CN106289969A - 小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，包括:制作带槽口且槽口对面预制有裂纹的C型管段试样；对试样进行单调拉伸加载，在最大载荷下降20%后停机卸载，获得载荷‑CMOD曲线；将试样打断，测量初始裂纹长度和终止裂纹长度；根据初始裂纹长度和终止裂纹长度，获得实时裂纹长度；根据实时裂纹长度获得试样的J阻力曲线，从而得到试样的断裂韧度值。

Description

小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法
技术领域
本发明涉及断裂韧度测试方法领域，具体涉及小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法。
背景技术
小直径管材是反应堆中大量应用的构件形式，尤其是在一回路中，以传热管和包壳管的应用为代表，不仅用量巨大，而且长期在高温、高压和应力等复杂的服役环境下工作，容易发生损伤或破裂，处理不当将会导致反应堆失水和放射性物质泄漏等严重事故。因此，研究并掌握小直径管材的断裂行为对于反应堆的安全运行具有重要意义。
断裂韧度作为重要力学指标，可以直观、量化的衡量带缺陷材料抗断裂破坏的能力。通过分析裂纹尖端附近区域的应力-应变场以及测试含裂纹试样的力学性能来建立材料或构件的断裂判据，以解决构件选材、确定构件许用最大裂纹尺寸，从而保证构件的服役安全。
国内外针对金属管材的断裂韧度测试大多参照标准，将其加工成类似的紧凑拉伸（Compact Tensile, CT）或三点弯曲（Single Edged Bending, SEB）试样，但上述方法仅局限于具有一定壁厚的大尺寸管材，即壁厚大于25mm，如申请号201310479327.7的利用单边缺口拉伸试验测量管线钢断裂韧性的方法、专利号JP2011174808 (A) 、专利号JP2002267581 (A)中将管材加工成弯曲的紧凑拉伸试样或采用管材的四分之一弧段进行三点弯曲加载测试。对于OTSG专用TA16钛合金Φ8×1.5mm传热管等小直径管材的断裂韧度测试问题，由于尺寸有限，试样加工难度较大，加载也难以实现，上述方法并不适用。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法。
本发明通过下述技术方案实现：
小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，包括:
制作带槽口且槽口对面预制有裂纹的C型管段试样；
对试样进行单调拉伸加载，在最大载荷下降20%后停机卸载，获得载荷-CMOD曲线；
将试样打断，测量初始裂纹长度和终止裂纹长度；
根据初始裂纹长度和终止裂纹长度，获得实时裂纹长度；
根据实时裂纹长度获得试样的J阻力曲线，从而得到试样的断裂韧度值。
这种方法避免了采用尺寸较大的CT或SEB试样，而是直接采用管材进行试验，试验方法简单、容易操作，而且试验结果更具有代表性，不用考虑因加工工艺给材料的断裂性能带来的影响，获得了小直径管材断裂韧度测试技术方案，为小直径管材断裂韧度测试技术的研究提供支持。
进一步的，所述裂纹的开口角度<10度，且平均开口宽度<0.1毫米。对于小直径管材的疲劳裂纹预制，无法按传统标准试样的方法进行，裂纹长度的控制与监测目前尚无法解决。因此，希望通过加工细微尺寸缺口来替代疲劳裂纹，而加工裂纹的形状、质量等因素直接影响断裂韧度测试结果的精度，必须严格控制。
进一步的，所述试样的壁厚与外径的比值大于10%。
进一步的，在打断试样之前，对试样进行染色标记。
进一步的，所述J阻力曲线中J积分的塑性部分Jp的计算公式为：
，
式中，η为塑性因子；b为剩余韧带长度，单位为毫米；BN为净厚度，单位为毫米；，ΔUp为增量塑性功；γ为与η和试样几何参量相关的参量；
其中，
；
。
塑性因子ηCMOD和ηLLD符合以下关系：
；
。
J阻力曲线中应力强度因子K的计算公式为：
；
其中：；
