CN104316392A - 一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，包括：预制裂纹：对试样进行预制裂纹；切除：在所述试样厚度方向上切除最多50％厚度的表面裂纹过短的整个平面；拉断：将所述试样拉断；测量：在所述试样断面厚度方向测量裂纹尺寸。该断裂韧度试验方法有效地解决了断裂韧度试验中试样侧面开槽方法不具有普遍适用性和通用性等问题。

Description

一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法

技术领域

本发明涉及断裂韧度试验技术领域，特别是涉及一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法。

背景技术

对于带残余应力的金属材料，在进行断裂韧度试验时，往往因为残余应力的影响，造成试样一侧或两侧表面与内部裂纹尺寸差异过大，即裂纹前缘曲率过大，从而预裂纹不能满足相应要求，导致试验无效。

请参考图1，图1为现有技术中典型的带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法示意图。

美国标准ASTM E399(简写为美标)提出如果裂纹前缘曲率过大，可以在预制裂纹后在试样侧面开槽，去掉试样表面裂纹过短的部分，以减小裂纹前缘曲率。

但是，只有美标中允许侧面开槽，而国家标准GB/T 4161(简写为国标)和国际标准ISO 12737中没有侧面开槽方法，侧面开槽方法对其不适用。因此，侧面开槽的方法不具有普遍适用性和通用性。

综上所述，如何有效地解决断裂韧度试验中试样侧面开槽方法不具有普遍适用性和通用性等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，有效地解决了断裂韧度试验中试样侧面开槽方法不具有普遍适用性和通用性等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，包括：

预制裂纹：对试样进行预制裂纹；

切除：在所述试样厚度方向上切除最多50％厚度的表面裂纹过短的整个平面；

拉断：将所述试样拉断；

测量：在所述试样断面厚度方向测量裂纹尺寸。

优选地，步骤切除前测量所述试样两侧表面的裂纹尺寸，判断所述试样两侧表面的切除量。

优选地，通过铣切法切除所述试样表面裂纹过短的整个平面。

优选地，采用1-2mm的切削深度对所述试样进行多次铣切，且每次铣切后测量铣切面的裂纹尺寸。

优选地，步骤测量包括：

1)在断面每隔1/4厚度处测量裂纹尺寸，裂纹尺寸值依次为a1、a2、a3、a4和a5；

2)取a2、a3、a4的平均值作为平均裂纹尺寸a；

3)判断a1、a2、a3、a4和a5是否符合标准对裂纹尺寸的要求。

优选地，步骤3)中的判断包括：

31)判断a2、a3、a4中的最大差值是否不超过平均裂纹尺寸a的10％；

32)判断a1和a5的差值是否不超过平均裂纹尺寸a的10％；

33)判断a1或a5和平均裂纹尺寸a的差值是否都不超过a的15％；

34)判断裂纹前缘任意位置距离起始缺口的距离是否不小于0.025倍的试样宽度或1.3mm两者中的较大值；

任意一项不符合，则断裂韧度不符合标准对裂纹尺寸的要求，停止判断。

优选地，所述试样包括紧凑拉伸试样、弯曲试样、圆形紧凑拉伸试样以及C形拉伸试样。

优选地，所述试样具体为铝合金试样。

优选地，所述试样具体为带残余压应力的试样。

本发明所提供的带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，首先，对试样进行预制裂纹，对试样进行循环加载以获得满足标准要求的尖锐度和平直度的预裂纹；其次，在试样厚度方向上切除最多50％厚度的表面裂纹过短的整个平面，使预裂纹能满足国标要求；再次，将试样拉断；最后，在试样断面厚度方向测量裂纹尺寸。

本发明所提供的断裂韧度试验方法，在试样厚度方向上切除表面裂纹过短的整个平面，最多切除50％的试样厚度，获得符合标准要求的预裂纹，切除试样表面裂纹过短的整个平面的方法在美标、国标和国际标准三个标准中都是允许的，有比较广泛的适用性，通用性较强。试样两侧总共可以切除50％厚度，在试样两侧的裂纹扩展情况不一致时，可以根据具体情况在试样两侧切除不同的厚度，具有更普遍的适用性和通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种典型的带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法示意图；

