CN104596845B - 一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，先测得缺口拉伸试验的真实应力应变曲线，且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金属的应变硬化指数；采用有限元计算软件进行缺口拉伸试样真实应力应变曲线计算，获得不同缺口尺寸下的缺口拉伸试样的真实应力应变曲线，拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，建立包含缺口尺寸和最大载荷处真实断裂应变等影响因素的几何因子表达式；根据载荷分离理论以及上述得到的关系式、表达式，得到金属焊接结构待测区域金属的真实应力应变曲线。本发明通过小尺寸的缺口拉伸试验和建立的一系列关系，实现了将待测材料区域的局部性向整个单一区域材料的准确传递。

Description

一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法。

背景技术

对于焊接结构件而言，其材料本质是非均质的，母材、焊缝和热影响区三个区域的力学性能是不同的，对焊接结构进行断裂评估时需要每个材料区域的全程真应力真应变曲线。由于经济、方便，焊接接头横向拉伸试验被广泛地用于焊缝质量评价，例如断裂失效发生在母材代表了良好的焊缝质量，而断裂失效发生在焊缝金属或热影响区表明焊缝质量不好。焊接接头横向拉伸试验可以记录载荷和轴向伸长量的关系曲线，显而易见，该曲线不能用于焊接结构的失效评估，由于该曲线很大程度取决于样品的标距长度初始测量、取样方法、颈缩和终断区的位置等，而且该试验的测试结果表征了焊接接头三个不同材料区域的整体质量，并不能准确测量每个区域的应力应变曲线，不能给焊接结构的断裂评估带来有效的材料性能信息。在焊接接头横向拉伸试验中，可在样品中不同材料区域上粘贴应变片或采用光学测量来测量材料的真实应变，但这些方法都有明显的局限，表面应变和变形很难直接转化为材料全程应力-应变关系。

由于焊接是一种焊材及母材在热作用下熔合的物理过程，导致焊接接头不可避免地存在母材、热影响区及焊缝三个区域。由于焊缝、热影响区的化学成分和组织与母材有一定的差异，相比母材其性能也不存在差异，具体而言在热循环的作用下焊缝与母材之间存在热影响区，往往表现为材料性能的软化，见参考文献2(朱亮等，力学性能不均匀焊接接头的强度预测，焊接学报，2005，Vol26(No.5)，p13-16。)。而焊缝的性能取决于与母材性能的匹配关系，通常有3中情况，高匹配、等匹配及低匹配，参考文献2(朱亮等，力学性能不均匀焊接接头的强度预测，焊接学报，2005，Vol26(No.5)，p13-16。)有所提及。因此，整体而言，焊接接头性能具有严重的是不均匀性，例如，文献1(史耀武等，微剪试验及对焊接接头力学性能的评价，焊接学报，1994，Vol15(No.4)，p235-240.)展示了焊接接头不同区域微剪强度和韧性的差别，文献2中的硬度测试结果也展示了不同区域性能之间的显著差别。因此，如何准确获取不同区域的性能，特别是真应力应变曲线，对于科学地评估焊接结构的服役安全是很关键的。

文献3(乔及森等，材料局部力学性能测试方法，机械工程学报，2007，Vol43(No.12)，p190-193。)采用穿孔剪切的试验方法对铝合金焊接接头局部的剪切性能进行了测试，在剪切强度与拉伸强度的理论关系基础上，对局部拉伸性能进行了估算，例如弹性模量、屈服应力、硬化指数、最大拉伸应力等，进而得到了焊接接头局部材料的拉伸真应力应变曲线。但是该文献中存在如下缺陷:1.该方法的适用性受到了该试验方法的限制，例如样品尺寸及待测局部区域尺寸，该方法适用的样品厚度仅为0.8-2.0mm，宽度为10mm。以钢管焊接接头为例，厚度往往在10mm-25mm之间，且焊接接头热影响区和焊缝的宽度大致在2mm左右，也就是说几何尺寸因素对该方法的适用性而言有很大的限制。2.该方法不能反映材料颈缩后的拉伸性能，即正如文献本身结论部分提及的没有对超过强度极限的力学性能进行研究，也就是说采用该方法获得的真应力应变曲线并不完整。3.该方法采用了很多近似换算的理论方法，将焊接接头的局部区域剪切性能转换为拉伸性能。

现有技术中存在焊接结构实效评估获取焊接接头中热影响区和焊缝区真实应力应变曲线的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，该方法采用焊接接头横向缺口拉伸试验来测量焊接接头不同区域材料的真应力真应变曲线，在载荷与直径变化关系的基础上，采用载荷分离原理，建立包括缺口尺寸、最大载荷处真实断裂应变等影响因素的几何因子表达式，通过该表达式计算得到每种区域材料的真实应力应变曲线。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，包括以下步骤：

