CN108956266A - 一种估算高强钢平面应变断裂韧性kic的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，属于金属材料断裂韧性技术领域。该方法包括三个步骤：通过拉伸实验测得高强钢的屈服强度σ_y，通过室温夏比冲击实验测出材料冲击韧性α_κ，以高强钢中冲击韧性与断裂韧性的本征关系准确计算得出K_IC。利用本发明可以简捷方便的估算高强钢的断裂韧性，这很大限度节约了实验时间和费用，并且对于在断裂韧性标准实验中无法测量出K_IC的材料，此方法有重要的借鉴意义。断裂韧性快速估算也为工程应用中选材提供准确的参考，尤其是对航空航天、石油运输管道及和核电站压力容器等高强钢结构件的损伤容限设计提供可靠的性能指标。

Description

一种估算高强钢平面应变断裂韧性KIC的方法

技术领域：

本发明涉及金属材料断裂韧性技术领域，具体涉及一种估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法。

背景技术：

高强钢因其优异的强度、塑性和韧性等综合力学性能，已经广泛应用于重要的工程领域，如飞机起落架、石油运输管道及核电站压力容器等关键构件。近年来，随着科技发展日新月异，几乎所有的工程结构材料的发展方向都是高强高韧，不过遗憾的是强韧性关系一直是相互制约的，而韧性是高强度结构材料发展的关键因素。众所周知，断裂韧性是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展能力的参量，对于工程构件设计应用，尤其是损伤容限的设计，断裂韧性是一个非常重要的性能指标，所以材料断裂韧性测试及评估在断裂力学及其工程应用领域一直是研究的热点课题[Zhu X K,Joyce J A.Review of fracture toughness(G,K,J,CTOD,CTOA)testing and standardization[J].Engineering Fracture Mechanics,2012,85:1-46]。然而，断裂韧性K_IC的测试方法非常复杂，较大的试样尺寸、预制疲劳裂纹以及实验设备的限制，使得该实验测量既耗时又昂贵[Yu M,Luo Z,Chao Y J.Correlationsbetween Charpy V-notch impact energy and fracture toughness of nuclearreactor pressure vessel(RPV)steels[J].Engineering Fracture Mechanics,2015,147:187-202.]。另外，若试样尺寸不满足标准判据，则实验结果只能作为实验值K_q，不能作为断裂韧性K_IC，这样很难在不同的研究中进行性能的比较[Gludovatz B,Naleway S E,Ritchie R O,et al.Size-dependent fracture toughness of bulk metallic glasses[J].Acta Materialia,2014,70:198-207.]。所以，如何利用其它简单的力学性能实验来估算K_IC显得尤为重要。

夏比冲击实验一般用来测量材料的冲击韧性指标，表征裂纹在萌生及扩展过程中能量的吸收能力，已经广泛应用于高强度材料中。鉴于两种韧性在断裂机制的相似性且冲击实验操作及测量简单，很多学者探究了夏比冲击韧性与断裂韧性之间的定量关系。Barsom和Rorlfe通过对不同强度钢冲击韧性与断裂韧性的数据拟合，得到两者之间的线性关系，此关系在韧脆转变及上部温度区间适用[Rolfe S T,Barsom J M.Fracture andfatigue control in structures:applications of fracture mechanics[M].ASTMInternational,1977.]。Teran等人提出了一种在焊接接头中冲击韧性与断裂韧性的线性关系，由此所计算的结果与实验相吻合，此方法能够提供一种新的思路来估算材料的断裂韧性[Terán G,Capula-Colindres S,Angeles-Herrera D,et al.Estimation offracture toughness K_IC from Charpy impact test data in T-welded connectionsrepaired by grinding and wet welding[J].Engineering Fracture Mechanics,2016,153:351-359.]。Ronald等人认为断裂韧性与冲击韧性的根本区别在于试样的尺寸形状及加载速率，根据此假设，他们提出一种新的冲击韧性测试方式：以预制疲劳裂纹的冲击试样在准静态弯曲下的实验测得的冲击功，并建立了冲击功与断裂韧性的正比例关系，这种比例关系在结构钢及钛合金中得到了很好的验证[Ronald T M F,Hall J A,Pierce CM.Usefulness of precracked charpy specimens for fracture toughness screeningtests of titanium alloys[J].Metallurgical Transactions,1972,3(4):813-818.]。然而，尽管冲击韧性与断裂韧性之间存在经验定量关系，但没有一种公式可以适用所有材料或者某一类材料，并且这些公式物理意义不明确，仅仅是实验数据的拟合，无理论上的本征关系，所以只能作为一些材料预估断裂韧性的经验关系式。

