CN103207111B - 一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样及其制备方法，属于测定断裂韧性的技术领域。该圆棒拉伸试样包括螺纹部位、中部圆柱和端部圆柱，中部圆柱在圆棒拉伸试样的中间部位，中部圆柱的两端分别为螺纹部位，端部圆柱分别在圆棒拉伸试样的两端，中部圆柱上有一缺口，缺口所在的圆周面上有连续的环形裂纹，该环形裂纹通过四点弯曲加载方式在旋转弯曲疲劳试验机上进行制备。本发明提供了加载时载荷的控制方法以及该裂纹应具有的特点及其深度的控制范围。本发明试样紧凑、方法简单、经济实用，该试样尤其适用于进行低温断裂韧性试验。

Description

一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样及其制备方法

技术领域

本发明属于测定断裂韧性的技术领域，特别涉及一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样及其制备方法。

背景技术

关于平面应变断裂韧性K_1C的测定，三点弯曲及紧凑拉伸试验都有标准规范。但对于某些中低强度钢，用三点弯曲或紧凑拉伸的方法测试平面应变断裂韧性K_1C，需要大尺寸的试样和大吨位的试验机。这很不经济，并给试验本身带来了困难；而且即使用很厚的试样测得了平面应变断裂韧性K_1C，但因实际构件的尺寸远小于这种厚度，其应用价值也并不大。

若采用带环形裂纹的圆棒试样，则能够克服这些问题，而且对于低温下的断裂韧性试验，其优点更加突出。

从试验技术上看，此方法存在的困难之一是：预制对称性较好的疲劳裂纹。这是因为用旋转弯曲疲劳试验机预制环形裂纹，裂纹的扩展无法直接观察，深度难以控制，而且，要使所测平面应变断裂韧性K_1C具有足够的精度，就必须使圆棒试样整个圆周上的裂纹保持较好的对称性，这就更加困难。

关于裂纹深度的控制，现有技术虽然介绍了挠度法，但实践证明该法既麻烦又不精确。理论上挠度和裂纹深度应有一定的对应关系，但实际上建立这种定量关系是很不容易的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样及其制备方法，解决了现有技术中在圆棒拉伸试样上制备对称性环形裂纹困难的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样，包括螺纹部位、中部圆柱和端部圆柱，所述中部圆柱在圆棒拉伸试样的中间部位，所述中部圆柱的两端分别为所述螺纹部位，所述端部圆柱分别在所述圆棒拉伸试样的两端，所述中部圆柱上有一缺口，所述缺口所在的圆周面上有连续的环形裂纹。

一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样的制备方法，包括如下步骤：

在试样坯料上加工出一中部圆柱，在所述中部圆柱的两端分别加工出一螺纹部位，在所述试样坯料的两端分别加工出一端部圆柱，在所述中间圆柱上开一缺口，对所述试样坯料采用四点弯曲加载方式在旋转弯曲疲劳方法预制裂纹，使所述缺口所在的圆周面上产生连续的环形裂纹，得到带环形裂纹的圆棒拉伸试样。

进一步地，所述预制裂纹的方法，具体包括如下步骤：

采用四点弯曲加载方式在旋转弯曲疲劳试验机上，对所述缺口的圆棒试样施加载荷，得到运转周次和裂纹深度的曲线关系，根据所述运转周次和裂纹深度的曲线关系，调整所述运转周次。

进一步地，所述环形裂纹在所述缺口所在圆周面上对称分布。

进一步地，所述裂纹预制时，所述裂纹尖端应力场强度因子最大值小于等于二分之一的所述试验坯料的平面应变断裂韧性。

进一步地，所述裂纹预制时，所述裂纹尖端应力场强度因子最大值的计算方法具体如式（1）、式（2）、式（3）和式（4）所示：

$K_{1\max }=\frac{0.141F(L-L_1)}{R^2\sqrt{R}g(\mathrm{\ϵ},{\mathrm{\ϵ}}_k)}---\left(1\right)$

