CN103604694B - 利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，其特征在于，包括：制备单边缺口拉伸试样，通过线切割及疲劳裂纹扩展速率试验方法预制所述拉伸试样裂纹；根据所述拉伸试样裂纹计算裂纹扩展量；通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J‑R曲线获得用于表征管线钢断裂韧性的J积分及应力强度因子K。本发明通过采用拉伸试样（SENT试样）对管线钢的断裂韧性进行测量，克服了传统技术弯曲试样（SENB试样）测量结果范围太小、不足以评定管线钢断裂韧性的缺陷，拉伸试样（SENT试样）测试得到的断裂韧性值更加合理，且避免了管线钢材料测试的浪费；且具有测量准确度高的特点。

Description

利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法

技术领域

本发明属于断裂韧性测量技术领域，特别涉及一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法。

背景技术

随着管线钢强度级别的提高，对韧性的要求也越来越高，再加上管线钢的服役环境非常恶劣，从而提高了产生裂纹的概率，因此对管线钢断裂韧性的准确评定对管线钢安全运行有着重大的意义。

传统技术采用三点弯曲试验(SENB)和紧凑拉伸试样(CT)，这两种试样都属于深裂纹试样，裂纹长度(a₀)与试样宽度(w)之比在0.45-0.55之间，裂纹尖端具有很高的约束性，因此试验测量得到的断裂韧性值范围太小，不足以评定管线钢的断裂韧性，虽然有利于工程结构的安全评估，但是有时候会造成材料的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，通过采用拉伸试样对管线钢的断裂韧性进行测量，以克服传统技术采用采用三点弯曲试验和紧凑拉伸试样所造成的测量结果范围太小、不足以评定管线钢断裂韧性的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，包括：制备单边缺口拉伸试样，通过线切割及疲劳裂纹扩展速率试验方法预制所述拉伸试样裂纹；根据所述拉伸试样裂纹计算裂纹扩展量；通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线获得用于表征管线钢断裂韧性的J积分及应力强度因子k。

进一步地，所述根据拉伸试样裂纹计算裂纹扩展量包括：通过预制二次疲劳区或加热氧化方法对所述拉伸试样进行处理并测量所述拉伸试样的原始裂纹长度及扩展后裂纹长度；通过均值法计算原始裂纹长度a₀及扩展后裂纹长度a；根据公式△a＝a-a₀计算所述裂纹扩展量△a。

进一步地，所述拉伸试样的厚度B与所述拉伸试样的宽度W的比值关系是：2≤B/W≤5。

进一步地，所述拉伸试样的原始裂纹长度a₀与所述拉伸试样的宽度W的比值关系是：0.25≤a₀/W≤0.35。

进一步地，所述拉伸试样进行至少六次不同程度的拉伸，并记录施加载荷与裂纹张开位移的变化曲线，且至少三个试样加载需满足超过最高载荷点，用于实现所述裂纹扩展量在0.2mm-3mm之间。

进一步地，所述拉伸试样是浅裂纹试样。

进一步地，所述绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线中J积分的计算公式是：

J＝J_e+J_p；

其中，J_e为J积分的弹性部分，J_p为J积分的塑性部分。

进一步地，

$J_e=\frac{k^2(1-v)}{E};$

$J_p=\frac{{\mathrm{\η}}_p{U}_p}{B(W-a_0)};$

其中，E—弹性模量，单位Pa；ν—泊松比；U_p—塑性功，单位J；

${\mathrm{\η}}_p=0.85\×\left\{\begin{array}{c}(196.719\·e^{-\frac{B}{W}}-64.642)\·{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^5+(-493.511\·e^{-\frac{B}{W}}+138.837)\·{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^4+\\ (463.503\·e^{-\frac{B}{W}}+106.207)\·{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^3+(-201.862\·e^{-\frac{B}{W}}+34.532)\·{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^2+\\ (39.431\·e^{-\frac{B}{W}}-4.552)\·\left(\frac{a_0}{W}\right)+(-2.064\·e^{-\frac{B}{W}}+1.039)\end{array}\right\};$