图2为本发明中一种具体实施方式所提供的试样结构示意图；

图3为图2的剖视图；

图4为不带残余压应力的试样预裂纹的形貌示意图；

图5为带残余压应力的试样预裂纹，裂纹前缘曲率过大的形貌示意图；

图6为带残余压应力的试样预裂纹，切除表面裂纹过短的整个平面后形貌示意图。

附图中标记如下：

a-平均裂纹尺寸、B-试样厚度、BN-缺口部位厚度、W-试样宽度、a1～a5-试样拉断后的裂纹尺寸。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，有效地解决了断裂韧度试验中试样侧面开槽方法不具有普遍适用性和通用性等问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图2至图6，图2为本发明中一种具体实施方式所提供的试样结构示意图；图3为图2的剖视图；图4为不带残余压应力的试样预裂纹的形貌示意图；图5为带残余压应力的试样预裂纹，裂纹前缘曲率过大的形貌示意图；图6为带残余压应力的试样预裂纹，切除表面裂纹过短的整个平面后形貌示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，包括：

预制裂纹：对试样进行预制裂纹；

切除：在试样厚度方向上切除最多50％厚度的表面裂纹过短的整个平面；

拉断：将试样拉断；

测量：在试样断面厚度方向测量裂纹尺寸。

对试样进行预制裂纹，具体地说，原始试样具有起始缺口，对试样进行循环加载出现裂纹，获得满足标准要求的尖锐度和平直度的预裂纹，具体加载次数及加载力的大小，可根据所需的预裂纹情况确定。试样的尺寸大小不做限制，为了方便试样的固定，试样上可以设置特制的支承固定夹具的圆孔，也可以不设圆孔，采用其它方式固定，在试样其它位置固定，比如说在试样底边固定。在进行断裂韧度试验时，试样表面裂纹过短，也就是说裂纹前缘曲率过大，具体说为裂纹前缘曲率大于裂纹前缘曲率的设定值，造成试样一侧或两侧表面的裂纹与内部裂纹尺寸差异过大，不能满足标准对裂纹尺寸的要求而导致试验无效，在拉断之前就要对试样做相应的处理，使预裂纹满足标准要求。需要说明的是，裂纹前缘所指的是预裂纹尖端曲线。对试样做相应的处理具体为在试样厚度方向上切除表面裂纹过短的整个平面，切掉试样两侧表面裂纹过短的部分，减小试样裂纹前缘的曲率，以满足试验标准对试样内部裂纹尺寸和表面裂纹尺寸的要求，试样两侧总共最多切除50％的试样厚度，切除试样表面裂纹过短的整个平面的方法在美标、国标和国际标准三个标准中都是允许的，都适用，有比较广泛的适用性，通用性较强。试样的预裂纹符合要求后将试样拉断，无论采用何种拉断方式，只要符合标准且能将试样拉断，对此不做进一步限制，都在本发明的保护范围内。试样拉断之后对断裂裂纹进行测量，在试样断面厚度方向测量裂纹尺寸，这里及下文所说的裂纹尺寸指裂纹前缘上的点到设定的平面的距离，具体地，开设圆孔的试样，裂纹尺寸可以为裂纹前缘上的点到过圆孔轴线平面的距离，当然，也可以不是到此平面的距离，到其它便于测量平面的距离。可以使用通用的测量工具测量，比如说，游标卡尺，也可以使用专用的测量工具，由于可能实现的测量工具较多，这里就不再一一举例说明。

本发明所提供的断裂韧度试验方法，在试样厚度方向上切除表面裂纹过短的整个平面，切除试样表面，减小了试样整体厚度，相当于将一个具备标准宽厚比的试样，标准宽厚比W/B＝2，变成了一个替代比例2<W/B<4的试样，替代比例试样在三个标准中都是允许的，并且试样最多可以切除50％厚度，获得符合标准要求的预裂纹，切除试样表面裂纹过短的整个平面的方法在美标、国标和国际标准三个标准中都适用，具有通用性。

