裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究 裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究

孙洋洋 孔维拯

(中建钢构有限公司北方大区设计分院， 天津 300000)

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。

图1 SINTAP失效评定

由图1可知，如果评定点(Lr, Kr)在曲线内部，则结构是安全的，反之，则结构不安全。自20世纪80年代始，断裂力学的不断完善与发展，促使世界各国逐渐制定了基于“合于使用”原则的缺陷评估方法，且其大多数采用的是FAD方法。这种方便易行的失效评估方法，囊括了从钢结构材料脆断到塑性崩溃的所有范围。FAD图的Y轴表征的是结构的抗开裂能，即对脆性断裂的阻力，X轴表征的是缺陷结构的启裂能力[3]。由此可见，任一个评定点的位置，是由外部荷载条件、缺陷裂纹尺寸及材料本身力学性能所确定的，即是对应的函数关系。

对于SINTAP规范等级划分问题，由于篇幅限制，本文只根据所需内容着重介绍SINTAP三级评定。这个评定方法需要通过试验得出材料的全应力-应变曲线，本文只介绍焊缝和母材强度基本匹配时的情况。其断裂线定义为：

(1a)

(1b)

其中 σref=σyLr

式中：σref为真实应力；εref为真实应变，为材料真应力-应变曲线中σref对应的应变值；Lr为载荷比；

为断裂比率因子，表征的是在对应载荷比下材料的抗裂能力。

对材料缺陷进行评估时，由于本文研究过程中，以CTOD值为断裂韧性判据，所以采用下列方程进行分析：

(2a)

(2b)

式中：δI为断裂韧性参量；δu为试验CTOD值；ρ为与裂纹尺寸有关的计算参数；KI为应力强度因子；σy为屈服强度；σmax为极限抗拉强度。

2 CTOD试验及结果

在高频疲劳实验机下预制疲劳裂纹，为模拟自然裂纹，选择常温环境。采用的方法是高K比法[4]，以达到保持疲劳裂纹平直度的目的。主题试验的主要过程如下[5]：1)荷载(F)-位移(v)的标定(试验前)；2)放置试样，并且确定F-v坐标定位原点；3)加入荷载同时绘制F-v曲线(自动)，完成后卸载; 4)再次对荷载-位移进行标定 ( 试验后); 5) 判断其是否需要二次疲劳，如果需要，则进行二次疲劳试验，否则，直接压断；6)用工程显微镜观测断口并测量记录原始裂纹长度a0及裂纹扩展量a; 7)对试验测量数据结合断口做有效性检验。注意：试验过程中始终把试样温度控制在-10±1 ℃。

根据试验数据，CTOD值δ由下式计算：

(3a)

(3b)

式中：δe、δp分别表示CTOD的弹性、塑性分量；F为施加荷载；S为试样跨度；B为试样厚度；W为试样宽度；μ为泊松比；E为弹性模量；a0为原始裂纹平均长度;σys为材料的屈服极限强度；Vp为刀口间位移的塑性分量；rp为旋转因子；Z为刀口厚度。

根据试验数据及式(3)，其结果如表1所示。

表1 EQ70(38 mm)的CTOD试验结果(-10 ℃)

工艺参数裂纹位置序号B/mmW/mma0/mmδu/mm有效性A焊缝中心热影响区126.0352.0326.3640.090有效225.9952.0227.0260.137有效326.0452.0426.3600.122有效126.0452.0226.7020.099有效226.0052.0426.1670.127有效326.0152.0326.9340.094有效B焊缝中心热影响区129.9959.9630.1560.243有效230.0960.0129.8230.222有效330.0959.9029.9900.192有效130.0760.0029.5700.097有效230.0460.0030.0380.122有效330.0060.0330.2920.094有效

