2024年8月8日发(作者：越醉柳)
天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目
CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制
裂纹尖端张开位移（CTOD）
试验研究报告
委托单位：四川精控阀门制造有限公司
试验单位：西南交通大学力学与工程学院
试验人：包陈，贾琦，陈龙，姚博
负责人：蔡力勋
报告人：蔡力勋，包陈
西南交通大学力学与工程学院
二0一0年四月
天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目
CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制
裂纹尖端张开位移（CTOD）
试验研究报告
1研究背景
本项目为“天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目高压大口径全焊接球阀国产化试制”技
术条件所要求的裂纹尖端张开位移（CTOD，cracktipopeningdisplacement）试验。高压大口径全焊
接球阀型号为CL60040"、CL60048"，主要用于石油天然气管道运输及终端分配。球阀连接管线分别
为API5LX70钢级管线钢管和API5LX80钢级管线钢管，服役环境温度为-29℃～42℃，输送介质为管
输天然气，介质温度0～93℃，输送介质压力10MPa。该球阀既承受管道内部压力，服役环境又存在如
地基沉降、泥石流、地下水的电位腐蚀和应力腐蚀等工况，条件十分恶劣，要求能连续运行30年以上，
且相关性能长期满足工况要求。
CTOD是指裂纹受张开型载荷后，原始裂纹尖端处两裂纹面所张开的相对距离，反映了裂纹尖端的
材料抵抗开裂的能力，可用来衡量材料的断裂韧性。CTOD值越大，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能
越好。CTOD是断裂力学中唯一可直接观察的参量，是目前使用最广泛的一种弹塑性断裂力学分析方法，
在材料和工艺选择以及工程构件的安全性评定、特别是在压力容器/管道等重要焊接结构的完整性评定
中获得了广泛的应用。由于焊接接头是非均质体，CTOD能够直接反映裂纹尖端所处材料组织的韧性。
图1全焊接球阀
1
图1为CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀产品照片。图2～图4分别给出了球阀不同部
位的焊接示意图，其中阀体和颈部接管所用材料均为LF2钢，左/右体材料为F60钢，袖管材料为X70
管线钢或X80管线钢。阀体与颈部接管连接部分采用埋弧焊（SAW）焊接而成，阀体与左/右体连接部分
也采用埋弧焊（SAW）焊接而成，左/右体与袖管连接部分采用埋弧焊（SAW）+氩弧焊（GTAW）焊接而成。
图2阀体与颈部接管焊接示意图
图3阀体与左/右体焊接示意图
图4左/右体与袖管焊接示意图
2试验标准
GB/T21143-2007
ASTME1820-01～08a
API1104-2005
DNV-OS-C401-2004
金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法
Standardtestmethodformeasurementoffracturetoughness
Weldingofpipelinesandrelatedfacilities
Fabricationandtestingofoffshorestructures
2
3材料、试样与试验条件
试验材料取CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀中各焊接部位的焊缝材料，分别为LF2+LF2
焊缝（埋弧焊）、LF2+F60焊缝（埋弧焊）、F60+X70焊缝（埋弧焊+氩弧焊）和F60+X80焊缝（埋弧焊+
氩弧焊），母材和焊缝的化学成分实测值如表1所示。
表1母材及焊缝化学成分（质量百分数，%）
材料
LF2
F60
X70
LF2+LF2
埋弧焊
LF2+F60
埋弧焊
F60+X70
氩弧焊
F60+X70
埋弧焊
C
0.21
0.19
0.18
0.053
0.053
0.07
0.053
Si
0.28
0.22
0.22
0.39
0.39
0.72
0.39
Mn
0.92
1.19
1.29
1.53
1.53
1.44
1.53
P
0.010
0.013
0.009
0.018
0.018
0.007
0.018
S
0.004
0.008
0.006
0.007
0.007
0.018
0.007
Cr
0.07
0.1
0.13
0.017
0.017
/
0.017
Ni
0.06
0.04
0.1
0.263
0.263
/
0.263
Mo
0.02
001
0.07
0.001
0.001
/
0.001
V
0.01
0.01
0.07
0.01
0.01
/
0.01
Ti
/
0.02
0.02
/
/
0.2
/
Cu
0.12
0.26
0.4
0.061
0.061
0.12
0.061
Al
/
/
/
/
/
0.024
/
Fe
其余
其余
其余
其余
其余
其余
其余
对于试验试样型式，GB/T21143-2007推荐了三点弯曲试样（SEB，singleedgedbending）和紧凑拉
伸（CT，compacttension），两类试样均可用于CTOD试验，且CTOD特征值属于材料特性，不因试样
型式的不同产生差异，而且，台阶型紧凑拉伸试样比三点弯曲试样更易满足平面应变条件。因此，考虑
到现有试验条件和操作便利性，本次试验试样采用台阶型CT试样，每组材料中选用一个试样作为标定
试样，试样型式如图5所示。四种焊缝材料按照图6所示两个方向截取CT试样，其中立式标注为A，
卧式标注为B，表2列出了各组试样的详细信息。
试样的制备按照以下流程依序完成：锻件毛坯要求→毛坯采购→毛坯交付（含质量证明文件）→毛
坯进厂复验（外观/尺寸、化学成分、力学性能、无损检测、非金属夹杂物、金相组织、晶粒度）→合
格毛坯入库→加工外形/坡口→按焊接工艺规程（WPS）施焊试件→过程检查/监督/记录→清理检查打磨
→焊缝/热影响区(HAZ,heataffectedzone)超声波检测（UT）→合格试件→按试样图取样加工→检验→
标识。
图5a)CT试样型式
3
图5b)标定试样型式
图6a）CTOD试样取样示意图立式（标注为A）
4
图6b）CTOD试样取样示意图卧式（标注为B）
表2焊缝试样信息
材料取样方式
A（立式）
LF2+LF2焊缝
B（卧式）
A（立式）
LF2+F60焊缝
B（卧式）
A（立式）
F60+X70焊缝
B（卧式）
F60+X80焊缝B（卧式）
50
50
25
22
27
27
12
8
50
50
25
25
27
27
11
12
50
50
25
25
27
27
7
10
试样名义宽度
W/mm
50
试样名义厚度
B/mm
25
名义初始裂纹长度
/mm
27
试样数量
/件
8
试验设备为MTS809250kN电液伺服试验机、TestStarII控制系统、COD（crackopeningdisplacement）
引伸计MTS632.02F-20和19JA型万能工具显微镜。试验装置如图7～图8所示。
所用MTS(materialtestsystem)应用软件：(1)MTS790.50标准应用软件，该软件用于完成疲劳裂纹
预制和准静态断裂韧度试验的控制；(2)MTSTestStar/SX编程软件，该软件用于CTOD试验的控制以
及载荷与COD数据采集。试验温度为常温。
5
图7试验装置
图8用于断后试样裂纹长度测量的19JA型万能工具显微镜
4试验与数据分析方法
4.1预制疲劳裂纹
应用MTS790.50标准断裂力学试验软件在MTS试验机上对试样精确预制疲劳裂纹。试验预制裂
纹长度增量约3mm，预制裂纹的时间约60~90分钟。MTS790.50软件预制疲劳裂纹的优点是采用等ΔK
控制，既保证裂纹扩展驱动力均匀，还可确保裂纹尖端不出现大范围屈服。
4.2裂纹尖端张开位移（CTOD）试验方法
6
由于试验材料表现出较高的韧性，致使由卸载柔度法获得的试样裂纹长度同物理直接测量得到的裂
纹长度存在一定误差，因此本项目CTOD试验采用ASTME1820-01~08a系列标准推荐的载荷分离法来
获得试样的实时裂纹长度。
4.2.1载荷分离法（LoadSeparationMethod）
对于裂纹稳定扩展的情形，CTOD试验关键技术之一为试样在加载过程中的实时裂纹长度的准确确
定，常用方法包括多试样法和单试样法两大类。多试样法为采用多个相同结构和初始尺寸的试样，分别
将各个试样加载到不同的载荷水平，然后打开试样，直接采用物理测量的方法获得各试样的裂纹扩展量，
从而得到CTOD阻力曲线上数据点。该方法往往需要至少8个试样才能获得一条CTOD阻力曲线，耗费材
料，试验耗时也较多，而且所得试验点分散性大，无效点多。柔度法是最为广泛采用的单试样法之一，
比多试样法更易实施，每个试样都可以获得一条阻力曲线，便于考虑材料的分散性。该方法强烈依赖于
试样弹性卸载过程中的
P-V
曲线线性度，且受裂纹前沿平直度的影响较大，对于普通中低韧性材料具有
良好适应性。而对于高韧性材料，由柔度法测得的裂纹长度同物理测量结果往往差异较大。载荷分离法
是一种可直接从载荷-张开位移曲线中通过初始和终止点裂纹标定获得实时裂纹长度的方法。该方法理
论基础强，操作简便，节省材料和试验时间，在多种金属和非金属材料的延性断裂韧性测试中得到广泛
应用，并被美国ASTME1820系列规范推荐为标准测试方法。
对于多种构形的断裂试样（CT、SEB等），载荷分离理论认为试样在加载过程中，其单位厚度B
下的载荷P可由与试样裂纹长度a相关的裂纹几何函数G(a/W)和与塑性变形V
p
相关的变形函数H(V
p
/W)
的乘积来表示，
PWBG
a
/
W
H
V
p
/
W
WB
a
/
W
m
H
V
p
/
W
（1）
式中，W为试样宽度，m为材料参数。在变形初期的小范围区域之外，多数金属材料满足载荷分
离理论。在变形初期的小范围载荷下，试样裂纹尚未扩展，此时产生的小段载荷不可分离现象不影响试
样裂纹扩展过程中的裂纹长度估测。基于载荷分离理论，将初始裂纹长度和试验终止裂纹长度作为标定
点并结合标定试样，即可直接从试验试样的载荷-裂纹张开位移曲线中获得实时裂纹长度。
4.2.2CTOD试验过程
（1）对尖裂纹试样预制疲劳裂纹，预制裂纹增量约为3mm；
（2）采用位移控制对标定试样进行加载，加载速率为0.02mm/s，加载到接近COD引伸计满量程时停
止加载；
（3）为了确保试样裂纹均匀扩展，将疲劳预制后的尖裂纹试样参照图9开侧槽，侧槽在试样厚度方向
上对称分布，侧槽断面为边长为3mm的等边三角形，侧槽根部圆弧半径为0.2mm；开侧槽的目的是为
7
了让裂纹均匀扩展，使裂纹前沿尽量平直。GB/T21143-2007明确规定测定阻力曲线的全部试样都应开
侧槽，且侧槽深度为0.2B±1%，而ASTM系列标准和早期国标对侧槽的规定为最大侧槽深度不超过
0.25B。本次试验所开侧槽深约为0.1B，从试样断口可以观察到裂纹前沿平直度较好，达到了所需效果。
图9CT试样侧槽加工图
（4）对已开侧槽的尖裂纹试样进行位移控制加载，加载速率为0.02mm/s，当试样的载荷达到最大载荷
并有少量下降时停止加载；
（5）对已加载过的尖裂纹试样进行二次疲劳，二次疲劳的循环峰值载荷约为单调加载时最大载荷的
70%，疲劳时间以能够勾出裂纹扩展前沿为准；
（6）二次疲劳后，将试样拉断，利用工具显微镜根据九点平均法测量预制后的初始裂纹长度和裂纹扩
展终止时的裂纹长度，从而获得载荷分离法所需的两个裂纹长度标定点。
（7）数据处理。
图10典型载荷（P）～张开位移（V）曲线
8
4.3数据处理方法
根据GB/T21143-2007，在CTOD试验中通常会出现如图10所示的六类典型的P～V曲线。图中情况（1）
~情况（3）为裂纹扩展量Δa<0.2mm时出现非稳定裂纹扩展或Pop-In现象的情况，对应的尺寸敏感的CTOD
值用δ
c
