CN105928784A - 测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，包括使用热轧碳素钢加工制作试件、切出裂缝、按金属材料拉伸试验方法加载试件、计算试件的屈服荷载和等效裂缝长度等步骤，最后回归分析得出碳素钢平面应力情况下的断裂韧度K _C。本发明只需由小尺寸单向板的拉伸试验测得的屈服荷载，即可确定碳素钢平面应力条件下的断裂韧度K _C。不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定，不需要预制疲劳裂纹。

Description

测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法

技术领域

本发明涉及金属材料性能检测技术领域，具体涉及一种测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法。

背景技术

目前，国内外现行的金属材料性能测试规范中，对于测定金属材料断裂韧性，测试试件的尺寸大小有严格规定,试件的裂缝长度a、试件厚度B及韧带高度W-a都须大于一定数值。比如，中华人民共和国国家标准——《金属材料平面应变断裂韧度K_IC试验方法》(GB/T4161-2007)、中华人民共和国国家标准——《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》(GB/T 21143-2007)、美国ASTM E399规范、欧洲BS EN ISO规范，等规范中，规定测试试件的厚度B,裂纹长度a,韧带尺寸W-a均需满足下式：

$\left.\begin{array}{c}B\\ a\\ W-a\end{array}\right\}\≥2.5{\left(\frac{K_{IC}}{{\mathrm{\σ}}_Y}\right)}^2;$

其中，K_IC为平面应变情况下的金属断裂韧度，σ_Y为金属的屈服强度。若采用预估尺寸进行试验，测得指标不满足尺寸规定，还需重新确定试件尺寸进行试验。举例，目前市面上常用的热轧Q235碳素钢材的断裂韧度K_IC约估为50-100MPa·m^1/2，σ_Y约为250-350MPa，则由式(1)可得试件尺寸W需大于700-2000mm，同时，a与B需大于350-1000mm。这种情况下，普通实验室条件下该试验几乎不可能实现，因此Q235碳素钢断裂韧度值很难得到，目前公开文献中很少报道Q235碳素钢的断裂韧度K_IC。

另外，对于进行断裂韧度测试所用的金属试件初始裂纹的形成，需要进行疲劳试验。则对实验室的试验条件要求较高，须有疲劳试验机，大大增加了试验的难度与工作量。并且，进行金属断裂韧度测试试验中，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统等都有严格限制。使得试验试件的制作成本和试验工作量大为增加。

还须说明，目前国内外测试规范中仅能确定金属材料平面应变断裂韧度K_IC，而平面应力下的金属断裂韧度K_C的断裂韧度测试方法还未给出。而实际工程中钢结构的厚度都较薄，其裂缝断裂平面应变的情况要少于平面应力情况，则在碳素钢裂纹稳定性分析与控制研究中，K_C应用更为广泛。

发明内容

目前，测定碳素钢材的断裂韧度需要的试件尺寸较大，普通实验室条件下很难完成试件的加工和测试工作。为克服现有测定方法的不足，本发明提出一种确定碳素钢平面应力条件下断裂韧性的测试方法，可解决目前碳素钢断裂韧性的测试难题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)使用热轧碳素钢加工制作一定数量的尺寸均为W×B×L的单边拉伸试件，其中，W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度；

(2)采用线切割工艺对步骤(1)所得试件分别切出裂缝，裂缝长度为a，试件的缝高比α＝a/W在0.1～0.7的范围内取值；从中选取5～7种不同缝高比的试件，每种缝高比对应2～5个试件；其中缝高比α的取值方式为：随机取值、均态分布；

(3)在普通的拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，按金属材料拉伸试验方法加载到试件断裂破坏，试验过程中记录每个试件的屈服荷载；

(4)基于步骤(3)所得的每个试件的屈服荷载，计算出每个试件的名义强度σ_n；

(5)计算出每个试件的等效裂缝长度a_e；

(6)将步骤(4)、步骤(5)所得的不同的σ_n与a_e值，带入下式(1)进行回归分析，即可得出碳素钢平面应力情况下的断裂韧度K_C，

其中：K_C为试件的断裂韧度；σ_n为试件的名义强度；a_e为试件的等效裂缝长度；P_Y为试件实测屈服荷载；σ_Y为试件的屈服强度。基于式(1)，由试件尺寸和试验实测数据分别确定a_e与后，由线性回归分析，即可同时得到未知量σ_Y与K_C。

优选的，在所述步骤(4)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度σ_n，

式中，P_Y为试件实测屈服荷载；B为试件厚度；a为初始裂缝长度；Δa_p为裂缝尖端的屈服区长度；λ为实际应力分布影响系数，λ＝0.95-0.85。

优选的，每个试件的等效裂缝长度a_e由下式(3a)～(3d)计算：

其中，a为初始裂缝长度；α为缝高比；B(α)为形状系数；λ为实际应力分布影响系数，λ＝0.95-0.85；Y(α)为几何影响参数。

优选的，所述步骤(1)中试件的宽度W为30mm～50mm，有效长度L为50mm～70mm，试件厚度试件厚度B为4～8mm。

优选的，所述步骤(2)中的裂缝宽度小于0.25mm。

优选的，在所述步骤(2)中，所述缝高比α＝a₀/W的取值依次为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7。

优选的，在所述步骤(1)中，浇筑的试件个数为10～35个。

本发明的有益效果在于：

1.试验采用小尺寸试件，试件尺寸不需满足现有规范测定断裂韧度时，对于试件的高度、厚度、初始裂缝长度等都要大于一定数值的严格要求，从而使得测定碳素钢的断裂韧性成为可能。

