CN102507055B - 一种小试样插销试验机裂纹试验断裂功的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用小试样插销试验机进行再热裂纹插销试验时测量断裂功的测量方法。其步骤如下：首先.利用小试样插销试验机和式样以及步进电机组合成加力机构；其次.利用步进电机对弹簧筒上端施加向上的提升力，在式样端则形成向下的拉力，同时连续记录测力计的测量值和步进电机的对应转动圈数；最后.设定并经计算求试样断裂过程产生的位移x和式样断裂功W以及系统的刚度系数K：得：

，(1)

(2)K=

（3），上述各式中k=L₁/L₂。本发明不需要测量试样的断裂位移，避开了小试样断裂位移测量的难题；无需增加额外的测量设备，减小投资，同时也减小了中间测量误差，计算简单、方便。

Description

一种小试样插销试验机裂纹试验断裂功的测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用小试样插销试验机进行再热裂纹插销试验时测量断裂功的测量方法。 

背景技术

插销试验是对材料冷裂纹、再热裂纹敏感性检测的一种很好的方法，它是将试样焊接在试板上然后加载一定的温度和力进行试验的方法，即模拟了焊接过程又模拟了受力过程，在工程上得到了很好的应用，但在进行薄件检测时，由于标准的插销试样较大，无法在薄件上取得标准试样，需要取小试样来进行插销试验，但小试样对载荷敏感，因此在重新设计试样缺口的基础上采用步进电机程控加载，实现了准确加载和记录。这样使得试样断裂过程中受力的变化曲线能完整地记录下来，同时步进电机的运动也可以记录下来。 

在利用小试样插销试验机进行再热裂纹插销试验时，测量断裂过程中消耗的功(以下简称断裂功)可以帮助分析材料的性能特点，包括材料的蠕变特性以及材料的韧脆特性，因此测量断裂功就很有必要。在一般标准插销试验时常通过在试样端加装微位移传感器，以测得的试样受力，利用受力和断裂过程的位移的乘积来计算断裂功。但测量小试样的断裂功难度较大，一方面位移测量仪相对试样固定较困难，另一方面试样从加载到断裂变形很小，采用精密的微位移测量仪也很难准确测量，因此要准确测量断裂过程中各阶段的消耗的功难度较大，有必要从插销试验机的原理出发，寻求测量断裂功的方法。 

发明内容

本发明的目的就在于提供一种小试样插销试验机裂纹试验断裂功的测量方法，其优点是：一是充分利用小试样插销试验机步进电机转动圈数和试样受力记录曲线计算断裂功，不需要测量试样的断裂位移，避开了小试样断裂位移测量的难题。二是紧密结合小试样插销试验机记录的特点，无需增加额外的测量设备，减小投资，同时也减小了中间测量误差，计算简单、方便。 

本发明的技术方案为：一种小试样插销试验机裂纹试验断裂功的测量方法，其步骤如下： 

首先.利用小试样插销试验机和试样以及步进电机组合成加力机构；在小试样插销试验机的杠杆及杠杆连接的弹簧筒一端通过涡轮涡杆机构连接步进电机，在杠杆另一端依次连接有测力计和试样，试样的上端固定；

其次.利用步进电机对弹簧筒上端施加向上的提升力，在试样端则形成向下的拉力，同时连续记录测力计的测量值和步进电机的对应转动圈数；

最后.设加载过程中，测力计自零至最大力值F2对应的弹簧筒端提升距离为X₁，提升力为F₁，试样断裂瞬间弹簧筒端受力为F₁′，对应的提升距离为      X₁′，试样端受力为F₂′试样断裂过程产生的位移为x，L₁和L₂分别为杠杆两侧的长度，其中F₂、F₂′通过测力计以曲线的方式记录下来，X₁通过步进电机的转数记录下来；已知F₂、F₂′、L₁、L₂、X₁，其中弹簧筒端提升距离为X₁可根据事先测定的弹簧筒提升距离和步进电机转动圈数的比例关系算出，经计算求x和试样断裂功W以及系统的刚度系数K：

(1)  

(2)