表示；图中情况（4）和情况（5）为裂纹扩展量Δa>0.2mm时出现非稳定裂纹扩展或Pop-In现象的
情况，对应的尺寸敏感的CTOD值用δ
u
表示；图中情况（6）为稳定裂纹扩展的情况，其中第一个最大力
平台对应的尺寸敏感的CTOD值用δ
m
表示；另外，该情况还可以通过δ-Δa阻力曲线来获得尺寸敏感的特
征CTOD值δ
0.2BL(B)
或非尺寸敏感的特征CTOD值δ
0.2BL
。
对于裂纹无扩展情形，可直接由工具显微镜测得裂纹长度；对于裂纹扩展情形，可根据前述载荷分
离法确定试样加载过程中的实时裂纹长度。CT试样的CTOD值
计算公式为
K
2
1
2
0.46
W
a
a
V
p
2
RE
0.46
W
a
a
z
p
0.2
1
（2）
K
(
P
/
BW
2
)
f
a
/
W
223344
f
a
/
W
(2
a
/
W
)(0.886
4.64
a
/
W
13.32
a
/
W
14.72
a
/
W
5.6
a
/
W
)
(1
a
/
W
)
3/2
式中，z为刀口厚度即引伸计测量点到加载线的距离，ν为泊松比，E为等效弹性模量，R
p0.2
为屈服
强度，K为应力强度因子，V
p
为COD的塑性分量，W、B和a分别为试样宽度、试样厚度和裂纹长度。
4.4有效性判定
对于裂纹稳定扩展情形，δ-Δa阻力曲线的评定需满足相关有效性规定。根据GB/T21143-2007，δ-Δa
阻力曲线的有效数据区由左、右界限线和上界限线围成的封闭区域构成（图11）。其中，钝化线方程为
δ=1.87(R
m
/R
p0.2
)Δa，左界限线为0.1mm钝化线偏置线，右界限线为Δa
max
钝化线偏置线，上界限线为过极
限值δ
limit
处横轴的平行线。Δa
max
的取值应介于0.5与0.25(W-a
0
)之间。在有效数据区内至少有6个数据点，
将封闭区域4等分后，要求每个区间至少有一个数据点，在0.1mm和0.3mm钝化线偏置线之间至少有一个
数据点，在0.1mm和0.5mm钝化线偏置线之间至少有两个数据点。δ
limit
的取值应为式（3）中的最小值，
当不能满足时可用δ
limit
=(W-a
0
)/20确定。
lim
it
B
/30
lim
it
a
0
/30
lim
it
W
a
0
/30
合曲线与0.2mm钝化线偏置线的交点即为(δ
Q0.2BL
,Δa
Q0.2BL
)。当满足以下有效性条件时：
（3）
对于封闭区域内的有效数据点，GB/T21143-2007推荐采用指数方程δ=α+βΔa
γ
(0≤γ≤1)进行拟合，拟
d
/da
a
Q
0.2
BL
0.935(
R
m
/
R
p
0.2
)
a
0
,
B
,
W
a
0
30
Q
0.2
BL
的启裂韧度δ
0.2BL(B)
。
（4）
δ
Q0.2BL
即可作为非尺寸敏感的特征启裂韧度δ
0.2BL
。当不满足上述有效性条件时，δ
Q0.2BL
为尺寸敏感
9
挪威船级社DNV-OS-C401-2004标准规定焊接接头的CTOD值等于或大于0.15mm时焊接质量合
格。美国石油学会在API1104-2005标准的附录A中规定管道焊接接头CTOD值的验收标准为0.005in.
（0.127mm）或0.01in.（0.254mm）。
图11δ-Δa阻力曲线分析示意图
5结果与分析
5.1单轴拉伸实验结果
表3给出了四组焊缝材料的单轴力学性能参数。可见，各组焊缝材料的强度性能参数分散性较小；
对于F60+X70焊缝材料和F60+X80焊缝材料，氩弧焊焊缝的屈服强度和抗拉强度明显高于埋弧焊焊缝
的屈服强度和抗拉强度。
表3焊缝材料单轴拉伸力学性能
试样编号
09-05-1#
09-05-2#
09-05-3#
09-07-1#
09-07-2#
09-07-3#
9E610-SAW-1#
9E610-SAW-2#
9E610-SAW-3#
9E610-GTAW-1#
9E610-GTAW-2#
9E610-GTAW-3#
F60+X70
GTAW（氩弧焊）
SAW(埋弧焊)
LF2+F60SAW(
埋弧焊
)
LF2+LF2SAW(埋弧焊)
材料焊接工艺
弹性模量
E
MPa
198000
197100
205900
176100
189400
190700
205600
170900
186213
200000
177400
198500
屈服
R
p0.2
MPa
416
431
444
405
416
402
384
404
399
527
515
458
抗拉
R
m
MPa
515
541
539
510
510
504
528
524
552
638
614
587
10
表3焊缝材料单轴拉伸力学性能（续）
试样编号
SAW-1#
SAW-2#
SAW-3#
GTAW-1#
GTAW-2#
GTAW-3#
GTAW-4#
F60+X80
GTAW（氩弧焊）
SAW(埋弧焊)
材料焊接工艺
弹性模量E
MPa
184600
185100
195500
199200
201200
184200
189800
屈服R
p0.2
MPa
403
408
428
527
554
520
554
抗拉R
m
MPa
574
581
577
623
650
606
640
5.2CTOD实验结果
5.2.1LF2+LF2焊缝材料
表4给出了LF2+LF2焊缝材料A组7个试样的几何尺寸测量结果，表5为对应的CTOD试验结果。
图12～图18给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，7个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得
CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关；虽然δ
0.2BL
值存在一定的分散性，但所有值均大于0.15mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定。
表4LF2+LF2焊缝材料A组试样几何尺寸测量结果
试样编号
LF2+LF2-A1
LF2+LF2-A2
LF2+LF2-A3
LF2+LF2-A4
LF2+LF2-A5
LF2+LF2-A6
LF2+LF2-A8
试样宽度
W/mm
49.99
49.84
50.10
50.06
50.09
49.97
50.07
试样厚度
B/mm
25.06
25.04
25.02
25.02
25.04
25.04
25.08
净厚度
B
N
/mm
21.20
21.22
21.20
25.02
25.04
25.04
20.96
预制后裂纹长度
a
0
/mm
31.019
31.600
30.398
30.118
30.891
30.387
31.629
剩余韧带长度
b
0
/mm
18.971
18.240
19.702
19.937
19.199
19.583
18.441
表5
试样编号
LF2+LF2-A1
LF2+LF2-A2
LF2+LF2-A3
LF2+LF2-A4
LF2+LF2-A5
LF2+LF2-A6
LF2+LF2-A8
Δa
max
/mm
0.941
0.741
2.162
1.428
1.720
1.448
0.991
LF2+LF2焊缝材料A组试样CTOD试验结果
Δa
Q0.2BL
/mm
0.486
0.463
0.352
0.312
0.283
0.286
0.407
δ
Q0.2BL
/mm
0.662
0.608
0.351
0.260
0.192
0.198
0.479
(dδ/da)
0.2BL
0.566
0.341
0.343
0.264
0.101
0.146
0.499
30δ
Q0.2BL
19.86
18.24
10.54
7.80
5.76
5.95
14.37
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.662
0.608
0.351
0.260
0.192
0.198
0.479
注：A7试样选为标定试样。
11
图12LF2+LF2-A1试样的δ～Δa试验关系
图13LF2+LF2-A2试样的δ～Δa试验关系
12
图14LF2+LF2-A3试样的δ～Δa试验关系
图15LF2+LF2-A4试样的δ～Δa试验关系
13
图16LF2+LF2-A5试样的δ～Δa试验关系
图17LF2+LF2-A6试样的δ～Δa试验关系
14
图18LF2+LF2-A8试样的δ～Δa试验关系
表6给出了LF2+LF2焊缝材料B组6个试样的几何尺寸测量结果，表7为对应的CTOD试验结果。
图19～24给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，B3试样的δ～Δa曲线不满足数据合格区间分布要求，
所得CTOD值δ
Q0.2BL
对厚度敏感；其余试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得CTOD值δ
0.2BL
与厚
度无关；虽然特征CTOD值存在一定的分散性，但所有值均大于0.25mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定以及美国石油学会API1104-2005标准规定。
表6
试样编号
LF2+LF2-B2
LF2+LF2-B3
LF2+LF2-B4
LF2+LF2-B5
LF2+LF2-B6
LF2+LF2-B7
LF2+LF2焊缝材料B组试样几何尺寸测量结果
试样厚度
B/mm
25.13
25.10
25.12
25.10
25.10
25.10
净厚度
B
N
/mm
21.22
25.10
21.10
25.10
21.10
25.10
预制后裂纹长度
a
0
/mm
29.790
30.563
31.568
30.744
32.034
31.208
剩余韧带长度
b
0
/mm
20.340
19.317
18.352
19.176
17.866
18.842
试样宽度
W/mm
50.13
49.88
49.92
49.92
49.90
50.05
15
表7
试样编号
LF2+LF2-B2
LF2+LF2-B3
LF2+LF2-B4
LF2+LF2-B5
LF2+LF2-B6
LF2+LF2-B7
Δa
max
/mm
1.455
0.642
1.041
1.167
1.430
1.367
Δa
Q0.2BL
/mm
0.423
0.431
0.397
0.350
0.378
0.327
LF2+LF2焊缝材料B组试样CTOD试验结果
δ
Q0.2BL
/mm
0.515
0.534
0.455
0.346
0.412
0.294
(dδ/da)
0.2BL
0.377
0.622
0.531
0.322
0.391
0.319
30δ
Q0.2BL
15.46
16.03
13.66
10.39
12.36
8.83
数据点区间分布
满足
δ
0.2BL
/mm
0.515
0.534
0.455
0.346
0.412
0.294
δ
0.2BL(B)
/mm
不满足
满足
满足
满足
满足
注：B1试样开侧槽时作废；B8试样选为标定试样。
图19LF2+LF2-B2试样的δ～Δa试验关系
16
图20LF2+LF2-B3试样的δ～Δa试验关系
图21LF2+LF2-B4试样的δ～Δa试验关系
17
图22LF2+LF2-B5试样的δ～Δa试验关系
图23LF2+LF2-B6试样的δ～Δa试验关系
18
图24LF2+LF2-B7试样的δ～Δa试验关系
5.2.2LF2+F60焊缝材料
表8给出了LF2+F60焊缝材料A组9个试样的几何尺寸测量结果，表9为对应的CTOD试验结果。
图25～33给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，9个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得CTOD
值δ
0.2BL
与厚度无关，虽然δ
0.2BL
值存在一定的分散性，但所有值均大于0.2mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定。
表8
试样编号
LF2+F60-A1
LF2+F60-A2
