CN113466040A - 一种接头局部单轴应力-应变关系获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及延性材料的力学性能测试技术，尤其涉及对室温及高温环境下金属焊接接头局部力学性能测试领域，具体涉及一种接头局部单轴应力‑应变关系获取方法。依据本申请提供的接头局部单轴应力‑应变关系获取方法，只需对DIC测试获取的图片进行简单的分析，即可获取焊接接头局部材料单轴应力‑应变关系曲线的材料参数，所得结果精度较高，无需进行大量试验，试验方法和试验原理相对简单，十分便于工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及延性材料的力学性能测试技术，尤其涉及对室温及高温环境下金属焊接接头局部力学性能测试领域，具体涉及一种接头局部单轴应力-应变关系获取方法。
背景技术
我国在役和在建的核电站以压水堆型为主，反应堆建造过程中各种关键结构如蒸汽发生器、反应堆压力容器等广泛采用焊接接头进行连接。根据焊接合金材料及其所连接基体材料的不同，分为同种金属焊接接头与异种金属焊接接头(Dissimilar metal weldjoint,DMWJ)。核岛内的大型承压设备，如蒸汽发生器、反应堆压力容器等设备由于出口接管材料为具有不锈钢覆层的低合金钢，一回路主管道材料为奥氏体不锈钢，因而在焊接接头中存在镍基合金焊材/不锈钢与镍基合金焊材/低合金钢异种金属焊接结构(采用镍基合金焊材时)，以及不锈钢焊材/低合金钢DMW结构与不锈钢焊材/不锈钢同种金属焊接结构(采用不锈钢焊材时)。DMWJ制造工艺复杂且制造难度大，材料在在焊接时可能产生气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷，且长期服役在高温、高压水腐蚀环境中，由于焊接残余应力的存在，设备服役过程中易产生缺陷，若DMWJ失效将对核电站的安全运行将造成不可估量的损失，自20世纪90年代在DMW接头内发现裂纹起，各国科研人员即将其列为影响设备安全的重要问题并开展了大量的研究[6-9]，并在核电设备安全评估规范中对其进行评估，以确定其是否能够继续安全使用。由于安全端与等直径的主管道不同，其在管嘴处的厚度和半径均发生几何变化；且异种金属焊接接头的母材是由两种不同材料构成，这两种材料的屈服性能差异大；焊接接头包含母材，热影响区，焊缝等，其组织结构存在材料性能不均匀性、力学性能不均匀性、由焊接缺陷引起的焊接裂纹和几何结构的不连续性，给直接利用各种材料的出厂数据预测实际结构中的裂纹扩展历程带来困难。因此，获取DMWJ的局部力学性能对核安全尤为重要，其中DMWJ局部应变测量是获取其局部力学性能的难题。在力学测试领域，常用的应变测量方法在测量方式上可分为两类：接触式测量与非接触式测量。其中，接触式测量又称机械测量，即利用传感器弹性元件接触被测物体表面以获取其坐标数据的测量方法，以常规电阻应变式的位移或应变引伸计，该技术十分成熟，已广泛应用于工程测量中；非接触式测量则包括激光测量、电容测量和数字图像相关(Digital image correlation,DIC)测量等多种方法。其中，DIC技术具有“非接触”与表面“全场”位移信息的特点，是目前工程界应用中最有发展前途的3D数据采集方法。
精确的材料力学性能表征有助于理解DMWJ复杂的局部损伤断裂行为，同时与局部组织相关的力学性能是结构完整性分析的基本输入参数。对于DMWJ材料力学性能表征主要集中在早期的核电材料和结构，对于新一代EPR机组的DMWJ材料和结构的力学性能还缺乏系统的研究。因此，基于DIC测试技术获取核电承压设备中焊接接头局部材料单轴应力-应变关系具有重要理论价值和工程意义。
现有技术中的应力-应变关系获取方法，步骤繁多且过程复杂，并且精确度不够高，因为需要花费大量的人力成本和时间成本。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是现有的获取应力-应变关系的方法复杂、人力和时间成本高且精度低。
一种接头局部单轴应力-应变关系获取方法,包括：
确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置；
在所述焊缝的位置处加工至少两个用于拉伸的试样；
在所述试样表面加工可识别的散斑；
对所述试样进行单轴拉伸测试以获取试样的载荷F，根据该载荷F计算工程应力σ；
在单轴拉伸测试同时采用DIC技术对所述检测接头进行拍照，以获取接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的图片；
对接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的图片进行特征特征提取，以获取接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的工程应变ε；
根据所述工程应力σ以及工程应变ε得到真应力和真应变的关系。
在一种实施例中，所述在所述试样表面加工可识别的散斑包括：
