確評定厚鋼板母材的韌性，準確評定厚鋼板焊接接頭的韌性，對于大型厚壁鋼結構的防裂防斷，確保其安全性，十分重要。
夏比（Charpy）沖擊試驗,廣泛用于材料驗收和焊接接頭的工藝評定。應當說，對于較薄的鋼板及其焊接接頭，它簡便、有效。但是，對厚鋼板，特別是對厚鋼板焊接接頭，直接運用夏比沖試驗的結果，是偏于危險的。僅用夏比沖擊試驗進行材料驗收、評定焊接接頭的韌性，可能會在結構中留下安全隱患。因為在厚鋼板焊接接頭中取夏比沖擊試樣，采用的是“厚板薄取，分層取樣”方法。例如，對厚度為60mm～100mm的焊接接頭，GB2649-1989[4]規定沿厚度方向取三個試樣（10mm×10mm×55），這在本質上相當于先把厚鋼板焊接接頭中材料原本所處的三軸應力狀態轉變為平面應力狀態后，再來測韌性，所得的韌性結果自然會偏高較多。一個典型的例子是，“船體上的厚鋼板會發生90%以上結晶斷口的脆斷，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后發生完全纖維斷口的韌斷” [1]。另一個典型的例子是1950年，美國北極星導彈固體燃料發動機殼體在實驗發射時發生爆炸，所用的材料是屈服極限為1400MPa的超高強度鋼，按V型夏比沖擊試驗的結果卻是合格的[3]。
另外，夏比沖擊試驗的韌性值，不能直接與結構或構件的設計應力聯系起來，無法指導設計，不能用于進行結構的安全性分析。
比較起來，裂紋尖端張開位移試驗（CTOD試驗）取樣，按國際上通用的規范BS7448[5,6,7], 可以按實際厚度制作試樣（即全厚度試樣）。這樣，既保存了原結構（板厚）尺寸效應，又很好地模擬實際的焊接條件，所測得的韌性將比較準確，可靠。這是CTOD試驗優于夏比沖試驗的一個重要特點。
還有，CTOD試驗所得的值δ，可以與斷裂應力σ，斷裂尺寸a定量地聯系起來，因此可以運用斷裂力學理論和計算方法，來計算工程結構和構件中已知尺寸的裂紋失穩擴展斷裂所需的應力，可以指導設計，進行結構的安全性分析。
2.CTOD概念與試驗方法
CTOD
受載前(原始)裂紋 受載后裂紋
圖1 裂紋尖端張開位移
2.1 CTOD的概念
CTOD即裂紋尖端張開位移，是其英文名稱Crack Tip Opening Displacement 的首字母縮寫，指的是裂紋體受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開的相對距離[8]（如圖1）。 CTOD值的大小，反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力。在試驗中，把待測材料或焊接接頭做成帶有預制裂紋的試樣，加外載后，裂紋尖端處有一個張開位移CTOD值，可以被測定。CTOD值越大，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越好，即韌性越好；反之，CTOD值越小，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越差，即韌性越差。
2.2 CTOD試驗所用的主要儀器、設備
①微機控制高頻疲勞試驗機（或MTS試驗機、Instron試驗機；用于預制CTOD試樣的疲勞裂紋、二次疲勞）；
②微機控制電液伺服萬能試驗機（用于進行CTOD主體試驗，對試樣按一定加載速率進行加載）；
③X-Y函數記錄儀（在CTOD主體試驗中用來記錄載荷 裂紋嘴張開位移曲線）；
④動態應變儀（在CTOD主體試驗中用來放大所感受到的載荷信號和裂紋嘴張開位移信號）；