其中：

$g(\mathrm{\ϵ},{\mathrm{\ϵ}}_k)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{1-0.8012\mathrm{\ϵ}}}{\sqrt{1-\mathrm{\ϵ}}}{[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_k}(1-\mathrm{\ϵ})+2\mathrm{\ϵ}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}]}^{-2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{2R}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{R_k}{R}---\left(4\right)$

式中，K_1max为应力场强度因子最大值，单位为MPa·m^1/2；F为外加载荷，单位为N；L为预制裂纹加载时两支点间距的1/2，单位为mm;L₁为施加外加载荷点间距的1/2，单位为mm；d为裂纹包围的净断面直径;R为圆柱部分的半径，单位为mm；R_k为圆棒拉伸试样缺口处的有效半径，单位为mm。

进一步地，所述环形裂纹的深度范围为式（5）或式（6）：

0.5≤d/D≤0.9（5）

0.5≤（D-2a）/D≤0.9（6）

式中，d为裂纹包围的净断面直径，单位为mm;D为圆棒拉伸试样缺口处的有效直径，单位为mm；a为裂纹深度，单位为mm。

进一步地，所述环形裂纹深度不均匀性最大值小于等于0.05mm。

本发明提供的带环形裂纹的圆棒拉伸试样的制备方法，方法简单，经济实用。同时由于试样尺寸小，便于装夹，所制备的带环形裂纹的圆棒拉伸试样尤其适用于进行低温断裂韧性试验。

附图说明

图1为本发明实施例提供的带环形裂纹的圆棒拉伸试样；

图2为本发明实施例提供的圆棒拉伸试样预制裂纹时的加载示意图；

图3为本发明实施例提供的f(m)随m的变化曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的运转周次与裂纹深度的N-a曲线示意图。

附图标记：

1、圆棒拉伸试样，2、中部圆柱，3、端部圆柱，4、螺纹部位，5、缺口。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样，包括螺纹部位4、中部圆柱2和端部圆柱3，中部圆柱2在圆棒拉伸试样1的中间部位，中部圆柱2的两端分别为螺纹部位4，端部圆柱3分别在圆棒拉伸试样1的两端，中部圆柱2上有一缺口5，缺口5的圆周面上有连续的裂纹。

一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样的制备方法，试验材料20Cr低碳马氏体钢，包括如下步骤：

步骤101：先在车床上加工试样坯料，在试样坯料上加工出一中部圆柱2，在中部圆柱2的两端分别加工出一螺纹部位4，其螺纹部位4加工的尺寸为16mm;中部圆柱2的直径为13mm,坯料直径预留0.3-0.5mm的余量，热处理后进行磨削加工，中间圆柱2上开一缺口5，两端的端部圆柱供采用四点弯曲加载方式在旋转弯曲疲劳试验机上预制裂纹时装夹试样之用，使缺口5所在的圆周面上产生连续的环形裂纹，预制完裂纹之后，两端端部圆柱3切掉，螺纹部位4供拉伸时装夹试样之用；

步骤102：环形裂纹预制在旋转弯曲疲劳试验机上进行，试样转速3000转/分，对试验坯料施加载荷，首先，外加载荷应足够大，这样可使试样缺口处的整个圆周上能产生遍布于圆周的疲劳源而形成连续的疲劳裂纹。另外，外加载荷足够大，强的扩展力可使疲劳裂纹在扩展过程中，不因不同组织的阻力变化而改变扩展速度，各点在前进中保持同步，以便得到对称性较好的裂纹；

步骤1021：对试样坯料施加载荷，得到运转周次和裂纹深度的曲线关系，根据运转周次和裂纹深度的曲线关系，调整运转周次；

其中，在本发明实施例中，对不同的试样，运转不同周次N，方法如下：

步骤10211：载荷选定后，把其中一根试样坯料一直运转到断开，得到a_max和N_max；

步骤10212：对其它试样运转不同周次N，可得到不同裂纹深度a；

步骤10213：根据以上运转周次和所测的裂纹深度做出一条N-a曲线，具体方法为：制备几根试样，载荷选定后，把其中一根一直运转到断开，得到a_max和a_min，其中，a_max为裂纹深度的最大值，a_min为裂纹深度的最小值再对其他试样运转不同周次N，得到不同裂纹深度a，由此得到N-a曲线，参见图4；