上述断裂韧度试验方法仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要做出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式，可以在步骤切除之前先测量试样两侧表面的裂纹尺寸，判断试样两侧表面的切除量。在实际试验中，试样两侧的裂纹扩展情况往往不一致，这里所说的裂纹扩展是指裂纹在试样整个厚度方向上的扩展趋势与情况，裂纹前缘一般是一条曲线。特别对带残余压应力的试样而言，可以一侧裂纹扩展正常，另一侧几乎无裂纹扩展，所以有时需要在试样两侧切除不同的厚度，通过提前测量试样两侧表面的裂纹尺寸。对裂纹尺寸合格的一侧可以不用切除，只切除不符合要求的一侧，对于两侧裂纹尺寸不同的试样，对表面裂纹过短的一侧可以多切除一些，裂纹相对好的一侧可以少切除一些，在试样两侧不一定切除相同深度。试样两侧总共可以切除50％厚度，在试样两侧的裂纹扩展情况不一致时，可以根据具体情况在试样两侧切除不同的厚度，此方法更具普遍的适用性和通用性。

为了进一步优化上述技术方案，可以通过铣切法切除试样表面裂纹过短的整个平面，铣切法切除的平面较平整、光滑，当然铣切法只是一种优选地实施方式，并不局限于此，还可以通过其它方法切除，比如说，车铣，火焰切割、等离子切割、激光切割等，无论何种具体方法，只要能切除试样，都在本发明的保护范围内。

进一步优化上述技术方案，可以采用1-2mm的切削深度对试样进行多次铣切，且每次铣切后测量铣切面的裂纹尺寸。对于较短的表面铣切深度可以适当增大，如果两侧表面裂纹扩展差异很大，可以只铣切裂纹扩展短的一个面。由于，具体切除量不能确定，避免一次切除时，切除量太大，造成试样反向裂纹扩展不一致，继续切除使试样尺寸不符合标准规定。对此，可以采用较小的切削深度多次铣切，例如每次切除1mm厚的平面，并且每次铣切后测量铣切面的裂纹尺寸，确定下次切除试样哪一侧，逐渐切除，以达到两面裂纹扩展尽量一致。对于一个宽厚比W/B＝2的标准比例试样，建议两面总的铣切深度不超过厚度的25％。

在上述具体实施方式的基础上，本领域技术人员可以根据具体场合的不同，对断裂韧度试验方法进行若干改变，步骤测量具体包括：

1)在断面每隔1/4厚度处测量裂纹尺寸，裂纹尺寸值依次为a1、a2、a3、a4和a5；

2)取a2、a3、a4的平均值作为平均裂纹尺寸a；

3)判断a1、a2、a3、a4和a5是否符合标准对裂纹尺寸的要求。

测量具体就是在试样厚度方向上，在裂纹前缘曲线上取若干个点，测量这些点的裂纹尺寸。测量点的数量不受局限，并且这些点的位置也不做限制，考虑到测量的精确性与方便性，所取得点最好均匀分布。比如，可以在断面每隔1/4厚度处测量裂纹尺寸，也就是在试样厚度方向上，测量两侧表面的裂纹尺寸，测量值记为a1和a5,，在裂纹曲线上等距测量另外三个点的裂纹尺寸，测量值记为a2、a3和a4，判断a1、a2、a3、a4和a5是否符合标准对裂纹尺寸的要求。在此，还可以计算a2、a3、a4的平均值，将其平均值作为平均裂纹尺寸a。

