浅谈金属材料CTOD测试

CTOD的全称是裂纹尖端开口位移（Crack Tip Opening Displacement），CTOD测试通过测算材料中预制裂纹失稳扩展前裂纹尖端张开距离的临界值（通常用δc表示）来表征材料抵抗已有裂纹启裂（crack initiation）的能力——即材料的断裂韧性（Fracture Toughness）。在了解断裂韧性之前，有必要先澄清一下什么是材料的韧性。

韧性和断裂韧性

通常说一个人有韧性，就是说这个人有很强的耐挫抗压能力，能扛得住事儿。与之类似，材料有韧性就是说材料能耐受变形而不断裂。从材料物理的角度，韧性（Toughness）在是指材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力。下面我们通过应力应变曲线做进一步说明。

不同韧性材料的应力-应变曲线 图源：https://www.e-education.psu.edu/matse81/node/2105

应力-应变曲线可以完整展现材料在拉伸载荷作用下从变形到断裂的过程，而韧性可以理解为应力-应变曲线所覆盖的面积。如上图所示，金属材料拉伸曲线所覆盖的面积（绿）比陶瓷（蓝）和高分子材料（红）对应的面积都要大，因此，金属的韧性最强。而陶瓷材料则呈现出脆性，几乎不发生塑性变形，弹性极限后迅速发生脆断。简单说来，韧性要求材料既要有一定强度，也要有一定的塑性。偏执一端都可能使材料呈现韧性不足。

延性断裂与脆性断裂拉伸断口

那么什么叫断裂韧性？首先必须清楚一点，所有材料或零件都不可能是完美无暇的。材料的生产加工流程都有可能向材料表面或内部引入缺陷。与此同时，在服役期间，材料也可能受载荷和环境的影响而出现缺陷。材料或零件在服役过程中表现出的机械性能很大程度上受到这类缺陷的影响。断裂韧性就是用来表征材料在已有缺陷的前提下，抵抗脆断的能力。

通过材料的断裂韧性数据，可反推材料在已知服役条件下可以容纳的最大缺陷（不引发脆性断裂的临界缺陷尺寸）。因此，断裂韧性也是材料容伤（Defect Tolerance）能力的重要指标之一。对于在役且已经包含裂纹或其他缺陷的部件，只要裂纹或缺陷没有达到临界尺寸，则认为该部件是安全的，并可以通过裂纹扩展速率以及无损检测等方式确定裂纹扩展情况，并据此制定检修或更换计划。这种工程设计思路和实践方式在工业领域的应用十分广泛，在安全性和经济性方面优势明显。

CTOD测试

夏比缺口冲击测试（Charpy Notched Impact Test）是提供材料韧性信息最常用的方法。其加载过程近似瞬时完成，且冲击测试样品仅包含缺口，并涉及已知裂纹。另外，冲击样品的尺寸一般为10mm*10mm*55mm。对于厚度超出10mm的材料则无法通过全厚度试样表征韧性。而CTOD测试可以模拟真实条件下的加载方式和加载速度，并在缺口槽尖端引入疲劳裂纹。此外，CTOD测试可取全厚度试样，因此CTOD测试在模拟材料真实服役条件方面更具优势，也更能准确表征材料对抗由已存缺陷引发脆断的能力。

CTOD测试步骤

CTOD测试主要可以分为4个步骤:

1. 样品加工;

2. 预制疲劳裂纹;

3. 样品在受控条件下发生断裂（三点弯曲SENB或紧凑拉伸C(T)方式）;

4. 数据分析，得到CTOD值，必要时进行断口形貌分析。

对于钢铁材料，CTOD测试通常使用单侧开槽弯曲（SENB）试样，并利用三点弯曲进行加载。加载过程中同时记录加载力和裂纹张开位移。一般钢铁材料的韧性较好，在载荷作用下，裂纹尖端会经历由弹性变形到塑性变形的过程，直到裂纹宽度达到临界值。此时裂纹开始失稳扩展，形成新的表面而释放能量。这可能导致材料或零件的部分或完全失效——在工程上属于最危险的失效。CTOD测试的目的就是测算裂纹失稳扩展时，裂纹尖端开口的临界值δc。

CTOD测试的典型瞬间

由于裂纹的长度已知，且槽口张开的宽度很容易测得，因此用简单的几何方法即可算出裂纹尖端张开的距离（下图左）。CTOD测试过程中，数据会通过载荷-位移曲线显示和记录（下图右）。不同类型的材料可能产生的不同形状的载荷-位移曲线，以下图右中的曲线为例，曲线(a)表示样品发生脆性断裂，即断裂前很少或没有发生塑性变形；曲线(b)表现为“突变（Pop-in）”，裂纹以脆性方式裂开，但只传播了很短的距离就被材料内部韧性更好的部分阻止了。裂纹扩展过程中阻裂的情形可能多次出现，从而使曲线呈锯齿状；曲线(c)表示“突变”发生后，裂纹持续韧性方式扩展。

裂纹尖端张开及典型的载荷-位移曲线

值得注意的是，样品开槽位置应与感兴趣的区域相对应，例如开槽位置在母材和在焊接热影响区（HAZ）将导致CTOD结果出现显著的差异。如果开槽以及预制疲劳裂纹不在要求位置，则测试结果无效。对于焊接接头的CTOD测试，为保证裂纹尖端在要求的区域，通常在加工缺口和预制裂纹之前进行对样品侧面进行腐蚀，以清晰区分母材，热影响区和熔敷金属，以便准确定位缺口及疲劳裂纹位置。也可以在检验后进行金相检查，以进一步确认测试结果的有效性。