发明内容：

针对现有技术中存在的高强钢断裂韧性K_IC复杂耗时且难以测试的难题，本发明目的在于提供一种估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，该方法能够利用冲击韧性、屈服强度与断裂韧性的本征定量关系，结合冲击韧性与屈服强度来准确估算材料的断裂韧性K_IC，避免进行繁琐的实验操作，降低了时间成本和金钱成本，且能够测量高韧性材料在标准实验中难以得到的K_IC，为工程选材时提供准确的力学性能指标。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，该方法包括如下步骤：

(1)进行室温拉伸实验，测得高强钢的屈服强度σ_y；

(2)进行室温夏比冲击实验，测得冲击韧性α_κ；

(3)将步骤(1)-(2)获得的屈服强度σ_y与冲击韧性α_κ数据带入断裂韧性与冲击韧性本征关系式中，即计算出高强钢的平面应变断裂韧性K_IC；所述断裂韧性与冲击韧性本征关系式如公式(1)；

公式(1)中：θ＝40.85±2.33，ω＝0.0042±0.0015。

上述步骤(1)中，高强钢的屈服强度应不小于800MPa，拉伸试样的截面应为圆形，且试样尺寸及拉伸实验步骤符合标准GB/T228.1-2010，实验中应使用应变规测量数据。

上述步骤(2)中，冲击试样采用V型缺口，样品尺寸、夏比冲击实验的操作步骤与国标GB/T229-2007保持一致。

本发明的设计机理及有益效果如下：

1、本发明提出一种简捷方便的方法来预测高强钢的断裂韧性的方法，本发明研究了不同强韧性的高强钢，基于断裂机制及能量准则，建立了冲击韧性与断裂韧性之间的本征关系，利用冲击韧性、屈服强度与断裂韧性的定量关系，通过测量冲击韧性和屈服强度来准确估算高强钢的断裂韧性。其主要原理：材料的冲击韧性与断裂韧性均可以由宏观断口中剪切断裂特征尺寸(剪切唇宽度)来衡量，基于断裂机制及能量原则，建立两者之间的线性关系，并进行一系列公式推导将断裂韧性K_IC、屈服强度σ_y与冲击韧性α_κ定量地联系在一起。

2、本发明利用冲击韧性与断裂韧性的定量关系，通过测量冲击韧性来准确估算高强钢的断裂韧性，该模型的估算值与实验值相吻合。通过该发明可以简单有效的估算出高强钢的断裂韧性，这很大限度的节约了实验时间和费用，并且对于在标准断裂韧性实验中无法测量出准确K_IC的材料，此方法有重要的借鉴意义。

3、本发明方法不但可以简单地利用高强钢的冲击韧性预测断裂韧性，而且也对重要工业领域关键构件的断裂韧性测量提供新的理念。断裂韧性快速估算也为工程应用中选材提供准确的参考，尤其是对航空航天、石油运输管道及和核电站压力容器等高强钢结构件的损伤容限设计提供可靠的性能指标。

附图说明:

图1为冲击韧性试样的宏微观断口形貌图；其中：(a)宏观断口形貌；(b)裂纹萌生区；(c)裂纹失稳扩展区；(d)剪切断裂区。

图2为断裂韧性试样的宏微观断口形貌图；其中：(a)宏观断口形貌；(b)稳态裂纹扩展区；(c)裂纹失稳扩展区；(d)剪切断裂区。

图3为断裂韧性试样剪切唇宽度t_k与(K_IC/σ_y)²的关系图。

图4为冲击试样剪切唇宽度t_c与(α_κ/σ_y)的关系图。

图5为断裂韧性与冲击韧性试样断口中剪切唇宽度关系图。

图6为高强钢中冲击韧性与断裂韧性的定量关系图。

图7为实施例1中几种高强钢断裂韧性估算值与实验值的对比图。

具体实施方式：

以下结合实施例对本发明作更详细的描述。这些实例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，不对本发明的范围有任何限制。

