测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，包括使用热轧碳素钢加工制作试件、切出裂缝、按金属材料拉伸试验方法加载试件、计算试件的屈服荷载和等效裂缝长度等步骤，最后回归分析得出碳素钢平面应力情况下的断裂韧度KC。本发明只需由小尺寸单向板的拉伸试验测得的屈服荷载，即可确定碳素钢平面应力条件下的断裂韧度KC。不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定，不需要预制疲劳裂纹。
【专利说明】
测定热轧碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属材料性能检测技术领域，具体涉及一种测定热乳碳素钢平面应力 条件下断裂韧度的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，国内外现行的金属材料性能测试规范中，对于测定金属材料断裂韧性，测试 试件的尺寸大小有严格规定，试件的裂缝长度a、试件厚度B及韧带高度W-a都须大于一定数 值。比如，中华人民共和国国家标准--《金属材料平面应变断裂韧度K IC试验方法》(GB/T 4161-2007)、中华人民共和国国家标准--《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》 (GB/T 21143-2007)、美国ASTM E399规范、欧洲BS EN ISO规范，等规范中，规定测试试件的 厚度B，裂纹长度a，韧带尺寸W-a均需满足下式：
[0004] 其中，KIC为平面应变情况下的金属断裂韧度，〇Y为金属的屈服强度。若采用预估尺 寸进行试验，测得指标不满足尺寸规定，还需重新确定试件尺寸进行试验。举例，目前市面 上常用的热乳Q235碳素钢材的断裂韧度Kk约估为50-100MPa ? mV2,〇Y约为250-350MPa，则 由式（1)可得试件尺寸W需大于700-2000mm，同时，a与B需大于350-1000mm。这种情况下，普 通实验室条件下该试验几乎不可能实现，因此Q235碳素钢断裂韧度值很难得到，目前公开 文献中很少报道Q235碳素钢的断裂韧度Kic。
[0005] 另外，对于进行断裂韧度测试所用的金属试件初始裂纹的形成，需要进行疲劳试 验。则对实验室的试验条件要求较高，须有疲劳试验机，大大增加了试验的难度与工作量。 并且，进行金属断裂韧度测试试验中，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统等都有严 格限制。使得试验试件的制作成本和试验工作量大为增加。
[0006] 还须说明，目前国内外测试规范中仅能确定金属材料平面应变断裂韧度KIC，而平 面应力下的金属断裂韧度Kc的断裂韧度测试方法还未给出。而实际工程中钢结构的厚度都 较薄，其裂缝断裂平面应变的情况要少于平面应力情况，则在碳素钢裂纹稳定性分析与控 制研究中，Kc应用更为广泛。
【发明内容】
[0007] 目前，测定碳素钢材的断裂韧度需要的试件尺寸较大，普通实验室条件下很难完 成试件的加工和测试工作。为克服现有测定方法的不足，本发明提出一种确定碳素钢平面 应力条件下断裂韧性的测试方法，可解决目前碳素钢断裂韧性的测试难题。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0009] 设计一种测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，包括下 列步骤：
[0010] (1)使用热乳碳素钢加工制作一定数量的尺寸均为WXB XL的单边拉伸试件，其 中，W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度；
[0011] (2)采用线切割工艺对步骤(1)所得试件分别切出裂缝，裂缝长度为a，试件的缝高 比a = a/W在0.1~0.7的范围内取值;从中选取5~7种不同缝高比的试件，每种缝高比对应2 ~5个试件;其中缝高比a的取值方式为:随机取值、均态分布；
[0012] (3)在普通的拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，按金属材料拉伸试验 方法加载到试件断裂破坏，试验过程中记录每个试件的屈服荷载；
[0013] (4)基于步骤(3)所得的每个试件的屈服荷载，计算出每个试件的名义强度〇n;
[0014] (5)计算出每个试件的等效裂缝长度ae;
[0015] (6)将步骤(4)、步骤(5)所得的不同的〇11与&(5值，带入下式（1)进行回归分析，即可 得出碳素钢平面应力情况下的断裂韧度Kc，
