由结构屈服荷载确定铝合金材料的平面应力断裂韧度及屈服强度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种由结构屈服荷载确定铝合金材料的平面应力断裂韧度及屈服强度的方法，包括使用铝合金材料加工制作试件、切出裂缝、按金属材料拉伸试验方法加载试件、基于试验实测的外荷载—位移全曲线来确定试件的结构屈服荷载，计算等效裂缝长度等步骤，最后通过对试验数据的回归分析，同时得出铝合金材料在平面应力情况下的断裂韧度KC和屈服强度σY。本发明只需由小尺寸带裂缝的单向板的拉伸试验，初始裂缝加工方法简便，而且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，减少试验强度和成本。
【专利说明】
由结构屈服荷载确定铝合金材料的平面应力断裂韧度及屈服 强度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属材料性能检测技术领域，具体涉及一种由结构屈服荷载确定错合 金材料的平面应力断裂韧度及屈服强度的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，对于进行金属材料的屈服强度和拉伸强度的测试，需将试件加工成一定型 式，并对其表面进行刨光等处理措施。目的是去除其表明存在的一定微观缺陷。而若直接对 未加工和表面处理的金属材料试件进行测试，由于缺陷的存在会降低其实际材料性能，则 其实测的屈服强度和拉伸强度都偏低于其真实情况。比如，通过试验发现：（1)Q235B钢材的 实际屈服强度和拉伸强度分别是330MPa和450MPa，而未表面处理的Q235B-组钢板拉伸试 验得到的屈服强度和拉伸强度分别是283-292MPa和431-438ΜΡ &(5(2)〇345Β钢材的实际屈服 强度和拉伸强度分别是515MPa和595MPa，而未表面处理的Q345B-组钢板拉伸试验得到的 屈服强度和拉伸强度分别是342-371MPa和509-531ΜΡ &<3(3)6010铝合金的实际屈服强度和 拉伸强度分别是273MPa和320MPa，而未表面处理的6010铝合金拉伸试验得到的屈服强度和 拉伸强度分别是202MPa和291MPa。
[0003] 而且现有技术中对于铝合金材料的断裂韧度的确定，试件尺寸须满足大于的一定 条件。比如，中华人民共和国国家标准一《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一《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都需大于等于
：为平面应变情况下的金属断裂韧度， σγ为金属的屈服强度。
[0004] 另外更加加重试验操作难度的是需要疲劳试验来形成试件的初始裂纹，而且在进 行金属断裂韧度测试试验中，需要对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统等都有严格 限制，疲劳试验机的必须性参与，使得试验试件的制作成本和试验工作量大为增加。
[0005]还需要说明的是，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。而实际工程中铝合金 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，则在铝合金裂纹稳 定性分析与控制研究中，以应用更为广泛。
【发明内容】
[0006] 本发明提出一种由带裂缝试件的结构屈服荷载确定铝合金材料的平面应力断裂 韧度及屈服强度的方法，可有效解决目前铝合金断裂韧性和屈服强度的测试难题，其试验 条件要求宽松，方法简单，易于操作实施，且试验成本低，易于推广实施。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0008] 设计一种由结构屈服荷载确定铝合金材料的平面应力断裂韧度及屈服强度的方 法，包括下列步骤：
[0009] (1)将待测铝合金材料制成数个尺寸为W X B X L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；
[0010] (2)对步骤（1)所得试件的一侧分别切出裂缝，裂缝长度为a，各试件的缝高比α = a/W在0.1-0.7之间离散取值，一般要求至少取5个不同的值；
[0011] (3)步骤(2)所得试件分别按照常规方法进行拉伸试验至试件断裂破坏，并记录每 个试件的外荷载一位移全曲线；
[0012] (4)对每个试件的外荷载一位移全曲线进行常规分析：按照常规方法除去外荷 载一位移全曲线的试验机器影响区域，并确定出外荷载一位移全曲线的线弹性变化区域， 对该区域做切线，与全曲线的交点即相应试件的屈服荷载Py;
[0013] (5)基于步骤(4)所得的每个试件的屈服荷载Ργ，计算出相应试件的名义强度ση;
[0014] (6)计算出每个试件的等效裂缝长度;
[0015] (7)将步骤(5)、步骤(6)所得的不同的〇11与&過，代入下式（1)进行回归分析，即可 同时得出铝合金平面应力情况下的断裂韧度Kc和屈服强度σγ，
[0017] 其中，〇n为试件的名义强度，ΡΥ为试件实测屈服荷载，ae为试件的等效裂缝长度，Kc 为铝合金材料的断裂韧度，σ γ为铝合金材料的屈服强度。
[0018] 所述步骤(5)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度〇n，