2.对于断裂韧性试验的初始裂纹的形成，不需采用疲劳试验形成，而只需采用线切割技术切缝。大大降低了加工试件裂缝的难度，减轻了相应的工作量。

3.试验试件的厚度可较薄，不需满足现有规范平面应变条件，并可得出应用范围更为广泛的平面应力条件的热轧碳素钢的断裂韧度K_C。

4.采用单边拉伸试件，而不需采用现行规范测定断裂韧度所用的三点弯曲梁试件和楔入劈拉试件型式等，试件加工和试验加载设备得到了简化。

5.本发明方法形式简单，试验易操作，具有足够精度，且易判断结果合理性。该方法只需由小尺寸单向板的拉伸试验测得的屈服荷载，即可确定碳素钢平面应力条件下的断裂韧度K_C。不需要满足现行国内外规范对试验试件尺寸、型式，加载条件等的严格规定。

附图说明

图1为本发明所用试件的形状示意图；

图2为实施例1中所用的试件尺寸示意图；

图3为实施例1中试件实测荷载-变形全曲线，其中，a为实测外荷载-变形全过程曲线；b为屈服荷载时刻的外荷载-变形曲线。

图4为由实施例1试验数据回归确定的平面应力条件下的断裂韧度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以下实施例中所涉及的一些步骤或方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所涉及的材料、仪器设备，如无特别说明，均为常规材料和仪器设备。

本发明试验所用单边拉伸试件的示意图参见图1，制作相同尺寸W而不同裂缝长度a的单边拉伸板试件时，试件宽度W推荐取30mm-50mm，试件有效长度L推荐取50mm-70mm。试件厚度B推荐取4mm-8mm，使得试件受力处于平面应力条件。其中初始裂缝a的形成须用线切割工艺，裂缝宽度小于0.25mm，而不需要进行疲劳试验形成疲劳裂纹。

实施例1：采用热轧Q235B碳素钢加工制作单边拉伸试件，参见图2，试件尺寸为：W＝40mm，B＝5mm，L＝60mm，试件弧型段高度为20mm，矩形夹持端的尺寸为：70mm×80mm。采用线切割工艺对所得试件分别切出裂缝，裂缝宽度小于0.20mm。制作试件的缝高比a/W＝0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,每组缝高比制作5个试件，共计7组35个试件。

参见图3，试验按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T228.1-2010)等规范中规定速率进行匀速加载，一直加载到试件断裂破坏。试验过程中记录每个试件的屈服荷载。

在试验试件屈服前，用相机进行连续拍照，捕捉裂缝尖端的屈服区长度。实施例中实测试件屈服区长度在2mm-4mm范围变化。

参见图4，由实施例试件试验数据回归确定热轧Q235B碳素钢的断裂韧度K_IC。平面应力条件下的K_C＝68.83MPa·m^1/2-83.04MPa·m^1/2。

具体实测试验数据如下表1、表2所示。

表1试验试件尺寸及实测数据

表2试验确定Q235钢的K_C

	λ＝0.95	λ＝0.90	λ＝0.85
				Δap(mm)	KC(MPa·m1/2)	KC(MPa·m1/2)	KC(MPa·m1/2)
2.0	68.83	72.64	76.61
				4.0	70.01	76.19	83.04

对所公开实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多处修改对本领域技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的前提下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不限制于本文所显示的这些实施例，而是要符合与本文公开原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)使用热轧碳素钢加工制作一定数量的尺寸均为W×B×L的单边拉伸试件，其中，W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度；

(2)采用线切割工艺对步骤(1)所得试件分别切出裂缝，裂缝长度为a，试件的缝高比α＝a/W在0.1～0.7的范围内取值；从中选取5～7种不同缝高比的试件，每种缝高比对应2～5个试件；

(3)在普通的拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，按金属材料拉伸试验方法加载到试件断裂破坏，试验过程中记录每个试件的屈服荷载；

(4)基于步骤(3)所得的每个试件的屈服荷载，计算出每个试件的名义强度σ_n；

(5)计算出每个试件的等效裂缝长度a_e；

(6)将步骤(4)、步骤(5)所得的不同的σ_n与a_e值，带入下式(1)进行回归分析，即可得出碳素钢平面应力情况下的断裂韧度K_C，

其中：K_C为试件的断裂韧度；σ_n为试件的名义强度；a_e为试件的等效裂缝长度；P_Y为试件实测屈服荷载；σ_Y为试件的屈服强度。

2.根据权利要求1所述的测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度σ_n，

式中，P_Y为试件实测屈服荷载；B为试件厚度；a为初始裂缝长度；Δa_p为裂缝尖端的屈服区长度；λ为实际应力分布影响系数，λ＝0.95-0.85。

3.根据权利要求1所述的测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，每个试件的等效裂缝长度a_e由下式(3a)～(3d)计算：

其中，a为初始裂缝长度；α为缝高比；B(α)为形状系数；λ为实际应力分布影响系数，λ＝0.95-0.85；Y(α)为几何影响参数。

4.根据权利要求1所述的测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中试件的宽度W为30mm～50mm，有效长度L为50mm～70mm，试件厚度试件厚度B为4～8mm。

5.根据权利要求1所述的测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的裂缝宽度小于0.25mm。

6.根据权利要求1所述的测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述缝高比α＝a/W的取值依次为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7。

7.根据权利要求1所述的测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，浇筑的试件个数为10～35个。