本发明为估算高强钢断裂韧性的方法，该方法包括如下步骤：

(1)进行室温拉伸实验，测得屈服强度σ_y；

(2)进行室温夏比冲击实验，测得冲击韧性α_κ；

(3)根据断裂韧性与冲击韧性本征关系式(1)，带入屈服强度与冲击韧性参数，即可估算高强钢的断裂韧性K_IC，公式(1)如下所示；

公式(1)中：θ＝40.85±2.33，ω＝0.0042±0.0015。其中，高强钢的屈服强度应不小于800MPa，拉伸试样的截面应为圆形，且试样尺寸及拉伸实验步骤符合标准GB/T228.1-2010，实验中应使用应变规测量数据。冲击试样采用V型缺口，样品尺寸、夏比冲击实验的操作步骤与国标GB/T229-2007保持一致。

二、本发明所依据的原理：断裂机制及能量平衡原理

以AISI 4340回火钢(240℃回火)的宏微观断裂形貌为例，室温冲击韧性实验后进行宏微观断口表征，宏观断口表明断口分为正断区与剪切断裂区(图1(a))，而正断区包含着裂纹萌生区和裂纹失稳扩展区。裂纹萌生区(稳态扩展区)呈现大量的细小韧窝(图1(b))，表明在此区域消耗较多的能量。裂纹失稳扩展区是准解理形貌以及典型的冲击河流花样(图1(c))，而拉长的韧窝形貌成为剪切断裂区的主要特征(图1(d))。随后对断裂韧性试样进行断口分析，发现其与冲击韧性试样有类似的断口形貌(图2)，不同之处在于裂纹稳态扩展区(图2(a))的无大量细小的韧窝，综合表明两种韧性在宏观断裂机制上是一致的。

一般认为材料的断裂是一种伴随着塑性变形、裂纹萌生与扩展的连续失效过程，并且宏观断裂从试样中心区域的正断模式转变到试样边缘剪切断裂，而这一转变的平衡位置取决于裂纹尖端扩展能力与塑性变形能力的竞争。裂纹尖端的塑性区半径可以表示为公式(2)：

平面应变条件时α＝1/2，在平面应力条件时α＝1/6，另外，剪切断裂区宽度t_k一般正比于裂纹尖端的塑性区半径γ_p，表达为公式(3)：

t_k∝γ_p (3)；

将公式(3)带入(2)得公式(4)。

公式(4)中β是常数，然后将不同强韧性的AISI 4340钢的实验数据进行拟合验证，如图3所示，可以看到公式(4)与实验数据相符，且这一关系在先前的研究文献中也得到了验证。注意的是，图3中断裂韧性试样尺寸满足断裂韧性K_IC标准实验判据。

对于冲击韧性来说，段启强等人[Duan Q Q,Qu R T,Zhang P,et al.Intrinsicimpact toughness of relatively high strength alloys[J].Acta Materialia,2018,142:226-235.]认为材料存在一个本征冲击韧性α_c，此参量不依赖于试样厚度。此外，周相海等人[周相海，高强钢的冲击韧性、力学性能和疲劳裂纹扩展速率研究(硕士论文)，沈阳航空航天大学，2017]采用18Ni马氏体时效钢研究了试样厚度与冲击韧性的关系，他们提出了一种表征剪切断裂特征t_C与本征冲击韧性的定量关系式，即公式(5)：