步骤10214：参照N-a曲线，按需要的裂纹深度a选取运转周次N，以此作为控制参数，进行圆棒拉伸试样的环形裂纹的预制；

经过理论分析和多次试验，加载时，一方面外加载荷应足够大，以使试样缺口处的整个圆周上能产生遍布于圆周的疲劳源而形成连续的疲劳裂纹，而且，强的扩展力可使疲劳裂纹在扩展过程中，不因不同组织的阻力变化而改变扩展速度，各点在前进中保持同步，以便得到对称性较好的裂纹；另一方面为了保证裂纹尖端足够尖锐，裂纹尖端应力场强度因子最大值小于等于二分之一的试验材料的平面应变断裂韧性，具体为：K_1max≤1/2_K1C，而与裂纹尖端应力场强度因子最大值K_1max相对应的F_max即为外加载荷的上限；

步骤1022：参见图2，预制裂纹时，裂纹尖端应力场强度因子最大值的计算方法具体如式（1）、式（2）、式（3）和式（4）所示：

$K_{1\max }=\frac{0.141F(L-L_1)}{R^2\sqrt{R}g(\mathrm{\ϵ},{\mathrm{\ϵ}}_k)}---\left(1\right)$

其中：

$g(\mathrm{\ϵ},{\mathrm{\ϵ}}_k)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{1-0.8012\mathrm{\ϵ}}}{\sqrt{1-\mathrm{\ϵ}}}{[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_k}(1-\mathrm{\ϵ})+2\mathrm{\ϵ}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}]}^{-2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{2R}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{R_k}{R}---\left(4\right)$

式中，K_1max为应力场强度因子最大值，MPa·m^1/2；F为外加载荷，N；L为预制裂纹加载时两支点间距的1/2，mm;L₁为施加外加载荷点间距的1/2，mm；d为裂纹包围的净断面直径，mm;R为圆柱部分的半径，mm；R_k为圆棒拉伸试样缺口处的有效半径，mm。

为了保证环形裂纹在圆棒拉伸试样上对称分布，其深度不均匀性的最大值Δa=a_max-a_min≤0.05mm，其中，a_max为裂纹深度的最大值，a_min为裂纹深度的最小值；

在本发明实施例中，对于公式（1）及公式（2），取R=6.5mm，R_k=5mm，L-L₁=100mm，d=6.5mm，计算可得：

g(ε,ε_k)＝0.169k_1max＝0.775F

根据上述值，计算试样预制裂纹用应力场强度因子最大值K_1max及应力场强度因子最大值与断裂韧性的比值K_1max/K_1c，结合K_1max≤1/2K_1C的要求，从而计算预制裂纹时允许施加的最大载荷F_max和最大应力σ_max，如表1所示。

表1预制裂纹的有关参数

步骤103：控制裂纹的深度，对试样坯料施加载荷，根据运转周次和裂纹深度的曲线关系，调整运转周次；

其中，环形裂纹的深度范围为式（5）或式（6）：

0.5≤d/D≤0.9（5）

0.5≤（D-2a）/D≤0.9（6）

式中，d为裂纹包围的净断面直径，mm;D为圆棒拉伸试样缺口处的有效直径，mm；a为裂纹深度，mm；

将拉断后的试样断口在工具显微镜下测量，试样裂纹深度不均匀性的最大值Δa=a_max-a_min=0.05mm。可见，对称性较好。

裂纹的深度范围经过理论分析和多次试验得出，具体过程如下：

在该拉伸试验条件下，应力场强度因子的表达式为：

$K_1=\frac{P}{D^{3/2}}[1.72\left(\frac{D}{d}\right)-1.27]---\left(7\right)$

式中，P为拉伸载荷，d为裂纹包围的净断面直径;D为圆棒拉伸试样缺口处的有效直径。

对式（7）两边微分得：

${\mathrm{dK}}_1=\frac{1.72\left(\frac{D}{d}\right)-1.27}{D^{3/2}}\mathrm{dP}-\frac{1.72\mathrm{DP}}{D^{3/2}{d}^2}\mathrm{dd}---\left(8\right)$

