CN113466020B - 基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其包括设置单边裂纹中心孔楔式样、开口销和底座的对应位置，利用楔形压杆对式样进行I型裂纹加载；获取单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，并绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线；获取单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹加载参数，通过有限元计算，得到单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹载荷位移曲线；对采集到的参数进行处理计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线和断裂韧性值。本发明提高了测量结果的精确度，数据处理简单，成本低，便于普及应用。

Description

基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法
技术领域
本发明涉及材料延性断裂韧性评估领域，具体涉及一种基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法。
背景技术
在石油化工、核电、航空航天等领域中，存在大量的在高温高压、辐照等条件下服役的构件，随着时间的增长，材料势必发生蠕变、氧化、腐蚀等现象，造成材料的劣化和损伤，如何进行材料的可靠性和安全性评定具有重要意义。传统的方法是对服役构件进行无损检测或者取样试验，无损检测能对结构的均匀性和微缺陷进行检测，但无法定量给出材料的许多力学性能参数，如屈服强度、抗拉强度和断裂韧性等；试验取样具有破坏性，传统试样尺寸一般较大，对服役构件损伤过大，难以实现材料性能测试。20世纪80年代，Baik等人首次提出使用小冲杆法来评定材料的力学性能，这种方式仅对结构产生微损，因而小冲杆试验方法为“微损检测”，并能定量获取材料的相关力学参量，从而得到了迅速的发展。20世纪90年代，小冲杆试验方法被扩展应用于各种工程领域。然而传统的小冲杆试验方法获取材料的断裂韧性，需要预先进行大量实验来建立基于小冲杆试验所获参量与通过大尺寸试样断裂试验所获的断裂韧性之间的对应关系，最终通过大量数据的拟合来获取经验公式。在之后的改进小冲杆试验方法中，采用了含裂纹缺口试样来获取材料的断裂韧性，并可通过直接计算法获取断裂韧性。然而由于其构型和加载方式的限制，其加载方式与常规I型断裂有所差异。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法解决了传统方法检测结果精确度低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其包括以下步骤：
S1、将成对凸起的开口销设置在底座上，并将单边裂纹中心孔楔入式试样的裂纹穿过开口销的凸起放置在开口销上；
S2、将楔形压杆对准开口销的凸起之间的间隙，对单边裂纹中心孔楔入式试样进行楔入I型裂纹加载，并获取楔入加载方向的位移和楔入加载方向的力；
S3、通过楔入加载方向的位移和楔入加载方向的力，计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，并绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线；
S4、获取单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹加载参数，通过有限元计算，得到单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹载荷位移曲线；载荷即单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，位移即单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移；
S5、计算钝裂纹载荷位移曲线线性区域的斜率，得到未扩展时单边裂纹中心孔楔入式试样的柔度，即初始柔度；通过同一位移上尖裂纹加载方向的力、钝裂纹加载方向的力和初始柔度计算得到实时柔度；
S6、获取初始裂纹长度，并通过初始裂纹长度和初始柔度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，结合实时柔度和材料弹性模量计算得到实时裂纹长度；
S7、对单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线进行位移采样，并通过实时裂纹长度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移和塑形位移；
S8、通过塑形位移计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K；
S9、通过单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线；
S10、通过弹性位移和塑形位移计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值。
进一步地，步骤S3的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000031
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移VL(i)和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力PL(i)；其中μ为楔形压杆和开口销之间的摩擦系数，2θ为楔形压杆的楔入角度，sinθ为正弦函数，cosθ为余弦函数，tanθ为正切函数，VF(i)为楔入加载方向的位移，PF(i)为楔入加载方向的力，i为单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移坐标点，j为楔入加载方向的位移坐标点。
进一步地，步骤S5的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000032
得到实时柔度Ci；其中PLi为位移i时的尖裂纹在加载方向的力，
Figure BDA0003160709320000033
为位移i时的钝裂纹在加载方向的力，C0为初始柔度。
进一步地，步骤S6的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000041