其中，B—试样厚度，单位mm；W—试样宽度，单位mm；a₀—原始裂纹长度，单位mm。

进一步地，所述应力强度因子k的计算公式是：

$k=\frac{F}{B\sqrt{W}}\·\frac{\sqrt{2\tan \left(\frac{{\mathrm{\πa}}_0}{2W}\right)}}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\πa}}_0}{2W}\right)}\·\[0.752+2.02\left(\frac{a_0}{W}\right)+0.37(1-\sin (\frac{a_0}{W}\left)\right)\];$

其中，k—应力强度因子，单位单位；F—施加载荷，单位N；B—试样厚度，单位mm；W—试样宽度，单位mm；a₀—原始裂纹长度，单位mm。

本发明提供的一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，其有益效果如下所述：

1、本发明采用拉伸试样(SENT试样)对管线钢的断裂韧性进行测量，克服了传统技术弯曲试样(SENB试样)测量结果范围太小、不足以评定管线钢断裂韧性的缺陷，拉伸试样(SENT试样)测试得到的断裂韧性值更加合理，且避免了管线钢材料测试的浪费；

2、本发明采用拉伸试样(SENT试样)对管线钢的断裂韧性进行测量，采用浅裂纹的单边缺口拉伸(SENT)试样，即拉伸试样的原始裂纹长度a₀与拉伸试样宽度W的比值关系满足0.25≤a₀/W≤0.35；拉伸试样厚度B与拉伸试样宽度W的比值关系满足2≤B/W≤5；更进一步的使得试验测量数值与管线钢实际服役过程中可能产生的裂纹长度更加相近，极大的提高了测量的准确度；

3、本发明采用拉伸试样(SENT试样)对管线钢的断裂韧性进行测量，与传统的SENB方法和CT方法相比，实施起来更简单易行，利于实际工业应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法工艺流程图；

图2为本发明实施例提供的拉伸试样的试样尺寸示意图；

图3为本发明实施例提供的载荷-裂纹张开位移关系示意图；

图4为本发明实施例提供的利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法测试得到的J积分-裂纹扩展量的关系曲线及其与SENB结果的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见图1-4，本发明实施例提供的一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，包括：

S101：制备单边缺口拉伸试样，通过线切割及疲劳裂纹扩展速率试验方法预制拉伸试样裂纹；

本实施例中，试样尺寸(参见图2)，制备单边缺口拉伸试样过程中，W代表拉伸试样的宽度，即W<0.85t，拉伸试样裂纹的加工可分为线切割和疲劳裂纹扩展速率试验方法预制，一般疲劳预制尺寸2mm。此过程可以按照其它标准(如ASTM1820等)来进行。且拉伸试样在拉伸试验机上进行加载试验时，拉伸试样垂直夹持，加载方式为位移控制方式，速率为1-3mm/min，每组拉伸试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并记录载荷(准静态拉伸试验测量力)与裂纹张开位移的变化曲线，且至少三个试样加载需满足超过最高载荷点，用于实现裂纹扩展量在0.2mm-3mm之间。

本实施例中，管线钢是管道运输用高强钢，包括X70、X80和X100系列管线钢。

本实施例中，拉伸试样是浅裂纹试样。

S102：根据拉伸试样裂纹计算裂纹扩展量；

本实施例中，拉伸试样在加载过程结束后，通过预制二次疲劳区或者加热氧化等方法(根据试验条件选择不同的方法)对拉伸试样进行处理，并测量拉伸试样的原始裂纹长度和扩展后裂纹长度，对测量结果采用均值法获得原始裂纹长度a₀及扩展后裂纹长度a；最后根据公式△a＝a-a₀计算所述裂纹扩展量△a。

本实施例中，拉伸试样的厚度B与拉伸试样的宽度W的比值关系是：2≤B/W≤5；拉伸试样的原始裂纹长度a₀与拉伸试样的宽度W的比值关系是：0.25≤a₀/W≤0.35。

S103：通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线获得用于表征管线钢断裂韧性的J积分及应力强度因子k。

