CN105973701A - 同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，包括使用低合金高强度钢加工制作试件、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，最后回归分析得出低合金高强度钢的屈服强度σ _Y与断裂韧度K _C。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。该方法只需由不同裂缝长度的小尺寸单向板的拉伸试验测得的屈服荷载，即同时确定高强钢的屈服强度和断裂韧度。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。

Description

同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法

技术领域

本发明涉及金属材料性能检测技术领域，具体涉及一种同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法。

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a₀、试件厚度B及韧带高度W-a₀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/T 4161-2007)、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，等中，规定测试试件的厚度B,裂纹长度a₀,韧带尺寸W-a₀均需满足下式：

$\left.\begin{array}{c}B\\ a_0\\ W-a_0\end{array}\right\}\≥2.5{\left(\frac{K_{IC}}{{\mathrm{\σ}}_Y}\right)}^2,$

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，还需重新进行试验。

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。

目前，测定低合金高强度钢的断裂韧度需要的试件尺寸很大，普通实验室条件下很难完成试件的加工和测试工作。更为重要的是，目前确定金属的屈服强度和断裂韧度需采用不同型式的试件和加载方法。而用同一种测试方法和试件，同时确定高强钢屈服强度及断裂韧度的方法还未见报道。

发明内容

为克服现有测定方法的不足，本发明提出一种由小尺寸试件确定高强钢的屈服强度与断裂韧性的测试方法，解决了目前高强钢强度与断裂韧性测试难题，且其试验条件宽松、工作量大为降低、测试成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，包括下列步骤：

(1)使用低合金高强度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a₀，试件的缝高比α＝a₀/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，α可在0.1～0.7的范围内随机取值、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P；

(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，即可同时得出低合金高强度钢的屈服强度σ_Y与断裂韧度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为试件的屈服荷载，σ_Y为试件的屈服强度。

优选的，在所述步骤(4)中，可由下式(2)计算出每个试件的名义强度σ_n，

其中，P为试件的屈服荷载；B为试件厚度；a₀为初始裂缝长度，Δa_p为裂缝尖端塑性区长度，λ为应力分布形状影响系数，λ＝0.90-0.85。

优选的，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，a₀为初始裂缝长度；α为缝高比；A(α)为试件的几何形状影响系数；λ为应力分布形状影响系数，λ＝0.95-0.85；Y(α)为计算应力强度因子所对应的几何影响因子。

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5～15mm。

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＝a/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，制作的试件个数为10～35个。

本发明的有益技术效果在于：

1.测试条件宽松，采用小尺寸试件，试件尺寸不需满足现有规范测定线弹性断裂条件下，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，从而能实现高强钢的断裂韧性的测定；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高强钢的断裂韧度K_C；可采用单边拉伸试件，而不需采用现行规范对于测定强度所用切削后的圆棒试件，以及测定断裂韧度所用的三点弯曲梁试件和楔入劈拉试件等，试件加工和试验加载设备得到了简化。

2.测试成本大为降低，用同一种试件和测试方法，即可同时确定高强钢的屈服强度及断裂韧度；克服了目前确定金属的屈服强度和断裂韧度需采用不同型式的试件和加载方法。

3.测试工作量、难度大为降低，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。

4.本发明方法实现形式简单，试验易操作，易推广实施，且具有足够精度，还易于判断结果的合理性；该方法只需由不同裂缝长度的小尺寸单向板的拉伸试验测得的屈服荷载，即同时确定高强钢的屈服强度和断裂韧度；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为实施例试验所用拉伸试验机夹头；

图3为实施例1中机器加载情况下的单边裂缝拉伸钢板应力分布图；

图4为实施例1中试件拉断前后对比图；

图5为裂缝尖端塑性区影响下的应力分布图；

图6为由实施例1试验数据回归确定的试件屈服强度与断裂韧度的拟合线性图。

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。

本发明所用单边拉伸试件示意图参见图1，制作相同尺寸而不同裂缝长度a₀的单边拉伸试件。其中，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5mm-15mm，使得试件为平面应力条件。其中初始裂缝a₀的形成须用线切割工艺，裂缝宽度须小于0.25mm，而不需要进行疲劳试验形成疲劳裂纹。

实施例1：采用低合金高强度钢加工制作单边拉伸试件，试件尺寸W＝40mm，B＝10mm，L＝60mm，弧型段高度为20mm，矩形夹持端的尺寸为：70mm×80mm。分别制作缝高比为a₀/W＝0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7的7组试件,每组制作5个试件，共计35个试件。

按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)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。试验过程中须记录每个试件的屈服荷载。在实施例试验试件屈服前，可用相机进行连续拍照，捕捉裂缝尖端的屈服区长度。本实施例中试件屈服区长度在1mm-2mm。