为安全起见，本次缺陷评估过程中，选取工艺A的EQ70(38 mm)焊缝中心处的CTOD最小值作为断裂韧度参数，即δu=0.090。

3 失效评定过程及结果

3.1 失效评定图的建立

本文用笔者开发的软件，基于SINTAP准则的3级评定标准，对EQ70(38 mm)钢板材料的焊缝中心进行缺陷评估。

由于篇幅限制，对失效评定图的边界线以及失效评定曲线的确定不做详述。

首先启动该程序，进入评定级别的选择界面。单击“三级评定”按钮，选择SINTAP三级评定标准对该批材料进行缺陷评估，如图2所示。

图2 等级选择界面

此时会出现“弹性模量”、“屈服强度”输入框以及应力应变“浏览”按钮界面。在弹性模量输入框内输入215 500 MPa，在屈服强度输入框内输入728.8 MPa，单击“浏览”按钮，导入应力、应变数据，此时会出现该批材料的失效评定曲线(FAD)，如图3所示。

图3 失效评定曲线

3.2 缺陷评估结果

在“断裂韧度”输入框内输入0.09，在“载荷比”输入框内输入1，在“强度因子”输入框内输入671.33。单击“分析载荷”按钮，得到如图4所示的失效评估结果。

图4 失效评估结果

图4中，纵坐标为

表征的是结构的抗开裂能力，即对脆性断裂的阻力，横坐标为载荷比Lr，即应力应变曲线中真应力σref与屈服应力σy的比值，表征的是缺陷结构的启裂能力。可知

其断裂韧性评定点在失效评定曲线内，材料合格。

4 环境CTOD允许值概念的提出

综上所述，本文提出“环境CTOD允许值”概念。所谓环境CTOD允许值，即在对焊接材料作CTOD评定时，不能只考虑其本身的性能，还要结合其具体的使用环境，对CTOD允许值进行适当调整。即：同种材料，不同的服役环境，CTOD允许值是不同的。这样既保证了结构的安全，也把结构的安全裕度控制在一个合理的范围内，同时可降低成本，节约资源。

就结构的安全性而言，给出的CTOD允许值越大，则满足条件的结构越安全。但是这样取值的结果就是造成的安全裕度过大，不免产生材料的浪费，尤其对于海上用钢。如此巨大的资源浪费，不仅会大量增加成本，而且会增加环境负荷。

因此，在保证结构安全的前提下，尽可能地节约成本，避免无谓的资源浪费，同样是值得重视的问题。国内外有关规范由于受服役环境的限制，偏重于考虑焊接材料的焊接工艺及材料本身性能，给出的CTOD允许值偏于保守，对焊接材料的验收增加了压力。本文就此问题，结合SINTAP规范[6]，考虑服役环境，得出该批试样的CTOD允许值。

根据对EQ70(38 mm)焊缝的焊接缺陷失效评定结果，得出评定点的坐标及相关参数，如表2所示。

表2 EQ70(38 mm)钢板焊接材料评定结果

工艺参数取样位置试样型号B/mmδI/mmδmatδrf(Lr=1)A焊缝中心EQ7026.040.00280.0900.1760.192

由此做一个假设，先抛开CTOD试验数据，根据失效评定图反求出其极限坐标点下的断裂韧度比的值，令ρ=0，从而有：

(4)

式中：δmin即为CTOD允许值。

由图4可知：

δrs=f(Lr=1)=0.192

式中：δrs为Lr=1对应的断裂韧度比的平方。

此时由式(4)得出：

(5)

由此可见，试样EQ70(38 mm)的CTOD允许值为0.076。而挪威船级社DNV-OS-C401-2008规定允许值为0.15 mm，美国石油协会APIRP 2Z规定试验研究中CTOD值为0.13 mm，均大于本文得出的CTOD允许值。

分析原因如下：

用弹性阶段时的计算式求出的真应力-应变有误差，如果用单试样拍照法求得真应力-真应变曲线，照片显示值会大于算式换算值，得到的失效评定曲线中的断裂韧度比会减小，即所得CTOD允许值比本方法所得CTOD允许值偏大,所以应该对结果进行修正，但不管怎么修正，误差范围不会超过10%，因此该批焊接材料CTOD允许值小于规范所给出的CTOD允许值。

