CN117368005A - 利用夏比冲击试样断口高度差预测ctod特征值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，包括：对指定材料制作的具有指定结构的试样进行夏比冲击试验，处理试验后的试样以展示断口截面，检测夏比冲击断口高度差；建立夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型；对于指定的材料和结构，制作数个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从数个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到数个CTOD特征值，计算该数个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。本发明克服了CTOD断裂韧性试验周期长、成本高、对操作人员技术要求高的劣势。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种估算反映材料或结构止裂性能的CTOD特征值的方法。
背景技术
冲击韧性与断裂韧性是材料和结构止裂能力评价的重要指标，特别是对于承受内部压力以及外部拉伸载荷的重要结构焊接接头，由于焊接部位必然存在的类裂纹微观缺陷，相对于完整基体材料，在外部载荷作用下无需裂纹萌生和起裂，直接进入裂纹扩展阶段，裂纹稳定扩展特征就决定了焊接结构服役过程中的止裂能力。
夏比冲击韧性以冲击功来表征，利用摆锤式冲击试验机瞬间加载、吸收能量后快速断裂，一般包括裂纹萌生起裂阶段、裂纹延性稳定扩展阶段、裂纹失稳断裂阶段，其中，裂纹萌生起裂阶段包括弹性变形阶段和塑性变形阶段，裂纹失稳断裂阶段包括不稳定快速扩展阶段和剪切撕裂断裂阶段。
断裂韧性一般利用单侧缺口预制疲劳裂纹试样进行弯曲加载，当出现最大力平台时，利用引伸计监测缺口张开位移，并按照相关标准要求计算预制疲劳裂纹尖端张开位移，即CTOD特征值。与夏比冲击试验瞬间加载快速断裂不同，CTOD断裂韧性是慢速加载试验过程，但也包含了弹性变形阶段、塑性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段，与夏比冲击试验过程非常相似，必然存在一定的相关性。如果能够建立夏比冲击和CTOD断裂韧性的相关性，通过简便的夏比冲击试验间接得到CTOD特征值，就能够为工程应用带来极大便利。
当前，已有一些关于夏比冲击和CTOD断裂韧性的公开专利文献，比如：申请号为200610090090.3的专利公开了一种核电站压力容器钢辐照后冲击试验自动化装置，包括示波冲击试验机、送样装置、对中装置、温度控制装置、辐射防护装置等，既能够保证试验过程的精确控制，又能够保证安全。申请号为201410113924.2的专利公开了一种石油天然气小直径薄壁管道力学性能试样制备方法，主要考虑到小直径管道横向曲率大、无法获得冲击韧性、CTOD断裂韧性等试验时标准试样长度，采用试样两端激光深熔焊接加长技术，从而满足常规方法难以获得力学性能试验数据，对石油天然气管道领域具有重要现实意义。申请号为201510385434.2的专利公开了一种大厚板返修接头的CTOD工艺试验方法，包括选材、原焊缝焊接、返修焊缝焊接以及CTOD试验等步骤，采用V型和K型两种接头形式，在免除热处理的条件下也能确保返修接头力学性能，提高特定位置CTOD断裂韧性试验的有效比例。然而，当前已经公开的技术，没有提及夏比冲击与CTOD断裂韧性试验过程、试验结果的相关性。
发明内容
本发明提出一种利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，包括：
对指定材料制作的具有指定结构的试样进行夏比冲击试验，处理试验后的试样以展示断口截面，检测夏比冲击断口高度差；
建立夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型；
对于指定的材料和结构，制作数个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从数个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到数个CTOD特征值，计算该数个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。
根据本发明的一个实施例，试样制作成标准夏比冲击试样，根据试验要求将V型缺口位置开在焊缝金属、熔合线或焊接热影响区。
根据本发明的一个实施例，标准夏比冲击试样的尺寸为10*10*55mm。
根据本发明的一个实施例，根据试验要求在指定温度下完成对试样的夏比冲击，将试样恢复到室温，利用外加载荷将恢复到室温的试样压断、拉断或弯断，以展示完整的断口截面。
根据本发明的一个实施例，对低温下完成夏比冲击的试样进行热风烘干与加热，在试验完成后1分钟内将试样的温度恢复到室温。对于存在污染的断口截面，利用超声波清洗技术进行不低于10分钟的清洗。通过三维立体图像扫描检测夏比冲击断口高度差，尺寸精确到微米。
根据本发明的一个实施例，夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型为：
其中δm表示CTOD特征值，单位为毫米，Hd表示夏比冲击断口高度差，单位为微米。
根据本发明的一个实施例，对于指定的材料和结构，制作三个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从三个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到三个CTOD特征值，计算该三个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。
根据本发明的一个实施例，所述指定温度为-10℃。
本发明揭示了利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，特别是针对焊接接头这种由于特有的非平衡固态相变造成的组织性能不均匀以及由此可能引起局部脆化的结构，鉴于夏比冲击试验同样可以细分为裂纹起裂、稳定裂纹扩展、裂纹失稳扩展与断裂过程，从而与CTOD断裂韧性试验具有比较明确的相关性，根据夏比冲击试验过程中材料塑性变形能力的不同造成的断口高度差，建立与CTOD断裂韧性的定量相关性，并估算反映材料或结构止裂性能的CTOD特征值。
本发明的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法具有下述的有益效果：
充分利用了夏比冲击试验与CTOD断裂韧性试验全过程的高度相关性，通过夏比冲击韧性试样断口高度差定量估算CTOD特征值，具有简便易操作的优点，克服了CTOD断裂韧性试验周期长、成本高、对操作人员技术要求高的劣势，具有重要的工程应用价值；
通过夏比冲击韧性试样断口高度差定量估算CTOD特征值，具有实施方便、操作成本低、效率高的优点。
附图说明
图1揭示了本发明的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1所示，本发明揭示了一种利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，包括如下的步骤：