当试样厚度为10mm时，α_c＝α_k。在公式(5)中，高强钢的延伸率变化范围不大，尤其是对于回火处理的高强钢来说，所以公式(5)可以表达为公式(6)：

公式(6)中γ是常数，将不同强韧性的AISI 4340钢的冲击韧性实验数据进行拟合验证，如图4所示，实验数据与公式(6)趋势一致。这里注意的是，冲击韧性试样断口的剪断与正断区域仅适用于高强度材料，对于一些低强度高韧性的材料，断口可能会很难分清正断区与剪切区，所以这里仅讨论高强钢。Ritchie提出了试样缺口半径是材料冲击韧性与断裂韧性变化不一致的本质原因，缺口应力场分析进一步表明材料的冲击韧性是以裂纹萌生能量为主，而断裂韧性是以裂纹扩展能量为主。另外，Ronald探索了预制疲劳裂纹的冲击试样在慢速三点弯曲加载下的能量吸收与材料的断裂韧性的定量关系，若假设冲击韧性的萌生能量忽略，则发现两种韧性存在着正比例关系，这种线性关系已经在合金钢、铝合金及钛合金中得到了很好的验证。另一方面，冲击韧性属于动态力学性能范畴，而断裂韧性属于准静态力学性能范畴，有必要考虑加载速率对韧性影响，之前有很多学者研究了加载速率对韧性的作用，主要的观点表明动态断裂韧性随着加载速率的增加而逐渐降低。但是对高强度材料来说(屈服强度高于800MPa)，裂纹扩展对于加载速率并不敏感，因此在本发明中的高强钢中加载速率不作为影响两种韧性变化不一致的关键因素。而在断裂力学及裂纹扩展分析时认为，剪切唇尺寸与试样的形状尺寸有关(尽管平面应变条件下剪切唇宽度与试样的厚度无关)，后者成为另一个影响冲击韧性及断裂韧性不一致的因素。基于冲击韧性与断裂韧性在断裂机制的相似性，我们假设在两种韧性的断口中剪切断裂宽度存在一种线性关系，如公式(7)：

t_k＝δ·(t_c-t_ci) (7)；

公式(7)中δ是形状系数，t_ci是裂纹萌生所占的部分，为恒定值。所以又可以表示为公式(8)：

t_k＝δ·t_c-δ₀ (8)；

其中δ₀是萌生常数，这一线性关系在AISI 4340钢中得到了很好的验证，如图5所示。将公式(4)和公式(6)带入公式(8)进一步化简为公式(1)：

这里θ和ω均为常数，θ＝40.85±2.33是形状因子，ω＝0.0042±0.0015是萌生因子。随后将几种高强钢对公式(1)做了验证，通过对实验数据的拟合发现公式与实验结果拟合很好，如图6所示。θ和ω根据拟合公式，作为高强钢的特征常数。

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。

实施例1：

本实施例为采用冲击韧性预测几种高强钢断裂韧性，包括AISI 4340钢、18Ni马氏体时效钢、51CrV4、AISI 4147等高强钢，具体步骤如下：

步骤1：进行拉伸实验，得到高强钢的屈服强度σ_y；

步骤2：进行室温夏比冲击实验，得到冲击韧性α_k；

步骤3：通过公式(1)计算出K_IC，估算值与实验值如图(7)所示，误差在10％以内，两者相吻合。

Claims (5)

1.一种估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)进行室温拉伸实验，测得高强钢的屈服强度σ_y；

(2)进行室温夏比冲击实验，测得冲击韧性α_κ；

(3)将步骤(1)-(2)获得的屈服强度σ_y与冲击韧性α_κ数据带入断裂韧性与冲击韧性本征关系式中，即计算出高强钢的平面应变断裂韧性K_IC；所述断裂韧性与冲击韧性本征关系式如公式(1)；

公式(1)中：θ＝40.85±2.33，ω＝0.0042±0.0015。

2.根据权利要求1所述的估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，其特征在于：步骤(1)中，高强钢的屈服强度应不小于800MPa。

3.根据权利要求1所述的估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，其特征在于：步骤(1)中，拉伸试样的截面应为圆形，且试样尺寸及拉伸实验步骤符合标准GB/T228.1-2010。

4.根据权利要求1所述的估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，其特征在于：步骤(1)中，拉伸实验中应使用应变规测量数据。

5.根据权利要求1所述的估算高强钢平面应变断裂韧性K_IC的方法，其特征在于：步骤(2)中，冲击试样采用V型缺口，样品尺寸、夏比冲击实验的操作步骤与国标GB/T229-2007保持一致。