苗 张 木1 王 振 宇2 

（1．武汉理工大学 交通学院， 武汉市余家头， 430063； 2．舞阳钢铁有限责任公司 科技部，河南舞钢市，462500） 

摘要：介绍了CTOD的概念、CTOD试验方法；介绍了CTOD试验应用于厚钢板及其焊接接头韧性评定的几个主要领域：焊接工艺评定、海洋平台建造、FPSO的断裂与安全性评估、钢箱梁建造、厚钢板的工厂认证和产品认证等；最后简要谈了CTOD试验的主要特点。 

　　1.引言 

　　目前，海洋石油平台、钢结构桥梁、大型船舶（如FPSO）等许多钢结构呈大型化、厚壁化的趋势，且越来越多地采用中高强度钢。在这些大型厚壁钢结构的设计建造过程中，存在一个与强度、刚度和稳定性同等重要的问题  厚钢板及其焊接接头的韧性控制。所谓韧性，是指材料在弹塑性变形直至断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现[1，2]。如所周知，母材和焊接接头的韧性不足，是焊接结构破坏的主要原因。日本机械工程学会在20世纪60年代统计数据表明，在焊接结构破坏事故中，疲劳破坏占61%，脆性断裂占15%，因焊接裂纹引起的事故占13 %[3]。可见89%的焊接结构破坏事故与材料和焊接接头的韧性不足密切相关。厚钢板越厚，韧性问题越突出。这是因为钢板厚度大了以后，由于金属学冶金因素的影响，其韧性必定会有所下降[1]。从力学上看，厚钢板内部呈三轴应力状态，这种应力状态会使材料不容易发生塑性变形而容易呈现脆性断裂。另外，钢的强度与韧性往往呈现二律背反，钢的强度提高后，其韧性往往会降低[3]（目前已经有既能提高强度又能提高韧性的细化晶粒方法来制造超细晶粒钢，但规模化生产可能有待时日）。厚钢板焊接后，其焊接接头厚度大，焊接缺欠（如微裂纹、夹渣、气孔、未熔合等等[3]）比较容易发生，导致厚钢板焊接接头韧性明显降低。因此，准确评定厚钢板母材的韧性，准确评定厚钢板焊接接头的韧性，对于大型厚壁钢结构的防裂防断，确保其安全性，十分重要。 

　　夏比（Charpy）冲击试验,广泛用于材料验收和焊接接头的工艺评定。应当说，对于较薄的钢板及其焊接接头，它简便、有效。但是，对厚钢板，特别是对厚钢板焊接接头，直接运用夏比冲试验的结果，是偏于危险的。仅用夏比冲击试验进行材料验收、评定焊接接头的韧性，可能会在结构中留下安全隐患。因为在厚钢板焊接接头中取夏比冲击试样，采用的是“厚板薄取，分层取样”方法。例如，对厚度为60mm～100mm的焊接接头，GB2649-1989[4]规定沿厚度方向取三个试样（10mm×10mm×55），这在本质上相当于先把厚钢板焊接接头中材料原本所处的三轴应力状态转变为平面应力状态后，再来测韧性，所得的韧性结果自然会偏高较多。一个典型的例子是，“船体上的厚钢板会发生90%以上结晶断口的脆断，而从这种船板上取下的小试样在整体屈服之后发生完全纤维断口的韧断” [1]。另一个典型的例子是1950年，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验发射时发生爆炸，所用的材料是屈服极限为1400MPa的超高强度钢，按V型夏比冲击试验的结果却是合格的[3]。 

　　另外，夏比冲击试验的韧性值，不能直接与结构或构件的设计应力联系起来，无法指导设计，不能用于进行结构的安全性分析。 

　　比较起来，裂纹尖端张开位移试验（CTOD试验）取样，按国际上通用的规范BS7448[5,6,7], 可以按实际厚度制作试样（即全厚度试样）。这样，既保存了原结构（板厚）尺寸效应，又很好地模拟实际的焊接条件，所测得的韧性将比较准确，可靠。这是CTOD试验优于夏比冲试验的一个重要特点。 

　　还有，CTOD试验所得的值δ，可以与断裂应力σ，断裂尺寸a定量地联系起来，因此可以运用断裂力学理论和计算方法，来计算工程结构和构件中已知尺寸的裂纹失稳扩展断裂所需的应力，可以指导设计，进行结构的安全性分析。 