本文中的CTOD试验采用局部压缩法保证疲劳裂纹前沿平直度，使得试验本身保守程度较高，即试验CTOD数据本身安全裕度就很大。另外，本文取评定点横坐标，就实际情况来说是小于1的。因为横坐标为实际载荷与引起塑性失稳载荷的比值，当实际载荷达到失稳载荷时，结构很可能已经破坏了。由FAD图可以看出，此时实际的断裂韧度比稍微大于本文求得的断裂韧度比。从而实际CTOD允许值比结合本方法求得的CTOD允许值还要小。这更充分地证明了“环境CTOD允许值”的必要性。

5 环境CTOD允许值算式的导出

结合SINTAP规范，FAD图曲线上的点为极限点，即在对应载荷比下，随着材料实际CTOD值的减小，其断裂韧度比不断增大，当评定点落在极限曲线上时，所对应CTOD值即为CTOD允许值。因为当实际CTOD值继续减小时，其评定点会落在失效评定图之外，材料就不合格。

基于此，结合SINTAP规范，令：

(6)

此时，便可得到:

δmin=δI/[f(Lr)-ρ]2

(7)

又结合式(2b),可得：

(8)

令

有：

(9)

式中：H为环境参数，与材料实际服役环境有关，而且在知道其实际受力的情况下，可以明确计算出结果；X为应力参数，与材料本身力学性能有关；K为材料应力强度因子，与材料本身力学性能及缺陷裂纹尺寸有关，亦可根据实际环境得出结果。由此可见，对于一种焊接材料，根据其服役环境是可以明确得出其CTOD允许值的，这也进一步说明了环境CTOD允许值的可行性。此算式可以说明以下几点：

1)H作为上述算式的环境参数，是由载荷比与评估标准确定的。即随着实际载荷的增大,CTOD允许值也会随之增大。随着评估标准的升级，CTOD允许值会随之减小。可见，CTOD允许值与环境有明确关系，对其进行考虑时，不能局限于材料本身力学特性；SINTAP准则中，高等级的评估可以降低评估保守性。

2)K作为上述算式的材料参数，与CTOD允许值也有明确关系。焊接缺陷裂纹尺寸与残余应力对CTOD允许值有显著影响，且进一步证明了材料韧性与强度的反相关性。因此，对于焊接材料，其焊接工艺的好坏，不仅对材料本身断裂韧性有很大影响，更影响了材料的使用范围。

6 结束语

1)就材料的断裂韧性而言，该批材料安全裕度不高，如果用于大型项目，应慎重考虑。

2)国内外CTOD试验规范对CTOD允许值的描述，一定程度上局限于材料本身力学性能，只根据试验算式定性地给出CTOD允许值，不符合“合于使用”原则。

3)式(9)定量地对CTOD允许值进行描述，明确了CTOD允许值与材料服役环境及本身力学性能的关系，既可以确保结构安全，又避免了不必要的浪费，符合“合于使用”原则。

参考文献：

[1] 苗张木，陶德馨，杨荣英，等. 焊接接头韧度CTOD评定的适用性与允许值研究[J].机械强度，2006,28(1)：150-154.

[2] Peter. Pro SINTAP:a Probabilistic Program Implementing the SINTAP Assessment Procedure[J]. Engineering Fracture Mechanics,2000,67(6): 647-668.

[3] 孙洋洋，苗张木, 苗婷，等. 海底管线钢焊接缺陷裂纹尺寸容许值研究[J].力学季刊，2014(1):164-169.

[4] 苗张木, 陶德馨, 吴卫国. 厚钢板焊缝断裂试样疲劳裂纹预制的“高K比法”[J]. 实验力学,2006, 21(3): 345-350.

[5] British Standard Institution.BS7448:Part1:Method for Determination of KIC, Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials[S]. London: British Standard Institution, 1991.

[6] SINTAP Structure Integrity Assessment Procedure for European Industry Project BE95-1426[S].1999.

RESEARCH OF CTOD ALLOWABLE VALUE

Sun Yangyang Kong Weizheng

(The Northern District of China Construction Steel Structure Corp.Ltd, Tianjin 300000, China)

ABSTRACT：The descriptions of CTOD allowable values in relevant specifications always focused on the mechanical properties of the material itself, to some extent, the service environmental factors were ignored, which resulting in conservative CTOD allowable values. Through the defect assessment of EQ70 (38 mm) series of steel, the verified results showed that if environmental factors was taken into account, conservative factor would be decreased. Based on SINTAP standards, a quantitative formula for CTOD allowable value was proposed through the further analysis of CTOD allowable value. This paper provided the basis for acceptance and rejection of materials and a reference for engineering practice.

