CN109323921A - 一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，通过试验获得某种材料的(δ，a)和(δ，△a)数据组，采集每件试样的含量纲柔度(V_P/P_s)，通过每件试样的裂纹长度(a)、V_P/P_s和相关尺寸，计算得虚拟弹性模量(E_x)，根据不同试样的V_P/P_s和E_x、裂纹扩展量(△a)、E_x数据，分别拟合得到E_x‑V_P/P_s、△a‑E_x曲线方程并编写成数据处理程序，对与以上试验材料相似试样尺寸和强度级别的新材料，运行以上数据处理程序，预测得不同试样的△a，试验结束后，根据最终数据拟合新试验材料的阻力曲线方程δ＝α+βΔa^γ并绘制曲线图。本发明不降低试验数据的准确性，可提高试验效率、节约试验成本，尤其适用于低温环境下金属材料断裂韧度阻力曲线的测试。

Description

一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法

技术领域

本发明属于金属材料性能检测技术领域，具体涉及一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法。

背景技术

GB/T 21143-2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》提到的金属材料裂纹尖端张开位移(CTOD)断裂韧度阻力曲线(δ-Δa 曲线)的测试方法，介绍了多试样法和单试样法两种试验方法，考虑到工程材料组织实际的不均匀性，通常采用多试样法进行试验，更能够代表具有裂纹体后材料对裂纹扩展的抗力。对于多试样法，标准要求在裂纹扩展量为0.1mm和0.3mm钝化线偏置线之间至少有一个数据点，在0.1mm和0.5mm钝化线偏置线之间至少有两个数据点，拟合的δ-Δa阻力曲线至少通过六个数据点，这样拟合得到的阻力曲线方程才有效。由于以上苛刻的要求，考虑到试验获得的裂纹扩展量未必会落在要求区间的可能性，一般试验要求要至少提供10件同一状态的试样，先将所有试样预制疲劳裂纹，然后分成3-5组，每组2-3 件试样，如果试验要求在低温环境中完成，还需要所有试样在低温环境中保温一段时间，以确保试样获得均匀的试验温度，然后将试样迅速移至试验机上具有相同温度的环境箱中试验。对于每组试样，通常以夹式引伸计位移或试验机作动器位移为参考，将每组中的几个试样施加不同的载荷，然后按照“停机—发蓝—冷却—压断—裂纹扩展量测量”的程序，根据压断后试样的裂纹扩展量大小，并参考相应的夹式引伸计张开位移量或试验机作动器移动位移量，确定下一组试样施加载荷的程度。如此反复，直至完成所有试样的试验，通常试验获得一组试样的δ-Δa阻力曲线需要两天的时间，耗时较长是因为不同组别的试样试验完成后无法现场准确确定裂纹扩展量，致使需要反复多次按照复杂程序压断试样后进行显微镜测量裂纹扩展量。

关于裂纹长度的测量技术，目前用得较多的是柔度技术，但这种技术适用于线弹性力学状态下对裂纹长度的自动测量，对于进行金属材料CTOD试验阻力曲线用的试样，由于在试验过程中已全部处于大塑性变形状态，柔度法不再适用。文献中报到的其他如电位法、复型法、超声法等由于其使用范围和要求等也不适用，也未见有其他和本发明方法技术类似的报道。因此，目前试验室进行金属材料的 CTOD断裂韧度阻力曲线测试时，还是按照传统的多试样法，试验效率低、成本高。

发明内容

为解决针对测试金属材料裂纹尖端张开位移断裂韧度阻力曲线所采用的多试样法存在测试效率低、成本高的问题，本发明提供一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法。

本发明的技术方案是：一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将金属材料切割得到一组试样，测出该组每个试样的裂纹长度a，通过多试样测试方法获得该组试样中不同试样的(δ，a) 和(δ，△a)数据组，其中δ为裂纹尖端张开位移，△a为标准试样的裂纹扩展量，并同时采集每个试样的试验停机点载荷P_s和试样刀口处的引伸计位移的塑性分量V_P数据，通过数据处理得到其含量纲的柔度V_P/P_s，并记录；