--式⑴；
[0017] 其中:KC为试件的断裂韧度;〇n为试件的名义强度;为试件的等效裂缝长度;PY为 试件实测屈服荷载;〇y为试件的屈服强度。基于式（1)，由试件尺寸和试验实测数据分别确 定~与〇- |丨(/3、.）后，由线性回归分析，即可同时得到未知量内与&。
[0018] 优选的，在所述步骤(4)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度〇n，
-式⑵
[0020]式中，PY为试件实测屈服荷载;B为试件厚度;a为初始裂缝长度；Aap为裂缝尖端的 屈服区长度必为实际应力分布影响系数，A = 〇. 95-0.85。
[0021 ]优选的，每个试件的等效裂缝长度由下式(3a)~(3d)计算：
[0026] 其中，a为初始裂缝长度;a为缝高比；B(c〇为形状系数;A为实际应力分布影响系 数，人= 0.95_0.85;Y(a)为几何影响参数。
[0027] 优选的，所述步骤（1)中试件的宽度W为30mm~50mm，有效长度L为50mm~70mm，试 件厚度试件厚度B为4~8mm。
[0028] 优选的，所述步骤(2)中的裂缝宽度小于0.25_。
[0029] 优选的，在所述步骤(2)中，所述缝高比a = aQ/W的取值依次为0.1,0.2，0.3,0.4， 0.5,0.6,0.7〇
[0030]优选的，在所述步骤(1)中，浇筑的试件个数为10~35个。
[0031]本发明的有益效果在于：
[0032] 1.试验采用小尺寸试件，试件尺寸不需满足现有规范测定断裂韧度时，对于试件 的高度、厚度、初始裂缝长度等都要大于一定数值的严格要求，从而使得测定碳素钢的断裂 韧性成为可能。
[0033] 2.对于断裂韧性试验的初始裂纹的形成，不需采用疲劳试验形成，而只需采用线 切割技术切缝。大大降低了加工试件裂缝的难度，减轻了相应的工作量。
[0034] 3.试验试件的厚度可较薄，不需满足现有规范平面应变条件，并可得出应用范围 更为广泛的平面应力条件的热乳碳素钢的断裂韧度Kc。
[0035] 4.采用单边拉伸试件，而不需采用现行规范测定断裂韧度所用的三点弯曲梁试件 和楔入劈拉试件型式等，试件加工和试验加载设备得到了简化。
[0036] 5.本发明方法形式简单，试验易操作，具有足够精度，且易判断结果合理性。该方 法只需由小尺寸单向板的拉伸试验测得的屈服荷载，即可确定碳素钢平面应力条件下的断 裂韧度Kc。不需要满足现行国内外规范对试验试件尺寸、型式，加载条件等的严格规定。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明所用试件的形状示意图；
[0038] 图2为实施例1中所用的试件尺寸示意图；
[0039] 图3为实施例1中试件实测荷载-变形全曲线，其中，a为实测外荷载-变形全过程曲 线;b为屈服荷载时刻的外荷载-变形曲线。
[0040] 图4为由实施例1试验数据回归确定的平面应力条件下的断裂韧度。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和实施例来说明本发明的【具体实施方式】，但以下实施例只是用来详 细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以下实施例中所涉及的一些步骤或方 法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所涉及的材料、仪器设备，如无特别说明，均为 常规材料和仪器设备。
[0042] 本发明试验所用单边拉伸试件的示意图参见图1，制作相同尺寸W而不同裂缝长度 a的单边拉伸板试件时，试件宽度W推荐取30mm-50mm，试件有效长度L推荐取50mm-70mm。试 件厚度B推荐取4_-8_，使得试件受力处于平面应力条件。其中初始裂缝a的形成须用线切 割工艺，裂缝宽度小于〇.25_，而不需要进行疲劳试验形成疲劳裂纹。
[0043]实施例1:采用热乳Q235B碳素钢加工制作单边拉伸试件，参见图2,试件尺寸为:W = 40mm，B = 5mm，L = 60mm，试件弧型段高度为20mm，矩形夹持端的尺寸为:70mm X 80mm。采用 线切割工艺对所得试件分别切出裂缝，裂缝宽度小于0.20_。制作试件的缝高比a/W = 0.1， 0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,每组缝高比制作5个试件，共计7组35个试件。
[0044] 参见图3,试验按《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T228.1-2010) 等规范中规定速率进行匀速加载，一直加载到试件断裂破坏。试验过程中记录每个试件的 屈服荷载。