⑤引伸計檢定儀（用于標定引伸計的位移）；
⑥標準測力儀（用于標定載荷傳感器的載荷）；
⑦拉壓傳感器（將載荷信號轉換為電信號）；
⑧微機控制線切割機床（用于加工裂紋）；
⑨讀數顯微鏡（進行CTOD試樣的斷口測量）。
2．3試驗裝置的連接
CTOD試驗裝置連接示意圖如圖2所示。常溫CTOD試驗照片如圖3，低溫CTOD試驗裝置照片如圖4（文獻[8]推薦）。
拉壓傳感器
壓 頭
裂 紋
試 樣
動 態
應變儀
F-V 曲線
F
V
圖2 CTOD試驗裝置示意圖
圖3 常溫 CTOD 試驗照片
圖4 低溫 CTOD 試驗照片
2．4試驗主要步驟
試樣取樣加工
預制疲勞裂紋
加載，記錄F-V曲線，卸載
二次疲勞（或熱著色），壓斷試樣
斷口讀數測a0及Δa
計算特征CTOD值或擬合阻力曲線
試驗報告
載荷，位移測量系統標定
試驗主要步驟框圖如圖5。
圖5 CTOD試驗主要步驟
2．5 CTOD 值計算
用三點彎曲試樣，在試驗中測得有關數據后，可從下式計算CTOD 值［5］：
式中：δ為裂紋尖端張開位移(CTOD)；δe為 CTOD的彈性分量；δp為 CTOD的塑性分量；F為施加的載荷；S為三點彎曲試樣的跨度；B為試樣厚度；W為試樣寬度；μ為泊松比；E為彈性模量；ao為原始裂紋的平均長度［5］；f為三點彎曲情況下 (a0 /W)的函數；Vp為刀口間位移的塑性分量；σYS 為材料的屈服極限；Z為刀口厚度。
3.CTOD試驗的主要應用
下面的介紹主要針對厚鋼板（厚度≥50mm）及其焊接接頭。
3.1焊接工藝試驗評定
過程如下：先確定擬采用的焊接工藝PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification)，然后按PWPS焊接CTOD試板，制成試樣后，進行CTOD試驗。如試驗結果合格，則擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規范WPS（Welding Procedure Specification)；如試驗結果不合格，就修訂PWPS，再進行新一輪CTOD試驗。所謂合格與否，是將試驗得到的CTOD特征值δ與規定的焊接接頭CTOD允許值δmin進行比較，若δ≥δmin為合格，否則就不合格［9］。
CTOD
檢測評定
CTOD評定報告（CTOD PQR）
擬用焊接工藝
(PWPS）
編寫焊接工藝規范
(WPS）
按PWPS焊接試板
合格
δ≥δmin
3.2海洋平臺建造
如今，國內外對海洋鋼結構厚鋼板焊接接頭CTOD試驗有不少文獻報道，鋼板厚度各有不同。文獻「10」進行了52毫米厚EH36鋼板焊接接頭的CTOD試驗，文獻「11」進行了60毫米厚NVF36/Z鋼焊板接接頭的CTOD試驗，文獻「12」進行了63.5毫米厚2H(Cr50)鋼板焊接接頭的CTOD試驗，文獻「13」進行了75毫米厚DH36鋼板焊接接頭的CTOD試驗，文獻「14」進行了80毫米厚2W(Cr50)鋼板焊接接頭的CTOD試驗，文獻「15」報道了厚度為90毫米DH36鋼板的焊接接頭CTOD試驗, 更大厚度鋼板的焊接接頭CTOD試驗未見國內文獻報道。但在國外，早在2002年就有90毫米厚高強鋼鋼焊接接頭的CTOD試驗的報道「16」，
在海洋鋼制平臺中，焊接接頭（包括焊縫、熱影響區）CTOD韌性的允許值一般取δmin=0.25mm(0.01英寸)，也有的取δmin=0.15mm。
3.3 海上浮式生產儲油船（FPSO）的斷裂與安全性評估