式中：P为试样所受的拉伸载荷；a为裂纹长度，单位为毫米；t为壁厚，单位为毫米；B为试样长度，单位为毫米；pi为K因子待定系数。
小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试夹具，包括夹头，所述夹头包括拉伸端、用于对加载销两端进行支撑的固定端，所述加载销成半圆柱形。现有的断裂韧性测试用的夹具显然不适合小直径的管材。本方案在上述方法的基础上，研发了一种夹具，使其适用于小直径管材的断裂韧度测试。夹具在对试样进行加持时，对加载销的承载力要求极高，试验证明，将加载销设置为半圆柱形，可有效的提高加载销的承载力。且受试样内径的影响，加载销设置为半圆柱形是最佳设置。
优选的，所述固定端上设置有夹持槽，所述加载销两端分别设置在夹持槽的两槽壁上。
进一步的，夹头包括第一夹头和第二夹头，所述第一夹头的固定端位于第二夹头的夹持槽内。第一夹头和第二夹头分别从试样内径的上下两端对试样进行夹持，两个夹头设置为交错结构，即第一夹头的固定端位于第二夹头的夹持槽内，适于小直径试样的夹持。
进一步的，所述第一夹头的夹持槽的宽度为10毫米至12毫米。试样的长度在大于壁厚的一定范围内对断裂韧度的影响小，夹持槽设置在试样的两端，夹持槽的宽度不宜过大，过大不易对加载销施力。
优选的，采用该结构的夹具，其对加载销性能要求极高，由于受到管内径的限制，加载销要有极高的屈服强度，在加载过程中才不会带来形变误差，同时也要易于加工，故加载销为马氏体沉淀硬化不锈钢。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明采用试样对管材的断裂韧性进行测量，其加工难度小，容易操作，直接反应加工工艺给材料的断裂性能带来的影响，满足小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的夹具的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、固定端；2、试样；3、加载销；4、拉伸端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
一种小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，包括:
制作带槽口且槽口对面预制有裂纹的C型管段试样，具体的，可在成品管材单侧开口，通过激光器在槽口对面进行裂纹预制，然后将其切割成管段试样，或者将成品管材切割成管段，再在其单侧开口，通过激光器在槽口对面进行裂纹预制；
对试样进行单调拉伸加载，在最大载荷下降20%后停机卸载，获得载荷-CMOD曲线；
将试样打断，测量初始裂纹长度和终止裂纹长度；
根据初始裂纹长度和终止裂纹长度，获得实时裂纹长度；
根据实时裂纹长度获得试样的J阻力曲线，从而得到试样的断裂韧度值。
通过紫外光进行切割的裂纹在合理控制参数的基础上，可以实现不同深度的V型缺口的加工，以避免试样发生钝化，其开口角度<10°，平均宽度<0.1mm，可以替代预制的疲劳裂纹。
要对小直径的管材进行径向加载，空间非常有限，如果将试样设计的过长，所需要的加载力相应的增大，难以找到能够承载的刚性材料做加载销，如果将试样设计的过短，则有效的裂纹扩展面过短，无法保证裂纹长度的测量精度。由于试样长度在大于壁厚的一定的范围内对断裂韧度的影响较小，因此，可对试样长度进行适量调整。
具体的以Φ8×1.5mm TA16钛合金成品管材为例。
在钛合金成品管材单侧开一个宽度为1mm的槽口，通过激光器在槽口对面进行裂纹预制，然后将其切割为长度为10mm的管材试样，在每个试样上粘接引伸计固定件，将试样安装在夹具上，在在万能材料试验机上进行单调拉伸加载，控制位移速率为0.01 mm/s来控制加载过程，各试样均在最大载荷下降20%后停机卸载，获得载荷-CMOD曲线。为了便于观察，取下试样通过热着色的方法，对试样的裂纹扩展区域进行染色标记，然后将试样打断，用显微镜测量初始裂纹长度和终止裂纹长度。将获得的数据按规则化法或其他方法进行处理，获得实时裂纹长度，根据实时裂纹长度就可获得试样的J阻力曲线，从而得到试样的断裂韧度JⅠC值。