得到实时裂纹长度ai；其中W为单边裂纹中心孔楔入式试样的剩余韧带长度，B为单边裂纹中心孔楔入式试样的厚度，E为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，k1为有效变形体积系数，k2为与实时裂纹长度ai相关的有效体积折减系数，k3为等效应变系数。
进一步地，步骤S7中对单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线进行位移采样的具体方法为：
将单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线与钝裂纹载荷位移曲线重合的部分作为单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线。
进一步地，步骤S7的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000042
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移hLe(i)和塑形位移hLp(i)；其中PLer为中间参数，
Figure BDA0003160709320000043
为特征长度，取值为W。
进一步地，步骤S8的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000044
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K；其中PLpr为中间参数，kp为已知常数，k4为有效变形体积系数，k5为与裂纹长度a相关的有效体积折减系数，k6为等效塑性应变系数，k7为等效塑性应变指数。
进一步地，步骤S9的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000051
绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线；其中ε为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应变值，σ为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力值。
进一步地，步骤S10的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000052
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值Ji；其中Je(i)为位移i时的弹性断裂韧性值，
Figure BDA0003160709320000053
为位移i时的塑性断裂韧性值，
Figure BDA0003160709320000054
为位移i-1时的塑性断裂韧性值，bi和bi-1为中间参数。
本发明的有益效果为：能够获取多种类延性材料的等效应力应变曲线和断裂韧性，能够对在役构件进行微损取样，并获得高精度的测量结果；能够定量评价材料的安全性能，能够克服材料尺寸的限制；本发明的方法式样加工、实验原理和数据处理简单且所需成本低，便于应用和普及。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的楔入式加载示意图；
图3为本发明的单边裂纹中心孔楔入式试样的结构示意图；
图4为本发明的开口销结构示意图；
图5为本发明的单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线图；
图6为本发明的裂纹载荷位移曲线图；
图7为本发明的单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线图；
图8为本发明的单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2、图3和图4所示，该基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法包括以下步骤：
S1、将成对凸起的开口销设置在底座上，并将单边裂纹中心孔楔入式试样的裂纹穿过开口销的凸起放置在开口销上；
S2、将楔形压杆对准开口销的凸起之间的间隙，对单边裂纹中心孔楔入式试样进行楔入I型裂纹加载，并获取楔入加载方向的位移和楔入加载方向的力；
S3、通过楔入加载方向的位移和楔入加载方向的力，计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，并绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线；
S4、获取单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹加载参数，通过有限元计算，得到单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹载荷位移曲线；载荷即单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，位移即单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移；
S5、计算钝裂纹载荷位移曲线线性区域的斜率，得到未扩展时单边裂纹中心孔楔入式试样的柔度，即初始柔度；通过同一位移上尖裂纹加载方向的力、钝裂纹加载方向的力和初始柔度计算得到实时柔度；
S6、获取初始裂纹长度，并通过初始裂纹长度和初始柔度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，结合实时柔度和材料弹性模量计算得到实时裂纹长度；
S7、对单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线进行位移采样，并通过实时裂纹长度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移和塑形位移；
S8、通过塑形位移计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K；
S9、通过单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线；
S10、通过弹性位移和塑形位移计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值。
图2中，楔形压杆的楔入角度为2θ；
图3中，在单边裂纹中心孔楔入式试样中间有一个圆形孔，其半径设置为R＝2.5mm；该圆形孔上设置有尖裂纹，于尖裂纹同一水平线对面设置一个开口，该开口给裂纹扩展张开预留了空间，且到圆形孔圆心的距离为c＝3.5mm，其宽度设置为d＝1mm；尖裂纹到圆形孔圆心的距离为单边裂纹中心孔楔入式试样的裂纹长度，设置为a＝4mm，该裂纹的初始张开角度为α，设置为30°，2W为单边裂纹中心孔楔入式试样的宽度，设置为10mm，W为单边裂纹中心孔楔入式试样的剩余韧带长度，设置为5mm，B为单边裂纹中心孔楔入式试样的厚度，设置为1mm；本方案中尖裂纹和钝裂纹均为I型裂纹；