[0020] 式中，Ργ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;λ为实际应力分布影响系数，可根据常规试验结果统计得来，一般在0.65-0.85 之间根据实际情况按常规方法离散取值；A ap为试件屈服时对应的屈服区真实长度。
[0021] 所述步骤(6)中，每个试件的等效裂缝长度ae由下式(3a)~(3d)计算：
[0026] 其中，a为初始裂缝长度;α为缝高比;Β(α)为结构形状系数;λ为实际应力分布影响 系数，可由常规试验结果统计得来，一般在0.65-0.85之间根据实际情况按常规方法离散取 值;Υ( α)为几何结构影响参数。
[0027] 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Β 为4~8mm〇
[0028] 所述步骤(2)中的裂缝宽度小于0.25mm。
[0029] 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。
[0030] 所述步骤(2)中，采用线切割工艺对每个试件切出裂缝。
[0031] 所述步骤(3)中，采用普通的拉力试验机或者万能试验机，按照金属材料拉伸试验 方法对每个试件进行拉伸。
[0032]本发明的有益技术效果在于：
[0033] 1.直接基于实测的结构试件的外荷载一位移全曲线上的线弹性阶段，通过做切 线，与外荷载一位移全曲线的交点，来确定带裂缝试件的结构屈服荷载，然后由结构屈服荷 载推算出材料屈服强度。
[0034] 2.试验采用小尺寸结构试件，不需要对其表面进行切削等处理，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。
[0035] 3.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，简化了试验成本和难度。
[0036] 4.试验试件的厚度可低于现有技术中的试验要求，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铝合金材料的断裂韧度Kc。
【附图说明】
[0037] 图1为【具体实施方式】中所述试件的结构示意图；
[0038] 图2为实施例1中所述试件的实测荷载-变形全曲线；
[0039] 图3为试件的实测屈服荷载确定铝合金材料的断裂韧度和屈服强度的示意图；
[0040] 图4为缝高比α = 0.3试件的实测外荷载一位移曲线确定其屈服荷载的示意图；
[0041] 图5为缝高比α = 0.6试件的实测外荷载一位移曲线确定其屈服荷载的示意图； [0042]图6为Δ ap = 2mm，X = 〇.75时，由实施例1所得数据回归确定铝合金材料的断裂韧 度和屈服强度；
[0043]图7为Δ ap = 4mm，λ = 〇. 75时，由实施例1所得数据回归确定铝合金材料的断裂韧 度和屈服强度；
[0044] 注，图1中标注为:未处理表面1，初始裂缝2。
【具体实施方式】
[0045] 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。
[0046]参见图1，将待测铝合金材料制作相同尺寸W而不同裂缝长度a的试件，试件宽度W 为30mm-50mm，试件有效长度L为50mm-70mm，试件厚度B为4mm-8mm，保证试件受力处于平面 应力条件。其中试件上单边初始裂缝的形成采用线切割工艺，裂缝宽度小于〇.25_。
[0047] 实施例1:采用6061错合金材料加工制作七组试件，试件尺寸为：W = 40mm，B = 6.1mm，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 艺对每个试件分别切出初始裂缝，初始裂缝宽度小于0.20_，七组试件的缝高比a/W分别为 0·1，0·2,0·3,0·4,0·5,0·6,0·7〇
[0048] 在拉力试验机上，按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)规范中规定速率进行匀速加载至试件断裂破坏。试验过程中记录每个带裂缝试件的 外荷载一位移全曲线，参见图2。由试件的结构性能(实测屈服荷载)确定铝合金材料的材料 性能（断裂韧度和屈服强度），即由每个试件的结构屈服荷载Ρυ，通过本发明给出的弹塑性 理论公式（1)~式(3)，参见图3,即可确定铝合金的材料特性一断裂韧度和屈服强度，数据 详见表1-2。
[0049] 所述试件屈服荷载Ργ的计算方法如下：
[0050] 按常规方法对每个带裂缝试件的外荷载一位移全曲线进行分析:除去外荷载一位 移全曲线的试验机器影响区域，确定出外荷载一位移全曲线的线弹性变化区域，对该区域 做切线，与全曲线的交点即每个试件的屈服荷载Ργ。
[0051] 以下分别以缝高比α = 0.3和缝高比α = 0.6的试件为例加以说明：
[0052]如图4所示，实测的缝高比α = 0.3的铝合金试件的外荷载一位移全曲线，其实测的 外荷载一位移全曲线的线弹性阶段的上升段，大致可分为2个区域一试验机影响区域和结 构线弹性变形区域。当外荷载从〇开始增加的第1个区域，主要受到试验机器影响，试件的外 荷载一位移全曲线未能呈现线弹性状态。随着外荷载的不断增加，当试件与机器的相对滑 移与相对位移消失后，试件被牢牢加紧，试验曲线就会呈现出第2个区域一结构线弹性变形 区域。随着外荷载的不断增加，达到试件线弹性阶段的极限点，带裂缝试件的线弹性性质就 会转化为弹塑性性质，即结构屈服，带裂缝结构试件的外荷载一位移全曲线就会呈现非线 性变化。对处于线弹性变形区域的实测全曲线部分做切线，与全曲线的交点即试件的屈服 荷载Ργ。