LF2+F60-A3
LF2+F60-A4
LF2+F60-A5
LF2+F60-A6
LF2+F60-A8
LF2+F60-A9
LF2+F60-A10
LF2+F60焊缝材料A组试样几何尺寸测量结果
试样厚度
B/mm
25.10
25.10
25.09
25.10
25.10
25.18
25.10
24.98
25.02
净厚度
B
N
/mm
25.10
21.20
21.44
21.06
25.10
25.18
20.92
20.92
21.14
预制后裂纹长度
a
0
/mm
33.019
33.220
32.890
33.010
31.709
31.609
31.630
30.390
31.239
剩余韧带长度
b
0
/mm
16.901
16.740
17.030
16.930
18.361
18.241
18.550
19.400
18.921
试样宽度
W/mm
49.92
49.96
49.92
49.94
50.07
49.85
50.18
49.79
50.16
19
表9
试样编号
LF2+F60-A1
LF2+F60-A2
LF2+F60-A3
LF2+F60-A4
LF2+F60-A5
LF2+F60-A6
LF2+F60-A8
LF2+F60-A9
LF2+F60-A10
Δa
max
/mm
0.829
1.200
1.200
1.540
0.745
0.849
0.991
1.700
2.291
LF2+F60焊缝材料A组试样CTOD试验结果
Δa
Q0.2BL
/mm
0.316
0.370
0.383
0.351
0.287
0.288
0.350
0.449
0.376
δ
Q0.2BL
/mm
0.271
0.398
0.427
0.353
0.202
0.206
0.350
0.581
0.412
(dδ/da)
0.2BL
0.631
0.457
0.528
0.283
0.450
0.551
0.692
0.744
0.570
30δ
Q0.2BL
8.12
11.94
12.80
10.58
6.06
6.18
10.50
17.44
12.35
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.271
0.398
0.427
0.353
0.202
0.206
0.350
0.581
0.412
注：A7试样选为标定试样。
图25LF2+F60-A1试样的δ～Δa试验关系
20
图26LF2+F60-A2试样的δ～Δa试验关系
图27LF2+F60-A3试样的δ～Δa试验关系
21
图28LF2+F60-A4试样的δ～Δa试验关系
图29LF2+F60-A5试样的δ～Δa试验关系
22
图30LF2+F60-A6试样的δ～Δa试验关系
图31LF2+F60-A8试样的δ～Δa试验关系
23
图32LF2+F60-A9试样的δ～Δa试验关系
图33LF2+F60-A10试样的δ～Δa试验关系
24
表10给出了LF2+F60焊缝材料B组10个试样的几何尺寸测量结果，表11为对应的CTOD试验
结果。图34～43给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，有4个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，
所得CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关；其余6个试样的剩余韧带长度b
0
略小于30δ
Q0.2BL
，接近满足有效性条
件，所得CTOD特征值对试样厚度敏感。虽然CTOD特征值存在一定的分散性，但所有值均大于0.6mm，
满足挪威船级社DNV-OS-C401-2004标准规定以及美国石油学会API1104-2005标准规定。
表10LF2+F60焊缝材料B组试样几何尺寸测量结果
试样编号
LF2+F60-B2
LF2+F60-B3
LF2+F60-B4
LF2+F60-B5
LF2+F60-B6
LF2+F60-B7
LF2+F60-B8
LF2+F60-B9
LF2+F60-B10
LF2+F60-B11
试样宽度
W/mm
50.66
50.49
50.69
50.66
50.55
50.64
50.64
50.64
50.76
50.70
试样厚度
B/mm
24.98
24.97
24.96
24.96
24.99
24.98
24.98
24.98
24.98
24.98
净厚度
B
N
/mm
20.78
20.74
20.92
21.30
20.82
20.80
21.00
20.88
20.84
20.74
预制后裂纹长度
a
0
/mm
30.440
30.170
30.920
30.266
30.330
30.230
30.340
30.500
30.730
30.239
剩余韧带长度
b
0
/mm
20.220
20.320
19.770
20.394
20.220
20.410
20.300
20.140
20.030
20.461
表11LF2+F60焊缝材料B组试样CTOD试验结果
试样编号
LF2+F60-B2
LF2+F60-B3
LF2+F60-B4
LF2+F60-B5
LF2+F60-B6
LF2+F60-B7
LF2+F60-B8
LF2+F60-B9
LF2+F60-B10
LF2+F60-B11
Δa
max
/mm
1.730
1.770
1.620
1.914
1.940
1.640
1.870
1.960
1.620
1.451
Δa
Q0.2BL
/mm
0.478
0.502
0.524
0.487
0.542
0.520
0.478
0.483
0.539
0.510
δ
Q0.2BL
/mm
0.648
0.705
0.756
0.670
0.799
0.747
0.649
0.661
0.791
0.723
(dδ/da)
0.2BL
0.547
0.707
0.680
0.888
1.071
0.744
0.742
0.763
0.823
0.902
30δ
Q0.2BL
19.45
21.16
22.68
20.11
23.96
22.41
19.46
19.82
23.73
21.69
有效性条件
满足
δ
0.2BL
/mm
0.648
0.705
0.756
0.670
0.799
0.747
0.649
0.661
0.791
0.723
δ
0.2BL(B)
/mm
接近满足
接近满足
满足
接近满足
接近满足
满足
满足
接近满足
接近满足
注：B1试样选为标定试样。
25
图34LF2+F60-B2试样的δ～Δa试验关系
图35LF2+F60-B3试样的δ～Δa试验关系
26
图36LF2+F60-B4试样的δ～Δa试验关系
图37LF2+F60-B5试样的δ～Δa试验关系
27
图38LF2+F60-B6试样的δ～Δa试验关系
图39LF2+F60-B7试样的δ～Δa试验关系
28
图40LF2+F60-B8试样的δ～Δa试验关系
图41LF2+F60-B9试样的δ～Δa试验关系
29
图42LF2+F60-B10试样的δ～Δa试验关系
图43LF2+F60-B11试样的δ～Δa试验关系
30
5.2.3F60+X70焊缝材料
表12给出了F60+X70焊缝材料A组10个试样的几何尺寸测量结果，表13为对应的CTOD试验
结果。图44～53给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，10个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，
所得CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关，分散性较小，所有值均大于0.35mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定和美国石油工业学会API1104-2005标准规定。其中，A3试样因裂纹呈现
明显的不均匀扩展，致使裂纹长度不满足GB/T21143-2007相关要求而作废。
表12F60+X70焊缝材料A组试样几何尺寸测量结果
试样编号
F60+X70-A1
F60+X70-A4
F60+X70-A5
F60+X70-A6
F60+X70-A7
F60+X70-A8
F60+X70-A9
F60+X70-A10
F60+X70-A11
F60+X70-A12
试样宽度
W/mm
50.15
50.04
49.95
50.11
50.16
50.01
50.13
50.14
50.14
49.97
试样厚度
B/mm
25.00
25.00
25.00
25.00
25.08
25.00
25.00
25.04
24.98
24.96
净厚度
B
N
/mm
21.54
21.46
21.50
20.84
20.84
21.32
20.86
20.88
21.20
20.78
预制后裂纹长度
a
0
/mm
30.089
29.609
30.300
30.050
30.019
30.408
30.510
30.600
30.450
30.060
剩余韧带长度
b
0
/mm
20.061
20.431
19.650
20.060
20.141
19.602
19.620
19.540
19.690
19.910
表13F60+X70焊缝材料A组试样CTOD试验结果
试样编号
F60+X70-A1
F60+X70-A4
F60+X70-A5
F60+X70-A6
F60+X70-A7
F60+X70-A8
F60+X70-A9
F60+X70-A10
F60+X70-A11
F60+X70-A12
Δa
max
/mm
1.801
1.641
1.970
2.220
2.201
1.822
2.110
2.130
2.170
1.810
Δa
Q0.2BL
/mm
0.347
0.351
0.343
0.338
0.348
0.345
0.361
0.354
0.355
0.350
δ
Q0.2BL
/mm
0.372
0.382
0.361
0.348
0.373
0.366
0.406
0.389
0.391
0.380
(dδ/da)
0.2BL
0.443
0.406
0.382
0.363
0.369
0.358
0.455
0.324
0.369
0.425
30δ
Q0.2BL
11.15
11.47
10.83
10.43
11.18
10.99
12.18
11.67
11.73
11.40
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.372
0.382
0.361
0.348
0.373
0.366
0.406
0.389
0.391
0.380
注：A2试样选为标定试样。
31
图44F60+X70-A1试样的δ～Δa试验关系
图45F60+X70-A4试样的δ～Δa试验关系
32
图46F60+X70-A5试样的δ～Δa试验关系
图47F60+X70-A6试样的δ～Δa试验关系
33
图48F60+X70-A7试样的δ～Δa试验关系
图49F60+X70-A8试样的δ～Δa试验关系
34
图50F60+X70-A9试样的δ～Δa试验关系
图51F60+X70-A10试样的δ～Δa试验关系
35
图52F60+X70-A11试样的δ～Δa试验关系
图53F60+X70-A12试样的δ～Δa试验关系
36
表14给出了F60+X70焊缝材料B组6个试样的几何尺寸测量结果，表15为对应的CTOD试验结
果。图54～59给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，6个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得
CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关，分散性较小，所有值均大于等于0.5mm，满足挪威船级社DNV-OS-C401-2004
标准规定和美国石油工业学会API1104-2005标准规定。其中，B1、B2、B4、B7、B10试样因裂纹呈现