本实施例中，制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线中J积分的计算公式是：

J＝J_e+J_p；

其中，J_e为J积分的弹性部分，J_p为J积分的塑性部分；对于J_e和J_p的计算可参考断裂力学的基本公式来进行：

$J_e=\frac{k^2(1-v)}{E};$

$J_p=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_p{U}_p}{B(W-a_0)};$

其中，E—弹性模量，单位Pa；ν—泊松比；U_p—塑性功，单位J；

${\mathrm{\&eta;}}_p=0.85\&times;\left\{\begin{array}{c}(196.719\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}-64.642)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^5+(-493.511\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+138.837)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^4+\\ (463.503\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+106.207)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^3+(-201.862\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+34.532)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^2+\\ (39.431\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}-4.552)\&CenterDot;\left(\frac{a_0}{W}\right)+(-2.064\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+1.039)\end{array}\right\};$

其中，B—试样宽度，单位mm；W—试样厚度，单位mm；a₀—裂纹长度，单位mm。

本实施例中，通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线获得管线钢断裂韧性的过程中，管线钢的应力强度因子k的计算公式是：

$k=\frac{F}{B\sqrt{W}}\&CenterDot;\frac{\sqrt{2\tan \left(\frac{{\mathrm{\&pi;a}}_0}{2W}\right)}}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;a}}_0}{2W}\right)}\&CenterDot;\&lsqb;0.752+2.02\left(\frac{a_0}{W}\right)+0.37(1-\sin (\frac{a_0}{W}\left)\right)\&rsqb;$

其中，k—应力强度因子，单位F—施加载荷，单位Pa；B—试样厚度，单位mm；W—试样宽度，单位mm；a₀—原始裂纹长度，单位mm。

本发明提供的一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，通过原始裂纹长度a₀及扩展后裂纹长度a的测量来更详细的表征裂纹尖端的受力状态，以更准确的表征管线钢的断裂韧性，同时本发明采用浅裂纹的单边缺口拉伸(SENT)试样，即拉伸试样的原始裂纹长度a₀与拉伸试样宽度W的比值关系满足0.25≤a₀/W≤0.35；拉伸试样厚度B与拉伸试样宽度W的比值关系满足2≤B/W≤5；上下夹具预留距离H＝10W(参见图2)，更进一步的将试验测量数值与管线钢实际服役过程中可能产生的裂纹长度更加相近，极大的提高了测量的准确度。

下面，通过具体示例对本发明作进一步详细说明，以支持本发明所要解决的技术问题：

示例1：针对屈强比为0.85、厚度B为5mm的管线钢，制备拉伸试样(SENT试样)，试样尺寸参照附图2，试样的宽度W＝0.75t，试样裂纹的加工可以分为线切割和疲劳预制，按照ASTM1820标准预制2mm尺寸的疲劳裂纹。在MTS拉伸机上将预制好疲劳裂纹的试样进行加载试验，试样的垂直夹持，整个加载过程在室温状态下进行，以减小温度的影响，加载方式为位移控制方式，速率为2mm/min，每组试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并且至少三个试样加载超过最高载荷点，以保证裂纹扩展量为0.5mm。拉伸试样加载过程结束后，通过预制二次疲劳区方法测量裂纹扩展量Δa，对原始裂纹长度a₀和扩展后裂纹长度a采用均值法计算获得，最后计算裂纹扩展量Δa，其中，Δa＝a-a₀。绘制J-R曲线后根据公式K_IC＝(J*E/(1-ν))^0.5求得管线钢的断裂韧性K_IC＝346.2MPa m^1/2ν。

示例2：针对屈强比为0.85、厚度B为6mm的管线钢，制备拉伸试样(SENT试样)，试样尺寸参照附图2，试样的宽度W＝0.75t，试样裂纹的加工可以分为线切割和疲劳预制，按照ASTM1820标准预制2mm尺寸的疲劳裂纹。在MTS拉伸机上将预制好疲劳裂纹的试样进行加载试验，试样的垂直夹持，整个加载过程在室温状态下进行，以减小温度的影响，加载方式为位移控制方式，速率为1mm/min，每组试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并且至少三个试样加载超过最高载荷点，以保证裂纹扩展量为1mm之间。拉伸试样加载过程结束后，通过加热氧化测量裂纹扩展量，对原始裂纹长度a₀和扩展后裂纹长度a采用均值法计算得到，最后计算裂纹扩展量Δa，其中，Δa＝a-a₀。绘制J-R曲线后根据公式K_IC＝(J*E/(1-ν))^0.5求得管线钢的断裂韧性K_IC＝335.3MPa m^1/2。