对指定材料制作的具有指定结构的试样进行夏比冲击试验，处理试验后的试样以展示断口截面，检测夏比冲击断口高度差。在一个实施例中，试样被制作成标准夏比冲击试样，尺寸为10*10*55mm。根据不同的试验要求，将V型缺口位置开在焊缝金属、熔合线或焊接热影响区等需要进行试验的区域。根据试验要求在指定温度下完成对试样的夏比冲击，然后迅速将试样恢复到室温，再利用外加载荷将恢复到室温的试样压断、拉断或弯断，以展示完整的断口截面。如果夏比冲击试验是在低于室温的温度下进行，则对低温下完成夏比冲击的试样进行热风烘干与加热。在试验完成后1分钟内迅速将试样的温度恢复到室温，从而最大限度的保留断口的原始形貌。查看断口截面是否被污染，对于存在污染的断口截面，利用超声波清洗技术进行不低于10分钟的清洗，以保证断口截面清洁无污染。通过三维立体图像扫描检测夏比冲击断口高度差，尺寸精确到微米。
夏比冲击断口高度差与材料的塑性变形能力相关，CTOD特征值与材料的断裂韧性相关，同一材料的夏比冲击断口高度差与CTOD特征值之间具有相关性，利用该特性，可以建立夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型。在夏比冲击试验完成后，受冲击的试样可以反映出两种明显的几何特征：第一是侧膨胀量，主要与起裂阶段塑性变形能力有关，主要反映材料或结构的起裂特征。第二是断口截面高度差，主要与裂纹扩展阶段塑性储备与变性特征相关，主要反映材料或结构的止裂特征。以加载过程中最大力平台为截止点的CTOD特征值也与裂纹稳定扩展特征密切相关。所以，以夏比冲击试样的断口高度差与CTOD特征值存在相关性，可以利用夏比冲击断口高度差作为CTOD特征值的相关量进行估算公式拟合，获得相关性模型。具体地，夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型为：
其中δm表示CTOD特征值，单位为毫米，Hd表示夏比冲击断口高度差，单位为微米。
为了使得估算的CTOD特征值更加准确，对于指定的材料和结构，制作数个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从数个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到数个CTOD特征值，计算该数个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。在一个实施例中，对于指定的材料和结构，制作三个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从三个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到三个CTOD特征值，计算该三个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。
下面介绍一个具体实施例，对本发明所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法进行了实施。针对典型规格X80管线钢管自动环焊接头，分别取焊缝金属和焊接热影响区位置各三个试样进行夏比冲击试验，试验温度为-10℃。利用三维立体图像扫描技术，从三个不同角度进行冲击断口高度差采集并取平均值。根据夏比冲击试样断口高度差与CTOD特征值的相关性估算原则，估算得出CTOD特征值，如表1所示。试验数据可见，利用本发明的方法估算得出的等效CTOD值与实测值基本相当。
表1夏比冲击试样断口高度差与CTOD特征值的相关性估算
本发明的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法具有下述的有益效果：
充分利用了夏比冲击试验与CTOD断裂韧性试验全过程的高度相关性，通过夏比冲击韧性试样断口高度差定量估算CTOD特征值，具有简便易操作的优点，克服了CTOD断裂韧性试验周期长、成本高、对操作人员技术要求高的劣势，具有重要的工程应用价值；
通过夏比冲击韧性试样断口高度差定量估算CTOD特征值，具有实施方便、操作成本低、效率高的优点。
Claims (8)
1.一种利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，包括：
对指定材料制作的具有指定结构的试样进行夏比冲击试验，处理试验后的试样以展示断口截面，检测夏比冲击断口高度差；
建立夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型；
对于指定的材料和结构，制作数个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从数个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到数个CTOD特征值，计算该数个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。
2.如权利要求1所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，
所述试样制作成标准夏比冲击试样，根据试验要求将V型缺口位置开在焊缝金属、熔合线或焊接热影响区。
3.如权利要求2所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，所述标准夏比冲击试样的尺寸为10*10*55mm。
4.如权利要求2所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，
根据试验要求在指定温度下完成对试样的夏比冲击，将试样恢复到室温，利用外加载荷将恢复到室温的试样压断、拉断或弯断，以展示完整的断口截面。
5.如权利要求4所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，
对低温下完成夏比冲击的试样进行热风烘干与加热，在试验完成后1分钟内将试样的温度恢复到室温；
对于存在污染的断口截面，利用超声波清洗技术进行不低于10分钟的清洗；
通过三维立体图像扫描检测夏比冲击断口高度差，尺寸精确到微米。
6.如权利要求1所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，所述夏比冲击断口高度差与CTOD特征值的相关性模型为：
其中δm表示CTOD特征值，单位为毫米，Hd表示夏比冲击断口高度差，单位为微米。
7.如权利要求1所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，
对于指定的材料和结构，制作三个相同的试样分别进行夏比冲击试验，从三个不同的角度分别检测夏比冲击断口高度差，根据所建立的相关性模型，依据不同的角度检测的夏比冲击断口高度差计算得到三个CTOD特征值，计算该三个CTOD特征值的平均值作为最终估算的CTOD特征值。
8.如权利要求4所述的利用夏比冲击试样断口高度差预测CTOD特征值的方法，其特征在于，所述指定温度为-10℃。
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