明显的不均匀扩展，致使裂纹长度不满足GB/T21143-2007相关要求而作废。
表14F60+X70焊缝材料B组试样几何尺寸测量结果
试样编号
F60+X70-B3
F60+X70-B5
F60+X70-B6
F60+X70-B9
F60+X70-B11
F60+X70-B12
试样宽度
W/mm
49.92
50.10
50.01
50.00
49.99
50.08
试样厚度
B/mm
25.00
25.00
25.00
25.04
25.00
25.00
净厚度
B
N
/mm
20.98
20.96
20.98
20.84
20.66
20.88
预制后裂纹长度
a
0
/mm
30.640
30.979
31.137
30.900
30.970
31.100
剩余韧带长度
b
0
/mm
19.280
19.121
18.873
19.100
19.020
18.980
表15F60+X70焊缝材料B组试样CTOD试验结果
试样编号
F60+X70-B3
F60+X70-B5
F60+X70-B6
F60+X70-B9
F60+X70-B11
F60+X70-B12
Δa
max
/mm
1.101
1.221
1.233
1.271
1.090
1.160
Δa
Q0.2BL
/mm
0.428
0.398
0.410
0.439
0.438
0.434
δ
Q0.2BL
/mm
0.575
0.500
0.530
0.603
0.602
0.592
(dδ/da)
0.2BL
0.455
0.502
0.553
0.442
0.449
0.510
30δ
Q0.2BL
17.26
14.99
15.91
18.08
18.06
17.77
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.575
0.500
0.530
0.603
0.602
0.592
注：B8试样选为标定试样；
37
图54F60+X70-B3试样的δ～Δa试验关系
图55F60+X70-B5试样的δ～Δa试验关系
38
图56F60+X70-B6试样的δ～Δa试验关系
图57F60+X70-B9试样的δ～Δa试验关系
39
图58F60+X70-B11试样的δ～Δa试验关系
图59F60+X70-B12试样的δ～Δa试验关系
40
5.2.4F60+X80焊缝材料
本组7个试样仅有B2试样为稳定裂纹扩展情形，其余6个试样均表现为失稳断裂。表16给出了
F60+X80-B2试样的CTOD试验结果。表17为其余6个试样的CTOD试验结果。图60为F60+X80-B2
试样的δ～Δa曲线，图61～66给出了各失稳断裂试样的P～V曲线。可以看到，B1、B3、B4试样在失
稳断裂时已产生的裂纹扩展量大于0.2mm，B5、B6试样为无裂纹扩展的完全脆性失稳断裂，B7试样
在失稳断裂前虽然其裂尖局部产生了较大程度的塑性变形，但裂纹并未产生扩展。B2试样的δ～Δa曲
线满足有效性条件，所得CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关；其余6个试样所得CTOD特征值对试样厚度敏感；
所有试样的CTOD特征值均大于等于0.127mm，满足美国石油工业学会API1104-2005标准规定。
表16F60+X80-B2试样CTOD试验结果
试样宽度
W/mm
试样厚度
B/mm
净厚度
B
N
/mm
预制后裂纹长度
a
0
/mm
剩余韧带长度
b
0
/mm
Δa
max
/mm
49.96
Δa
Q0.2BL
/mm
21.90
δ
Q0.2BL
/mm
17.96
(dδ/da)
0.2BL
30.759
30δ
Q0.2BL
19.201
有效性条件
2.791
δ
0.2BL
/mm
0.3380.3610.43510.816
满足
0.361
注：B10试样选为标定试样。
表17F60+X80-B组试样失稳断裂情形下的CTOD试验结果
试样编号
F60+X80-B1
F60+X80-B3
F60+X80-B4
F60+X80-B5
F60+X80-B6
F60+X80-B7
失稳点载荷P/N
34980.4
36121.5
34220.4
33466.8
31808.9
35850.3
a
0
/mm
30.570
30.690
30.900
30.660
30.560
30.420
终止裂纹长度a
f
/mm
31.330
31.520
32.380
30.660
30.560
30.420
Δa
max
/mm
0.760
0.830
1.480
0
0
0
δ
u
/mm
0.484
0.478
0.610
0.169
0.142
0.336
δ
c
/mm
41
图60F60+X80-B2试样的δ～Δa试验关系
图61F60+X80-B1试样的P～V试验关系
42
图62F60+X80-B3试样的P～V试验关系
图63F60+X80-B4试样的P～V试验关系
图64F60+X80-B5试样的P～V试验关系
43
图65F60+X80-B6试样的P～V试验关系
图66F60+X80-B7试样的P～V试验关系
5.3试样断口
图67给出了裂纹稳定扩展时的典型合格断口照片，可见，疲劳裂纹区、裂纹扩展区、二次疲劳裂
纹区以及断裂区四个区域分界清晰，裂纹均匀扩展，由九点平均法测得的裂纹长度满足GB/T21143-2007
相关要求。在试验过程中，个别试样出现了裂纹扩展受阻、脆性断裂等现象，造成试验结果无效，但不
影响整组试验结果和结论。
44
图67裂纹稳定扩展情形时的合格断口照片
6结论
6.1CTOD分组试验结论
（1）对于LF2+LF2焊缝材料，两组试样测得的CTOD特征值均有一定分散性。A组试样的δ
0.2BL
值
均大于0.15mm，B组试样的δ
0.2BL
值均大于0.25mm。
（2）对于LF2+F60焊缝材料，A组和B组试样测得的CTOD值均满足有效性条件，因而所得CTOD
特征值δ
0.2BL
对试样厚度不敏感。A组试样的δ
0.2BL
值均大于0.2mm，B组试样的δ
0.2BL
值均大于0.6mm。
B组试样测得的CTOD特征值明显高于A组试样。
（3）对于F60+X70焊缝材料，A组和B组试样测得的CTOD值均满足有效性条件，因而所得CTOD
特征值δ
0.2BL
对试样厚度不敏感。A组和B组试样测得的CTOD特征值的分散性均较小。A组试样的δ
0.2BL
值均大于0.3mm，B组试样的δ
0.2BL
值均大于0.5mm。B组试样测得的CTOD特征值明显高于A组试样。
（4）对于F60+X80焊缝材料，仅有B2试样表现为裂纹稳定扩展，其余6个试样均表现为失稳断裂。
B1、B3、B4试样在失稳断裂时已产生的裂纹扩展量大于0.2mm，B5、B6试样为无裂纹扩展的完全脆
性失稳断裂，B7试样在失稳断裂前虽然其裂尖局部产生了较大程度的塑性变形，但裂纹并未产生扩展。
由于各试样的断裂方式不尽相同，因而测得的CTOD特征值的分散性较大，但最小CTOD特征值大于
0.127mm。
6.2CTOD试验总体结论
通过以上试验研究分析，我们得出以下结论：
（1）除F60+X80焊缝材料部分试样表现为具有一定裂纹扩展量的脆性断裂外，其余几组焊缝材
料均表现出裂纹稳定扩展现象，从而获得了考虑材料分散性的δ～Δa阻力曲线；
45
（2）各组焊缝材料测得的CTOD特征值虽存在一定的分散性，但满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准或美国石油工业学会API1104-2005标准规定的焊接接头最小CTOD特征值要
求。
6.3附加说明
本报告的试验结论仅对甲方送样负责。
西南交通大学力学与工程学院
西南交通大学材料与结构强度研究所
2010年4月
46
附录
（1）西南交通大学材料与结构强度研究所简介
西南交通大学材料与结构强度研究所由原西南交通大学工程力学实验室和工程力学教研室主要成
员组成，成立于2008年9月，隶属于西南交通大学力学与工程学院，目前研究所成员共有12人，其中
教授5人，副教授3人，高级工程师2人，中级职称2人，承担着多项国家自然科学基金、973基金、
国家创新基金、国际合作等项目，迄今已发表SCI、EI论文100多篇，获得四川省、教育部、国防科工
委科技进步奖6项，专利2项，培养了博、硕研究生30余人。研究所支撑西南交通大学固体力学学科，
支撑强度与振动实验室省高校重点实验室，是材料与结构强度测试、结构安全评价的重要基地。
主要研究方向：
①先进材料力学行为研究与表征通过CAT与FEA，研究核电材料、智能材料、多孔材料、单晶
材料、聚合物材料、生物材料的宏、细观力学规律及其表征，包括非线性材料本构关系、材料棘轮行为。
②材料强度与结构安全评价广泛频率（低周、普高周、超高周）与复杂环境条件下材料与构件的
疲劳强度与损伤、断裂韧性与扩展、塑性行为研究；结构强度容限、裂纹容限、剩余寿命的试验、理论
与数值分析；结构安全评价。
③材料与结构测试技术研究与应用高温、多尺度、复杂加载、超高频下工程材料与构件力学行为
测试；轻质材料测试技术、小尺度与微力测试；特殊材料的疲劳测试技术，断裂力学韧性测试中柔度、
载荷分离测试方法的理论与实验基础，疲劳裂纹扩展的测试与仿真技术，岩石强度的巴西试验方法；
聚合物材料表面刮擦测试规范中的理论与实验基础；MTS辅助测试技术；超声疲劳测试方法与设备研
制；工程结构强度测试。
④生物医学工程中力学问题研究与应用血液循环系统疾病的生物医学产品设计；生物医学产品的
力学性能测试、力学理论与数值仿真；基于生物影像技术的有限元分析。
⑤材料表面刮擦测试技术研究与应用非线性材料表面损伤破坏及防刮擦机理的力学行为试验和
理论研究，汽车表面改性，管道涂层材料粘结强度耐久性研究。
（2）蔡力勋教授简介
男，1959年7月出生，教授、博士生导师。现任任西南交通大学力学与工程学院结构分析与工程
系主任，材料与结构强度研究所所长。
自1986年，长期从事实验固体力学科研与教学工作，注重先进CAT技术在固体力学研究和工程中
的应用；主研和负责了国家自然科学基金、省部级基金、国防科研基金以及重大工程测试项目近20项，
培养研究生14名，完成46名力学专业本科生毕业论文指导；在固体材料本构关系、疲劳与断裂等研究
47
方面，及MTS创新开发与应用、工程测试等方面，发表论文百余篇，其中40余篇论文被SCI和EI检
索。
1995、2001年获四川省科技进步二等奖2项，1996年获核工业总公司省部级科技进步三等奖1项，
2003获国防科学进步三等奖1项；2001、2004、2005、2007、2008、2009年西南交通大学优秀硕士论
文指导教师，2009年本科生SRTP项目优秀指导教师；2003年、2006年获西南交通大学研究生教学成
果二等奖、一等奖各1项。获实用新型专利一项（专利号ZL2.5），申报发明专利一项(申
请号2.4，公开号101526451)。
承担了“工程力学”（国家级精品课程）、“实验力学”、“面向对象方法与应用”本科课程教学以及“材
料的力学行为与测试技术”、“CAT技术及其在力学中的应用”、“疲劳与断裂力学”、“专业外语”研究生
课程教学。撰写’力学CAT基础”讲义一册，2005年教育部高校系统MTS测试技术培训班“断裂力学测
试技术”主讲教师，MTS测试技术培训教材断裂力学测试技术部分撰稿人，第五至第八届西南MTS材
料测试研讨会及2008全国MTS断裂测试研讨会论文集主编。
学术组织兼职为：
中国力学学会MTS材料试验专委会第一、二、三届会委员、第四届副主委
中国创造学会第三、四届理事
四川省力学学会实验力学专委会副主任委员
《中国测试》杂志编委
核燃料与材料国家重点实验室客座教授
7thInternationalMeetingofFractureMechanics断裂力学国际会议执行主席(2009年10月)
全国MTS断裂力学测试研讨会执行主席(2008年10月)
第一、第二、第三届全国力学大会材料测试分会场主席（2005年、2007年、2009年）
第一至第八届西南MTS材料测试研讨会主席（1990年~2009年）
第四至第七届全国MTS材料测试学术大会与分会场报告主席（1998年~2007年）
力学学报(中、英)、金属学报、航空学报、力学进展、上海交大学报、西安交大学报、中国科技大
