同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂韌度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂韌度的方法，包括使用低合金高強(qiáng)度鋼加工制作試件、切出裂縫、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度等步驟，最后回歸分析得出低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度σY與斷裂韌度KC。本發(fā)明方法形式簡單，試驗(yàn)易操作，具有足夠精度，且易判斷結(jié)果合理性。該方法只需由不同裂縫長度的小尺寸單向板的拉伸試驗(yàn)測得的屈服荷載，即同時確定高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度。不需要滿足現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范對試驗(yàn)試件尺寸、型式，加載條件等的嚴(yán)格規(guī)定。
【專利說明】
同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂韌度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料性能檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同時測定低合金高強(qiáng)度鋼 的屈服強(qiáng)度與斷裂韌度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國內(nèi)外現(xiàn)行的金屬材料性能測試規(guī)范中，對于測定金屬材料斷裂韌性，測試 試件的尺寸大小有嚴(yán)格規(guī)定，試件的裂縫長度^)、試件厚度B及韌帶高度W-iio都須大于一定 數(shù)值。比如，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)一一《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度K IC試驗(yàn)方法》(GB/T 4161-2007)、中華人民共和國國家標(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ASTM E399規(guī)范、歐洲BS EN ISO規(guī)范，等中，規(guī)定測試試件的厚度 B，裂紋長度aQ，韌帶尺寸W-aQ均需滿足下式：
[0003]
[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)，測得指標(biāo)不滿足尺寸規(guī)定，還需重新進(jìn)行試驗(yàn)。
[0005] 另外，對于進(jìn)行斷裂韌度測試所用的金屬試件，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)行斷裂韌度測試試驗(yàn)中，對試件型式、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] 目前，測定低合金高強(qiáng)度鋼的斷裂韌度需要的試件尺寸很大，普通實(shí)驗(yàn)室條件下 很難完成試件的加工和測試工作。更為重要的是，目前確定金屬的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度需 采用不同型式的試件和加載方法。而用同一種測試方法和試件，同時確定高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度 及斷裂韌度的方法還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有測定方法的不足，本發(fā)明提出一種由小尺寸試件確定高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng) 度與斷裂韌性的測試方法，解決了目前高強(qiáng)鋼強(qiáng)度與斷裂韌性測試難題，且其試驗(yàn)條件寬 松、工作量大為降低、測試成本低廉。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 設(shè)計(jì)一種同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂韌度的方法，包括下列步 驟：
[0010] (1)使用低合金高強(qiáng)度鋼加工制作一定數(shù)量的尺寸均為W X Β X L的單邊拉伸試件， 其中，W為試件高度，Β為試件厚度，L為試件有效長度；
[0011] (2)采用線切割工藝對步驟（1)所得試件分別切出裂縫，裂縫長度為aQ，試件的縫 高比α = ε?ο/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 應(yīng)2~5個試件;其中，α可在0.1~0.7的范圍內(nèi)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)過程中記錄每個試件的屈服荷載Ρ;
[0013] (4)基于步驟(3)所得的每個試件的屈服荷載，計(jì)算出每個試件的名義強(qiáng)度ση;
[0014] (5)計(jì)算出每個試件的等效裂縫長度;
[0015] (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 同時得出低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度σγ與斷裂韌度Kc，
[0016]
[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度，PS 試件的屈服荷載，σγ為試件的屈服強(qiáng)度。
[0018] 優(yōu)選的，在所述步驟(4)中，可由下式(2)計(jì)算出每個試件的名義強(qiáng)度〇n，
[0019]
[0020] 其中，P為試件的屈服荷載;B為試件厚度;ao為初始裂縫長度，△ &[)為裂縫尖端塑性 區(qū)長度，λ為應(yīng)力分布形狀影響系數(shù)，λ = 0. 90-0.85。
[0021] 優(yōu)選的，在所述步驟(5)中，每個試件的等效裂縫長度由下式(3a)~(3d)計(jì)算， LUUM」 共中，aQ為初妬眾縫長度；α為縫咼K
; A(α)為試懺的兒例形狀影啊糸數(shù)；A為奴刀 分布形狀影響系數(shù)，λ = 0.95-0.85;Υ(α)為計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子所對應(yīng)的幾何影響因子。
[0027] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中試件的寬度W為30mm~50mm，有效長度L為50mm~70mm，試 件厚度試件厚度B為5~15mm。
