一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的方法

摘要

本发明介绍了一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的新方法。采用双引伸计测定两个张开位移，利用三角形关系，计算得到紧凑拉伸试验的裂纹尖端张开位移CTOD，再计算每一载荷下的CTOD值及其相应的名义应力，得到了名义应力σ与CTOD的关系，即得到了紧凑拉伸试验的CTOD设计曲线。本发明的断裂参量测试方法简单易行、数据处理简单；临界CTOD值精度高，不受其它参数如强度、杨氏模量、旋转因子、载荷等的测试精度影响；数据全面，可得到试验加载全程的CTOD数据；信息量大，可获得实际板厚条件下的紧凑拉伸试验的CTOD设计曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料断裂韧性测试技术领域技术，特别是一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的方法。

背景技术

裂纹尖端张开位移（下文简称“CTOD”，表示为“δ”）以及CTOD设计曲线是弹塑性断裂力学中的重要参量，广泛应用于金属构件的安全可靠性评估。

目前，针对紧凑拉伸试样的临界CTOD值的测量方法主要有：柔度法、剖面法、显微镜直接测量法。柔度法试验周期短，在实际操作中得到了广泛的应用，但测试精度较低；剖面法和显微镜直接测量法精度高，但由于切片的制作复杂导致试验周期长，未得到广泛的应用。

（1）柔度法

《Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness》和《GB/T 21143-2007 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》规定采用柔度法测量CTOD值。柔度法是根据特征载荷P、张开位移塑性分量V_p、裂纹长度a和材料参数（屈服强度R_p0.2、弹性模量E），利用柔度法推导得到的计算公式计算CTOD值。该方法操作简单方便，试验周期短，但由于旋转因子r采用了统一的推荐值，并未考虑材料强度、试样尺寸和裂纹长度的影响，会影响到临界CTOD值的计算精度，同时计算精度也受屈服强度R_p0.2和弹性模量E测试误差的影响。

（2）剖面法

标准《GB/T 21143-2007 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》的附录J中推荐采用剖面法测定CTOD值。剖面法是将卸载后的试样切片，在放大倍数为30~50倍的显微镜下直接测量裂纹尖端的张开位移，该方法原理简单、测试精度高，但由于是测试卸载后的裂纹尖端张开位移，测量值只是CTOD值的塑性部分δ_p，且切片制备过程操作复杂，试验周期长，不适用于大范围的应用。

（3）显微镜直接测量法

文献《A method for the metallographical measurement of the CTOD at cracking initiation and the role of reverse plasticity on unloading》提出了一种采用显微镜直接测量裂纹尖端张开位移的方法，该法的操作与剖面法一致，只是测试的位置有所区别，该方法测试精度高，但存在与剖面法相同的不足。

目前，CTOD设计曲线主要有基于D-B模型的设计曲线、Wells和Burdekin等人提出的设计曲线、CVDA-84及JWES2805等标准中基于试验测得的设计曲线、美国电力研究院提出的EPRI方法设计曲线。D-B模型设计曲线基于一定假设，适用范围较小（σ<0.6σs）；Wells、Burdekin、CVDA-84及JWES2805设计曲线是基于试验经验的设计曲线，精度较差；EPRI方法提出的设计曲线是基于有限元方法计算得到，精度较高，但计算难度大，且未考虑实际板厚的影响，不能给出实际厚度下的CTOD设计曲线。

（1）D-B模型设计曲线

D-B模型设计曲线是以真实裂纹长度与塑性区半径作为有效裂纹长度，由卡氏定理求解得到裂纹尖端张开位移。D-B模型设计曲线在理论求解时，忽略了材料硬化效应，适用范围较小，且只适用于受拉伸的中心开裂平板。

（2）Wells、Burdekin、CVDA-84和JWES2805设计曲线

Wells、Burdekin等人使用应变片测试了标称应变与CTOD的关系，并得出了不同的设计曲线。Wells等人的设计曲线是基于大量试验得到的，在理论分析上并不成功。CVDA-84及JWES2805等标准采用了Wells等人试验中得到的较为保守的结果作设计曲线。这些设计曲线过均基于试验，缺乏理论支持，计算结果过于保守、且只适用于受拉伸的中心开裂平板。

（3）EPRI设计曲线

EPRI设计曲线采用有限元方法计算得到J积分，并依据J积分与CTOD的关系计算得到CTOD设计曲线。EPRI设计曲线精度高，适用于紧凑拉伸试验，但计算难度大，且未考虑实际板厚的影响，不能给出实际板厚下的设计曲线。

针对紧凑拉伸试样，还未有能同时精确测定临界CTOD值和实际厚度条件下的CTOD设计曲线测试方法的公开报道，也未有相应的专利公布。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的方法，操作简单且能够精确测量临界CTOD值和实际厚度条件下CTOD设计曲线。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的方法，所述的参量为临界CTOD值以及CTOD设计曲线，CTOD即裂纹自由表面各点实测张开位移曲线中直线部分外推到裂纹尖端所得到的张开位移，特征在于：同时采用两个引伸计分别测量裂纹所在平面不同的两点处的位移，该两处位移分别表示为V₁、V₂，利用整个加载过程中三角形关系恒成立的原理，计算得到每一载荷下的CTOD值及相应的名义应力，得到了名义应力σ与裂纹张开位移δ的关系曲线，即CTOD设计曲线，σ表示单位厚度的外加载荷与未开裂韧带宽度的比值，具体测量方法为：