对于国内实验室中的拉力试验机或者万能试验机，其机器上下端的一般为固定夹头，参见图2。采用拉力试验机或者万能试验机加载情况下的单边裂缝的拉伸钢板的实际应力分布参见图3所示。即由于机器上下端的强力固定，则机器会对拉伸试件产生一个附加弯矩M_machine，因此，如图3所示，单边裂缝拉伸板实际受力分为两部分：第一部分为机器对试件的轴向拉力，其又可分解为一个偏心拉力P(作用力过韧带高度W-a的轴心)和一个弯矩M(P)；第二部分为限制试件大变形而由机器对试件产生的附加弯矩M_machine。由于上述两部分力的叠加，使得单边裂缝钢板在受力过程中，裂缝边张开口的张开变形很小，如图4实施例试件拉断前后的照片可见。因此进一步证明，假定沿着韧带高度W-a₀方向上的应力分布为图3所示的合理性。

考虑裂缝尖端塑性区的影响，其受力分布如图5所示，由力平衡条件可知：

式(4)中，P为试件的实测屈服荷载；B为试件厚度；W为试件高度。a₀为初始裂缝长度；Δa_p为裂缝尖端塑性区长度。σ_n为考虑裂缝情况下的名义强度，σ_min为沿韧带高度W-a方向上应力跌落后的名义应力大小。因此可得出σ_n：

这里令σ_min＝λσ_n,λ≤1。λ反映了试件受力拉伸变形过程中，试验机由于对钢板夹持端的强力固定，从而产生的附加弯矩M_machine，对轴向力产生应力的抵消作用。从图4试件拉断照片及试验中试件屈服时变形可知，试件在整个受力过程中，裂缝边并未张开很多，则两部分外力(i)轴力P与(ii)附加弯矩M_machine叠加后的应力分布近似水平，但又不完全水平，因裂缝其实有一定微小张开。若机器与试件加的非常紧，试件在受力过程中张开很小，则取0.90，若机器与试件的加紧程度偏弱，则取0.85。极限情况下λ＝1.0时，裂缝一直被压紧，完全未张开。因此，这里λ＝0.90,0.85。则：

式中的Δa_p为裂缝尖端塑性区长度，可取试验实测长度值，也可取试验中相机拍摄统计得出的经验值1mm-2mm。

基于现有计算单边裂缝试件的线弹性断裂力学理论情况下的应力强度因子公式，采用拉伸情况和纯弯情况构建本发明情况下的应力强度因子公式。由应力强度因子手册可知，单边裂缝试件的拉伸情况：

单边裂缝试件的纯弯情况：

因此，本发明情况为：

即：

进一步可得到：

其中，

每个试件的等效裂缝长度a_e可由下式计算：

测得各试件的屈服荷载后，由弹塑性理论公式

计算出每个试件的名义强度σ_n。

得到不同的σ_n与a_e后，带入式(1)进行回归分析，

即可同时得出低合金高强度钢的屈服强度σ_Y与断裂韧度K_C。

参见图6，由实施例试件试验数据回归确定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度。考虑屈服区的影响时，采用本发明方法确定的低合金高强度钢的屈服强度σ_Y＝514.5-525.2MPa，与其安阳钢铁股份有限公司的产品质量证明书(编号：20150820148)给出的屈服强度σ_Y＝520MPa吻合良好。平面应力条件下的K_C＝65.9MPa·m^1/2-70.8MPa·m^1/2。

实施例1中试验确定的低合金高强钢的σ_Y与K_C数据如下表1所示。

表1实施例1中试验确定的低合金高强钢的σ_Y与K_C

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)

1.一种同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)使用低合金高强度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a₀，试件的缝高比α＝a₀/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P；

(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，即可同时得出低合金高强度钢的屈服强度σ_Y与断裂韧度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为试件的屈服荷载，σ_Y为试件的屈服强度。

2.根据权利要求1所述的同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，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，

其中，P为试件的屈服荷载；B为试件厚度；a₀为初始裂缝长度，Δa_p为裂缝尖端塑性区长度，λ为应力分布形状影响系数，λ＝0.90-0.85。

3.根据权利要求1所述的同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，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，a₀为初始裂缝长度；α为缝高比；W为试件高度；A(α)为试件的几何形状影响系数；λ为应力分布形状影响系数，λ＝0.95-0.85；Y(α)为计算应力强度因子所对应的几何影响因子。

4.根据权利要求1所述的同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，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5～15mm。

5.根据权利要求1所述的同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，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所述的同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，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所述的同时测定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，制作的试件个数为10～35个。