測(cè)定熱軋?zhí)妓劁撈矫鎽?yīng)力條件下斷裂韌度的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)定熱軋?zhí)妓劁撈矫鎽?yīng)力條件下斷裂韌度的方法，包括使用熱軋?zhí)妓劁摷庸ぶ谱髟嚰⑶谐隽芽p、按金屬材料拉伸試驗(yàn)方法加載試件、計(jì)算試件的屈服荷載和等效裂縫長(zhǎng)度等步驟，最后回歸分析得出碳素鋼平面應(yīng)力情況下的斷裂韌度KC。本發(fā)明只需由小尺寸單向板的拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服荷載，即可確定碳素鋼平面應(yīng)力條件下的斷裂韌度KC。不需要滿足現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)試驗(yàn)試樣尺寸、型式，加載條件等的嚴(yán)格規(guī)定，不需要預(yù)制疲勞裂紋。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
測(cè)定熱軋?zhí)妓劁撈矫鎽?yīng)力條件下斷裂韌度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料性能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力 條件下斷裂韌度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的金屬材料性能測(cè)試規(guī)范中，對(duì)于測(cè)定金屬材料斷裂韌性，測(cè)試 試件的尺寸大小有嚴(yán)格規(guī)定，試件的裂縫長(zhǎng)度a、試件厚度B及韌帶高度W-a都須大于一定數(shù) 值。比如，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)--《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度K IC試驗(yàn)方法》(GB/T 4161-2007)、中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)--《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》 (GB/T 21143-2007)、美國(guó)ASTM E399規(guī)范、歐洲BS EN ISO規(guī)范，等規(guī)范中，規(guī)定測(cè)試試件的 厚度B，裂紋長(zhǎng)度a，韌帶尺寸W-a均需滿足下式：
[0004] 其中，KIC為平面應(yīng)變情況下的金屬斷裂韌度，〇Y為金屬的屈服強(qiáng)度。若采用預(yù)估尺 寸進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得指標(biāo)不滿足尺寸規(guī)定，還需重新確定試件尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。舉例，目前市面 上常用的熱乳Q235碳素鋼材的斷裂韌度Kk約估為50-100MPa ? mV2,〇Y約為250-350MPa，則 由式（1)可得試件尺寸W需大于700-2000mm，同時(shí)，a與B需大于350-1000mm。這種情況下，普 通實(shí)驗(yàn)室條件下該試驗(yàn)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，因此Q235碳素鋼斷裂韌度值很難得到，目前公開(kāi) 文獻(xiàn)中很少報(bào)道Q235碳素鋼的斷裂韌度Kic。
[0005] 另外，對(duì)于進(jìn)行斷裂韌度測(cè)試所用的金屬試件初始裂紋的形成，需要進(jìn)行疲勞試 驗(yàn)。則對(duì)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件要求較高，須有疲勞試驗(yàn)機(jī)，大大增加了試驗(yàn)的難度與工作量。 并且，進(jìn)行金屬斷裂韌度測(cè)試試驗(yàn)中，對(duì)試件型式、加載夾具、加載方式、試驗(yàn)系統(tǒng)等都有嚴(yán) 格限制。使得試驗(yàn)試件的制作成本和試驗(yàn)工作量大為增加。
[0006] 還須說(shuō)明，目前國(guó)內(nèi)外測(cè)試規(guī)范中僅能確定金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，而平 面應(yīng)力下的金屬斷裂韌度Kc的斷裂韌度測(cè)試方法還未給出。而實(shí)際工程中鋼結(jié)構(gòu)的厚度都 較薄，其裂縫斷裂平面應(yīng)變的情況要少于平面應(yīng)力情況，則在碳素鋼裂紋穩(wěn)定性分析與控 制研究中，Kc應(yīng)用更為廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 目前，測(cè)定碳素鋼材的斷裂韌度需要的試件尺寸較大，普通實(shí)驗(yàn)室條件下很難完 成試件的加工和測(cè)試工作。為克服現(xiàn)有測(cè)定方法的不足，本發(fā)明提出一種確定碳素鋼平面 應(yīng)力條件下斷裂韌性的測(cè)試方法，可解決目前碳素鋼斷裂韌性的測(cè)試難題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 設(shè)計(jì)一種測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在于，包括下 列步驟：
[0010] (1)使用熱乳碳素鋼加工制作一定數(shù)量的尺寸均為WXB XL的單邊拉伸試件，其 中，W為試件高度，B為試件厚度，L為試件有效長(zhǎng)度；
[0011] (2)采用線切割工藝對(duì)步驟(1)所得試件分別切出裂縫，裂縫長(zhǎng)度為a，試件的縫高 比a = a/W在0.1~0.7的范圍內(nèi)取值;從中選取5~7種不同縫高比的試件，每種縫高比對(duì)應(yīng)2 ~5個(gè)試件;其中縫高比a的取值方式為:隨機(jī)取值、均態(tài)分布；