图4中，开口销的凸起部分的斜面与水平面之间的夹角为90°+θ。
如图5所示，步骤S3的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000081
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移VL(i)和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力PL(i)；其中μ为楔形压杆和开口销之间的摩擦系数，2θ为楔形压杆的楔入角度，sinθ为正弦函数，cosθ为余弦函数，tanθ为正切函数，VF(i)为楔入加载方向的位移，PF(i)为楔入加载方向的力，i为单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移坐标点，j为楔入加载方向的位移坐标点。
如图6所示，步骤S5的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000082
得到实时柔度Ci；其中PLi为位移i时的尖裂纹在加载方向的力，
Figure BDA0003160709320000083
为位移i时的钝裂纹在加载方向的力，C0为初始柔度。
步骤S6的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000091
得到实时裂纹长度ai；其中W为单边裂纹中心孔楔入式试样的剩余韧带长度，B为单边裂纹中心孔楔入式试样的厚度，E为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，k1为有效变形体积系数，k2为与实时裂纹长度ai相关的有效体积折减系数，k3为等效应变系数。k1、k2和k3均为通过有限元标定得到的模型常数，本方案中，k1k3 2取值为0.0835，k2取值为0.0933。
步骤S7中对单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线进行位移采样的具体方法为：
将单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线与钝裂纹载荷位移曲线重合的部分作为单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线。
步骤S7的具体方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000092
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移hLe(i)和塑形位移hLp(i)；其中PLer为中间参数，
Figure BDA0003160709320000093
为特征长度，取值为W。
步骤S8的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000101
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K；其中PLpr为中间参数，kp为已知常数，k4为有效变形体积系数，k5为与裂纹长度a相关的有效体积折减系数，k6为等效塑性应变系数，k7为等效塑性应变指数。k4、k5、k6和k7均为通过有限元计算标定得到的模型常数，本方案中的取值分别为：1.803、0.0933、0.41和1.008。
如图7所示，步骤S9的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000102
绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线；其中ε为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应变值，σ为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力值。
图7中，本方案所测得的单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线与通过单轴拉伸方式测得的等效应力应变曲线走势基本一致，说明本发明方案可以替代单轴拉伸方式的检测结果，即一个试验就能够直接得到单轴拉伸方式的检测结果和断裂韧性。
如图8所示，步骤S10的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0003160709320000111
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值Ji；其中Je(i)为位移i时的弹性断裂韧性值，
Figure BDA0003160709320000112
为位移i时的塑性断裂韧性值，
Figure BDA0003160709320000113
为位移i-1时的塑性断裂韧性值，bi和bi-1为中间参数。
图8中，Δa为裂纹长度差，离散的曲线与0.2mm钝化偏置线相交的点或在0.2mm钝化偏置线附近点为标准断裂韧性值。
本发明能够获取多种类延性材料的等效应力应变曲线和断裂韧性，能够对在役构件进行微损取样，并获得高精度的测量结果；能够定量评价材料的安全性能，能够克服材料尺寸的限制；本发明的方法式样加工、实验原理和数据处理简单且所需成本低，便于应用和普及。

Claims (8)

1.一种基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将成对凸起的开口销设置在底座上，并将单边裂纹中心孔楔入式试样的裂纹穿过开口销的凸起放置在开口销上；
S2、将楔形压杆对准开口销的凸起之间的间隙，对单边裂纹中心孔楔入式试样进行楔入I型裂纹加载，并获取楔入加载方向的位移和楔入加载方向的力；
S3、通过楔入加载方向的位移和楔入加载方向的力，计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，并绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线；
S4、获取单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹加载参数：通过有限元计算，得到单边裂纹中心孔楔入式试样的钝裂纹载荷位移曲线；钝裂纹载荷位移曲线的载荷即单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力，钝裂纹载荷位移曲线的位移即单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移；