　　2.CTOD概念与试验方法 

CTOD
受载前(原始)裂纹 受载后裂纹
图1 裂纹尖端张开位移

2.1 CTOD的概念

　　CTOD即裂纹尖端张开位移，是其英文名称Crack Tip Opening Displacement 的首字母缩写，指的是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[8]（如图1）。 CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。在试验中，把待测材料或焊接接头做成带有预制裂纹的试样，加外载后，裂纹尖端处有一个张开位移CTOD值，可以被测定。CTOD值越大，表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越好，即韧性越好；反之，CTOD值越小，表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越差，即韧性越差。 

　　2.2 CTOD试验所用的主要仪器、设备 

①微机控制高频疲劳试验机（或MTS试验机、Instron试验机；用于预制CTOD试样的疲劳裂纹、二次疲劳）；
②微机控制电液伺服万能试验机（用于进行CTOD主体试验，对试样按一定加载速率进行加载）；
③X-Y函数记录仪（在CTOD主体试验中用来记录载荷 裂纹嘴张开位移曲线）；
④动态应变仪（在CTOD主体试验中用来放大所感受到的载荷信号和裂纹嘴张开位移信号）；
⑤引伸计检定仪（用于标定引伸计的位移）；
⑥标准测力仪（用于标定载荷传感器的载荷）；
⑦拉压传感器（将载荷信号转换为电信号）；
⑧微机控制线切割机床（用于加工裂纹）；
⑨读数显微镜（进行CTOD试样的断口测量）。 

　　2．3试验装置的连接 

　　CTOD试验装置连接示意图如图2所示。常温CTOD试验照片如图3，低温CTOD试验装置照片如图4（文献[8]推荐）。
拉压传感器
压 头
裂 纹
试 样
动 态
应变仪
F-V 曲线
F
V
图2 CTOD试验装置示意图
图3 常温 CTOD 试验照片

图4 低温 CTOD 试验照片

2．4试验主要步骤
试样取样加工
预制疲劳裂纹
加载，记录F-V曲线，卸载
二次疲劳（或热着色），压断试样
断口读数测a0及Δa
计算特征CTOD值或拟合阻力曲线
试验报告
载荷，位移测量系统标定
试验主要步骤框图如图5。

图5 CTOD试验主要步骤

2．5 CTOD 值计算
用三点弯曲试样，在试验中测得有关数据后，可从下式计算CTOD 值［5］：

式中：δ为裂纹尖端张开位移(CTOD)；δe为 CTOD的弹性分量；δp为 CTOD的塑性分量；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；μ为泊松比；E为弹性模量；ao为原始裂纹的平均长度［5］；f为三点弯曲情况下 (a0 /W)的函数；Vp为刀口间位移的塑性分量；σYS 为材料的屈服极限；Z为刀口厚度。
3.CTOD试验的主要应用
下面的介绍主要针对厚钢板（厚度≥50mm）及其焊接接头。
3.1焊接工艺试验评定
过程如下：先确定拟采用的焊接工艺PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification)，然后按PWPS焊接CTOD试板，制成试样后，进行CTOD试验。如试验结果合格，则拟用焊接工艺PWPS就成为正式焊接工艺规范WPS（Welding Procedure Specification)；如试验结果不合格，就修订PWPS，再进行新一轮CTOD试验。所谓合格与否，是将试验得到的CTOD特征值δ与规定的焊接接头CTOD允许值δmin进行比较，若δ≥δmin为合格，否则就不合格［9］。
CTOD
检测评定
CTOD评定报告（CTOD PQR）
拟用焊接工艺
(PWPS）
编写焊接工艺规范
(WPS）
按PWPS焊接试板
合格
δ≥δmin