[0045] 在试验试件屈服前，用相机进行连续拍照，捕捉裂缝尖端的屈服区长度。实施例中 实测试件屈服区长度在范围变化。
[0046] 参见图4,由实施例试件试验数据回归确定热乳Q235B碳素钢的断裂韧度Kk。平面 应力条件下的Kc = 68.83MPa ? m1/2-83.04MPa ? m1/2。
[0047] 具体实测试验数据如下表1、表2所示。
[0048]表1试验试件尺寸及实测数据
[0050] 表2试验确定Q235钢的Kc
[0052]对所公开实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多处修改对本领域技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在 不脱离发明的精神或范围的前提下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不限制于本文所 显示的这些实施例，而是要符合与本文公开原理和新颖特点相一致的最宽范围。
【主权项】
1. 一种测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在于，包括下列步骤： (1) 使用热乳碳素钢加工制作一定数量的尺寸均为WXBXL的单边拉伸试件，其中，W为 试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度； (2) 采用线切割工艺对步骤（1)所得试件分别切出裂缝，裂缝长度为a，试件的缝高比α = a/W在0.1~0.7的范围内取值;从中选取5~7种不同缝高比的试件，每种缝高比对应2~5 个试件； (3) 在普通的拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，按金属材料拉伸试验方法 加载到试件断裂破坏，试验过程中记录每个试件的屈服荷载； (4) 基于步骤(3)所得的每个试件的屈服荷载，计算出每个试件的名义强度〇n; (5) 计算出每个试件的等效裂缝长度 (6) 将步骤(4)、步骤(5)所得的不同的〇11与&(3值，带入下式（1)进行回归分析，即可得出 碳素钢平面应力情况下的断裂韧度Kc，其中：KC为试件的断裂韧度;〇n为试件的名义强度;为试件的等效裂缝长度;Ργ为试件 实测屈服荷载;σγ为试件的屈服强度。2. 根据权利要求1所述的测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在 于，在所述步骤(4)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度 〇n，式中，Py为试件实测屈服荷载;B为试件厚度;a为初始裂缝长度；△ aP为裂缝尖端的屈服 区长度;λ为实际应力分布影响系数，λ = 〇. 95-0.85。3. 根据权利要求1所述的测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在 于，在所述步骤(5)中，每个试件的等效裂缝长度由下式(3a)~(3d)计算：其中，a为初始裂缝长度;α为缝高比;Β(α)为形状系数;λ为实际应力分布影响系数，λ = 0.95-0.85; Υ(α)为几何影响参数。4. 根据权利要求1所述的测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在 于，所述步骤⑴中试件的宽度W为30mm~50mm，有效长度L为50mm~70mm，试件厚度试件厚 度B为4~8mm。5. 根据权利要求1所述的测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在 于，所述步骤⑵中的裂缝宽度小于〇. 25_。6. 根据权利要求1所述的测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在 于，在所述步骤(2)中，所述缝高比a = a/W的取值依次为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7。7. 根据权利要求1所述的测定热乳碳素钢平面应力条件下断裂韧度的方法，其特征在 于，在所述步骤(1)中，浇筑的试件个数为10~35个。
【文档编号】G01N3/08GK105928784SQ201610231766
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】管俊峰, 胡晓智, 姚贤华, 谢超鹏, 白卫峰, 王强
【申请人】华北水利水电大学