國際上對FPSO斷裂與安全性評估中，應用了CTOD試驗技術「17」。但在國內FPSO的設計、建造領域，尚未查到這方面的文獻。這反映了國內外CTOD試驗技術應用廣度的不同。國外工業發達國家在制造業中廣泛應用CTOD試驗。例如NORSOK Standard《Structural Steel fabrication》[18]要求厚度超過50毫米的鋼板，其焊接接頭要做CTOD試驗。又如DET NORSKE VERITAS《Fabrication and Testing of offshore Structures》[19] 規定對屈服強度超過350MPa鋼板的焊接接頭，要做CTOD試驗。但是國內有關規范CTOD試驗要求不夠明確。這可能會影響FPSO的使用安全性。舉例來說，30萬噸FPSO模塊支墩上部分鋼板厚度達60mm、80mm甚至120mm，由于板厚，焊接缺欠（如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等等）比較容易發生。如果焊接接頭韌性較低（即抗開裂的能力較差），其中的焊接缺欠（類裂紋）在交變應力（由風載、慣性載荷等引起）作用下很容易擴展，模塊支墩的疲勞壽命就比較短。如果焊接接頭韌性較高，抵抗開裂的能力較強，焊接缺欠（類裂紋）就不容易擴展，模塊支墩就比較安全。因此，設計中應對模塊支墩焊接接頭CTOD韌性設定一個合理的允許值，建造中應對模塊支墩的焊接工藝進行CTOD試驗評定。目前，上海外高橋造船有限公司與武漢理工大學的合作項目“30萬噸FPSO模塊支墩焊接接頭CTOD試驗研究”正在進行中。
圖6 不同厚度的CTOD試樣
應當指出，焊后熱處理對焊接接頭韌性的作用，應作具體分析。著名焊接專家D.拉達伊[20]在談消除應力退火問題時說過：“為避免在構件表面與內部之間產生過大的溫度差，加熱與冷卻均須緩慢進行，否則由此而生的熱應力可能會引發裂紋，殘余應力的預期下降也會因產生了新的殘余應力及變形而受到影響”�？梢�，第一，若加熱與冷控制不當，會在構件表面與內部之間產生較大的溫度差，從而會產生新的熱應力，這種新的熱應力可能會引發裂紋。第二，構件表面與內部之間的溫度差會產生新的殘余應力及變形。因此，對厚鋼板焊接接頭來說，由于鋼板厚度大，熱處理時間、溫度、加熱速率和冷卻速率等難于選擇和控制，這容易使得焊接接頭表面與內部之間產生較大的溫差，會產生新的熱應力和殘余應力，甚至引發裂紋。文獻「21」明確指出：高強度鋼焊后熱處理所得接頭的韌性值大多數是比未處理狀態要低。
因此，對厚鋼板焊接接頭來說，更為可取的方法是通過選擇恰當的焊接材料、焊接方法，調整優化焊接工藝，并運用CTOD試驗技術，來保證焊接接頭的韌性，以免除焊后熱處理工序。這樣，可以同時兼顧焊接結構的安全性和建造施工的經濟性。照片6是不同厚度的厚鋼板及其焊接接頭的CTOD試樣（板厚分別為50mm、65mm、70mm、80mm、90mm）。
3.4 鋼箱梁建造
國內公路橋梁（斜拉橋、懸索橋等）已較多使用鋼箱梁[22]，但是運用CTOD試驗技術評定鋼箱梁焊接工藝的，只是在港深西部通道后海灣大橋（圖7）的建造中[23，24]。由于后海灣大橋的營運車輛中大型貨柜集裝箱車占85%以上，其車輛的重量等級高于國內其他橋梁。因此，鋼箱梁（圖8）所用鋼板厚度（65mm、95mm厚）及建造難度，為國內同類鋼箱梁之最，其焊接接頭韌性的評定和控制，成為整個西部通道項目的技術難點和關鍵技術問題。
圖7 港深西部通道跨海大橋
圖8跨海大橋鋼箱梁