[0012] (3)在普通的拉力試驗(yàn)機(jī)或者萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按金屬材料拉伸試驗(yàn) 方法加載到試件斷裂破壞，試驗(yàn)過(guò)程中記錄每個(gè)試件的屈服荷載；
[0013] (4)基于步驟(3)所得的每個(gè)試件的屈服荷載，計(jì)算出每個(gè)試件的名義強(qiáng)度〇n;
[0014] (5)計(jì)算出每個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度ae;
[0015] (6)將步驟(4)、步驟(5)所得的不同的〇11與&(5值，帶入下式（1)進(jìn)行回歸分析，即可 得出碳素鋼平面應(yīng)力情況下的斷裂韌度Kc，
--式⑴；
[0017] 其中:KC為試件的斷裂韌度;〇n為試件的名義強(qiáng)度;為試件的等效裂縫長(zhǎng)度;PY為 試件實(shí)測(cè)屈服荷載;〇y為試件的屈服強(qiáng)度。基于式（1)，由試件尺寸和試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別確 定~與〇- |丨(/3、.）后，由線性回歸分析，即可同時(shí)得到未知量?jī)?nèi)與&。
[0018] 優(yōu)選的，在所述步驟(4)中，由下式(2)計(jì)算出每個(gè)試件的名義強(qiáng)度〇n，
-式⑵
[0020]式中，PY為試件實(shí)測(cè)屈服荷載;B為試件厚度;a為初始裂縫長(zhǎng)度；Aap為裂縫尖端的 屈服區(qū)長(zhǎng)度必為實(shí)際應(yīng)力分布影響系數(shù)，A = 〇. 95-0.85。
[0021 ]優(yōu)選的，每個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度由下式(3a)~(3d)計(jì)算：
[0026] 其中，a為初始裂縫長(zhǎng)度;a為縫高比；B(c〇為形狀系數(shù);A為實(shí)際應(yīng)力分布影響系 數(shù)，人= 0.95_0.85;Y(a)為幾何影響參數(shù)。
[0027] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中試件的寬度W為30mm~50mm，有效長(zhǎng)度L為50mm~70mm，試 件厚度試件厚度B為4~8mm。
[0028] 優(yōu)選的，所述步驟(2)中的裂縫寬度小于0.25_。
[0029] 優(yōu)選的，在所述步驟(2)中，所述縫高比a = aQ/W的取值依次為0.1,0.2，0.3,0.4， 0.5,0.6,0.7〇
[0030]優(yōu)選的，在所述步驟(1)中，澆筑的試件個(gè)數(shù)為10~35個(gè)。
[0031]本發(fā)明的有益效果在于：
[0032] 1.試驗(yàn)采用小尺寸試件，試件尺寸不需滿足現(xiàn)有規(guī)范測(cè)定斷裂韌度時(shí)，對(duì)于試件 的高度、厚度、初始裂縫長(zhǎng)度等都要大于一定數(shù)值的嚴(yán)格要求，從而使得測(cè)定碳素鋼的斷裂 韌性成為可能。
[0033] 2.對(duì)于斷裂韌性試驗(yàn)的初始裂紋的形成，不需采用疲勞試驗(yàn)形成，而只需采用線 切割技術(shù)切縫。大大降低了加工試件裂縫的難度，減輕了相應(yīng)的工作量。
[0034] 3.試驗(yàn)試件的厚度可較薄，不需滿足現(xiàn)有規(guī)范平面應(yīng)變條件，并可得出應(yīng)用范圍 更為廣泛的平面應(yīng)力條件的熱乳碳素鋼的斷裂韌度Kc。
[0035] 4.采用單邊拉伸試件，而不需采用現(xiàn)行規(guī)范測(cè)定斷裂韌度所用的三點(diǎn)彎曲梁試件 和楔入劈拉試件型式等，試件加工和試驗(yàn)加載設(shè)備得到了簡(jiǎn)化。
[0036] 5.本發(fā)明方法形式簡(jiǎn)單，試驗(yàn)易操作，具有足夠精度，且易判斷結(jié)果合理性。該方 法只需由小尺寸單向板的拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服荷載，即可確定碳素鋼平面應(yīng)力條件下的斷 裂韌度Kc。不需要滿足現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)試驗(yàn)試件尺寸、型式，加載條件等的嚴(yán)格規(guī)定。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1為本發(fā)明所用試件的形狀示意圖；
[0038] 圖2為實(shí)施例1中所用的試件尺寸示意圖；
[0039] 圖3為實(shí)施例1中試件實(shí)測(cè)荷載-變形全曲線，其中，a為實(shí)測(cè)外荷載-變形全過(guò)程曲 線;b為屈服荷載時(shí)刻的外荷載-變形曲線。
[0040] 圖4為由實(shí)施例1試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定的平面應(yīng)力條件下的斷裂韌度。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但以下實(shí)施例只是用來(lái)詳 細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。以下實(shí)施例中所涉及的一些步驟或方 法，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法，所涉及的材料、儀器設(shè)備，如無(wú)特別說(shuō)明，均為 常規(guī)材料和儀器設(shè)備。
[0042] 本發(fā)明試驗(yàn)所用單邊拉伸試件的示意圖參見(jiàn)圖1，制作相同尺寸W而不同裂縫長(zhǎng)度 a的單邊拉伸板試件時(shí)，試件寬度W推薦取30mm-50mm，試件有效長(zhǎng)度L推薦取50mm-70mm。試 件厚度B推薦取4_-8_，使得試件受力處于平面應(yīng)力條件。其中初始裂縫a的形成須用線切 割工藝，裂縫寬度小于〇.25_，而不需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)形成疲勞裂紋。