K=

（3），上述各式中k=L₁/L₂。

通过分析试样断裂的总功可以分析试样材料的蠕变特性，断裂功大则材料抗蠕变能力强，断裂功小则说明材料的抗蠕变能力差。通过断裂功还可以判断材料的韧脆特性，断裂功越大则材料韧性越好，断裂功越小，材料脆性越大。在进行材料再热裂纹试验时断裂功也可以做为材料再热裂纹敏感的指标，断裂功越小，试样材料对再热裂纹越敏感。对同一种材料，当运行到寿命晚期时，可以通过测量断裂功来判断材料老化程度，断裂功越小，材料老化程度越严重。

根据测计力的记录曲线可以将断裂过程分成多个过程，分别计算出不同过程中消耗的功，如启裂功、扩展功、失稳扩展功等。 

系统的刚度系数是小试样插销试验机的特性参数，与试样材料无关，它是一个常数。该常数只需要测量一次，然后只根据力的变化即可计算出断裂功。 

本发明方法其测试原理为：

本发明方法的基本原理是利用杠杆原理对试样施加一个初始力，利用弹簧筒的贮能原理维持较高初始力以模拟工程上的初始残余应力和外部作用力。其工作原理如图1所示。杠杆两端分别挂接弹簧筒3和测力计2及试样1，利用步进电机和涡轮涡杆机构对A端施加向上的提升力，则在B端形成较大的拉力。拉力可以通过测力计2在电脑中记录下来，同时步进电机的转动圈数也可以记录下来。通过步进电机与涡轮涡杆机构的传动比可以计算弹簧侧(A侧)的提升距离。

设加载过程中，测力计2自零至最大力值F2对应的A端提升距离为X₁，A端提升力为F₁。试样断裂瞬间A端受力为F₁′对应的提升距离为X₁′，B端受力为F₂′试样断裂过程产生的位移为x。其中F₂、F₂′可以则测力计2通过电脑用曲线的方式记录下来，M₁可以通过步进电机的转数记录下来。试验机的传动杠杆主动臂和从动臂长度是一定的，即图1中L1、L2是已知的。求出试样1断裂过程产生的位移即可计算断裂功，即已知F₂、F₂′、L₁、L₂、X₁，求x。

  F₁为拉到位后的弹簧筒受力，F₁′为断裂时的弹簧受力，这两个力可以通过杠杆定律计算出来，即

F₁×L₁=F₂×L₂…………………………(A)

，和

F₁′×L₁=F₂′×L₂………………………(B)

L₁和L₂分别为杠杆两侧的长度。由于断裂时为微位移经x，弹簧筒侧包括弹簧等的伸长量为：

X₁′= X₁-L₁/L₂×x………………………………(C)

断裂过程消耗的能量等于系统弹性势能的减小：

(F₁X₁- F₁′X₁′)/2= (F₂+F₂′)×x/2……………………………(D)

整理后得：

F₁X₁-F₁′X₁′= (F₂+F₂′)×x……………………………(E)

设k=L₁/L₂,式(C)、式(E)、式(A)、式(B)联立求解得：

…………………………(F)

试件断裂总功为：

…………………………(G)

整理式(F)及式(G)得：

…………………………(H)

从受力零点开始记录步进电机的转数，则可以计算出加载过程弹簧筒侧提升高度X₁，根据传力杠杆的长度可以计算出断裂的位移x，从而计算断裂的总功W，及总功率P=W/t，t为断裂时间。

由式(F)得B侧试样的受力F与位移X的关系有 

……………………………(I)

则有：

………………………………(J)

式(J)为试件变形的速率，它与受力的变化成正比。

对于B侧试样的受力与位移的关系式(I)、式(J)式可知，系统的刚度系数为K=

。 

求得系统的刚度系数K，通过测力计记录了受力的变化，则根据系统的刚度系数即可推测试样的断裂速率、断裂功等一系列的参数，而不需测量断裂位移等较难测量的数据。 

本发明的有益效果为：本发明只根据测力计测量的试样受力数据和系统的刚度系数即可计算出断裂功，避开了测量小试样测量微位移的难题，也避免了测量位移产生的测量误差，提高了断裂功的计算精度。由于试样的受力可以通过测力计连续记录下来，断裂位移与受力相对应，裂纹的扩展则与记录的受力曲线对应，因此可以计算裂纹的启裂功、扩展功和失稳扩展功，这对材料的性能特点进行深入分析很有益处。 

