传统的净强度设计方法能保证构件不会因为受载时承受的最大特征应力达到材料抗力而发生破坏，但如果材料内部存在缺陷或裂纹，在疲劳载荷作用下或在低温环境中产生的破坏就无法避免。含缺陷或裂纹构件的塑性变形集中在裂纹尖端局部区域，其宏观塑性变形不明显，再加上裂纹的扩展极其迅速，容易导致灾难性的后果。断裂是材料最危险的失效方式，各行业对含裂纹构件在外部载荷作用下结构安全性的研究也越来越重视。断裂韧度是评估材料或结构安全性和完整性的重要指标，可以反映材料抵抗裂纹扩展的能力，常被用于结构防断裂设计以及含缺陷结构完整性分析。裂纹尖端张开位移(CTOD)是断裂韧度表征指标，能充分体现材料的抗开裂能力，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。相比受到有效性条件限制的平面应变断裂韧度KIC和断裂韧度J积分JIC具有更好的应用效果，目前已被多个领域广泛应用。
材料或构件上的裂纹受载荷后，裂纹会逐渐张开，裂纹尖端出现钝化。CTOD反映了材料裂纹尖端抵抗裂纹扩展的能力。CTOD越大，则材料抵抗开裂的能力越强、韧性越好。目前，金属材料断裂韧性测试的主要标准为GB/T 21143—2014 《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》、ISO 12135:2016 《金属材料 测定准静态断裂韧性的统一试验方法》以及ASTM E1820—2020b 《断裂韧性测量的标准试验方法》。ASTM E1820—2020b标准采用理想弹塑性材料假设，GB/T 21143—2014和ISO12135:2016标准均是基于材料的真应力-应变关系满足幂次定律，而GB/T 21143—2014标准则在ISO 12135:2016标准的基础上，依据刚性铰链模型进行了改进，3个标准的试验过程基本一致，在测试试样和参数的要求上有所差异，这些差异对试验结果的影响不大，在适用范围、试验仪器、试样尺寸、试验过程等方面，3个标准没有本质的差异，在相互取交集的部分可以等效，最大的区别在于3个标准中的计算公式明显不同，导致同一个试样的测试结果会有明显差异。工程实际应用中，如DNV规范等，通常会规定CTOD的允许值δmin，但并不规定具体的测试标准，规范要求将测试得到的CTOD特征值δo与允许值δmin进行比较，来评判材料合格与否，实际工程应用时，测试标准的选择会使材料断裂韧性合格与否的评判结果不一致。
张强、徐诚等研究人员制备了同时满足以上3个标准要求的测试试样，按照以上3种标准规定的测试方法对同种材料在不同温度下进行断裂韧性测试，再根据以上3个标准规定的计算公式进行CTOD计算，并对测试结果进行比较分析，判断其中的差异，为工程实际应用提供依据。
1、 试验材料与方法
1.1 试样形状及尺寸
试验材料板厚为25mm，材料为12Cr1MoV钢。按照3个测试标准中相互取交集的部分进行断裂韧度CTOD试样的加工制备、疲劳裂纹的预制及试验，CTOD试样为3点弯曲矩形试样，取样方向为y-x方向，x为钢板的主变形方向，y为横向，与板宽度方向重合，z为钢板的最小变形方向，与板厚方向重合。试样的厚度B、宽度W分别为25mm和50mm，试样长度为230mm，试验跨距S为200mm，试样未开侧槽。CTOD试样取样方向如图1所示。
1.2 疲劳裂纹预制及测试
采用微机控制电液伺服疲劳试验机，在室温下预制疲劳裂纹，预制裂纹长度约为4mm，加载方式为正弦波，应力比为0.1。疲劳裂纹预制完成后，将试样放入低温试验箱，通过液氮制冷方式将试样温度降到测试温度(20，0，-10，-20，-40，-60℃)，试样在低温下的保温时间为规定时长(保温时间不低于15min)，再进行3点弯曲试验。试验开始后，测试系统自动记录载荷(F)-缺口张开位移(V)曲线。测试完成后，根据F-V曲线测定测试过程的峰值载荷Fmax、缺口张开位移塑性分量Vp及缺口张开位移曲线下面积的塑性分量Ap。测试完成后将试样压断，用光学显微镜观察其断口，测量裂纹长度，测量精度不低于0.025mm，平均裂纹长度计算公式为