1）采用双引伸计测定P-V曲线即载荷-位移曲线上最大载荷点对应的两个张开位移V₁、V₂，利用三角形关系，计算得到紧凑拉伸试验的CTOD临界值，CTOD临界值即 P-V曲线上最大载荷点对应的CTOD值：

                                                                              （1）

公式中，δ为裂纹张开位移，也是CTOD，a为裂纹长度，h为第二引伸计距试样表面的距离，V₁、V₂分别为两个引伸计测得的张开位移；第一引伸计为距裂纹尖端较近的引伸计，第二个引伸计为距裂纹尖端较远的引伸计；

2）采用双引伸计测得每一个载荷下的V₁、V₂值，并带入（1）式计算每一载荷下的CTOD值及相应的名义应力σ，σ计算式如式（2）所示，得到了名义应力σ与相应的CTOD的系列数据点，对数据点采用最小二乘法拟合，去拟合（3）式中的指数函数的参数c、d，即得到紧凑拉伸试验的CTOD设计曲线；

                                    (2)

公式中，σ为名义应力，P为载荷，B为试样的厚度，W为试样宽度，a为裂纹长度；

                                          （3）

公式中，δ为CTOD值，σ为名义应力，c和d为指数函数参数。

本专利的测试原理在于：紧凑拉伸试验双引伸计测试CTOD的试验过程中同时采用两个引伸计分别实时记录裂纹所在平面两个不同位置的张开位移V₁、V₂随载荷的变化；利用三角形相似计算裂纹尖端张开位移CTOD，根据三角形相似原理可得到：

推导得出裂纹尖端张开位移CTOD的表达式：

其中：δ——裂纹尖端张开位移

V₁、V₂——两个引伸计分别测得的张开位移

a——裂纹长度

h——第二个引伸计距试样表面的距离

W——试样的宽度

r（W-a）——塑性铰链机构转动中心距裂纹尖端的距离

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

测试所得临界CTOD值与柔度法相比，测量精确度高、数据处理简单；与剖面法和显微镜直接测量法相比，试验周期短，操作简单。测试所得CTOD设计曲线位于EPRI计算所得平面应力与平面应变设计曲线之间，得到了实际厚度下的设计曲线。

本发明的断裂参量测试方法简单易行、数据处理简单；临界CTOD值精度高，不受其它参数如强度、杨氏模量、旋转因子、载荷等的测试精度影响；数据全面，可得到试验加载全程的CTOD数据；信息量大，可获得实际板厚条件下的紧凑拉伸试验的CTOD设计曲线。

附图说明

图1为紧凑拉伸试验双引伸计测试CTOD示意图。

图中，1-第一引伸计，2-第二引伸计。试验过程中同时采用两个引伸计分别实时记录裂纹所在平面两个不同位置的张开位移V₁、V₂随载荷的变化。

图2是利用三角形相似计算裂纹尖端张开位移CTOD的原理图。

图3是紧凑拉伸试验的P-V曲线，即载荷-位移曲线。

图4是紧凑拉伸试验的CTOD设计曲线，即σ-δ曲线。

图5是实测设计曲线与EPRI方法计算的设计曲线的比较。

具体实施方式

实施例1

采用双引伸计方法测试了船体结构钢A36钢板的断裂参量，紧凑拉伸试样尺寸为20mm×50mm×48mm，预制疲劳裂纹长度为27.86mm，两个引伸计分别夹持在试样表面和距试样表面25mm的位置。该钢板的力学性能如下：屈服强度380MPa，抗拉强度530MPa，断面收缩率74.5%，断后延伸率33%，弹性模量217GPa。

两个引伸计同时记录测试两点的张开位移V₁、V₂，加载至最大载荷时停机，测量得到的载荷-位移曲线如图3所示。两个引伸计分别测得最大载荷点所对应的张开位移V₁、V₂分别为2.23mm和3.72mm。将测试值带入式（1）计算得到临界CTOD值为0.570mm。测得每一载荷下的V₁、V₂值并计算相应的CTOD值及其相应的名义应力σ的系列数据点，系列数据点连线得紧凑拉伸试验的CTOD设计曲线如图4所示，对图4中的曲线的典型数据点采用最小二乘法进行拟合，得到指数函数的参数c、d分别为1.09和15.6，将参数带入（3）式得到CTOD设计曲线公式，如（3-2）式所示：   

                     （3-2）

表1为CTOD设计曲线典型数据点。

表1  CTOD设计曲线典型数据点

σ（Mpa）80838588909395δ（mm）0.00530.00940.013690.02350.03340.05570.0776σ（Mpa）98100103105106108110δ（mm）0.12610.17280.27390.37000.42870.57390.7641

   根据柔度法计算得到CTOD值为0.608mm，显微镜直接测量法实测CTOD值为0.577，计算结果和柔度法、显微镜法测试结果对比如表2所示。柔度法与显微镜法实测值的偏差为6.6%，而双引伸计法测试值与显微镜法实测值偏差降为1.2%。

表2双引伸计方法、国标法及显微镜测量法δ测试结果对比

根据EPRI方法计算分别得到平面应变和平面应力条件下的紧凑拉伸试验CTOD设计曲线如式（3-3）和式（3-4）所示。对于紧凑拉伸试样，比较EPRI方法计算得到的CTOD设计曲线和双引伸计法测试得到的CTOD设计曲线，如图5所示：测试得到的CTOD设计曲线介于由EPRI方法计算得到的平面应力与平面应变设计曲线之间。

（平面应变）        （3-3）

（平面应力）        （3-4）