摘要：对新研发的TMCP钢E40一Z35厚钢板进行了低温CTOD试验，结果表明其具有良好的低温韧性。讨论了TMCP钢国际船级社认证中进行CTOD试验的相关问题：包括试验规范的选择、试验温度的确定和试验结果的评价等，同时介绍了CTOD的概念、试验方法、试验过程及其检验试验结果有效性的方法。

关键词：TMCP钢；厚钢板；CTOD试验；低温韧性

1  引言

    随着海洋石油开发不断向寒冷海域和深海发展，海洋平台、导管架、浮式生产储油船等对所用钢材提出了更高的要求。而采用TMCP工艺生产的厚钢板能同时具备较高的强度和良好的低温韧性。因此，目前国内一些钢厂正在研究开发TMCP厚钢板。但在对该类厚钢板进行多国船级社认证时，往往被要求进行CTOD(裂纹尖端张开位移)韧性试验。

    CTOD是指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处两表面所张开的相对距离，见图1。

CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。试验中，把待测材料做成带有预制裂纹的试样，加载后，裂纹尖端处有一个张开位移CTOD值，可被测定。其值越大，表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越好，即韧性越好。

近年来，鞍钢新轧钢股份有限公司FH40(厚l00mm)、FH550(厚100mm)等5个钢级厚板、济南钢铁股份有限公司E40一Z35和E36一Z35等2个钢级厚板、新余钢铁有限责任公司E40-Z35厚板在进行多国船级社认证时，委托武汉理工大学进行了CTOD试验，并取得成功。 

 2  CTOD试验前的准备   

以新余钢铁有限责任公司采用TMCP工艺研究开发的E40一Z35厚板进行试验。该厚板生产依据中国船级社的“材料与焊接规范”，化学成分按GB712—2000要求设计，见表1，其最大碳当量为0．37％。板厚为60mm。主要力学性能σ_s=420MPa，σ_b=560MPa，E=204GPa，ν=0．286，δ₅=32％。

    试样的截取、制备按规范NS Enl0225—2001和BS7448—1进行。截取试样的方向和裂纹位置如图2所示。由于同一种材料，不同厚度的试样测得的CTOD值不尽相同，厚度越大，CTOD值越小。因此，为使CTOD值能准确反映钢板的整体韧性，试样厚度应尽可能接近原始钢板厚度。对于厚60mm钢板，除去加工余量后，试样厚度为52mm。

    试样平行度、垂直度、表面光洁度及疲劳裂纹预制等均按相关规范要求进行,先平面磨削，再用线切割截取切口，然后在PLG--200型高频疲劳试验机上预制疲劳裂纹。取应力比R=0．1。

3  CTOD试验

3．1试验主要仪器及设备

    CTOD试验采用的仪器、设备主要有：WAW一1000B型计算机控制电液伺服万能试验机(1000kN)；JXG一200型计算机控制高频疲劳试验机(2 00kN)；LZ38—204函数记录仪；YD—15D动态应变仪；YB型引伸计检定仪；EA一1000A型标准测力仪(1000kN)；BLR一1型拉压传感器；JCD3读数显微镜等。

3．2试验过程

    试验主要步骤如下：试验前对载荷、位移测量系统进行标定；放入试样后确定F-V曲线斜率；加载、记录F-V曲线、卸载；对试验后载荷、位移进行标定；二次疲劳、压断试样；断口读数测量a_o及a；对数据和断口进行有效性检验。根据试验中测得数据，按下式计算CTOD值：

式中，δ为裂纹尖端张开位移(CTOD)；F为施加的载荷；S为三点弯曲试样的跨度；B为试样厚度；W为试样宽度；v为泊松比；E为弹性模量；a_o为原始裂纹长度；f为三点弯曲试样(a_o/w)的函数；V_p为裂纹嘴张开位移的塑性分量；以为材料的屈服强度；Z为刀口厚度。

    试验中首先将CTOD试样放入低温保存箱，在一20℃下保存2h以上，使试样内外温度均匀一致。待载荷和位移测量系统标定后，调整试验机上的夹具和支座。将从低温箱中取出的试样安装到位。然后向低温槽注入无水酒精，浸没试样，继续用干冰冷却。在整个加载记录F—V曲线过程中，低温槽内的介质温度应一直保持－20℃。