示例3：针对屈强比为0.90、厚度B为5mm的管线钢，制备拉伸试样(SENT试样)，试样尺寸参照附图2，试样的宽度W＝0.70t，试样裂纹的加工可以分为线切割和疲劳预制，按照ASTM1820标准预制2mm尺寸的疲劳裂纹。在MTS拉伸机上将预制好疲劳裂纹的试样进行加载试验，试样的垂直夹持，整个加载过程在室温状态下进行，以减小温度的影响，加载方式为位移控制方式，速率为2mm/min，每组试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并且至少三个试样加载超过最高载荷点，以保证裂纹扩展量为0.2mm之间。拉伸试样加载过程结束，通过加热氧化测量裂纹扩展量，对原始裂纹长度a₀和扩展后裂纹长度a通过均值法计算得到，最后计算裂纹扩展量Δa，其中，Δa＝a-a₀。绘制J-R曲线后根据公式K_IC＝(J*E/(1-ν))^0.5求得管线钢的断裂韧性K_IC＝398.5MPa m^1/2。

示例4：针对屈强比为0.92、厚度B为8mm的管线钢，制备拉伸试样(SENT试样)，试样尺寸参照附图2，试样的宽度W＝0.74t，试样裂纹的加工可以分为线切割和疲劳预制，按照ASTM1820标准预制2mm尺寸的疲劳裂纹。在MTS拉伸机上将预制好疲劳裂纹的试样进行加载试验，试样的垂直夹持，整个加载过程在室温状态下进行，以减小温度的影响，加载方式为位移控制方式，速率为1mm/min，每组试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并且至少三个试样加载超过最高载荷点，以保证裂纹扩展量为3mm。加载过程结束，通过加热氧化测量裂纹扩展量，对原始裂纹长度a₀和扩展后裂纹长度a采用均值法计算得到，最后计算裂纹扩展量Δa，其中，Δa＝a-a₀。绘制J-R曲线后根据公式K_IC＝(J*E/(1-ν))^0.5求得管线钢的断裂韧性K_IC＝379.2MPa m^1/2。

示例5：针对屈强比为0.92、厚度B为5mm的管线钢，拉伸试样(SENT试样)，试样尺寸参照附图2，试样的宽度W＝0.67t，试样裂纹的加工可以分为线切割和疲劳预制，按照ASTM1820标准预制2mm尺寸的疲劳裂纹。在MTS拉伸机上将预制好疲劳裂纹的试样进行加载试验，试样的垂直夹持，整个加载过程在室温状态下进行，以减小温度的影响，加载方式为位移控制方式，速率为3mm/min，每组试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并且至少三个试样加载超过最高载荷点，以保证裂纹扩展量为0.5mm之间。加载过程结束，通过加热氧化测量裂纹扩展量，对原始裂纹长度a₀和扩展后裂纹长度a采用求平均值的方法得到，最后计算裂纹扩展量Δa，其中，Δa＝a-a₀。绘制J-R曲线后根据公式K_IC＝(J*E/(1-ν))^0.5求得管线钢的断裂韧性K_IC＝366.2MPam^1/2。

示例6：针对屈强比为0.80、厚度为8mm的管线钢，制备拉伸试样(SENT试样)，试样尺寸参照附图2，试样的宽度W＝0.65t，试样裂纹的加工可以分为线切割和疲劳预制，按照ASTM1820标准预制1mm尺寸的疲劳裂纹。在MTS拉伸机上将预制好疲劳裂纹的试样进行加载试验，试样的垂直夹持，整个加载过程在室温状态下进行，以减小温度的影响，加载方式为位移控制方式，速率为3mm/min，每组试样至少要进行六次不同程度的拉伸，并且至少三个试样加载超过最高载荷点，以保证裂纹扩展量为0.4mm之间。加载过程结束，通过加热氧化测量裂纹扩展量，对原始裂纹长度a₀和扩展后裂纹长度a采用均值法计算得到，最后计算裂纹扩展量Δa，其中，Δa＝a-a₀。绘制J-R曲线后根据公式K_IC＝(J*E/(1-ν))^0.5求得管线钢的断裂韧性K_IC＝454.7MPa m^1/2。