KEY WORDS：CTOD allowable value; conservative factor; defect assessment; SINTAP

第一作者：孙洋洋，男，1986年出生，硕士。

Email：[email protected]

收稿日期：2014-11-15

DOI：10.13206/j.gjg201508007

裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究 裂纹尖端张开位移(CTOD)允许值研究

孙洋洋 孔维拯

(中建钢构有限公司北方大区设计分院， 天津 300000)

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。

图1 SINTAP失效评定

由图1可知，如果评定点(Lr, Kr)在曲线内部，则结构是安全的，反之，则结构不安全。自20世纪80年代始，断裂力学的不断完善与发展，促使世界各国逐渐制定了基于“合于使用”原则的缺陷评估方法，且其大多数采用的是FAD方法。这种方便易行的失效评估方法，囊括了从钢结构材料脆断到塑性崩溃的所有范围。FAD图的Y轴表征的是结构的抗开裂能，即对脆性断裂的阻力，X轴表征的是缺陷结构的启裂能力[3]。由此可见，任一个评定点的位置，是由外部荷载条件、缺陷裂纹尺寸及材料本身力学性能所确定的，即是对应的函数关系。

对于SINTAP规范等级划分问题，由于篇幅限制，本文只根据所需内容着重介绍SINTAP三级评定。这个评定方法需要通过试验得出材料的全应力-应变曲线，本文只介绍焊缝和母材强度基本匹配时的情况。其断裂线定义为：

(1a)

(1b)

其中 σref=σyLr

式中：σref为真实应力；εref为真实应变，为材料真应力-应变曲线中σref对应的应变值；Lr为载荷比；

为断裂比率因子，表征的是在对应载荷比下材料的抗裂能力。

对材料缺陷进行评估时，由于本文研究过程中，以CTOD值为断裂韧性判据，所以采用下列方程进行分析：

(2a)

(2b)

式中：δI为断裂韧性参量；δu为试验CTOD值；ρ为与裂纹尺寸有关的计算参数；KI为应力强度因子；σy为屈服强度；σmax为极限抗拉强度。

2 CTOD试验及结果

在高频疲劳实验机下预制疲劳裂纹，为模拟自然裂纹，选择常温环境。采用的方法是高K比法[4]，以达到保持疲劳裂纹平直度的目的。主题试验的主要过程如下[5]：1)荷载(F)-位移(v)的标定(试验前)；2)放置试样，并且确定F-v坐标定位原点；3)加入荷载同时绘制F-v曲线(自动)，完成后卸载; 4)再次对荷载-位移进行标定 ( 试验后); 5) 判断其是否需要二次疲劳，如果需要，则进行二次疲劳试验，否则，直接压断；6)用工程显微镜观测断口并测量记录原始裂纹长度a0及裂纹扩展量a; 7)对试验测量数据结合断口做有效性检验。注意：试验过程中始终把试样温度控制在-10±1 ℃。

根据试验数据，CTOD值δ由下式计算：

(3a)

(3b)

式中：δe、δp分别表示CTOD的弹性、塑性分量；F为施加荷载；S为试样跨度；B为试样厚度；W为试样宽度；μ为泊松比；E为弹性模量；a0为原始裂纹平均长度;σys为材料的屈服极限强度；Vp为刀口间位移的塑性分量；rp为旋转因子；Z为刀口厚度。

根据试验数据及式(3)，其结果如表1所示。

表1 EQ70(38 mm)的CTOD试验结果(-10 ℃)

工艺参数裂纹位置序号B/mmW/mma0/mmδu/mm有效性A焊缝中心热影响区126.0352.0326.3640.090有效225.9952.0227.0260.137有效326.0452.0426.3600.122有效126.0452.0226.7020.099有效226.0052.0426.1670.127有效326.0152.0326.9340.094有效B焊缝中心热影响区129.9959.9630.1560.243有效230.0960.0129.8230.222有效330.0959.9029.9900.192有效130.0760.0029.5700.097有效230.0460.0030.0380.122有效330.0060.0330.2920.094有效