学学报、北京航空航天大学学报、四川大学学报、机械强度、中国测试等刊物审稿人
多类基金项目评审专家
48
2024年8月8日发(作者：越醉柳)
天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目
CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制
裂纹尖端张开位移（CTOD）
试验研究报告
委托单位：四川精控阀门制造有限公司
试验单位：西南交通大学力学与工程学院
试验人：包陈，贾琦，陈龙，姚博
负责人：蔡力勋
报告人：蔡力勋，包陈
西南交通大学力学与工程学院
二0一0年四月
天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目
CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制
裂纹尖端张开位移（CTOD）
试验研究报告
1研究背景
本项目为“天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目高压大口径全焊接球阀国产化试制”技
术条件所要求的裂纹尖端张开位移（CTOD，cracktipopeningdisplacement）试验。高压大口径全焊
接球阀型号为CL60040"、CL60048"，主要用于石油天然气管道运输及终端分配。球阀连接管线分别
为API5LX70钢级管线钢管和API5LX80钢级管线钢管，服役环境温度为-29℃～42℃，输送介质为管
输天然气，介质温度0～93℃，输送介质压力10MPa。该球阀既承受管道内部压力，服役环境又存在如
地基沉降、泥石流、地下水的电位腐蚀和应力腐蚀等工况，条件十分恶劣，要求能连续运行30年以上，
且相关性能长期满足工况要求。
CTOD是指裂纹受张开型载荷后，原始裂纹尖端处两裂纹面所张开的相对距离，反映了裂纹尖端的
材料抵抗开裂的能力，可用来衡量材料的断裂韧性。CTOD值越大，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能
越好。CTOD是断裂力学中唯一可直接观察的参量，是目前使用最广泛的一种弹塑性断裂力学分析方法，
在材料和工艺选择以及工程构件的安全性评定、特别是在压力容器/管道等重要焊接结构的完整性评定
中获得了广泛的应用。由于焊接接头是非均质体，CTOD能够直接反映裂纹尖端所处材料组织的韧性。
图1全焊接球阀
1
图1为CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀产品照片。图2～图4分别给出了球阀不同部
位的焊接示意图，其中阀体和颈部接管所用材料均为LF2钢，左/右体材料为F60钢，袖管材料为X70
管线钢或X80管线钢。阀体与颈部接管连接部分采用埋弧焊（SAW）焊接而成，阀体与左/右体连接部分
也采用埋弧焊（SAW）焊接而成，左/右体与袖管连接部分采用埋弧焊（SAW）+氩弧焊（GTAW）焊接而成。
图2阀体与颈部接管焊接示意图
图3阀体与左/右体焊接示意图
图4左/右体与袖管焊接示意图
2试验标准
GB/T21143-2007
ASTME1820-01～08a
API1104-2005
DNV-OS-C401-2004
金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法
Standardtestmethodformeasurementoffracturetoughness
Weldingofpipelinesandrelatedfacilities
Fabricationandtestingofoffshorestructures
2
3材料、试样与试验条件
试验材料取CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀中各焊接部位的焊缝材料，分别为LF2+LF2
焊缝（埋弧焊）、LF2+F60焊缝（埋弧焊）、F60+X70焊缝（埋弧焊+氩弧焊）和F60+X80焊缝（埋弧焊+
氩弧焊），母材和焊缝的化学成分实测值如表1所示。
表1母材及焊缝化学成分（质量百分数，%）
材料
LF2
F60
X70
LF2+LF2
埋弧焊
LF2+F60
埋弧焊
F60+X70
氩弧焊
F60+X70
埋弧焊
C
0.21
0.19
0.18
0.053
0.053
0.07
0.053
Si
0.28
0.22
0.22
0.39
0.39
0.72
0.39
Mn
0.92
1.19
1.29
1.53
1.53
1.44
1.53
P
0.010
0.013
0.009
0.018
0.018
0.007
0.018
S
0.004
0.008
0.006
0.007
0.007
0.018
0.007
Cr
0.07
0.1
0.13
0.017
0.017
/
0.017
Ni
0.06
0.04
0.1
0.263
0.263
/
0.263
Mo
0.02
001
0.07
0.001
0.001
/
0.001
V
0.01
0.01
0.07
0.01
0.01
/
0.01
Ti
/
0.02
0.02
/
/
0.2
/
Cu
0.12
0.26
0.4
0.061
0.061
0.12
0.061
Al
/
/
/
/
/
0.024
/
Fe
其余
其余
其余
其余
其余
其余
其余
对于试验试样型式，GB/T21143-2007推荐了三点弯曲试样（SEB，singleedgedbending）和紧凑拉
伸（CT，compacttension），两类试样均可用于CTOD试验，且CTOD特征值属于材料特性，不因试样
型式的不同产生差异，而且，台阶型紧凑拉伸试样比三点弯曲试样更易满足平面应变条件。因此，考虑
到现有试验条件和操作便利性，本次试验试样采用台阶型CT试样，每组材料中选用一个试样作为标定
试样，试样型式如图5所示。四种焊缝材料按照图6所示两个方向截取CT试样，其中立式标注为A，
卧式标注为B，表2列出了各组试样的详细信息。
试样的制备按照以下流程依序完成：锻件毛坯要求→毛坯采购→毛坯交付（含质量证明文件）→毛
坯进厂复验（外观/尺寸、化学成分、力学性能、无损检测、非金属夹杂物、金相组织、晶粒度）→合
格毛坯入库→加工外形/坡口→按焊接工艺规程（WPS）施焊试件→过程检查/监督/记录→清理检查打磨
→焊缝/热影响区(HAZ,heataffectedzone)超声波检测（UT）→合格试件→按试样图取样加工→检验→
标识。
图5a)CT试样型式
3
图5b)标定试样型式
图6a）CTOD试样取样示意图立式（标注为A）
4
图6b）CTOD试样取样示意图卧式（标注为B）
表2焊缝试样信息
材料取样方式
A（立式）
LF2+LF2焊缝
B（卧式）
A（立式）
LF2+F60焊缝
B（卧式）
A（立式）
F60+X70焊缝
B（卧式）
F60+X80焊缝B（卧式）
50
50
25
22
27
27
12
8
50
50
25
25
27
27
11
12
50
50
25
25
27
27
7
10
试样名义宽度
W/mm
50
试样名义厚度
B/mm
25
名义初始裂纹长度
/mm
27
试样数量
/件
8
试验设备为MTS809250kN电液伺服试验机、TestStarII控制系统、COD（crackopeningdisplacement）
引伸计MTS632.02F-20和19JA型万能工具显微镜。试验装置如图7～图8所示。
所用MTS(materialtestsystem)应用软件：(1)MTS790.50标准应用软件，该软件用于完成疲劳裂纹
预制和准静态断裂韧度试验的控制；(2)MTSTestStar/SX编程软件，该软件用于CTOD试验的控制以
及载荷与COD数据采集。试验温度为常温。
5
图7试验装置
图8用于断后试样裂纹长度测量的19JA型万能工具显微镜
4试验与数据分析方法
4.1预制疲劳裂纹
应用MTS790.50标准断裂力学试验软件在MTS试验机上对试样精确预制疲劳裂纹。试验预制裂
纹长度增量约3mm，预制裂纹的时间约60~90分钟。MTS790.50软件预制疲劳裂纹的优点是采用等ΔK
控制，既保证裂纹扩展驱动力均匀，还可确保裂纹尖端不出现大范围屈服。
4.2裂纹尖端张开位移（CTOD）试验方法
6
由于试验材料表现出较高的韧性，致使由卸载柔度法获得的试样裂纹长度同物理直接测量得到的裂
纹长度存在一定误差，因此本项目CTOD试验采用ASTME1820-01~08a系列标准推荐的载荷分离法来
获得试样的实时裂纹长度。
4.2.1载荷分离法（LoadSeparationMethod）
对于裂纹稳定扩展的情形，CTOD试验关键技术之一为试样在加载过程中的实时裂纹长度的准确确
定，常用方法包括多试样法和单试样法两大类。多试样法为采用多个相同结构和初始尺寸的试样，分别
将各个试样加载到不同的载荷水平，然后打开试样，直接采用物理测量的方法获得各试样的裂纹扩展量，
从而得到CTOD阻力曲线上数据点。该方法往往需要至少8个试样才能获得一条CTOD阻力曲线，耗费材
料，试验耗时也较多，而且所得试验点分散性大，无效点多。柔度法是最为广泛采用的单试样法之一，
比多试样法更易实施，每个试样都可以获得一条阻力曲线，便于考虑材料的分散性。该方法强烈依赖于
试样弹性卸载过程中的
P-V
曲线线性度，且受裂纹前沿平直度的影响较大，对于普通中低韧性材料具有
良好适应性。而对于高韧性材料，由柔度法测得的裂纹长度同物理测量结果往往差异较大。载荷分离法
是一种可直接从载荷-张开位移曲线中通过初始和终止点裂纹标定获得实时裂纹长度的方法。该方法理
论基础强，操作简便，节省材料和试验时间，在多种金属和非金属材料的延性断裂韧性测试中得到广泛
应用，并被美国ASTME1820系列规范推荐为标准测试方法。
对于多种构形的断裂试样（CT、SEB等），载荷分离理论认为试样在加载过程中，其单位厚度B
下的载荷P可由与试样裂纹长度a相关的裂纹几何函数G(a/W)和与塑性变形V
p
相关的变形函数H(V
p
/W)
的乘积来表示，
PWBG
a
/
W
H
V
p
/
W
WB
a
/
W
m
H
V
p
/
W
（1）
式中，W为试样宽度，m为材料参数。在变形初期的小范围区域之外，多数金属材料满足载荷分
离理论。在变形初期的小范围载荷下，试样裂纹尚未扩展，此时产生的小段载荷不可分离现象不影响试
样裂纹扩展过程中的裂纹长度估测。基于载荷分离理论，将初始裂纹长度和试验终止裂纹长度作为标定
点并结合标定试样，即可直接从试验试样的载荷-裂纹张开位移曲线中获得实时裂纹长度。
4.2.2CTOD试验过程
（1）对尖裂纹试样预制疲劳裂纹，预制裂纹增量约为3mm；
（2）采用位移控制对标定试样进行加载，加载速率为0.02mm/s，加载到接近COD引伸计满量程时停
止加载；
（3）为了确保试样裂纹均匀扩展，将疲劳预制后的尖裂纹试样参照图9开侧槽，侧槽在试样厚度方向
上对称分布，侧槽断面为边长为3mm的等边三角形，侧槽根部圆弧半径为0.2mm；开侧槽的目的是为
7
了让裂纹均匀扩展，使裂纹前沿尽量平直。GB/T21143-2007明确规定测定阻力曲线的全部试样都应开
侧槽，且侧槽深度为0.2B±1%，而ASTM系列标准和早期国标对侧槽的规定为最大侧槽深度不超过
0.25B。本次试验所开侧槽深约为0.1B，从试样断口可以观察到裂纹前沿平直度较好，达到了所需效果。
图9CT试样侧槽加工图
（4）对已开侧槽的尖裂纹试样进行位移控制加载，加载速率为0.02mm/s，当试样的载荷达到最大载荷
并有少量下降时停止加载；
（5）对已加载过的尖裂纹试样进行二次疲劳，二次疲劳的循环峰值载荷约为单调加载时最大载荷的
70%，疲劳时间以能够勾出裂纹扩展前沿为准；
（6）二次疲劳后，将试样拉断，利用工具显微镜根据九点平均法测量预制后的初始裂纹长度和裂纹扩
展终止时的裂纹长度，从而获得载荷分离法所需的两个裂纹长度标定点。
（7）数据处理。
图10典型载荷（P）～张开位移（V）曲线
8
4.3数据处理方法
根据GB/T21143-2007，在CTOD试验中通常会出现如图10所示的六类典型的P～V曲线。图中情况（1）