本发明提供的一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，其有益效果如下所述：

1、本发明采用拉伸试样(SENT试样)对管线钢的断裂韧性进行测量，克服了传统技术弯曲试样(SENB试样)测量结果范围太小、不足以评定管线钢断裂韧性的缺陷，拉伸试样(SENT试样)测试得到的断裂韧性值更加合理，且避免了管线钢材料测试的浪费；

2、本发明采用拉伸试样(SENT试样)对管线钢的断裂韧性进行测量，采用浅裂纹的单边缺口拉伸(SENT)试样，即拉伸试样的原始裂纹长度a₀与拉伸试样宽度W的比值关系满足0.25≤a₀/W≤0.35；拉伸试样厚度B与拉伸试样宽度W的比值关系满足2≤B/W≤5；更进一步的使得试验测量数值与管线钢实际服役过程中可能产生的裂纹长度更加相近，极大的提高了测量的准确度；

3、本发明采用拉伸试样(SENT试样)对管线钢的断裂韧性进行测量，与传统的SENB方法和CT方法相比，实施起来更简单易行，利于实际工业应用。

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 (7)

1.一种利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法，其特征在于，包括：

制备单边缺口拉伸试样，通过线切割及疲劳裂纹扩展速率试验方法预制所述拉伸试样裂纹；其中，所述拉伸试样通过试验方法进行加载试验时，所述拉伸试样垂直夹持，加载方式为位移控制方式；

根据所述拉伸试样裂纹计算裂纹扩展量；

通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线获得用于表征管线钢断裂韧性的J积分；

所述绘制表征裂纹扩展断裂抗力的J-R曲线中J积分的计算公式是：

J＝J_e+J_p；

其中，J_e为J积分的弹性部分，J_p为J积分的塑性部分；

$J_e=\frac{k^2(1-v)}{E};$

$J_p=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_p{U}_p}{B(W-a_0)};$

其中，k—应力强度因子，单位E—弹性模量，单位Pa；ν—泊松比；U_p—塑性功，单位J；

${\mathrm{\&eta;}}_p=0.85\&times;\left\{\begin{array}{c}(196.719\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}-64.642)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^5+(-493.511\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+138.837)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^4+\\ (463.503\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+106.207)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^3+(-201.862\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+34.532)\&CenterDot;{\left(\frac{a_0}{W}\right)}^2+\\ (39.431\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}-4.552)\&CenterDot;\left(\frac{a_0}{W}\right)+(-2.064\&CenterDot;e^{-\frac{B}{W}}+1.039)\end{array}\right\};$

其中，B—试样厚度，单位mm；W—试样宽度，单位mm；a₀—原始裂纹长度，单位mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述拉伸试样裂纹计算裂纹扩展量包括：

通过预制二次疲劳区或加热氧化方法对所述拉伸试样进行处理并测量所述拉伸试样的原始裂纹长度及扩展后裂纹长度；

通过均值法计算原始裂纹长度a₀及扩展后裂纹长度a；

根据公式△a＝a-a₀计算所述裂纹扩展量△a。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述拉伸试样的厚度B与所述拉伸试样的宽度W的比值关系是：2≤B/W≤5。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述拉伸试样的原始裂纹长度a₀与所述拉伸试样的宽度W的比值关系是：0.25≤a₀/W≤0.35。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述拉伸试样进行至少六次不同程度的拉伸，并记录施加载荷与裂纹张开位移的变化曲线，且至少三个试样加载需满足超过最高载荷点，用于实现所述裂纹扩展量在0.2mm-3mm之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述拉伸试样是浅裂纹试样。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应力强度因子k的计算公式是：

$k=\frac{F}{B\sqrt{W}}\&CenterDot;\frac{\sqrt{2tan\left(\frac{{\mathrm{\&pi;a}}_0}{2W}\right)}}{cos\left(\frac{{\mathrm{\&pi;a}}_0}{2W}\right)}\&CenterDot;\&lsqb;0.752+2.02\left(\frac{a_0}{W}\right)+0.37(1-sin(\frac{a_0}{W}\left)\right)\&rsqb;;$

其中，k—应力强度因子，单位F-施加载荷，单位N。