为安全起见，本次缺陷评估过程中，选取工艺A的EQ70(38 mm)焊缝中心处的CTOD最小值作为断裂韧度参数，即δu=0.090。

3 失效评定过程及结果

3.1 失效评定图的建立

本文用笔者开发的软件，基于SINTAP准则的3级评定标准，对EQ70(38 mm)钢板材料的焊缝中心进行缺陷评估。

由于篇幅限制，对失效评定图的边界线以及失效评定曲线的确定不做详述。

首先启动该程序，进入评定级别的选择界面。单击“三级评定”按钮，选择SINTAP三级评定标准对该批材料进行缺陷评估，如图2所示。

图2 等级选择界面

此时会出现“弹性模量”、“屈服强度”输入框以及应力应变“浏览”按钮界面。在弹性模量输入框内输入215 500 MPa，在屈服强度输入框内输入728.8 MPa，单击“浏览”按钮，导入应力、应变数据，此时会出现该批材料的失效评定曲线(FAD)，如图3所示。

图3 失效评定曲线

3.2 缺陷评估结果

在“断裂韧度”输入框内输入0.09，在“载荷比”输入框内输入1，在“强度因子”输入框内输入671.33。单击“分析载荷”按钮，得到如图4所示的失效评估结果。

图4 失效评估结果

图4中，纵坐标为

表征的是结构的抗开裂能力，即对脆性断裂的阻力，横坐标为载荷比Lr，即应力应变曲线中真应力σref与屈服应力σy的比值，表征的是缺陷结构的启裂能力。可知

其断裂韧性评定点在失效评定曲线内，材料合格。

4 环境CTOD允许值概念的提出

综上所述，本文提出“环境CTOD允许值”概念。所谓环境CTOD允许值，即在对焊接材料作CTOD评定时，不能只考虑其本身的性能，还要结合其具体的使用环境，对CTOD允许值进行适当调整。即：同种材料，不同的服役环境，CTOD允许值是不同的。这样既保证了结构的安全，也把结构的安全裕度控制在一个合理的范围内，同时可降低成本，节约资源。

就结构的安全性而言，给出的CTOD允许值越大，则满足条件的结构越安全。但是这样取值的结果就是造成的安全裕度过大，不免产生材料的浪费，尤其对于海上用钢。如此巨大的资源浪费，不仅会大量增加成本，而且会增加环境负荷。

因此，在保证结构安全的前提下，尽可能地节约成本，避免无谓的资源浪费，同样是值得重视的问题。国内外有关规范由于受服役环境的限制，偏重于考虑焊接材料的焊接工艺及材料本身性能，给出的CTOD允许值偏于保守，对焊接材料的验收增加了压力。本文就此问题，结合SINTAP规范[6]，考虑服役环境，得出该批试样的CTOD允许值。

根据对EQ70(38 mm)焊缝的焊接缺陷失效评定结果，得出评定点的坐标及相关参数，如表2所示。

表2 EQ70(38 mm)钢板焊接材料评定结果

工艺参数取样位置试样型号B/mmδI/mmδmatδrf(Lr=1)A焊缝中心EQ7026.040.00280.0900.1760.192

由此做一个假设，先抛开CTOD试验数据，根据失效评定图反求出其极限坐标点下的断裂韧度比的值，令ρ=0，从而有：

(4)

式中：δmin即为CTOD允许值。

由图4可知：

δrs=f(Lr=1)=0.192

式中：δrs为Lr=1对应的断裂韧度比的平方。

此时由式(4)得出：

(5)

由此可见，试样EQ70(38 mm)的CTOD允许值为0.076。而挪威船级社DNV-OS-C401-2008规定允许值为0.15 mm，美国石油协会APIRP 2Z规定试验研究中CTOD值为0.13 mm，均大于本文得出的CTOD允许值。

分析原因如下：

用弹性阶段时的计算式求出的真应力-应变有误差，如果用单试样拍照法求得真应力-真应变曲线，照片显示值会大于算式换算值，得到的失效评定曲线中的断裂韧度比会减小，即所得CTOD允许值比本方法所得CTOD允许值偏大,所以应该对结果进行修正，但不管怎么修正，误差范围不会超过10%，因此该批焊接材料CTOD允许值小于规范所给出的CTOD允许值。