~情况（3）为裂纹扩展量Δa<0.2mm时出现非稳定裂纹扩展或Pop-In现象的情况，对应的尺寸敏感的CTOD
值用δ
c
表示；图中情况（4）和情况（5）为裂纹扩展量Δa>0.2mm时出现非稳定裂纹扩展或Pop-In现象的
情况，对应的尺寸敏感的CTOD值用δ
u
表示；图中情况（6）为稳定裂纹扩展的情况，其中第一个最大力
平台对应的尺寸敏感的CTOD值用δ
m
表示；另外，该情况还可以通过δ-Δa阻力曲线来获得尺寸敏感的特
征CTOD值δ
0.2BL(B)
或非尺寸敏感的特征CTOD值δ
0.2BL
。
对于裂纹无扩展情形，可直接由工具显微镜测得裂纹长度；对于裂纹扩展情形，可根据前述载荷分
离法确定试样加载过程中的实时裂纹长度。CT试样的CTOD值
计算公式为
K
2
1
2
0.46
W
a
a
V
p
2
RE
0.46
W
a
a
z
p
0.2
1
（2）
K
(
P
/
BW
2
)
f
a
/
W
223344
f
a
/
W
(2
a
/
W
)(0.886
4.64
a
/
W
13.32
a
/
W
14.72
a
/
W
5.6
a
/
W
)
(1
a
/
W
)
3/2
式中，z为刀口厚度即引伸计测量点到加载线的距离，ν为泊松比，E为等效弹性模量，R
p0.2
为屈服
强度，K为应力强度因子，V
p
为COD的塑性分量，W、B和a分别为试样宽度、试样厚度和裂纹长度。
4.4有效性判定
对于裂纹稳定扩展情形，δ-Δa阻力曲线的评定需满足相关有效性规定。根据GB/T21143-2007，δ-Δa
阻力曲线的有效数据区由左、右界限线和上界限线围成的封闭区域构成（图11）。其中，钝化线方程为
δ=1.87(R
m
/R
p0.2
)Δa，左界限线为0.1mm钝化线偏置线，右界限线为Δa
max
钝化线偏置线，上界限线为过极
限值δ
limit
处横轴的平行线。Δa
max
的取值应介于0.5与0.25(W-a
0
)之间。在有效数据区内至少有6个数据点，
将封闭区域4等分后，要求每个区间至少有一个数据点，在0.1mm和0.3mm钝化线偏置线之间至少有一个
数据点，在0.1mm和0.5mm钝化线偏置线之间至少有两个数据点。δ
limit
的取值应为式（3）中的最小值，
当不能满足时可用δ
limit
=(W-a
0
)/20确定。
lim
it
B
/30
lim
it
a
0
/30
lim
it
W
a
0
/30
合曲线与0.2mm钝化线偏置线的交点即为(δ
Q0.2BL
,Δa
Q0.2BL
)。当满足以下有效性条件时：
（3）
对于封闭区域内的有效数据点，GB/T21143-2007推荐采用指数方程δ=α+βΔa
γ
(0≤γ≤1)进行拟合，拟
d
/da
a
Q
0.2
BL
0.935(
R
m
/
R
p
0.2
)
a
0
,
B
,
W
a
0
30
Q
0.2
BL
的启裂韧度δ
0.2BL(B)
。
（4）
δ
Q0.2BL
即可作为非尺寸敏感的特征启裂韧度δ
0.2BL
。当不满足上述有效性条件时，δ
Q0.2BL
为尺寸敏感
9
挪威船级社DNV-OS-C401-2004标准规定焊接接头的CTOD值等于或大于0.15mm时焊接质量合
格。美国石油学会在API1104-2005标准的附录A中规定管道焊接接头CTOD值的验收标准为0.005in.
（0.127mm）或0.01in.（0.254mm）。
图11δ-Δa阻力曲线分析示意图
5结果与分析
5.1单轴拉伸实验结果
表3给出了四组焊缝材料的单轴力学性能参数。可见，各组焊缝材料的强度性能参数分散性较小；
对于F60+X70焊缝材料和F60+X80焊缝材料，氩弧焊焊缝的屈服强度和抗拉强度明显高于埋弧焊焊缝
的屈服强度和抗拉强度。
表3焊缝材料单轴拉伸力学性能
试样编号
09-05-1#
09-05-2#
09-05-3#
09-07-1#
09-07-2#
09-07-3#
9E610-SAW-1#
9E610-SAW-2#
9E610-SAW-3#
9E610-GTAW-1#
9E610-GTAW-2#
9E610-GTAW-3#
F60+X70
GTAW（氩弧焊）
SAW(埋弧焊)
LF2+F60SAW(
埋弧焊
)
LF2+LF2SAW(埋弧焊)
材料焊接工艺
弹性模量
E
MPa
198000
197100
205900
176100
189400
190700
205600
170900
186213
200000
177400
198500
屈服
R
p0.2
MPa
416
431
444
405
416
402
384
404
399
527
515
458
抗拉
R
m
MPa
515
541
539
510
510
504
528
524
552
638
614
587
10
表3焊缝材料单轴拉伸力学性能（续）
试样编号
SAW-1#
SAW-2#
SAW-3#
GTAW-1#
GTAW-2#
GTAW-3#
GTAW-4#
F60+X80
GTAW（氩弧焊）
SAW(埋弧焊)
材料焊接工艺
弹性模量E
MPa
184600
185100
195500
199200
201200
184200
189800
屈服R
p0.2
MPa
403
408
428
527
554
520
554
抗拉R
m
MPa
574
581
577
623
650
606
640
5.2CTOD实验结果
5.2.1LF2+LF2焊缝材料
表4给出了LF2+LF2焊缝材料A组7个试样的几何尺寸测量结果，表5为对应的CTOD试验结果。
图12～图18给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，7个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得
CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关；虽然δ
0.2BL
值存在一定的分散性，但所有值均大于0.15mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定。
表4LF2+LF2焊缝材料A组试样几何尺寸测量结果
试样编号
LF2+LF2-A1
LF2+LF2-A2
LF2+LF2-A3
LF2+LF2-A4
LF2+LF2-A5
LF2+LF2-A6
LF2+LF2-A8
试样宽度
W/mm
49.99
49.84
50.10
50.06
50.09
49.97
50.07
试样厚度
B/mm
25.06
25.04
25.02
25.02
25.04
25.04
25.08
净厚度
B
N
/mm
21.20
21.22
21.20
25.02
25.04
25.04
20.96
预制后裂纹长度
a
0
/mm
31.019
31.600
30.398
30.118
30.891
30.387
31.629
剩余韧带长度
b
0
/mm
18.971
18.240
19.702
19.937
19.199
19.583
18.441
表5
试样编号
LF2+LF2-A1
LF2+LF2-A2
LF2+LF2-A3
LF2+LF2-A4
LF2+LF2-A5
LF2+LF2-A6
LF2+LF2-A8
Δa
max
/mm
0.941
0.741
2.162
1.428
1.720
1.448
0.991
LF2+LF2焊缝材料A组试样CTOD试验结果
Δa
Q0.2BL
/mm
0.486
0.463
0.352
0.312
0.283
0.286
0.407
δ
Q0.2BL
/mm
0.662
0.608
0.351
0.260
0.192
0.198
0.479
(dδ/da)
0.2BL
0.566
0.341
0.343
0.264
0.101
0.146
0.499
30δ
Q0.2BL
19.86
18.24
10.54
7.80
5.76
5.95
14.37
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.662
0.608
0.351
0.260
0.192
0.198
0.479
注：A7试样选为标定试样。
11
图12LF2+LF2-A1试样的δ～Δa试验关系
图13LF2+LF2-A2试样的δ～Δa试验关系
12
图14LF2+LF2-A3试样的δ～Δa试验关系
图15LF2+LF2-A4试样的δ～Δa试验关系
13
图16LF2+LF2-A5试样的δ～Δa试验关系
图17LF2+LF2-A6试样的δ～Δa试验关系
14
图18LF2+LF2-A8试样的δ～Δa试验关系
表6给出了LF2+LF2焊缝材料B组6个试样的几何尺寸测量结果，表7为对应的CTOD试验结果。
图19～24给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，B3试样的δ～Δa曲线不满足数据合格区间分布要求，
所得CTOD值δ
Q0.2BL
对厚度敏感；其余试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得CTOD值δ
0.2BL
与厚
度无关；虽然特征CTOD值存在一定的分散性，但所有值均大于0.25mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定以及美国石油学会API1104-2005标准规定。
表6
试样编号
LF2+LF2-B2
LF2+LF2-B3
LF2+LF2-B4
LF2+LF2-B5
LF2+LF2-B6
LF2+LF2-B7
LF2+LF2焊缝材料B组试样几何尺寸测量结果
试样厚度
B/mm
25.13
25.10
25.12
25.10
25.10
25.10
净厚度
B
N
/mm
21.22
25.10
21.10
25.10
21.10
25.10
预制后裂纹长度
a
0
/mm
29.790
30.563
31.568
30.744
32.034
31.208
剩余韧带长度
b
0
/mm
20.340
19.317
18.352
19.176
17.866
18.842
试样宽度
W/mm
50.13
49.88
49.92
49.92
49.90
50.05
15
表7
试样编号
LF2+LF2-B2
LF2+LF2-B3
LF2+LF2-B4
LF2+LF2-B5
LF2+LF2-B6
LF2+LF2-B7
Δa
max
/mm
1.455
0.642
1.041
1.167
1.430
1.367
Δa
Q0.2BL
/mm
0.423
0.431
0.397
0.350
0.378
0.327
LF2+LF2焊缝材料B组试样CTOD试验结果
δ
Q0.2BL
/mm
0.515
0.534
0.455
0.346
0.412
0.294
(dδ/da)
0.2BL
0.377
0.622
0.531
0.322
0.391
0.319
30δ
Q0.2BL
15.46
16.03
13.66
10.39
12.36
8.83
数据点区间分布
满足
δ
0.2BL
/mm
0.515
0.534
0.455
0.346
0.412
0.294
δ
0.2BL(B)
/mm
不满足
满足
满足
满足
满足
注：B1试样开侧槽时作废；B8试样选为标定试样。
图19LF2+LF2-B2试样的δ～Δa试验关系
16
图20LF2+LF2-B3试样的δ～Δa试验关系
图21LF2+LF2-B4试样的δ～Δa试验关系
17
图22LF2+LF2-B5试样的δ～Δa试验关系
图23LF2+LF2-B6试样的δ～Δa试验关系
18
图24LF2+LF2-B7试样的δ～Δa试验关系
5.2.2LF2+F60焊缝材料
表8给出了LF2+F60焊缝材料A组9个试样的几何尺寸测量结果，表9为对应的CTOD试验结果。
图25～33给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，9个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得CTOD
值δ
0.2BL
与厚度无关，虽然δ
0.2BL