3．3试验结果和有效性检验

有效试样主要尺寸和特征CTOD值见表2。

    表3示出试样有效性的检验结果。其中(Δa)_f表示断口9条测量线上测得的疲劳预制裂纹扩展量的最小值，其不能小于2．5％W=2．5％×104=2．6mm。a_o/W是原始裂纹长度与试样宽度之比，必须满足0．45<a_o/W<0．55。a_omax和a_omin分别是试样断口裂纹长度9个测量值中的最大、最小值，必须满足(a_omax一a_omin)／a_o<10％。

4结果与讨论

    从表2可见．E40—Z35钢板的CTOD值较大。另外，断口呈现韧性断裂，这表明E40—Z35厚钢板具有良好的低温韧性，能较好地满足海洋平台和船舶关键结构要求，可用于建造一般船舶和海洋结构物。

    国际上在进行船板的制造认可时，除进行常规冲击试验外，往往还做CTOD试验，并在有关规范中规定了CTOD试验的细则。而中国船级社“船体结构钢认可指南”中，虽把CTOD试验列为认可试验之一，但却未给出具体细则。

    因此，在船板制造认可过程中进行CTOD试验时，下列问题需由钢厂、相关船级社和CTOD试验单位协商研究并取得一致意见。

4。1  CTOD试验规范问题

    英国CTOD试验规范BS7448中有3个不同部分：BS7448：Partl：1991用来测金属材料CTOD特征值；BS7448：Part2：1997用来测金属材料焊接接头CTOD特征值；BS7448：Part4：1997用来测金属材料CTOD阻力曲线。美国CTOD试验规范最新版本有ASTM E1290—2002。我国国家标准GB/T2358—1994用于测金属材料CTOD特征值和CTOD阻力曲线。鉴于目前国际上船舶与海洋工程界所用的钢结构建造规范中，在涉及CTOD试验内容时，多采用BS7448，因此建议在我国船板制造认可中进行CTOD试验时，也采用英国规范BS7448。

4．2 CTOD试验温度问题

    中国船级社“材料与焊接规范”中，按照高强度船体结构钢的等级规定了冲击试验的温度，A、D、E、F级钢分别为0、一20、一40、一60℃，但未规定做CTOD试验。

    文献[8]指出：钢材出厂的缺口冲击试验温度只是质量管理上的质量分级，并非用该钢材制造钢结构的最低容许使用温度。冲击试验温度越低，或冲击吸收功(韧性)越大，表明钢材的韧性质量越高，可容许使用的温度越低。不应把试验温度理解为使用温度。这种解释也适用于CTOD试验温度。

    欧洲规范NS—ENl0225—2001给出100～1 50mm厚板的CTOD试验温度为一10℃，其冲击试验温度最低为一40℃；文献[6]中屈服强度为552MPa TMCP钢(板厚76．2mm)的CTOD试验温度为一30℃，其转变温度为一11 7℃。由此作参考：CTOD试验温度可高于相应的冲击试验温度。因此E40—Z35钢冲击试验温度最低达一60℃，而CTOD试验温度选为一20℃。

4．3 CTOD试验结果评价问题

    (1)CTOD试验允许值δ_min的设定

    如果δ_min设定过小，则用该钢材建造钢结构的安全性和可靠性难以保证；而δ_min过大，则造成材料浪费。因此应合理确定CTOD允许值δ_min。国外有些钢结构规范可作参考。例如，规范DNV—OS—C401、DNV-OS—F101分别要求焊接接头的δ_min值不小于0．15、0．20mm。母材的韧性应大于焊接接头。按此思路即可确定δ_min值。

    (2)CTOD试验结果值的确定

    在对TMCP钢的研发过程中，有的不仅对TMCP钢的母材进行CTOD试验，而且在特定的热输入(线能量)条件下制成焊接接头进行CTOD试验，被称为“预合格性试验”，所以有将CTOD试验称之为钢材焊接性试验。

    CTOD特征值有3种类型：脆性启裂CTOD值δ_c、脆性失稳CTOD值δu和最大载荷CTOD值δ_m。在CTOD试验中，每个试样可测得1个CTOD特征值，其必为3种类型之一。欧洲规范NS—ENl0225—2 001指出。每种厚度的钢板要做3个有效试样。显然，在多个CTOD试验结果值中应取最小值与允许值δ_min比较，其不小于允许值δ_min即为合格，CTOD认证试验即获得通过。

5  结语

    实践表明，CTOD试验在TMCP船板认证工作中具有重要作用。鞍钢新轧钢股份有限公司TMCP船板扩大认证后，取得了很好的效果，产品已打入国际市场。济南钢铁股份有限公司和新余钢铁有限公司的认证效果也在逐步显现。在已有CTOD试验研究基础上本研究工作给出了厚钢板CTOD认证试验的思路、方法和实践经验。