文獻「23」「24」「25」以鋼箱梁中腹板焊縫和熱影響區的韌性控制為目標，對6項焊接工藝的39個CTOD試樣，分別進行了常溫（15oC）和低溫（-20 oC）的CTOD試驗，確認了自動埋弧焊工藝（WPS017）可以在鋼箱梁制作和現場拼裝中直接使用。手工電弧焊工藝（WPS016）CTOD試驗評定不合格，經過對CTOD試樣斷口的掃描電子顯微鏡觀察分析，發現在焊縫內部存在冷裂紋,這是焊接接頭韌性不足的主要原因，經過調整焊接電流、焊接電壓，選擇焊接線能量來優化焊接工藝（PWS016A），改善了焊接接頭韌性，最終完成了鋼箱梁的焊接建造和工地焊接拼裝，取得了良好的經濟效益和社會效益。
3.5 厚鋼板的工廠認證和產品認證
世界能源已經進入了海上油氣時代，開發海上油氣的大型海洋鋼結構要求厚鋼板同時具有高的強度、良好的韌性，許多國家在大力研究開發高強度高韌性的海洋結構用鋼 TMCP鋼（Thermo-Mechanical Control Process,控制軋制和控制冷卻，簡稱控軋控冷鋼）。文獻表明，國際上TMCP鋼的厚鋼板的韌性，一般是通過全厚度斷裂韌性試樣的CTOD值來表征的[26,27,28]，如歐洲標準“固定式海洋結構物焊接結構鋼(交貨技術條件)「29」”規定對厚度為100-150mm的鋼板母材，要做CTOD試驗。為實現我國成為造船大國造船強國的目標，國內鋼鐵行業也在研發高強度高韌性的海洋結構TMCP鋼，為使TMCP厚鋼板及其產品 船舶和海洋平臺打入國際市場，需要經過國際上船級社的認證。在鞍山鋼鐵公司進行船板九國船級社（ABS、BV、 CCS、DNV、GL、KR、LR、RINA、NK）認證工作中，武漢理工大學承擔了CTOD試驗認證工作，依據英國CTOD試驗標準BS7448,對五個鋼級（FH460、FH550、E、FH40、FH32）厚度為100mm和80mm的25個試樣，進行了低溫（-10oC）CTOD試驗，取得了CTOD試驗的成功，九國船級社的一致認可，保證了整個認證工作的圓滿完成，產生了良好的國際影響。為我國船板和海洋平臺板打入國際市場，進一步振興我國鋼鐵工業，作出了重要貢獻。
4.厚鋼板CTOD試驗主要特點
表1 CTOD試驗與沖擊試驗的比較
序 號 CTOD試驗 沖擊試驗 附 注
1 試樣全厚度取樣，保持了平面應變狀態，較好地模擬實際焊接接頭的焊接條件。試驗結果較為準確可靠。 取樣是“厚板薄取，分層取樣”，未能保持原平面應變狀態，殘余應力釋放較多。試驗結果如直接應用，偏于危險。 對厚鋼板及焊接接頭，此問題很突出
2 試驗結果所得的CTOD值，可與斷裂應力σ，裂紋尺寸a定量聯系，從而應用斷裂理論，計算結構和構件中已知尺寸的裂紋失穩擴展斷裂所需的應力,可以指導設計，進行結構的安全性分析。 沖擊試驗值，不能直接與結構或構件的設計應力聯系起來，無法指導設計，也不能用于進行結構的安全性分析。
3 CTOD值表示材料抵抗開裂的能力。 沖擊試驗目前尚不能很好地把“開裂”與“擴展”區分開，概念模糊。
4 CTOD試驗可以調節加載速度，以模擬實際結構構件的破壞過程。 沖擊試驗是一次沖擊、瞬間完成試驗，與結構、構件中裂紋開裂、擴展過程不符合。
5 CTOD試驗采用疲勞預制裂紋技術，其試樣的裂紋較好地模擬了自然裂紋。 沖擊試樣采用機械切口，不能模擬自然裂紋。
表1 從與沖擊試驗的對比說明了CTOD試驗的主要特點。而從斷裂力學的角度來看，KⅠC試驗只適用于線彈性和小范圍屈服，JⅠC試驗適用于彈塑性和大范圍屈服，不能用于全面屈服，只有CTOD試驗能夠用于彈塑性、大范圍屈服、全面屈服，具有最廣的適用范圍，限于篇幅，這里不展開討論。
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