值存在一定的分散性，但所有值均大于0.2mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定。
表8
试样编号
LF2+F60-A1
LF2+F60-A2
LF2+F60-A3
LF2+F60-A4
LF2+F60-A5
LF2+F60-A6
LF2+F60-A8
LF2+F60-A9
LF2+F60-A10
LF2+F60焊缝材料A组试样几何尺寸测量结果
试样厚度
B/mm
25.10
25.10
25.09
25.10
25.10
25.18
25.10
24.98
25.02
净厚度
B
N
/mm
25.10
21.20
21.44
21.06
25.10
25.18
20.92
20.92
21.14
预制后裂纹长度
a
0
/mm
33.019
33.220
32.890
33.010
31.709
31.609
31.630
30.390
31.239
剩余韧带长度
b
0
/mm
16.901
16.740
17.030
16.930
18.361
18.241
18.550
19.400
18.921
试样宽度
W/mm
49.92
49.96
49.92
49.94
50.07
49.85
50.18
49.79
50.16
19
表9
试样编号
LF2+F60-A1
LF2+F60-A2
LF2+F60-A3
LF2+F60-A4
LF2+F60-A5
LF2+F60-A6
LF2+F60-A8
LF2+F60-A9
LF2+F60-A10
Δa
max
/mm
0.829
1.200
1.200
1.540
0.745
0.849
0.991
1.700
2.291
LF2+F60焊缝材料A组试样CTOD试验结果
Δa
Q0.2BL
/mm
0.316
0.370
0.383
0.351
0.287
0.288
0.350
0.449
0.376
δ
Q0.2BL
/mm
0.271
0.398
0.427
0.353
0.202
0.206
0.350
0.581
0.412
(dδ/da)
0.2BL
0.631
0.457
0.528
0.283
0.450
0.551
0.692
0.744
0.570
30δ
Q0.2BL
8.12
11.94
12.80
10.58
6.06
6.18
10.50
17.44
12.35
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.271
0.398
0.427
0.353
0.202
0.206
0.350
0.581
0.412
注：A7试样选为标定试样。
图25LF2+F60-A1试样的δ～Δa试验关系
20
图26LF2+F60-A2试样的δ～Δa试验关系
图27LF2+F60-A3试样的δ～Δa试验关系
21
图28LF2+F60-A4试样的δ～Δa试验关系
图29LF2+F60-A5试样的δ～Δa试验关系
22
图30LF2+F60-A6试样的δ～Δa试验关系
图31LF2+F60-A8试样的δ～Δa试验关系
23
图32LF2+F60-A9试样的δ～Δa试验关系
图33LF2+F60-A10试样的δ～Δa试验关系
24
表10给出了LF2+F60焊缝材料B组10个试样的几何尺寸测量结果，表11为对应的CTOD试验
结果。图34～43给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，有4个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，
所得CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关；其余6个试样的剩余韧带长度b
0
略小于30δ
Q0.2BL
，接近满足有效性条
件，所得CTOD特征值对试样厚度敏感。虽然CTOD特征值存在一定的分散性，但所有值均大于0.6mm，
满足挪威船级社DNV-OS-C401-2004标准规定以及美国石油学会API1104-2005标准规定。
表10LF2+F60焊缝材料B组试样几何尺寸测量结果
试样编号
LF2+F60-B2
LF2+F60-B3
LF2+F60-B4
LF2+F60-B5
LF2+F60-B6
LF2+F60-B7
LF2+F60-B8
LF2+F60-B9
LF2+F60-B10
LF2+F60-B11
试样宽度
W/mm
50.66
50.49
50.69
50.66
50.55
50.64
50.64
50.64
50.76
50.70
试样厚度
B/mm
24.98
24.97
24.96
24.96
24.99
24.98
24.98
24.98
24.98
24.98
净厚度
B
N
/mm
20.78
20.74
20.92
21.30
20.82
20.80
21.00
20.88
20.84
20.74
预制后裂纹长度
a
0
/mm
30.440
30.170
30.920
30.266
30.330
30.230
30.340
30.500
30.730
30.239
剩余韧带长度
b
0
/mm
20.220
20.320
19.770
20.394
20.220
20.410
20.300
20.140
20.030
20.461
表11LF2+F60焊缝材料B组试样CTOD试验结果
试样编号
LF2+F60-B2
LF2+F60-B3
LF2+F60-B4
LF2+F60-B5
LF2+F60-B6
LF2+F60-B7
LF2+F60-B8
LF2+F60-B9
LF2+F60-B10
LF2+F60-B11
Δa
max
/mm
1.730
1.770
1.620
1.914
1.940
1.640
1.870
1.960
1.620
1.451
Δa
Q0.2BL
/mm
0.478
0.502
0.524
0.487
0.542
0.520
0.478
0.483
0.539
0.510
δ
Q0.2BL
/mm
0.648
0.705
0.756
0.670
0.799
0.747
0.649
0.661
0.791
0.723
(dδ/da)
0.2BL
0.547
0.707
0.680
0.888
1.071
0.744
0.742
0.763
0.823
0.902
30δ
Q0.2BL
19.45
21.16
22.68
20.11
23.96
22.41
19.46
19.82
23.73
21.69
有效性条件
满足
δ
0.2BL
/mm
0.648
0.705
0.756
0.670
0.799
0.747
0.649
0.661
0.791
0.723
δ
0.2BL(B)
/mm
接近满足
接近满足
满足
接近满足
接近满足
满足
满足
接近满足
接近满足
注：B1试样选为标定试样。
25
图34LF2+F60-B2试样的δ～Δa试验关系
图35LF2+F60-B3试样的δ～Δa试验关系
26
图36LF2+F60-B4试样的δ～Δa试验关系
图37LF2+F60-B5试样的δ～Δa试验关系
27
图38LF2+F60-B6试样的δ～Δa试验关系
图39LF2+F60-B7试样的δ～Δa试验关系
28
图40LF2+F60-B8试样的δ～Δa试验关系
图41LF2+F60-B9试样的δ～Δa试验关系
29
图42LF2+F60-B10试样的δ～Δa试验关系
图43LF2+F60-B11试样的δ～Δa试验关系
30
5.2.3F60+X70焊缝材料
表12给出了F60+X70焊缝材料A组10个试样的几何尺寸测量结果，表13为对应的CTOD试验
结果。图44～53给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，10个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，
所得CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关，分散性较小，所有值均大于0.35mm，满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准规定和美国石油工业学会API1104-2005标准规定。其中，A3试样因裂纹呈现
明显的不均匀扩展，致使裂纹长度不满足GB/T21143-2007相关要求而作废。
表12F60+X70焊缝材料A组试样几何尺寸测量结果
试样编号
F60+X70-A1
F60+X70-A4
F60+X70-A5
F60+X70-A6
F60+X70-A7
F60+X70-A8
F60+X70-A9
F60+X70-A10
F60+X70-A11
F60+X70-A12
试样宽度
W/mm
50.15
50.04
49.95
50.11
50.16
50.01
50.13
50.14
50.14
49.97
试样厚度
B/mm
25.00
25.00
25.00
25.00
25.08
25.00
25.00
25.04
24.98
24.96
净厚度
B
N
/mm
21.54
21.46
21.50
20.84
20.84
21.32
20.86
20.88
21.20
20.78
预制后裂纹长度
a
0
/mm
30.089
29.609
30.300
30.050
30.019
30.408
30.510
30.600
30.450
30.060
剩余韧带长度
b
0
/mm
20.061
20.431
19.650
20.060
20.141
19.602
19.620
19.540
19.690
19.910
表13F60+X70焊缝材料A组试样CTOD试验结果
试样编号
F60+X70-A1
F60+X70-A4
F60+X70-A5
F60+X70-A6
F60+X70-A7
F60+X70-A8
F60+X70-A9
F60+X70-A10
F60+X70-A11
F60+X70-A12
Δa
max
/mm
1.801
1.641
1.970
2.220
2.201
1.822
2.110
2.130
2.170
1.810
Δa
Q0.2BL
/mm
0.347
0.351
0.343
0.338
0.348
0.345
0.361
0.354
0.355
0.350
δ
Q0.2BL
/mm
0.372
0.382
0.361
0.348
0.373
0.366
0.406
0.389
0.391
0.380
(dδ/da)
0.2BL
0.443
0.406
0.382
0.363
0.369
0.358
0.455
0.324
0.369
0.425
30δ
Q0.2BL
11.15
11.47
10.83
10.43
11.18
10.99
12.18
11.67
11.73
11.40
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.372
0.382
0.361
0.348
0.373
0.366
0.406
0.389
0.391
0.380
注：A2试样选为标定试样。
31
图44F60+X70-A1试样的δ～Δa试验关系
图45F60+X70-A4试样的δ～Δa试验关系
32
图46F60+X70-A5试样的δ～Δa试验关系
图47F60+X70-A6试样的δ～Δa试验关系
33
图48F60+X70-A7试样的δ～Δa试验关系
图49F60+X70-A8试样的δ～Δa试验关系
34
图50F60+X70-A9试样的δ～Δa试验关系
图51F60+X70-A10试样的δ～Δa试验关系
35
图52F60+X70-A11试样的δ～Δa试验关系
图53F60+X70-A12试样的δ～Δa试验关系
36
表14给出了F60+X70焊缝材料B组6个试样的几何尺寸测量结果，表15为对应的CTOD试验结
果。图54～59给出了各试样的δ～Δa曲线。可以看到，6个试样的δ～Δa曲线均满足有效性条件，所得
CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关，分散性较小，所有值均大于等于0.5mm，满足挪威船级社DNV-OS-C401-2004
标准规定和美国石油工业学会API1104-2005标准规定。其中，B1、B2、B4、B7、B10试样因裂纹呈现