[0043]實(shí)施例1:采用熱乳Q235B碳素鋼加工制作單邊拉伸試件，參見(jiàn)圖2,試件尺寸為:W = 40mm，B = 5mm，L = 60mm，試件弧型段高度為20mm，矩形夾持端的尺寸為:70mm X 80mm。采用 線切割工藝對(duì)所得試件分別切出裂縫，裂縫寬度小于0.20_。制作試件的縫高比a/W = 0.1， 0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,每組縫高比制作5個(gè)試件，共計(jì)7組35個(gè)試件。
[0044] 參見(jiàn)圖3,試驗(yàn)按《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/T228.1-2010) 等規(guī)范中規(guī)定速率進(jìn)行勻速加載，一直加載到試件斷裂破壞。試驗(yàn)過(guò)程中記錄每個(gè)試件的 屈服荷載。
[0045] 在試驗(yàn)試件屈服前，用相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍照，捕捉裂縫尖端的屈服區(qū)長(zhǎng)度。實(shí)施例中 實(shí)測(cè)試件屈服區(qū)長(zhǎng)度在范圍變化。
[0046] 參見(jiàn)圖4,由實(shí)施例試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定熱乳Q235B碳素鋼的斷裂韌度Kk。平面 應(yīng)力條件下的Kc = 68.83MPa ? m1/2-83.04MPa ? m1/2。
[0047] 具體實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1、表2所示。
[0048]表1試驗(yàn)試件尺寸及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
[0050] 表2試驗(yàn)確定Q235鋼的Kc
[0052]對(duì)所公開(kāi)實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些 實(shí)施例的多處修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在 不脫離發(fā)明的精神或范圍的前提下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不限制于本文所 顯示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文公開(kāi)原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在于，包括下列步驟： (1) 使用熱乳碳素鋼加工制作一定數(shù)量的尺寸均為WXBXL的單邊拉伸試件，其中，W為 試件高度，B為試件厚度，L為試件有效長(zhǎng)度； (2) 采用線切割工藝對(duì)步驟（1)所得試件分別切出裂縫，裂縫長(zhǎng)度為a，試件的縫高比α = a/W在0.1~0.7的范圍內(nèi)取值;從中選取5~7種不同縫高比的試件，每種縫高比對(duì)應(yīng)2~5 個(gè)試件； (3) 在普通的拉力試驗(yàn)機(jī)或者萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按金屬材料拉伸試驗(yàn)方法 加載到試件斷裂破壞，試驗(yàn)過(guò)程中記錄每個(gè)試件的屈服荷載； (4) 基于步驟(3)所得的每個(gè)試件的屈服荷載，計(jì)算出每個(gè)試件的名義強(qiáng)度〇n; (5) 計(jì)算出每個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度 (6) 將步驟(4)、步驟(5)所得的不同的〇11與&(3值，帶入下式（1)進(jìn)行回歸分析，即可得出 碳素鋼平面應(yīng)力情況下的斷裂韌度Kc，其中：KC為試件的斷裂韌度;〇n為試件的名義強(qiáng)度;為試件的等效裂縫長(zhǎng)度;Ργ為試件 實(shí)測(cè)屈服荷載;σγ為試件的屈服強(qiáng)度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在 于，在所述步驟(4)中，由下式(2)計(jì)算出每個(gè)試件的名義強(qiáng)度 〇n，式中，Py為試件實(shí)測(cè)屈服荷載;B為試件厚度;a為初始裂縫長(zhǎng)度；△ aP為裂縫尖端的屈服 區(qū)長(zhǎng)度;λ為實(shí)際應(yīng)力分布影響系數(shù)，λ = 〇. 95-0.85。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在 于，在所述步驟(5)中，每個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度由下式(3a)~(3d)計(jì)算：其中，a為初始裂縫長(zhǎng)度;α為縫高比;Β(α)為形狀系數(shù);λ為實(shí)際應(yīng)力分布影響系數(shù)，λ = 0.95-0.85; Υ(α)為幾何影響參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在 于，所述步驟⑴中試件的寬度W為30mm~50mm，有效長(zhǎng)度L為50mm~70mm，試件厚度試件厚 度B為4~8mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在 于，所述步驟⑵中的裂縫寬度小于〇. 25_。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在 于，在所述步驟(2)中，所述縫高比a = a/W的取值依次為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定熱乳碳素鋼平面應(yīng)力條件下斷裂韌度的方法，其特征在 于，在所述步驟(1)中，澆筑的試件個(gè)數(shù)為10~35個(gè)。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK105928784SQ201610231766
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】管俊峰, 胡曉智, 姚賢華, 謝超鵬, 白衛(wèi)峰, 王強(qiáng)
【申請(qǐng)人】華北水利水電大學(xué)