3.2海洋平台建造
如今，国内外对海洋钢结构厚钢板焊接接头CTOD试验有不少文献报道，钢板厚度各有不同。文献「10」进行了52毫米厚EH36钢板焊接接头的CTOD试验，文献「11」进行了60毫米厚NVF36/Z钢焊板接接头的CTOD试验，文献「12」进行了63.5毫米厚2H(Cr50)钢板焊接接头的CTOD试验，文献「13」进行了75毫米厚DH36钢板焊接接头的CTOD试验，文献「14」进行了80毫米厚2W(Cr50)钢板焊接接头的CTOD试验，文献「15」报道了厚度为90毫米DH36钢板的焊接接头CTOD试验, 更大厚度钢板的焊接接头CTOD试验未见国内文献报道。但在国外，早在2002年就有90毫米厚高强钢钢焊接接头的CTOD试验的报道「16」，
在海洋钢制平台中，焊接接头（包括焊缝、热影响区）CTOD韧性的允许值一般取δmin=0.25mm(0.01英寸)，也有的取δmin=0.15mm。
3.3 海上浮式生产储油船（FPSO）的断裂与安全性评估
国际上对FPSO断裂与安全性评估中，应用了CTOD试验技术「17」。但在国内FPSO的设计、建造领域，尚未查到这方面的文献。这反映了国内外CTOD试验技术应用广度的不同。国外工业发达国家在制造业中广泛应用CTOD试验。例如NORSOK Standard《Structural Steel fabrication》[18]要求厚度超过50毫米的钢板，其焊接接头要做CTOD试验。又如DET NORSKE VERITAS《Fabrication and Testing of offshore Structures》[19] 规定对屈服强度超过350MPa钢板的焊接接头，要做CTOD试验。但是国内有关规范CTOD试验要求不够明确。这可能会影响FPSO的使用安全性。举例来说，30万吨FPSO模块支墩上部分钢板厚度达60mm、80mm甚至120mm，由于板厚，焊接缺欠（如微裂纹、夹渣、气孔、未熔合等等）比较容易发生。如果焊接接头韧性较低（即抗开裂的能力较差），其中的焊接缺欠（类裂纹）在交变应力（由风载、惯性载荷等引起）作用下很容易扩展，模块支墩的疲劳寿命就比较短。如果焊接接头韧性较高，抵抗开裂的能力较强，焊接缺欠（类裂纹）就不容易扩展，模块支墩就比较安全。因此，设计中应对模块支墩焊接接头CTOD韧性设定一个合理的允许值，建造中应对模块支墩的焊接工艺进行CTOD试验评定。目前，上海外高桥造船有限公司与武汉理工大学的合作项目“30万吨FPSO模块支墩焊接接头CTOD试验研究”正在进行中。
图6 不同厚度的CTOD试样
应当指出，焊后热处理对焊接接头韧性的作用，应作具体分析。著名焊接专家D.拉达伊[20]在谈消除应力退火问题时说过：“为避免在构件表面与内部之间产生过大的温度差，加热与冷却均须缓慢进行，否则由此而生的热应力可能会引发裂纹，残余应力的预期下降也会因产生了新的残余应力及变形而受到影响”。可见，第一，若加热与冷控制不当，会在构件表面与内部之间产生较大的温度差，从而会产生新的热应力，这种新的热应力可能会引发裂纹。第二，构件表面与内部之间的温度差会产生新的残余应力及变形。因此，对厚钢板焊接接头来说，由于钢板厚度大，热处理时间、温度、加热速率和冷却速率等难于选择和控制，这容易使得焊接接头表面与内部之间产生较大的温差，会产生新的热应力和残余应力，甚至引发裂纹。文献「21」明确指出：高强度钢焊后热处理所得接头的韧性值大多数是比未处理状态要低。

因此，对厚钢板焊接接头来说，更为可取的方法是通过选择恰当的焊接材料、焊接方法，调整优化焊接工艺，并运用CTOD试验技术，来保证焊接接头的韧性，以免除焊后热处理工序。这样，可以同时兼顾焊接结构的安全性和建造施工的经济性。照片6是不同厚度的厚钢板及其焊接接头的CTOD试样（板厚分别为50mm、65mm、70mm、80mm、90mm）。
3.4 钢箱梁建造
国内公路桥梁（斜拉桥、悬索桥等）已较多使用钢箱梁[22]，但是运用CTOD试验技术评定钢箱梁焊接工艺的，只是在港深西部通道后海湾大桥（图7）的建造中[23，24]。由于后海湾大桥的营运车辆中大型货柜集装箱车占85%以上，其车辆的重量等级高于国内其他桥梁。因此，钢箱梁（图8）所用钢板厚度（65mm、95mm厚）及建造难度，为国内同类钢箱梁之最，其焊接接头韧性的评定和控制，成为整个西部通道项目的技术难点和关键技术问题。
图7 港深西部通道跨海大桥
图8跨海大桥钢箱梁