S5、计算钝裂纹载荷位移曲线线性区域的斜率，得到未扩展时单边裂纹中心孔楔入式试样的柔度，即初始柔度；通过同一位移上尖裂纹加载方向的力、钝裂纹加载方向的力和初始柔度计算得到实时柔度；
S6、获取初始裂纹长度，并通过初始裂纹长度和初始柔度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，结合实时柔度和材料弹性模量计算得到实时裂纹长度；
S7、对单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线进行位移采样，并通过实时裂纹长度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移和塑形位移；
S8、通过塑形位移计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K；
S9、通过单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线；
S10、通过弹性位移和塑形位移计算得到单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值；
步骤S7中通过实时裂纹长度计算单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移和塑形位移的具体方法为：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000021
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的弹性位移hLe(i)和塑形位移hLp(i)；其中PLer为中间参数，ai为实时裂纹长度，k1为有效变形体积系数，k2为与实时裂纹长度ai相关的有效体积折减系数，k3为等效应变系数，B为单边裂纹中心孔楔入式试样的厚度，E为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，PL(i)为位移i时的尖裂纹在加载方向的力，
Figure FDA0003557732400000022
为特征长度，取值为W，W为单边裂纹中心孔楔入式试样的剩余韧带长度。
2.根据权利要求1所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S3的具体方法包括：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000031
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移VL(i)和单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的力PL(i)；其中μ为楔形压杆和开口销之间的摩擦系数，2θ为楔形压杆的楔入角度，sinθ为正弦函数，cosθ为余弦函数，tanθ为正切函数，VF(j)为楔入加载方向的位移，PF(j)为楔入加载方向的力，i为单边裂纹中心孔楔入式试样的加载方向的位移坐标点，j为楔入加载方向的位移坐标点。
3.根据权利要求2所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S5的具体方法包括：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000032
得到实时柔度Ci；其中PL(i)为位移i时的尖裂纹在加载方向的力，
Figure FDA0003557732400000033
为位移i时的钝裂纹在加载方向的力，C0为初始柔度。
4.根据权利要求3所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S6的具体方法包括：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000034
得到实时裂纹长度ai；其中W为单边裂纹中心孔楔入式试样的剩余韧带长度，B为单边裂纹中心孔楔入式试样的厚度，E为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料弹性模量，k1为有效变形体积系数，k2为与实时裂纹长度ai相关的有效体积折减系数，k3为等效应变系数。
5.根据权利要求1所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S7中对单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线进行位移采样的具体方法为：
将单边裂纹中心孔楔入式试样的尖裂纹载荷位移曲线与钝裂纹载荷位移曲线重合的部分作为单边裂纹中心孔楔入式试样未扩展前的尖裂纹载荷位移曲线。
6.根据权利要求1所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S8的具体方法包括：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000041
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应变硬化系数N和单边裂纹中心孔楔入式试样的材料应力硬化指数K；其中PLpr为中间参数，kp为已知常数，k4为有效变形体积系数，k5为与裂纹长度a相关的有效体积折减系数，k6为等效塑性应变系数，k7为等效塑性应变指数。
7.根据权利要求6所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S9的具体方法为：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000042
绘制单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力应变曲线；其中ε为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应变值，σ为单边裂纹中心孔楔入式试样的材料的等效应力值。
8.根据权利要求6所述的基于单边裂纹中心孔楔入式试样的测定方法，其特征在于，步骤S10的具体方法为：
根据公式：
Figure FDA0003557732400000051
得到单边裂纹中心孔楔入式试样的断裂韧性值Ji；其中Je(i)为位移i时的弹性断裂韧性值，
Figure FDA0003557732400000052
为位移i时的塑性断裂韧性值，
Figure FDA0003557732400000053
为位移i-1时的塑性断裂韧性值，bi和bi-1为中间参数。
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