取ϕ10mm的标准圆棒试样，根据标准GB/T 228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》和GB/T 13239—2006 《金属材料低温拉伸试验方法》，测试试验材料在不同测试温度(20，0，-10，-20，-40，-60 ℃)下的屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm和弹性模量E。
1.3 CTOD的计算
根据GB/T 21143—2014、ISO 12135:2016及ASTM E1820—2020b等3个标准中规定的CTOD特征值的计算公式，计算试验材料在不同测试温度下的CTOD特征值。
其中，GB/T 21143—2014标准在CTOD计算公式中引入了转动半径进行转动修正，与ISO 12135:2016对照，计算公式中的塑性部分进行了修改，弹性部分与ISO 12135:2016保持一致，对应的CTOD特征值的计算公式为
R的计算公式为
g1(a/W)的计算公式为
其中ISO 12135—2021标准对应的CTOD特征值的计算公式为
ISO 12135—2021标准中CTOD特征值计算公式中的其他计算参数与GB/T 21143—2014标准一致。
其中ASTM E1820—2020b标准对应的CTOD特征值的计算公式为
σY的计算公式为
2、 结果与讨论
按照不同试验温度测试后，根据GB/T 21143—2014、ISO 12135:2021和ASTM E1820—2020b等3个断裂韧度试验标准中规定的计算公式计算CTOD，结果如表1所示。随着测试温度的降低，按3个标准计算得到的CTOD均呈明显下降趋势。同一测试温度下比较发现，按照ASTM E1820—2020b标准计算得到的CTOD最小，其次为按GB/T 21143—2014计算得到的CTOD，而按照ISO 12135:2021计算获得的CTOD最大。当测试温度较高，材料具有较高的断裂韧性时，3个不同断裂韧度测试标准计算得到的CTOD差别较大，随着测试温度的降低，3个断裂韧度试验标准计算得到的CTOD差值减小。
通过查阅大量技术规范发现，在实际工程应用中一般将CTOD最小允许值δmin确定为0.10~0.30 mm。当材料具有较高的断裂韧性时，3个不同标准的测试结果均较高，远超过一般规范中规定的CTOD最小允许值δmin，不会影响判定结果；按文中测试材料对应的设计文件或技术规范规定，测试温度为-20℃时，δmin为0.15mm，即该材料在规定的测试温度下测试的CTOD大于该允许值时，材料的断裂韧性才算合格。通过分析判断可以发现，按照ISO 12135:2021标准测试时，该产品达到合格水平，而按照GB/T 21143—2014和ASTM E1820—2020b测试时，该产品将被判定为不合格。这样就会导致在实际工程应用或者产品认可过程中，因为选择测试标准的不同而出现质量异议。
3、 结论
GB/T 21143—2014、ISO 12135:2021和ASTM E1820—2020等3个不同标准在适用范围、试验仪器、试样尺寸、试验过程等方面没有本质的差异，在相互取交集的部分可以等效，但3个标准中CTOD的计算公式具有明显区别，导致同一试样在相同测试温度下测试的CTOD存在一定差异，其中按照ASTM E 1820—2020计算的CTOD最小，按照ISO 12135:2021计算的CTOD最大。
当材料具有较高的断裂韧性时，3个不同标准的测试结果均较高，远超过一般规范中规定的CTOD最小允许值δmin，不会影响判定结果；当材料的断裂韧性计算结果在δmin 附近时，按照不同标准计算可能导致判定结果不一致。