先用白色哑光漆喷涂在试样表面，待其自然风干，再用墨水喷枪在试样表面制作出大小均匀、形状不一、可识别的散斑。
在一种实施例中，所述根据该载荷F计算工程应力σ包括：通过以下公式计算工程应力σ；
其中，S0表示试样的横截面积，h为试样直段宽度，b为试样厚度。
在一种实施例中，所述根据所述工程应力σ以及工程应变ε得到真应力和真应变的关系包括：通过下式得到真应力σt-真应变εt关系：
其中，σt表示真应力，εt表示真应变。
在一种实施例中，所述试样的直段宽度h＝8mm,试样厚度b＝1mm，长度l＝30mm。
在一种实施例中，所述确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置包括：采用金相检测的方法确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置。
依据上述实施例的接头局部单轴应力-应变关系获取方法，只需对DIC测试获取的图片进行简单的分析，即可获取焊接接头局部材料单轴应力-应变关系曲线的材料参数，所得结果精度较高，无需进行大量试验，试验方法和试验原理相对简单，十分便于工程应用。
附图说明
图1为本申请实施例的接头局部单轴应力-应变关系获取方法流程图；
图2为本申请实施例的异种金属焊接接头金相组织结构示意图；
图3为本申请实施例的平板单轴拉伸试样结构示意图；
图4为本申请实施例的制作散斑后的平板单轴拉伸试样示意图；
图5a为本申请实施例的1号样本对应的异种金属焊接接头的单轴拉伸应力-应变曲线图；
图5b为本申请实施例的2号样本对应的异种金属焊接接头的单轴拉伸应力-应变曲线图；
图5c为本申请实施例的3号样本对应的异种金属焊接接头的单轴拉伸应力-应变曲线图；
图6为本申请实施例的为异种金属焊接接头母材、焊缝位置单轴拉伸应力应变曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本发明的方法适用于延性材料，能够获取母材、热影响区及焊缝材料的应力-应变关系曲线，所得结果具有较高的精度，能够定量评价焊接质量，克服了传统单轴拉伸试验材料尺寸很大无法直接获取焊接接头局部拉伸应力-应变关系的困难。本方法对于复杂的焊接接头材料应力-应变关系测试有较大优势，试样加工、试验原理以及数据处理都较简单。本发明提出的金属焊接接头局部材料单轴应力-应变关系的DIC测试方法，只需对DIC测试获取的图片进行简单的分析，即可获取焊接接头局部材料单轴应力-应变关系曲线的材料参数，所得结果精度较高，无需进行大量试验，试验方法和试验原理相对简单，十分便于工程应用。
实施例一：
请参考图1，本实施例的一种接头局部单轴应力-应变关系获取方法,包括以下步骤：
步骤101：确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置。例如，本实施例中通过本领域技术人员公知的金相检测确定金属焊接接头母材、热影响区及焊缝的位置，具体位置关系如图2所示。
步骤102：在焊缝位置处加工至少两个用于拉伸的试样。本实施例中在焊缝位置处加工三个用于拉伸测试得试样，试样的形状如图3所示，其包括位于两侧的连接部201以及位于中间段的测试部202，试样需要包括接头母材、热影响区以及焊缝这三个区域，具体的，测试部202位于焊缝区域，两端的连接部201位于接头的两种母材处，连接部201用于在进行拉伸测试时候与其他设备连接。本实施例的试样的直段宽度h＝8mm,试样厚度b＝1mm，长度l＝30mm。在其他实施例中，根据接头的大小，试样可以的大小可以等比例缩小或者放大。在一种实施例中，在连接部201还设有连接孔，连接孔的直径为10mm。本实施例加工成的三个试样如图3所示。
步骤103：在试样表面加工可识别的散斑。本实施例中，先用白色哑光漆喷涂在试样表面，待其自然风干，再用墨水喷枪在试样表面制作出大小均匀、形状不一、可识别的散斑，散斑如图4所示。
步骤104：对试样进行单轴拉伸测试以获取试样的载荷F，根据该载荷F计算工程应力σ。具体的，单轴拉伸试验前在试样等直段安装应变引伸计以测量试验过程中标距段平均应变，利用设备自带载荷传感器及控制器记录试验过程中载荷P。
其中，根据载荷F计算工程应力σ包括：通过以下公式计算工程应力σ；
其中，S0表示试样的横截面积，h为试样直段宽度，b为试样厚度。
步骤105：在单轴拉伸测试同时采用DIC技术对检测接头进行拍照，以获取接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的图片。DIC数字图像相关法(digital image correlationDIC)，又称数字散斑相关法，是将试件变形前后的两幅数字图像，通过相关计算获取感兴趣区域的变形信息。其基本原理是，对变形前图像中的感兴趣区域进行网格划分，将每个子区域当作刚性运动。再针对每个子区域，通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数来进行相关计算，在变形后图像中寻找与该子区域的互相关系数为最大值的区域，即该子区域在变形后的位置，进而获得该子区域的位移。对全部子区域进行计算，即可获得全场的变形信息。由于该方法对实验环境要求极为宽松，并且具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高等优点。