(1)缺口拉伸试验真应力真应变曲线的获取：

采用拉伸试验机，对加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样进行拉伸性能测试，得到缺口拉伸试验的真实应力应变关系，并且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金属的应变硬化指数；

(2)焊缝金属或热影响区金属真实应力应变曲线的预测：

根据载荷分离理论，待测部位金属的真实应力应变关系与缺口拉伸试样的真实应力应变曲线的关系符合式(1)，

σ^smooth(ε)＝σ^Notched(ε)/G (1)

式中σ^smooth(ε)为待测部位金属的真实应力应变关系，

σ^Notched(ε)为待测部位金属的缺口拉伸试样的真实应力应变关系，

G为几何因子；

采用有限元计算软件，计算光滑拉伸试样和不同缺口尺寸的缺口拉伸试样的应力应变曲线；其中，待测部位金属的弹性性能为：E/σ₀＝500，ν＝0.3，E为弹性模量，σ₀为屈服应力，ν为泊松比，并且待测部位金属塑性符合Power-law硬化模型：

式中，为流变应力，

为等效塑性应变，

σ₀为屈服应力，

ε₀为屈服应变，且ε₀＝σ₀/E，E为弹性模量，

n为应变硬化指数，

当n＝0.1时，计算光滑拉伸试样、多个缺口尺寸下和D₀/R₀分别为7.5和3.0的真实应力真应变曲线，拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，如式(3)所示：

式中，D₀为缺口拉伸试样的缺口深度，

R₀为缺口拉伸试样的缺口半径；

通过改变材料的应变硬化指数n，计算并分析应变硬化指数n对不同缺口尺寸下材料应力应变曲线的影响，并拟合建立最大载荷处真实断裂应变与几何因子比值的关系，即关系式(4)：

式中，为最大载荷处的真实断裂应变，

根据式(1)、式(4)以及步骤(1)中的应变硬化指数，计算得到待测部位金属的真实应力应变曲线。

所述拉伸试验机为电子拉伸或液压伺服拉伸试验机。

所述拉伸试验机的载荷量程大于等于100KN。

所述加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样的缺口半径R₀小于或等于待测试部分的宽度H。

所述待测部位金属的缺口拉伸试样的加工具体过程为：从待测试的金属焊接构件上切取长度100mm、宽度100mm的样块，并将样块磨平、磨抛，然后进行酸洗至焊接接头中的母材、热影响区和焊缝部位露出为止。

所述磨平是采用砂轮或磨床进行的。

所述酸洗是采用质量分数为5％的硝酸酒精溶液进行的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过确定缺口拉伸试验的真实应力应变关系与待测部位金属的真实应力应变关系之间的关系，即待测部位金属的真实应力应变关系的G倍为待测部位金属的缺口拉伸试样的真实应力应变关系，通过拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，得到金属焊接结构的真实应力应变曲线。本发明可以准确识别焊接结构中的不同材料区域，并且准确测量不同区域的尺寸；(2)本发明可通过小尺寸的缺口拉伸试验和本发明建立的一系列关系，如待测部位金属缺口拉伸试样的真实应力应变关系，几何因子与缺口尺寸及真实断裂应变的关系，实现了将待测材料区域的局部性向整个单一区域材料性能的准确传递。本发明克服了传统焊接接头横向拉伸试样难以区分不同区域材料性能及真应力真应变曲线准确测量的难题。

进一步的，本发明中缺口拉伸试样的初始缺口半径小于或等于焊接结构待测材料区域的宽度，可以确保测量结果代表了该待测区域材料性能的唯一性。

附图说明

图1为焊接接头样品示意图；

图2为缺口拉伸样品示意图；

图3为有限元计算网格单元：a)光滑拉伸试样，b)缺口拉伸试样；

图4为不同缺口尺寸下的应力应变曲线计算结果；

图5为几何因子与缺口尺寸的关系；

图6为几何因子与最大载荷处断裂应变(应变硬化指数)的关系；

图7为缺口拉伸样品真实应力应变曲线；

图8为X70钢管环焊缝金属真实应力应变曲线。

图中，1为热影响区，2为焊缝金属。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。为了测量焊接结构不同材料区域的真实应力应变曲线，本发明主要解决焊接结构非均质材料中，不同区域材料真实应力应变曲线难以准确测量的难题，提供一种金属焊接结构件焊缝金属或热影响区金属材料的真实应力应变的测量方法，具体包括以下步骤：

(1)试验及测量系统：

采用电子拉伸或液压伺服拉伸试验机，载荷量程不小于100KN，配备能够记录拉伸载荷位及真实断裂应变的测量仪器及数据记录系统。

(2)缺口拉伸试验样品的准备：

从待测试的金属焊接构件上切取长度100mm、宽度100mm的样块，采用砂轮或磨床将取出的样块磨平，采用600号的粗砂纸再次磨抛。随后采用质量分数为5％的硝酸酒精溶液，将样块进行酸洗，直至能能够清楚显示焊接接头中的母材、热影响区和焊缝部位为止，如图1所示，然后用电吹风吹干。测量金属构件焊接接头热影响区1或焊缝金属2的宽度H。