[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 = a/W的取值依次為0.1,0.2,0.3,0.4， 0.5，0.6,0.7。
[0030] 優(yōu)選的，在所述步驟(1)中，制作的試件個數(shù)為10~35個。
[0031] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：
[0032] 1.測試條件寬松，采用小尺寸試件，試件尺寸不需滿足現(xiàn)有規(guī)范測定線彈性斷裂 條件下，試件的高度、厚度、初始裂縫長度等都要大于一定數(shù)值的嚴(yán)格要求，從而能實(shí)現(xiàn)高 強(qiáng)鋼的斷裂韌性的測定;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)力條件的高強(qiáng)鋼的斷裂韌度K C;可采用單邊拉伸試件，而不 需采用現(xiàn)行規(guī)范對于測定強(qiáng)度所用切削后的圓棒試件，以及測定斷裂韌度所用的三點(diǎn)彎曲 梁試件和楔入劈拉試件等，試件加工和試驗(yàn)加載設(shè)備得到了簡化。
[0033] 2.測試成本大為降低，用同一種試件和測試方法，即可同時確定高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng) 度及斷裂韌度;克服了目前確定金屬的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度需采用不同型式的試件和加載 方法。
[0034] 3.測試工作量、難度大為降低，對于斷裂韌性試驗(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。
[0035] 4.本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)形式簡單，試驗(yàn)易操作，易推廣實(shí)施，且具有足夠精度，還易于 判斷結(jié)果的合理性;該方法只需由不同裂縫長度的小尺寸單向板的拉伸試驗(yàn)測得的屈服荷 載，即同時確定高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度;不需要滿足現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范對試驗(yàn)試件尺 寸、型式，加載條件等的嚴(yán)格規(guī)定。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明所用試件的形狀示意圖；
[0037] 圖2為實(shí)施例試驗(yàn)所用拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭；
[0038] 圖3為實(shí)施例1中機(jī)器加載情況下的單邊裂縫拉伸鋼板應(yīng)力分布圖；
[0039] 圖4為實(shí)施例1中試件拉斷前后對比圖；
[0040] 圖5為裂縫尖端塑性區(qū)影響下的應(yīng)力分布圖；
[0041]圖6為由實(shí)施例1試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定的試件屈服強(qiáng)度與斷裂韌度的擬合線性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但以下實(shí)施例只是用來詳 細(xì)說明本發(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，如無特殊說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法，所涉及的材料、儀器設(shè)備，如無特別說明，均為 常規(guī)材料和儀器設(shè)備。
[0043]本發(fā)明所用單邊拉伸試件示意圖參見圖1，制作相同尺寸而不同裂縫長度ao的單 邊拉伸試件。其中，試件寬度W推薦取30mm-50mm，試件有效長度L推薦取50mm-70mm。試件厚 度B推薦取5mm-15mm，使得試件為平面應(yīng)力條件。其中初始裂縫ao的形成須用線切割工藝， 裂縫寬度須小于〇.25mm，而不需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)形成疲勞裂紋。
[0044]實(shí)施例1:采用低合金高強(qiáng)度鋼加工制作單邊拉伸試件，試件尺寸W = 40mm，B = 10mm，L = 60mm，弧型段高度為20mm，矩形夾持端的尺寸為：70mm X 80mm。分別制作縫高比為 a〇/W=0 · 1，0·2,0·3,0·4,0·5,0·6,0 · 7的7組試件，每組制作5個試件，共計(jì)35個試件。
[0045]按《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1-2010)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)過程中須記錄每個試件的屈服荷載。在 實(shí)施例試驗(yàn)試件屈服前，可用相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍照，捕捉裂縫尖端的屈服區(qū)長度。本實(shí)施例中 試件屈服區(qū)長度在〇
[0046]對于國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中的拉力試驗(yàn)機(jī)或者萬能試驗(yàn)機(jī)，其機(jī)器上下端的一般為固定夾 頭，參見圖2。采用拉力試驗(yàn)機(jī)或者萬能試驗(yàn)機(jī)加載情況下的單邊裂縫的拉伸鋼板的實(shí)際應(yīng) 力分布參見圖3所示。即由于機(jī)器上下端的強(qiáng)力固定，則機(jī)器會對拉伸試件產(chǎn)生一個附加彎 矩M mac；hine3，因此，如圖3所示，單邊裂縫拉伸板實(shí)際受力分為兩部分:第一部分為機(jī)器對試件 的軸向拉力，其又可分解為一個偏心拉力P (作用力過韌帶高度W-a的軸心）和一個彎矩Μ (P);第二部分為限制試件大變形而由機(jī)器對試件產(chǎn)生的附加彎矩Mmachine。由于上述兩部分 力的疊加，使得單邊裂縫鋼板在受力過程中，裂縫邊張開口的張開變形很小，如圖4實(shí)施例 試件拉斷前后的照片可見。因此進(jìn)一步證明，假定沿著韌帶高度W-ao方向上的應(yīng)力分布為 圖3所示的合理性。
[0047]考慮裂縫尖端塑性區(qū)的影響，其受力分布如圖5所示，由力平衡條件可知：
[0048]
--式(4);
[0049] 式(4)中，P為試件的實(shí)測屈服荷載;B為試件厚度;W為試件高度。ao為初始裂縫長 度；A ap為裂縫尖端塑性區(qū)長度。〇n為考慮裂縫情況下的名義強(qiáng)度，〇min為沿韌帶高度W-a方 向上應(yīng)力跌落后的名義應(yīng)力大小。因此可得出σ η:
[0050]