步骤106：已试验开始拍摄的第一张图片作为参考点，依次选中试验过程中所有照片，通过散斑灰度识别不同时刻试样表面的变形，在DIC后处理软件中分别对接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的图片进行特征特征提取，以获取接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的工程应变ε。
步骤107：根据工程应力σ以及工程应变ε得到真应力和真应变的关系。具体的，本实施例通过下式得到真应力σt-真应变εt关系：
其中，σt表示真应力，εt表示真应变。
在一种实施例中，得到真应力σt-真应变εt以后还绘制真应力σt-真应变εt的关系曲线图，以方便更加清楚的分析真应力σt-真应变εt的关系。
进一步的，本实施例采用三个试样进行拉伸实验，用白色哑光漆喷涂在试样表面，待其自然风干，再用墨水喷枪在试样表面制作出图4所示大小均匀、形状不一、可识别的散斑，完成单轴拉伸试验，加载过程中实时采集试样载荷F和位移D，安装引伸计测量试样标距段的工程应变；同步采用DIC设备进行拍照获取图片，对获取的图片进行处理得到焊缝处的工程应变ε。测量结果对比如图5a、图5b和图5c所示，安装同步引伸计测量的结果与DIC测量结果较为吻合，故采用本发明方案得到的材料应力-应变曲线具有较高的精度，且实验操作和计算方法都比较简单，便于实际工程应用。
进一步的，本实施例采用异种金属焊接接头的低合金钢母材及镍基合金焊材作为分析对象，具体的，分别选择试样上低合金钢母材及镍基焊材的位置，然后对两个位置处分别采用本实施例的方法进行应力和应变测试，可以获得异种金属焊缝中心位置及低合金钢母材的真应力-真应变关系曲线，测试结果如图6所示。
本申请提供的方法适用于延性材料，能够获取母材、热影响区及焊缝材料的应力-应变关系曲线，所得结果具有较高的精度，能够定量评价焊接质量，克服了传统单轴拉伸试验材料尺寸很大无法直接获取焊接接头局部拉伸应力-应变关系的困难。本方法对于复杂的焊接接头材料应力-应变关系测试有较大优势，试样加工、试验原理以及数据处理都较简单。本发明提出的金属焊接接头局部材料单轴应力-应变关系的DIC测试方法，只需对DIC测试获取的图片进行简单的分析，即可获取焊接接头局部材料单轴应力-应变关系曲线的材料参数，所得结果精度较高，无需进行大量试验，试验方法和试验原理相对简单，十分便于工程应用，在实际使用时，高温环境下亦适用。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (6)
1.一种接头局部单轴应力-应变关系获取方法,其特征在于，包括：
确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置；
在所述焊缝的位置处加工至少两个用于拉伸的试样；
在所述试样表面加工可识别的散斑；
对所述试样进行单轴拉伸测试以获取试样的载荷F，根据该载荷F计算工程应力σ；
在单轴拉伸测试同时采用DIC技术对所述检测接头进行拍照，以获取接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的图片；
对接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的图片进行特征特征提取，以获取接头母材、热影响区以及焊缝对应区域的工程应变ε；
根据所述工程应力σ以及工程应变ε得到真应力和真应变的关系。
2.如权利要求1所述的接头局部单轴应力-应变关系获取方法,其特征在于，所述在所述试样表面加工可识别的散斑包括：
先用白色哑光漆喷涂在试样表面，待其自然风干，再用墨水喷枪在试样表面制作出大小均匀、形状不一、可识别的散斑。
3.如权利要求1所述的接头局部单轴应力-应变关系获取方法,其特征在于，所述根据该载荷F计算工程应力σ包括：通过以下公式计算工程应力σ；
其中，S0表示试样的横截面积，h为试样直段宽度，b为试样厚度。
4.如权利要求1所述的接头局部单轴应力-应变关系获取方法,其特征在于，所述根据所述工程应力σ以及工程应变ε得到真应力和真应变的关系包括：通过下式得到真应力σt-真应变εt关系：
其中，σt表示真应力，εt表示真应变。
5.如权利要求1所述的接头局部单轴应力-应变关系获取方法,其特征在于，所述试样的直段宽度h＝8mm,试样厚度b＝1mm，长度l＝30mm。
6.如权利要求1所述的接头局部单轴应力-应变关系获取方法,其特征在于，所述确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置包括：采用金相检测的方法确定待检测接头上接头母材、热影响区以及焊缝的位置。
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