通过分析试样断裂的总功可以分析试样材料的蠕变特性，断裂功大则材料抗蠕变能力强，断裂功小则说明材料的抗蠕变能力差。通过断裂功还可以判断材料的韧脆特性，断裂功越大则材料韧性越好，断裂功越小，材料脆性越大。在进行材料再热裂纹试验时断裂功也可以做为材料再热裂纹敏感的指标，断裂功越小，试样材料对再热裂纹越敏感。对同一种材料，当运行到寿命晚期时，可以通过测量断裂功来判断材料老化程度，断裂功越小，材料老化程度越严重。 

附图说明

图1为本发明工作原理图。 

具体实施方式

如附图所示本发明实施例一种小试样插销试验机裂纹试验断裂功的测量方法，其步骤如下： 

首先.利用小试样插销试验机和试样1以及步进电机组合成加力机构；在小试样插销试验机的杠杆4及杠杆4连接的弹簧筒3一端通过涡轮涡杆机构连接步进电机，在杠杆4另一端依次连接有测力计2和试样1，试样1的上端固定；

其次.利用步进电机对弹簧筒3上端施加向上的提升力，在试样1端则形成向下的拉力，同时连续记录测力计2的测量值和步进电机的对应转动圈数；

最后.设加载过程中，测力计自零至最大力值F2对应的弹簧筒端提升距离为X₁，提升力为F₁，试样断裂瞬间弹簧筒端受力为F₁′，对应的提升距离为      X₁′，试样端受力为F₂′试样断裂过程产生的位移为x，L₁和L₂分别为杠杆两侧的长度，其中F₂、F₂′通过测力计以曲线的方式记录下来，X₁通过步进电机的转数记录下来；已知F₂、F₂′、L₁、L₂、X₁，其中弹簧筒端提升距离为X₁可根据事先测定的弹簧筒提升距离和步进电机转动圈数的比例关系得出；算出x：

，(1)  

式(1)中k=L₁/L₂；

算出试样断裂功为： 

(2)

系统的刚度系数K=

。

实际测量

用钢板尺测量图1中杠杆的尺寸为L₁=400mm，L₂=50mm计算k=L₁/L₂=400/50=8;经事先测量所定的比例关系可以确定步进电机转140圈对应A端杆提升10mm。步进电机转140圈对应的F2为5000N则K=

=5000×8÷10=400N/mm，再热裂纹敏感性试验时断裂瞬时F2′=3950N。根据式(H)知：

=

=(5000²-3950²) ÷2÷400=11.75J

即该试样的断裂功为11.75J。

这说明该试样抗蠕变断裂能力强，说明该材料在试验条件下对再热裂纹不敏感。 

Claims (1)

1.一种小试样插销试验机裂纹试验断裂功的测量方法，其特征在于其步骤如下：

首先.利用小试样插销试验机和试样以及步进电机组合成加力机构；在小试样插销试验机的杠杆及杠杆连接的弹簧筒一端通过涡轮涡杆机构连接步进电机，在杠杆另一端依次连接有测力计和试样，试样的上端固定；

其次.利用步进电机对弹簧筒上端施加向上的提升力，在试样端则形成向下的拉力，同时连续记录测力计的测量值和步进电机的对应转动圈数；

最后.设加载过程中，测力计自零至最大力值F2对应的弹簧筒端提升距离为X₁，提升力为F₁，试样断裂瞬间弹簧筒端受力为F₁′，对应的提升距离为X₁′，试样端受力为F₂′试样断裂过程产生的位移为x，L₁和L₂分别为杠杆两侧的长度，其中F₂、F₂′通过测力计以曲线的方式记录下来，X₁通过步进电机的转数记录下来；已知F₂、F₂′、L₁、L₂、X₁，其中弹簧筒端提升距离为X₁可根据事先测定的弹簧筒提升距离和步进电机转动圈数的比例关系算出，经计算求x和试样断裂功W以及系统的刚度系数K：

得：                                                

，(1)  

(2)

K=

（3），上述各式中k=L₁/L₂。

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