具体的根据实时裂纹长度就可获得试样的J阻力曲线的原理为：
通过建立小直径管材试样断裂韧度测试的有限元模型，并通过数值分析获得了该构型试样的应力强度因子K表达式和J积分计算式。
在计算J积分时，通常将其分解为弹性和塑性两部分。其中，J=Je+Jp。弹性部分Je由应力强度因子转换获得，与现有技术的计算方法相同，即
式中，E为弹性模量，ν为泊松比。
塑性部分Jp的计算公式为：
，
式中，η为塑性因子；b为剩余韧带长度，单位为毫米；BN为净厚度，单位为毫米；，ΔUp为增量塑性功；γ为与η和试样几何参量相关的参量；
其中，
；
。
塑性因子η是计算塑性J积分的关键参量，η值与材料性能及试样几何构形密切相关。对于本方法中的小直径管材试样的塑性因子ηCMOD和ηLLD符合以下关系：
；
。
则对应的γCMOD和γLLD满足如下关系：
小直径管试样的应力强度因子K的计算公式为：
；
其中：；
式中：P为试样所受的拉伸载荷；a为裂纹长度，单位为毫米；t为壁厚，单位为毫米；B为试样长度，单位为毫米；pi为K因子待定系数。三种分析模型下的K因子公式系数列于表1中。
针对上述方法，研发了一种小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试夹具，包括夹头，所述夹头包括拉伸端4、用于对加载销两端进行支撑的固定端1，所述加载销3成半圆柱形。
所述固定端上设置有夹持槽，所述加载销两端分别设置在夹持槽的两槽壁上。
夹头包括第一夹头和第二夹头，所述第一夹头的固定端位于第二夹头的夹持槽内。如图1所示，在对试样进行断裂韧度测试时，第一夹头和第二夹头分别从试样2内径的上下两端对试样进行夹持，两个夹头设置为交错结构，即第一夹头的固定端位于第二夹头的夹持槽内。
所述第一夹头的夹持槽的宽度为10毫米至12毫米。
加载销为马氏体沉淀硬化不锈钢。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于，包括:
制作带槽口且槽口对面预制有裂纹的C型管段试样；
对试样进行单调拉伸加载，在最大载荷下降20%后停机卸载，获得载荷-CMOD曲线；
将试样打断，测量初始裂纹长度和终止裂纹长度；
根据初始裂纹长度和终止裂纹长度，获得实时裂纹长度；
根据实时裂纹长度获得试样的J阻力曲线，从而得到试样的断裂韧度值。
2.根据权利要求1所述的小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于：所述裂纹的开口角度<10度，且平均宽度<0.1毫米。
3.根据权利要求1所述的小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于：所述试样的壁厚与外径的比值大于10%。
4.根据权利要求1所述的小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于：在打断试样之前，对试样进行染色标记。
5.根据权利要求1至3任一所述的小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于：所述J阻力曲线中J积分的塑性部分Jp的计算公式为：
，
式中，η为塑性因子；b为剩余韧带长度，单位为毫米；BN为净厚度，单位为毫米；，ΔUp为增量塑性功；γ为与η和试样几何参量相关的参量；
其中，
；
。
6.根据权利要求5所述的小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于：塑性因子ηCMOD和ηLLD符合以下关系：
；
。
7.根据权利要求1至3任一所述的小直径厚壁金属管材的断裂韧度测试方法，其特征在于：J阻力曲线中应力强度因子K的计算公式为：
；
其中：；
式中：P为试样所受的拉伸载荷；a为裂纹长度，单位为毫米；t为壁厚，单位为毫米；B为试样长度，单位为毫米；pi为K因子待定系数。
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