明显的不均匀扩展，致使裂纹长度不满足GB/T21143-2007相关要求而作废。
表14F60+X70焊缝材料B组试样几何尺寸测量结果
试样编号
F60+X70-B3
F60+X70-B5
F60+X70-B6
F60+X70-B9
F60+X70-B11
F60+X70-B12
试样宽度
W/mm
49.92
50.10
50.01
50.00
49.99
50.08
试样厚度
B/mm
25.00
25.00
25.00
25.04
25.00
25.00
净厚度
B
N
/mm
20.98
20.96
20.98
20.84
20.66
20.88
预制后裂纹长度
a
0
/mm
30.640
30.979
31.137
30.900
30.970
31.100
剩余韧带长度
b
0
/mm
19.280
19.121
18.873
19.100
19.020
18.980
表15F60+X70焊缝材料B组试样CTOD试验结果
试样编号
F60+X70-B3
F60+X70-B5
F60+X70-B6
F60+X70-B9
F60+X70-B11
F60+X70-B12
Δa
max
/mm
1.101
1.221
1.233
1.271
1.090
1.160
Δa
Q0.2BL
/mm
0.428
0.398
0.410
0.439
0.438
0.434
δ
Q0.2BL
/mm
0.575
0.500
0.530
0.603
0.602
0.592
(dδ/da)
0.2BL
0.455
0.502
0.553
0.442
0.449
0.510
30δ
Q0.2BL
17.26
14.99
15.91
18.08
18.06
17.77
有效性条件
满足
满足
满足
满足
满足
满足
δ
0.2BL
/mm
0.575
0.500
0.530
0.603
0.602
0.592
注：B8试样选为标定试样；
37
图54F60+X70-B3试样的δ～Δa试验关系
图55F60+X70-B5试样的δ～Δa试验关系
38
图56F60+X70-B6试样的δ～Δa试验关系
图57F60+X70-B9试样的δ～Δa试验关系
39
图58F60+X70-B11试样的δ～Δa试验关系
图59F60+X70-B12试样的δ～Δa试验关系
40
5.2.4F60+X80焊缝材料
本组7个试样仅有B2试样为稳定裂纹扩展情形，其余6个试样均表现为失稳断裂。表16给出了
F60+X80-B2试样的CTOD试验结果。表17为其余6个试样的CTOD试验结果。图60为F60+X80-B2
试样的δ～Δa曲线，图61～66给出了各失稳断裂试样的P～V曲线。可以看到，B1、B3、B4试样在失
稳断裂时已产生的裂纹扩展量大于0.2mm，B5、B6试样为无裂纹扩展的完全脆性失稳断裂，B7试样
在失稳断裂前虽然其裂尖局部产生了较大程度的塑性变形，但裂纹并未产生扩展。B2试样的δ～Δa曲
线满足有效性条件，所得CTOD值δ
0.2BL
与厚度无关；其余6个试样所得CTOD特征值对试样厚度敏感；
所有试样的CTOD特征值均大于等于0.127mm，满足美国石油工业学会API1104-2005标准规定。
表16F60+X80-B2试样CTOD试验结果
试样宽度
W/mm
试样厚度
B/mm
净厚度
B
N
/mm
预制后裂纹长度
a
0
/mm
剩余韧带长度
b
0
/mm
Δa
max
/mm
49.96
Δa
Q0.2BL
/mm
21.90
δ
Q0.2BL
/mm
17.96
(dδ/da)
0.2BL
30.759
30δ
Q0.2BL
19.201
有效性条件
2.791
δ
0.2BL
/mm
0.3380.3610.43510.816
满足
0.361
注：B10试样选为标定试样。
表17F60+X80-B组试样失稳断裂情形下的CTOD试验结果
试样编号
F60+X80-B1
F60+X80-B3
F60+X80-B4
F60+X80-B5
F60+X80-B6
F60+X80-B7
失稳点载荷P/N
34980.4
36121.5
34220.4
33466.8
31808.9
35850.3
a
0
/mm
30.570
30.690
30.900
30.660
30.560
30.420
终止裂纹长度a
f
/mm
31.330
31.520
32.380
30.660
30.560
30.420
Δa
max
/mm
0.760
0.830
1.480
0
0
0
δ
u
/mm
0.484
0.478
0.610
0.169
0.142
0.336
δ
c
/mm
41
图60F60+X80-B2试样的δ～Δa试验关系
图61F60+X80-B1试样的P～V试验关系
42
图62F60+X80-B3试样的P～V试验关系
图63F60+X80-B4试样的P～V试验关系
图64F60+X80-B5试样的P～V试验关系
43
图65F60+X80-B6试样的P～V试验关系
图66F60+X80-B7试样的P～V试验关系
5.3试样断口
图67给出了裂纹稳定扩展时的典型合格断口照片，可见，疲劳裂纹区、裂纹扩展区、二次疲劳裂
纹区以及断裂区四个区域分界清晰，裂纹均匀扩展，由九点平均法测得的裂纹长度满足GB/T21143-2007
相关要求。在试验过程中，个别试样出现了裂纹扩展受阻、脆性断裂等现象，造成试验结果无效，但不
影响整组试验结果和结论。
44
图67裂纹稳定扩展情形时的合格断口照片
6结论
6.1CTOD分组试验结论
（1）对于LF2+LF2焊缝材料，两组试样测得的CTOD特征值均有一定分散性。A组试样的δ
0.2BL
值
均大于0.15mm，B组试样的δ
0.2BL
值均大于0.25mm。
（2）对于LF2+F60焊缝材料，A组和B组试样测得的CTOD值均满足有效性条件，因而所得CTOD
特征值δ
0.2BL
对试样厚度不敏感。A组试样的δ
0.2BL
值均大于0.2mm，B组试样的δ
0.2BL
值均大于0.6mm。
B组试样测得的CTOD特征值明显高于A组试样。
（3）对于F60+X70焊缝材料，A组和B组试样测得的CTOD值均满足有效性条件，因而所得CTOD
特征值δ
0.2BL
对试样厚度不敏感。A组和B组试样测得的CTOD特征值的分散性均较小。A组试样的δ
0.2BL
值均大于0.3mm，B组试样的δ
0.2BL
值均大于0.5mm。B组试样测得的CTOD特征值明显高于A组试样。
（4）对于F60+X80焊缝材料，仅有B2试样表现为裂纹稳定扩展，其余6个试样均表现为失稳断裂。
B1、B3、B4试样在失稳断裂时已产生的裂纹扩展量大于0.2mm，B5、B6试样为无裂纹扩展的完全脆
性失稳断裂，B7试样在失稳断裂前虽然其裂尖局部产生了较大程度的塑性变形，但裂纹并未产生扩展。
由于各试样的断裂方式不尽相同，因而测得的CTOD特征值的分散性较大，但最小CTOD特征值大于
0.127mm。
6.2CTOD试验总体结论
通过以上试验研究分析，我们得出以下结论：
（1）除F60+X80焊缝材料部分试样表现为具有一定裂纹扩展量的脆性断裂外，其余几组焊缝材
料均表现出裂纹稳定扩展现象，从而获得了考虑材料分散性的δ～Δa阻力曲线；
45
（2）各组焊缝材料测得的CTOD特征值虽存在一定的分散性，但满足挪威船级社
DNV-OS-C401-2004标准或美国石油工业学会API1104-2005标准规定的焊接接头最小CTOD特征值要
求。
6.3附加说明
本报告的试验结论仅对甲方送样负责。
西南交通大学力学与工程学院
西南交通大学材料与结构强度研究所
2010年4月
46
附录
（1）西南交通大学材料与结构强度研究所简介
西南交通大学材料与结构强度研究所由原西南交通大学工程力学实验室和工程力学教研室主要成
员组成，成立于2008年9月，隶属于西南交通大学力学与工程学院，目前研究所成员共有12人，其中
教授5人，副教授3人，高级工程师2人，中级职称2人，承担着多项国家自然科学基金、973基金、
国家创新基金、国际合作等项目，迄今已发表SCI、EI论文100多篇，获得四川省、教育部、国防科工
委科技进步奖6项，专利2项，培养了博、硕研究生30余人。研究所支撑西南交通大学固体力学学科，
支撑强度与振动实验室省高校重点实验室，是材料与结构强度测试、结构安全评价的重要基地。
主要研究方向：
①先进材料力学行为研究与表征通过CAT与FEA，研究核电材料、智能材料、多孔材料、单晶
材料、聚合物材料、生物材料的宏、细观力学规律及其表征，包括非线性材料本构关系、材料棘轮行为。
②材料强度与结构安全评价广泛频率（低周、普高周、超高周）与复杂环境条件下材料与构件的
疲劳强度与损伤、断裂韧性与扩展、塑性行为研究；结构强度容限、裂纹容限、剩余寿命的试验、理论
与数值分析；结构安全评价。
③材料与结构测试技术研究与应用高温、多尺度、复杂加载、超高频下工程材料与构件力学行为
测试；轻质材料测试技术、小尺度与微力测试；特殊材料的疲劳测试技术，断裂力学韧性测试中柔度、
载荷分离测试方法的理论与实验基础，疲劳裂纹扩展的测试与仿真技术，岩石强度的巴西试验方法；
聚合物材料表面刮擦测试规范中的理论与实验基础；MTS辅助测试技术；超声疲劳测试方法与设备研
制；工程结构强度测试。
④生物医学工程中力学问题研究与应用血液循环系统疾病的生物医学产品设计；生物医学产品的
力学性能测试、力学理论与数值仿真；基于生物影像技术的有限元分析。
⑤材料表面刮擦测试技术研究与应用非线性材料表面损伤破坏及防刮擦机理的力学行为试验和
理论研究，汽车表面改性，管道涂层材料粘结强度耐久性研究。
（2）蔡力勋教授简介
男，1959年7月出生，教授、博士生导师。现任任西南交通大学力学与工程学院结构分析与工程
系主任，材料与结构强度研究所所长。
自1986年，长期从事实验固体力学科研与教学工作，注重先进CAT技术在固体力学研究和工程中
的应用；主研和负责了国家自然科学基金、省部级基金、国防科研基金以及重大工程测试项目近20项，
培养研究生14名，完成46名力学专业本科生毕业论文指导；在固体材料本构关系、疲劳与断裂等研究
47
方面，及MTS创新开发与应用、工程测试等方面，发表论文百余篇，其中40余篇论文被SCI和EI检
索。
1995、2001年获四川省科技进步二等奖2项，1996年获核工业总公司省部级科技进步三等奖1项，
2003获国防科学进步三等奖1项；2001、2004、2005、2007、2008、2009年西南交通大学优秀硕士论
文指导教师，2009年本科生SRTP项目优秀指导教师；2003年、2006年获西南交通大学研究生教学成
果二等奖、一等奖各1项。获实用新型专利一项（专利号ZL2.5），申报发明专利一项(申
请号2.4，公开号101526451)。
承担了“工程力学”（国家级精品课程）、“实验力学”、“面向对象方法与应用”本科课程教学以及“材
料的力学行为与测试技术”、“CAT技术及其在力学中的应用”、“疲劳与断裂力学”、“专业外语”研究生
课程教学。撰写’力学CAT基础”讲义一册，2005年教育部高校系统MTS测试技术培训班“断裂力学测
试技术”主讲教师，MTS测试技术培训教材断裂力学测试技术部分撰稿人，第五至第八届西南MTS材
料测试研讨会及2008全国MTS断裂测试研讨会论文集主编。
学术组织兼职为：
中国力学学会MTS材料试验专委会第一、二、三届会委员、第四届副主委
中国创造学会第三、四届理事
四川省力学学会实验力学专委会副主任委员
《中国测试》杂志编委
核燃料与材料国家重点实验室客座教授
7thInternationalMeetingofFractureMechanics断裂力学国际会议执行主席(2009年10月)
全国MTS断裂力学测试研讨会执行主席(2008年10月)
第一、第二、第三届全国力学大会材料测试分会场主席（2005年、2007年、2009年）
第一至第八届西南MTS材料测试研讨会主席（1990年~2009年）
第四至第七届全国MTS材料测试学术大会与分会场报告主席（1998年~2007年）
力学学报(中、英)、金属学报、航空学报、力学进展、上海交大学报、西安交大学报、中国科技大
学学报、北京航空航天大学学报、四川大学学报、机械强度、中国测试等刊物审稿人
多类基金项目评审专家
48