在已切取的样块上加工缺口拉伸试样，样品的长度、样品直径D及缺口深度D₀可根据样品的厚度和长度确定，但缺口半径R₀应小于或等于待测试部分的宽度H(焊缝金属2或热影响区1)，如图2所示。

(3)缺口拉伸试验真应力真应变曲线的获取：

采用步骤1中的拉伸试验机，对步骤(2)加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样进行拉伸性能测试，记录缺口拉伸试验的真实应力应变关系和最大载荷处的真实断裂应变。

(4)待测部位金属的应变硬化指数获取：

应变硬化指数n反映了材料的塑性变形能力，对材料的断裂应变有显著的影响。材料颈缩往往发生在最大载荷之后，最大载荷处的断裂应变是材料本征唯一的参数，与几何尺寸约束无关，且与材料得应变硬化指数相等，即步骤(3)中的最大载荷处的断裂应变即为待测量部位金属的应变硬化指数。

(5)焊缝金属或热影响区金属真实应力应变曲线的预测：

根据载荷分离理论，材料的真实应力应变曲线(即真实应力应变关系)与缺口拉伸试样的真实应力应变曲线的关系符合式(1)，

σ^smooth(ε)＝σ^Notched(ε)/G (1)

试中σ^smooth(ε)为待测部位金属的真实应力应变关系，

σ^Notched(ε)为待测部位金属的缺口拉伸试样的真实应力应变关系，

G为几何因子。

采用有限元计算软件(如Abaquse软件)，计算光滑拉伸试样和不同缺口尺寸的缺口拉伸试样的应力应变曲线，试样的有限元计算网格如图3所示。材料的弹性性能为：E/σ₀＝500，ν＝0.3，E为弹性模量，σ₀为屈服应力，ν为泊松比。材料塑性符合Power-law硬化模型：

式中，为流变应力，

为等效塑性应变，

σ₀为屈服应力，

ε₀为屈服应变，且ε₀＝σ₀/E,

n为材料应变硬化指数。

当n＝0.1时，计算了光滑试样和D₀/R₀分别为7.5和3.0的真实应力真应变曲线，如图4所示，可见不同缺口尺寸下的差异在最大载荷之后显现了出来。进一步地对比分析了多个缺口尺寸下的计算结果，如图5所示，并通过拟合建立了缺口尺寸与几何因子的关系，如(3)所示：

式中，D₀为缺口拉伸试样的缺口深度，

R₀为缺口拉伸试样的缺口半径。

在上述分析结果的基础上，改变材料的应变硬化指数n，分析应变硬化指数n对不同缺口尺寸下材料应力应变曲线的影响，并建立最大载荷处真应变与几何因子比值的关系，如图6所示，并建立了关系式(4)：

式中，为最大载荷处的真实断裂应变。

式(4)即为包含了缺口尺寸和最大载荷处真实断裂应变(即应变硬化指数)等影响因素的几何因子表达式。

将式(4)代入到式(1)，并将步骤(3)测得的任意缺口拉伸试样的真应力应变关系和步骤(4)确定的最大载荷处真应力应变值，即可计算得到待测部位金属的真实应力真应变曲线。

下面通过具体实施例进行说明。

试验用材料为X70直缝埋弧焊钢管对接环焊缝焊接接头。

1.试样截取：采用线切割或锯床，从X70直缝埋弧焊钢管对接环焊缝焊接接头垂直于环焊缝方向上截取长度100mm、宽度100mm的样块。

2.缺口拉伸试样加工：采用砂轮或磨床将取好的样块磨平，采用600号的粗砂纸再次磨抛，采用酒精与质量分数为5％的硝酸溶液，将样块进行酸洗，直至能能够清楚显示焊接接头中的母材、热影响区和焊缝部位为止，如图1所示，然后用电吹风吹干。测量X70钢管环焊缝焊接接头的焊缝金属宽度H为6mm。在已切取的样块上加工缺口拉伸试样，样品的长度为57.5mm、样品直径D为7mm，缺口深度D₀为4.5mm，缺口半径R₀为1.5mm，样品尺寸具体为：长度为57.5mm，加持段的螺纹直径为8mm、长度10mm，样品标距段直径为7mm，缺口根部半径R₀为1.5mm，缺口最深处直径D₀为4.5mm。

3.缺口拉伸试验：采用SHT4106电子拉伸试验机，对加工好的缺口拉伸样品进行拉伸试验，采用位移控制加载速率为0.02mm/min，实验测量了缺口拉伸试样的真实应力应变曲线如图7所示，测得最大载荷处真实断裂应变为0.4％。