[00511這里令0min = λ0η，λ彡1反映了試件受力拉伸變形過程中，試驗(yàn)機(jī)由于對鋼板夾 持端的強(qiáng)力固定，從而產(chǎn)生的附加彎矩對軸向力產(chǎn)生應(yīng)力的抵消作用。從圖4試件 拉斷照片及試驗(yàn)中試件屈服時變形可知，試件在整個受力過程中，裂縫邊并未張開很多，則 兩部分外力（i)軸力P與（ii)附加彎矩M ma0hine3疊加后的應(yīng)力分布近似水平，但又不完全水 平，因裂縫其實(shí)有一定微小張開。若機(jī)器與試件加的非常緊，試件在受力過程中張開很小， 則取0.90,若機(jī)器與試件的加緊程度偏弱，則取0.85。極限情況下λ=1.0時，裂縫一直被壓 緊，完全未張開。因此，這里人=0.90,0.85。則：
[0052]
[0053] 式中的AaPS裂縫尖端塑性區(qū)長度，可取試驗(yàn)實(shí)測長度值，也可取試驗(yàn)中相機(jī)拍 攝統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)值1_-2_。
[0054]基于現(xiàn)有計(jì)算單邊裂縫試件的線彈性斷裂力學(xué)理論情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子公式， 采用拉伸情況和純彎情況構(gòu)建本發(fā)明情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子公式。由應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊可 知，單邊裂縫試件的拉伸情況：
[0057]單邊裂縫試件的純彎情況：
[0060]因此，本發(fā)明情況為：
[0068]
[0069] 每個試件的等效裂縫長度ae可由下式計(jì)算：
[0070]
--式(3a);
[0071 ]測得各試件的屈服荷載后，由彈塑性理論公式
[0072]
-式 (2)，：
[0073]計(jì)算出每個試件的名義強(qiáng)度〇n。
[0074]得到不同的％與&(3后，帶入式（1)進(jìn)行回歸分析， _5]^式⑴； L1 、^ 1
V.
[0076] 即可同時得出低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度〇Y與斷裂韌度Kc。
[0077] 參見圖6,由實(shí)施例試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂韌 度?？紤]屈服區(qū)的影響時，采用本發(fā)明方法確定的低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度σ Υ = 514.5-525.2MPa，與其安陽鋼鐵股份有限公司的產(chǎn)品質(zhì)量證明書(編號：20150820148)給出的屈服 強(qiáng)度〇Y=520MPa吻合良好。平面應(yīng)力條件下的Kc = 65.9MPa · m1/2-70.8MPa · m1/2。
[0078] 實(shí)施例1中試驗(yàn)確定的低合金高強(qiáng)鋼的〇Y與Kc數(shù)據(jù)如下表1所示。
[0079] 表1實(shí)施例1中試驗(yàn)確定的低合金高強(qiáng)鋼的σγ與Kc
[0080]
[0081]對所公開實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些 實(shí)施例的多處修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，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原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其特征在于，包括下 列步驟： (1) 使用低合金高強(qiáng)度鋼加工制作一定數(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為試件有效長度； (2) 采用線切割工藝對步驟（1)所得試件分別切出裂縫，裂縫長度為ao,試件的縫高比α =ao/W在0.1~0.7的范圍內(nèi)取值;從中選取5~巧中不同縫高比的試件，每種縫高比對應(yīng)2~ 5個試件； (3) 在普通的拉力試驗(yàn)機(jī)或者萬能試驗(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)過程中記錄每個試件的屈服荷載P; (4) 基于步驟(3)所得的每個試件的屈服荷載，計(jì)算出每個試件的名義強(qiáng)度曰η; (5) 計(jì)算出每個試件的等效裂縫長度ae; (6) 將步驟(4)、步驟(5)所得的不同的On與ae值，帶入下式（1)進(jìn)行回歸分析，即可同時 得出低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度σγ與斷裂初度Kc，其中，Kg為試件的斷裂初度，On為試件的名義強(qiáng)度，ae為試件的等效裂縫長度，P為試件 的屈服荷載，σγ為試件的屈服強(qiáng)度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(4)中，由下式(2)計(jì)算出每個試件的名義強(qiáng)度曰η，其中，Ρ為試件的屈服荷載;Β為試件厚度;a日為初始裂縫長度，Δ ap為裂縫尖端塑性區(qū)長 度，λ為應(yīng)力分布形狀影響系數(shù)，λ = 0.90-0.85。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(5)中，每個試件的等效裂縫長度ae由下式(3a)~(3d)計(jì)算，其中，a日為初始裂縫長度;α為縫高比;W為試件高度;Α(α)為試件的幾何形狀影響系數(shù);λ 為應(yīng)力分布形狀影響系數(shù)，λ = 0.95-0.85;Υ(α)為計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子所對應(yīng)的幾何影響因 子。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其 特征在于，所述步驟（1)中試件的寬度W為30mm~50mm，有效長度L為50mm~70mm，試件厚度 試件厚度B為5~15mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其 特征在于，所述步驟(2)中的裂縫寬度小于0.25mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(2)中，所述縫高比α = 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所述的同時測定低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(1)中，制作的試件個數(shù)為10~35個。
【文檔編號】G01N3/08GK105973701SQ201610278370
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】管俊峰, 姚賢華, 胡曉智, 白衛(wèi)峰, 周密, 卿龍邦, 謝超鵬, 王強(qiáng), 韓霄羽
【申請人】華北水利水電大學(xué)