在上述具体实施方式的基础上，步骤3)中的判断包括：

31)判断a2、a3、a4中的最大差值是否不超过平均裂纹尺寸a的10％；

32)判断a1和a5的差值是否不超过平均裂纹尺寸a的10％；

33)判断a1或a5和平均裂纹尺寸a的差值是否都不超过a的15％；

34)判断裂纹前缘任意位置距离起始缺口的距离是否不小于0.025倍的试样宽度或1.3mm两者中的较大值；

任意一项不符合，则断裂韧度不符合标准对裂纹尺寸的要求，停止判断。

实际的裂纹前缘一般是一条曲线，不带残余应力的试样在循环加载过程中，应力分布较为均匀，裂纹前缘曲率较小，能够满足上述要求。但是对于带残余应力的试样，在循环加载过程中，受残余应力影响，裂纹前缘的应力分布发生变化，试样内部的裂纹扩展速度超过试样表面的裂纹扩展速度太多而导致裂纹前缘曲率增大，不能满足上述部分或全部要求。不满足上述任意一项要求，则不符合标准对裂纹尺寸的要求，这就需要在拉断之前切除试样表面裂纹过短的平面，获得符合标准要求的试样。

本发明所提供的断裂韧度试验方法，在其它部件不改变的情况下，试样具体可以为紧凑拉伸试样，需要特别指出的是，本发明的试样不应被限制于此种试样，还可以是其它种试样，比如说，弯曲试样、圆形紧凑拉伸试样以及C形拉伸试样等。

进一步优化上述技术方案，试样具体可以为铝合金材料的试样，也可以是其它材料的试样，比如说，钢铁类试样，本发明对此不做进一步限制。对于不带残余压应力的试样在循环加载过程中，裂纹前缘曲率不满足要求的，可以切除表面裂纹过短的平面，获得符合标准要求的试样。对于带残余应力的试样，比如，试样带残余压应力，由于受残余压应力影响，裂纹前缘的应力分布发生变化，试样内部的裂纹扩展速度超过试样表面的裂纹扩展速度太多而导致裂纹前缘曲率增大，此时，同样可以通过切除表面裂纹过短的平面，获得符合标准要求的试样。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种带残余应力的金属材料的断裂韧度试验方法，其特征在于，包括：

预制裂纹：对试样进行预制裂纹；

切除：在所述试样厚度方向上切除最多50％厚度的表面裂纹过短的整个平面；

拉断：将试样拉断；

测量：在试样断面厚度方向测量裂纹尺寸。

2.根据权利要求1所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，步骤切除前测量所述试样两侧表面的裂纹尺寸，判断所述试样两侧表面的切除量。

3.根据权利要求2所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，通过铣切法切除所述试样表面裂纹过短的整个平面。

4.根据权利要求3所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，采用1-2mm的切削深度对所述试样进行多次铣切，且每次铣切后测量铣切面的裂纹尺寸。

5.根据权利要求1所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，步骤测量包括：

1)在断面每隔1/4厚度处测量裂纹尺寸，裂纹尺寸值依次为a1、a2、a3、a4和a5；

2)取a2、a3、a4的平均值作为平均裂纹尺寸a；

3)判断a1、a2、a3、a4和a5是否符合标准对裂纹尺寸的要求。

6.根据权利要求5所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，步骤3)中的判断包括：

31)判断a2、a3、a4中的最大差值是否不超过平均裂纹尺寸a的10％；

32)判断a1和a5的差值是否不超过平均裂纹尺寸a的10％；

33)判断a1或a5和平均裂纹尺寸a的差值是否都不超过a的15％；

34)判断裂纹前缘任意位置距离起始缺口的距离是否不小于0.025倍的试样宽度或1.3mm两者中的较大值；

任意一项不符合，则断裂韧度不符合标准对裂纹尺寸的要求，停止判断。

7.根据权利要求1至6任一项所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，所述试样包括紧凑拉伸试样、弯曲试样、圆形紧凑拉伸试样以及C形拉伸试样。

8.根据权利要求1至6任一项所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，所述试样具体为铝合金试样。

9.根据权利要求1至6任一项所述的断裂韧度试验方法，其特征在于，所述试样具体为带残余压应力的试样。