4.在已测缺口拉伸样品真应力真应变曲线的基础上，利用公式(4)，计算得到X70钢管环焊缝焊接接头焊缝金属的真实应力应变曲线如图8所示。

本发明中：

1、缺口拉伸样品的初始缺口半径R₀小于或等于待测金属部位的宽度。

2、最大载荷处的断裂应变即为待测量部位金属的应变硬化指数。

3、缺口尺寸与几何因子的关系：

4、几何因子与缺口尺寸和形变硬化指数的关系：

本发明首先测得缺口拉伸试验的真实应力应变曲线，且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金属的应变硬化指数；采用有限元计算软件进行缺口拉伸试样真实应力应变曲线计算，获得不同缺口尺寸下的缺口拉伸试样的真实应力应变曲线，拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，进一步改变材料的应变硬化指数，建立包含缺口尺寸和最大载荷处真实断裂应变等影响因素的几何因子表达式；根据载荷分离理论、几何因子表达式、真实断裂应变及任意测得的焊接接头待测部位金属缺口拉伸试样真实应力应变曲线，得到金属焊接结构待测区域金属的真实应力应变曲线。本发明可以准确识别焊接结构中的不同材料区域，并且准确测量不同区域的尺寸；可通过小尺寸的缺口拉伸试验和本发明建立的一系列关系，实现了将待测材料区域的局部性向整个单一区域材料的准确传递。

Claims (7)

1.一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)缺口拉伸试验真应力真应变曲线的获取：

采用拉伸试验机，对加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样进行拉伸性能测试，得到缺口拉伸试验的真实应力应变关系，并且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金属的应变硬化指数；

(2)焊缝金属或热影响区金属真实应力应变曲线的预测：

根据载荷分离理论，待测部位金属的真实应力应变关系与缺口拉伸试样的真实应力应变曲线的关系符合式(1)，

σ^smooth(ε)＝σ^Notched(ε)/G (1)

式中σ^smooth(ε)为待测部位金属的真实应力应变关系，

σ^Notched(ε)为待测部位金属的缺口拉伸试样的真实应力应变关系，

G为几何因子；

采用有限元计算软件，计算光滑拉伸试样和不同缺口尺寸的缺口拉伸试样的应力应变曲线；其中，待测部位金属的弹性性能为：E/σ₀＝500，ν＝0.3，E为弹性模量，σ₀为屈服应力，ν为泊松比，并且待测部位金属塑性符合Power-law硬化模型：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}={\mathrm{\σ}}_0{(1+\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}^p}{{\mathrm{\ϵ}}_0})}^n---\left(2\right)$

式中，为流变应力，

为等效塑性应变，

σ₀为屈服应力，

ε₀为屈服应变，且ε₀＝σ₀/E，E为弹性模量，

n为应变硬化指数，

当n＝0.1时，计算光滑拉伸试样、多个缺口尺寸下和D₀/R₀分别为7.5和3.0的真实应力应变曲线，拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，如式(3)所示：

$G=1.007+0.1877\left(\frac{D_0}{R_0}\right)-0.01313{\left(\frac{D_0}{R_0}\right)}^2---\left(3\right)$

式中，D₀为缺口拉伸试样的缺口深度，

R₀为缺口拉伸试样的缺口半径；

通过改变材料的应变硬化指数n，计算并分析应变硬化指数n对不同缺口尺寸下材料应力应变曲线的影响，并拟合建立最大载荷处真实断裂应变与几何因子比值的关系，即关系式(4)：

$G=\[1.007+0.1877\left(\frac{D_0}{R_0}\right)-0.01313{\left(\frac{D_0}{R_0}\right)}^2\](1.053-0.53{\mathrm{\ϵ}}_{P_{max}})---\left(4\right)$

式中，为最大载荷处的真实断裂应变，

根据式(1)、式(4)以及步骤(1)中的应变硬化指数，计算得到待测部位金属的真实应力应变曲线。

2.根据权利要求1所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，所述拉伸试验机为电子拉伸或液压伺服拉伸试验机。

3.根据权利要求1或2所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，所述拉伸试验机的载荷量程大于等于100KN。

4.根据权利要求1所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，所述加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样的缺口半径R₀小于或等于待测试部分的宽度H。

5.根据权利要求1所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，所述待测部位金属的缺口拉伸试样的加工具体过程为：从待测试的金属焊接构件上切取长度100mm、宽度100mm的样块，并将样块磨平、磨抛，然后进行酸洗至焊接接头中的母材、热影响区和焊缝部位露出为止。

6.根据权利要求5所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，所述磨平是采用砂轮或磨床进行的。

7.根据权利要求5所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，所述酸洗是采用质量分数为5％的硝酸酒精溶液进行的。