[0053] 如图5所示，缝高比α = 〇. 6的铝合金试件的外荷载一位移全曲线，大致可分为2个 区域一试验机影响区域和结构线弹性变形区域。当外荷载从0开始增加的第1个区域，主要 受到试验机器影响，试件的外荷载一位移全曲线未能呈现线弹性状态。随着外荷载的不断 增加，当试件与机器的相对滑移或相对位移消失后，试件被牢牢加紧，试验曲线就会呈现出 第2个区域一结构线弹性变形区域。随着外荷载的不断增加，达到试件线弹性阶段的极限， 带裂缝试件的线弹性性质就会转化为弹塑性性质，即结构屈服。带裂缝结构试件的外荷 载一位移全曲线就会呈现非线性变化。对处于线弹性变形区域的全曲线做切线，与全曲线 的交点即试件的屈服荷载Ργ。
[0054] 表1各组试件尺寸及实测结构屈服荷载
[0057]表2由不同试件的结构屈服荷载确定铝合金的断裂韧度和屈服强度
[0059]参见图6-7,由实施例试件试验数据回归确定6061铝合金材料的断裂韧度以和屈 服强度σγ。采用本发明方法确定的平面应力条件下的Kc = 35.84MPa · mV2-40.99MPa · mV2， 平均值为39MPa · m1/2。由现有的公知技术可得，该6061铝合金材料平面应变情况下的断裂 韧度KIC = 29MPa · mV2,平面应力情况下的断裂韧度以大于平面应变情况的断裂韧度KIC，KC 的数值在40MPa · m1/2左右，因此采用本发明方法得到的KC较为合理。采用本发明方法确定 的屈服强度σ Υ = 261.75MPa-279.45MPa，平均值为27 IMPa。由现有的公知技术可得，该6061 铝合金材料的屈服强度为276MPa，与采用本发明方法确定的屈服强度吻合良好。
[0060]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. 一种由结构屈服荷载确定铝合金材料的平面应力断裂韧度及屈服强度的方法，其特 征在于，包括下列步骤： (1) 将待测铝合金材料制成数个尺寸为W X B X L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) 对步骤（1)所得试件的一侧分别切出裂缝，裂缝长度为a，各试件的缝高比a = a/W在 0.1-0.7之间离散取值； (3) 步骤(2)所得试件分别进行拉伸试验至试件断裂破坏，并记录每个试件的外荷载一 位移全曲线； (4) 对每个试件的外荷载一位移全曲线进行分析:按照常规方法除去外荷载一位移全 曲线的试验机器影响区域，并确定出外荷载一位移全曲线的线弹性变化区域，对该区域做 切线，与全曲线的交点即相应试件的屈服荷载Py ; (5) 基于步骤(4)所得的每个试件的屈服荷载Ργ，计算出相应试件的名义强度〇n; (6) 计算出每个试件的等效裂缝长度 (7) 将步骤(5)、步骤(6)所得的不同的〇11与&(3值，代入下式（1)进行回归分析，即可同时 得出铝合金平面应力情况下的断裂韧度Kc和屈服强度σγ，其中，ση为试件的名义强度，ΡΥ为试件实测屈服荷载，ae3为试件的等效裂缝长度，K c为铝 合金材料的断裂韧度，σγ为铝合金材料的屈服强度。2. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，在所述步骤(5)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度 〇n，-式（2) 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；Aap为试件屈服时对应的屈服区真实长度。3. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，在所述步骤(6)中，每个试件的等效裂缝长度由下式(3a)~(3d)计算：-式(3d)..; 其中，a为初始裂缝长度;α为缝高比；Β(α)为结构形状系数;λ为实际应力分布影响系 数;Υ( α)为几何结构影响参数。4. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，在所述步骤（1)中，试件的宽度W为30mm~50mm，有效长度L为50mm~70mm， 试件厚度B为4~8mm。5. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，所述步骤(2)中的裂缝宽度小于0.25_。6. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述各试件的缝高比a = a/W依次取值为0.1，0.2，0.3， 0.4，0.5，0.6,0.7。7. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，在所述步骤(2)中，采用线切割工艺对每个试件切出裂缝。8. 根据权利要求1所述的测定铝合金材料平面应力条件下断裂韧度及屈服强度的方 法，其特征在于，在所述步骤(3)中，采用普通的拉力试验机或者万能试验机，按照金属材料 拉伸试验方法对每个试件进行拉伸。
【文档编号】G01N3/08GK106018083SQ201610343404
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】管俊峰, 白卫峰, 姚贤华, 胡晓智, 王娟, 谢超鹏, 王强, 钱国双, 韩霄羽
【申请人】华北水利水电大学