步骤二、通过步骤一中测出的每个试样的裂纹长度a和含量纲的柔度V_P/P_s，计算得到相应的系列虚拟弹性模量E_x值；

步骤三、根据含量纲的柔度V_P/P_s和试样的虚拟弹性模量E_x拟合得到E_x-V_P/P_s曲线方程；

步骤四、根据该组试样的裂纹扩展量△a和虚拟弹性模量E_x，拟合得到△a-E_x曲线方程；

步骤五、将步骤三中的曲线方程和步骤四中的曲线方程，以及每个试样的尺寸数据，编写成数据处理程序；

步骤六、对于具有和步骤一试验材料相似试样尺寸和强度级别的金属材料，运行步骤五中的程序，计算先得到首件试样的裂纹扩展量△a，而后通过根据该件试样的加载程度，相应调整引伸计张开位移或试验机作动器位移，获得其他系列不同试样的裂纹扩展量△a；

步骤七、对所述步骤六中所有完成试验的试样集中进行后续处理，再根据获得的最终数据拟合试验材料的阻力曲线方程δ＝α+βΔa^γ并通过软件绘制曲线图。

进一步优化，所述步骤一中裂纹张开位移δ计算如下公式(1)

其中，W为试样宽度，B为试样厚度，B_N为试样净厚度，S为试样跨距，E为试样材料的弹性模量，R_P0.2为试样材料的屈服强度，V_P为试样夹式引伸计装卡处位移的塑性分量，P_S为试验停机点载荷，R 为转动半径，Z为刀口厚度。

进一步优化，所述步骤一中的多试样测试方法为GB/T 21143-2014 《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》中的金属材料CTOD 断裂韧度阻力曲线的方法。

进一步优化，所述步骤二中，将a值和V_P/P_s值带入如下公式(2) (3)计算出相应的系列虚拟弹性模量E_x，

其中，U_x为无量纲柔度。

进一步优化，所述步骤五中数据处理软件为软件EXCEL和软件 ORIGIN中的一种。

本发明的有益效果为：

本方法适用于和标定金属材料具有相似试样尺寸和强度级别的金属材料，通过对试样加载不同程度的塑性变形，对试样的裂纹扩展量进行现场准确预测，并一次性完成全部试样的试验，有效避免了按常规多试样方法，先进行少量试样的试验，然后再分组反复按复杂程序操作所占用的时间，本发明可提高试验效率50％以上，节约试验成本50％以上，尤其适用于低温环境下金属材料裂纹尖端张开位移断裂韧度阻力曲线的测试，效果更为明显。

附图说明

图1为表1中屈服强度为410MPa结构钢的δ-△a阻力曲线图

图2为表2中屈服强度为422.5MPa结构钢的δ-△a阻力曲线图

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，具体实施方式为：

实施例1

步骤一、将金属材料切割得到一组试样，测出该组每个试样的裂纹长度a，通过GB/T 21143-2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》中的金属材料CTOD断裂韧度阻力曲线方法获得该组试样中不同试样的(δ，a)和(δ，△a)数据组，其中δ为裂纹尖端张开位移，△a为试样的裂纹扩展量，并同时采集每个试样的试验停机点载荷P_s和试样刀口处的引伸计位移的塑性分量V_P数据，通过数据处理得到其含量纲的柔度V_P/P_s并记录，其中裂纹尖端张开位移可通过如下公式(1)计算得到，

其中，W为试样宽度，B为试样厚度，B_N为试样净厚度，S为试样跨距，E为试样材料的弹性模量，R_P0.2为试样材料的屈服强度，V_P为试样夹式引伸计装卡处位移的塑性分量，P_S为试验停机点载荷，R 为转动半径，Z为刀口厚度；

步骤二、通过步骤一中测出的每个试样的裂纹长度a和含量纲的柔度V_P/P_s，带入如下公式(2)(3)计算得到相应的系列虚拟弹性模量E_x值，

其中，U_x为无量纲柔度；

步骤三、根据含量纲的柔度V_P/P_s和试样的虚拟弹性模量E_x，拟合得到E_x-V_P/P_s曲线方程；

步骤四、根据该组试样的裂纹扩展量△a和虚拟弹性模量E_x拟合得到△a-E_x曲线方程；

步骤五、将步骤三中的曲线方程和步骤四中的曲线方程，以及每个试样的尺寸数据，采用EXCEL软件或者ORIGIN软件，编制数据处理程序；

步骤六、对于具有和步骤一试验材料相似试样尺寸和强度级别的金属材料，运行步骤五中的程序，计算先得到首件试样的裂纹扩展量△a，而后通过根据该件试样的加载程度，相应调整引伸计张开位移或试验机作动器位移，获得其他系列不同试样的裂纹扩展量△a；