文献「23」「24」「25」以钢箱梁中腹板焊缝和热影响区的韧性控制为目标，对6项焊接工艺的39个CTOD试样，分别进行了常温（15oC）和低温（-20 oC）的CTOD试验，确认了自动埋弧焊工艺（WPS017）可以在钢箱梁制作和现场拼装中直接使用。手工电弧焊工艺（WPS016）CTOD试验评定不合格，经过对CTOD试样断口的扫描电子显微镜观察分析，发现在焊缝内部存在冷裂纹,这是焊接接头韧性不足的主要原因，经过调整焊接电流、焊接电压，选择焊接线能量来优化焊接工艺（PWS016A），改善了焊接接头韧性，最终完成了钢箱梁的焊接建造和工地焊接拼装，取得了良好的经济效益和社会效益。
3.5 厚钢板的工厂认证和产品认证
世界能源已经进入了海上油气时代，开发海上油气的大型海洋钢结构要求厚钢板同时具有高的强度、良好的韧性，许多国家在大力研究开发高强度高韧性的海洋结构用钢 TMCP钢（Thermo-Mechanical Control Process,控制轧制和控制冷却，简称控轧控冷钢）。文献表明，国际上TMCP钢的厚钢板的韧性，一般是通过全厚度断裂韧性试样的CTOD值来表征的[26,27,28]，如欧洲标准“固定式海洋结构物焊接结构钢(交货技术条件)「29」”规定对厚度为100-150mm的钢板母材，要做CTOD试验。为实现我国成为造船大国造船强国的目标，国内钢铁行业也在研发高强度高韧性的海洋结构TMCP钢，为使TMCP厚钢板及其产品 船舶和海洋平台打入国际市场，需要经过国际上船级社的认证。在鞍山钢铁公司进行船板九国船级社（ABS、BV、 CCS、DNV、GL、KR、LR、RINA、NK）认证工作中，武汉理工大学承担了CTOD试验认证工作，依据英国CTOD试验标准BS7448,对五个钢级（FH460、FH550、E、FH40、FH32）厚度为100mm和80mm的25个试样，进行了低温（-10oC）CTOD试验，取得了CTOD试验的成功，九国船级社的一致认可，保证了整个认证工作的圆满完成，产生了良好的国际影响。为我国船板和海洋平台板打入国际市场，进一步振兴我国钢铁工业，作出了重要贡献。
4.厚钢板CTOD试验主要特点
表1 CTOD试验与冲击试验的比较
序 号 CTOD试验 冲击试验 附 注
1 试样全厚度取样，保持了平面应变状态，较好地模拟实际焊接接头的焊接条件。试验结果较为准确可靠。 取样是“厚板薄取，分层取样”，未能保持原平面应变状态，残余应力释放较多。试验结果如直接应用，偏于危险。 对厚钢板及焊接接头，此问题很突出
2 试验结果所得的CTOD值，可与断裂应力σ，裂纹尺寸a定量联系，从而应用断裂理论，计算结构和构件中已知尺寸的裂纹失稳扩展断裂所需的应力,可以指导设计，进行结构的安全性分析。 冲击试验值，不能直接与结构或构件的设计应力联系起来，无法指导设计，也不能用于进行结构的安全性分析。

3 CTOD值表示材料抵抗开裂的能力。 冲击试验目前尚不能很好地把“开裂”与“扩展”区分开，概念模糊。
4 CTOD试验可以调节加载速度，以模拟实际结构构件的破坏过程。 冲击试验是一次冲击、瞬间完成试验，与结构、构件中裂纹开裂、扩展过程不符合。
5 CTOD试验采用疲劳预制裂纹技术，其试样的裂纹较好地模拟了自然裂纹。 冲击试样采用机械切口，不能模拟自然裂纹。

表1 从与冲击试验的对比说明了CTOD试验的主要特点。而从断裂力学的角度来看，KⅠC试验只适用于线弹性和小范围屈服，JⅠC试验适用于弹塑性和大范围屈服，不能用于全面屈服，只有CTOD试验能够用于弹塑性、大范围屈服、全面屈服，具有最广的适用范围，限于篇幅，这里不展开讨论。