本文中的CTOD试验采用局部压缩法保证疲劳裂纹前沿平直度，使得试验本身保守程度较高，即试验CTOD数据本身安全裕度就很大。另外，本文取评定点横坐标，就实际情况来说是小于1的。因为横坐标为实际载荷与引起塑性失稳载荷的比值，当实际载荷达到失稳载荷时，结构很可能已经破坏了。由FAD图可以看出，此时实际的断裂韧度比稍微大于本文求得的断裂韧度比。从而实际CTOD允许值比结合本方法求得的CTOD允许值还要小。这更充分地证明了“环境CTOD允许值”的必要性。

5 环境CTOD允许值算式的导出

结合SINTAP规范，FAD图曲线上的点为极限点，即在对应载荷比下，随着材料实际CTOD值的减小，其断裂韧度比不断增大，当评定点落在极限曲线上时，所对应CTOD值即为CTOD允许值。因为当实际CTOD值继续减小时，其评定点会落在失效评定图之外，材料就不合格。

基于此，结合SINTAP规范，令：

(6)

此时，便可得到:

δmin=δI/[f(Lr)-ρ]2

(7)

又结合式(2b),可得：

(8)

令

有：

(9)

式中：H为环境参数，与材料实际服役环境有关，而且在知道其实际受力的情况下，可以明确计算出结果；X为应力参数，与材料本身力学性能有关；K为材料应力强度因子，与材料本身力学性能及缺陷裂纹尺寸有关，亦可根据实际环境得出结果。由此可见，对于一种焊接材料，根据其服役环境是可以明确得出其CTOD允许值的，这也进一步说明了环境CTOD允许值的可行性。此算式可以说明以下几点：

1)H作为上述算式的环境参数，是由载荷比与评估标准确定的。即随着实际载荷的增大,CTOD允许值也会随之增大。随着评估标准的升级，CTOD允许值会随之减小。可见，CTOD允许值与环境有明确关系，对其进行考虑时，不能局限于材料本身力学特性；SINTAP准则中，高等级的评估可以降低评估保守性。

2)K作为上述算式的材料参数，与CTOD允许值也有明确关系。焊接缺陷裂纹尺寸与残余应力对CTOD允许值有显著影响，且进一步证明了材料韧性与强度的反相关性。因此，对于焊接材料，其焊接工艺的好坏，不仅对材料本身断裂韧性有很大影响，更影响了材料的使用范围。

6 结束语

1)就材料的断裂韧性而言，该批材料安全裕度不高，如果用于大型项目，应慎重考虑。

2)国内外CTOD试验规范对CTOD允许值的描述，一定程度上局限于材料本身力学性能，只根据试验算式定性地给出CTOD允许值，不符合“合于使用”原则。

3)式(9)定量地对CTOD允许值进行描述，明确了CTOD允许值与材料服役环境及本身力学性能的关系，既可以确保结构安全，又避免了不必要的浪费，符合“合于使用”原则。

参考文献：

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RESEARCH OF CTOD ALLOWABLE VALUE

Sun Yangyang Kong Weizheng

(The Northern District of China Construction Steel Structure Corp.Ltd, Tianjin 300000, China)

ABSTRACT：The descriptions of CTOD allowable values in relevant specifications always focused on the mechanical properties of the material itself, to some extent, the service environmental factors were ignored, which resulting in conservative CTOD allowable values. Through the defect assessment of EQ70 (38 mm) series of steel, the verified results showed that if environmental factors was taken into account, conservative factor would be decreased. Based on SINTAP standards, a quantitative formula for CTOD allowable value was proposed through the further analysis of CTOD allowable value. This paper provided the basis for acceptance and rejection of materials and a reference for engineering practice.

KEY WORDS：CTOD allowable value; conservative factor; defect assessment; SINTAP

第一作者：孙洋洋，男，1986年出生，硕士。

Email：[email protected]

收稿日期：2014-11-15

DOI：10.13206/j.gjg201508007