步骤七、对所述步骤六中所有完成试验的试样集中进行“发蓝—冷却—压断—裂纹扩展量测量”程序，再根据获得的最终数据，拟合新试验材料的阻力曲线方程δ＝α+βΔa^γ，并通过软件绘制曲线图。

实施例2

根据本发明提供的金属材料CTOD断裂韧度阻力曲线快速测试的方法，并结合GB/T21143-2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》提到的金属材料CTOD断裂韧度阻力曲线的多试样测试方法，分别对屈服强度为410MPa和422.5MPa的两种不同结构钢各加工制备8件名义厚度为20mm的三点弯曲试样，对在大塑性屈服条件下的裂纹扩展量进行预测，预测结果见表1、表2，并根据表1和表2的数据绘制对应的结构钢的δ-△a阻力曲线图，具体如下：

表1屈服强度为410MPa结构钢的试验及预测数据

表2屈服强度为422.5MPa结构钢的试验及预测数据

从表1、表2和图1、图2可见，屈服强度分别为410MPa和 422.5MPa的两种结构钢三点弯曲试样的裂纹扩展量，实测值和预测值基本相当，误差不超过10％，完全满足GB/T21143-2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》标准要求的在裂纹扩展量为0.1mm和0.3mm钝化线偏置线之间至少有一个数据点，在0.1mm和 0.5mm钝化线偏置线之间至少有两个数据点，拟合的δ-△a阻力曲线至少通过六个数据点的要求。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、工作过程、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、将金属材料切割得到一组试样，测出该组每个试样的裂纹长度a，通过多试样测试方法获得该组试样中不同试样的(δ，a)和(δ，△a)数据组，其中δ为裂纹尖端张开位移，△a为标准试样的裂纹扩展量，并同时采集每个试样的试验停机点载荷P_s和试样刀口处的引伸计位移的塑性分量V_P数据，通过数据处理得到其含量纲的柔度V_P/P_s，并记录；

步骤二、通过步骤一中测出的每个试样的裂纹长度a和含量纲的柔度V_P/P_s，计算得到相应的系列虚拟弹性模量E_x值；

步骤三、根据含量纲的柔度V_P/P_s和试样的虚拟弹性模量E_x拟合得到E_x-V_P/P_s曲线方程；

步骤四、根据该组试样的裂纹扩展量△a和虚拟弹性模量E_x，拟合得到△a-E_x曲线方程；

步骤五、将步骤三中的曲线方程和步骤四中的曲线方程，以及每个试样的尺寸数据，编写成数据处理程序；

步骤六、对于具有和步骤一试验材料相似试样尺寸和强度级别的金属材料，运行步骤五中的程序，计算先得到首件试样的裂纹扩展量△a，而后通过根据该件试样的加载程度，相应调整引伸计张开位移或试验机作动器位移，获得其他系列不同试样的裂纹扩展量△a；

步骤七、对所述步骤六中所有完成试验的试样集中进行后续处理，再根据获得的最终数据拟合试验材料的阻力曲线方程δ＝α+βΔa^γ并通过软件绘制曲线图。

2.如权利要求1所述的一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，其特征在于：所述步骤一中裂纹张开位移δ计算如下公式(1)

其中，W为试样宽度，B为试样厚度，B_N为试样净厚度，S为试样跨距，E为试样材料的弹性模量，R_P0.2为试样材料的屈服强度，V_P为试样夹式引伸计装卡处位移的塑性分量，P_S为试验停机点载荷，R为转动半径，Z为刀口厚度。

3.如权利要求1所述的一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，其特征在于：所述步骤一中的多试样测试方法为GB/T 21143-2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》中的金属材料CTOD断裂韧度阻力曲线的方法。

4.如权利要求1所述的一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，其特征在于：所述步骤二中，将a值和V_P/P_s值带入如下公式(2)(3)计算出相应的系列虚拟弹性模量E_x，

其中，U_x为无量纲柔度。

5.如权利要求1所述的一种快速测试金属材料断裂韧度阻力曲线的方法，其特征在于：所述步骤五中数据处理软件为软件EXCEL和软件ORIGIN中的一种。