将式（8）两边同时除以K₁，并将式（7）代入得：

$\frac{{\mathrm{dK}}_1}{K_1}=\frac{\mathrm{dP}}{P}-\frac{1.72}{1.72-1.27\frac{d}{D}}\frac{\mathrm{dd}}{d}---\left(9\right)$

设d/D=m，代入式（9）得：

$\frac{{\mathrm{\ΔK}}_1}{K_1}\≈\frac{\mathrm{\ΔP}}{P}-\frac{1.72\mathrm{\Δd}}{(1.72-1.27m)\mathrm{md}}---\left(10\right)$

两边取绝对值得：

$\frac{\left|{\mathrm{\ΔK}}_1\right|}{K_1}\≤\frac{\left|\mathrm{\ΔP}\right|}{P}+\frac{1.72\left|\mathrm{\Δd}\right|}{(1.72-1.27m)\mathrm{mD}}---\left(11\right)$

可见，K₁的误差由P和d的误差决定。若试验机载荷P的精度为±100kg，|ΔP|=100kg；若取试验中较小的载荷P（4000kg）来计算，则从而对于所有P值，则有

由于d=D-2a,故|Δd|＝2|Δa|。由于，|Δa|≤0.05mm，故|Δd|≤0.1mm。取D=10mm，则

$\frac{\left|{\mathrm{\ΔK}}_1\right|}{K_1}\≤0.025+\frac{1.72\left|\mathrm{\Δd}\right|}{(172-127m)m}---\left(12\right)$

设 $f\left(m\right)\≤0.025+\frac{1.72\left|\mathrm{\Δd}\right|}{(172-127m)m},$ 则 $\frac{\left|\mathrm{\Δ}{K}_1\right|}{K_1}\≤f\left(m\right).$ f(m)随m的变化情况如图3所示。

从图3中可见，当0.5≤m≤0.9,即0.5≤d/D≤0.9时,f(m)可小于6%。对应力场强度因子来说，这一误差是可以接受的。

本发明实施例提供的带环形裂纹的圆棒拉伸试样的制备方法，经济实用，该试样尤其适用于进行低温断裂韧性试验。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种带环形裂纹的圆棒拉伸试样的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在试样坯料上加工出一中部圆柱(2)，在所述中部圆柱(2)的两端分别加工出一螺纹部位(4)，在所述试样坯料的两端分别加工出一端部圆柱(3)，在所述中部圆柱(2)上开一缺口(5)，对所述试样坯料采用四点弯曲加载方式在旋转弯曲疲劳方法预制裂纹，使所述缺口(5)所在的圆周面上产生连续的环形裂纹，得到带环形裂纹的圆棒拉伸试样；

采用四点弯曲加载方式在旋转弯曲疲劳试验机上，对所述缺口的圆棒试样施加载荷，得到运转周次和裂纹深度的曲线关系，根据所述运转周次和裂纹深度的曲线关系，调整所述运转周次；所述环形裂纹在所述缺口所在圆周面上对称分布；所述裂纹预制时，所述裂纹尖端应力场强度因子最大值小于等于二分之一的所述试验坯料的平面应变断裂韧性；所述裂纹预制时，所述裂纹的尖端应力场强度因子最大值的计算方法具体如式(1)、式(2)、式(3)和式(4)所示：

其中：

式中，K_1max为应力场强度因子最大值，单位为MPa·m^1/2；F为外加载荷，单位为N；L为预制裂纹加载时两支点间距的1/2，单位为mm；L₁为施加外加载荷点间距的1/2，单位为mm；d为裂纹包围的净断面直径；R为圆柱部分的半径，单位为mm；R_k为圆棒拉伸试样缺口处的有效半径，单位为mm；所述环形裂纹的深度范围为式(5)或式(6)：

0.5≤d/D≤0.9(5)

0.5≤(D-2a)/D≤0.9(6)

式中，d为裂纹包围的净断面直径，单位为mm；D为圆棒拉伸试样缺口处的有效直径，单位为mm；a为裂纹深度，单位为mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环形裂纹深度不均匀性最大值小于等于0.05mm。