测试薄壁管材环向断裂韧性的装置和测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种测试薄壁管材环向断裂韧性的装置和测试方法，所述装置包括圆盘形加持具、两个连接具和将加持具与连接具固定的固定销；所述加持具被分割成两个大小不相等的半圆片，每片半圆片上均形成有固定孔；所述连接具由连接柄和“ㄇ”型连接头组成；连接柄与连接头横梁的中心处固定；连接头的两侧壁上均形成销孔。所述方法包括以下步骤：（ⅰ）薄壁管材尺寸的测量；（ⅱ）装置的安装；（ⅲ）预制裂纹；（ⅳ）环向断裂韧性测试和（ⅴ）环向断裂韧性计算。本发明实现无损情况下预制环形试样裂纹，通过简单拉伸试验实现断裂韧性测试，避免了弯曲试样过程中带来的试样缺陷，可以准确、直接测试薄壁金属管材环向断裂韧性。
【专利说明】
测试薄壁管材环向断裂韧性的装置和测试方法
技术领域
[0001] 本发明属于一种试样向断裂韧性的实验装置，具体涉及一种测试薄壁管材环向断 裂韧性的装置和测试方法。
【背景技术】
[0002] 小直径薄壁金属管材作为主要结构件，受到环向应力作用，只有环向断裂韧性更 能真实反应真实受力情况。
[0003] 目前在薄壁金属管材的环向力学性能测试方面尚无标准可依，需要自行探索研 究，以往拉伸试验，均使用了存在弯曲的试样，试样在加载过程中，因弯距的产生而带入了 附加应力，严重影响了试验数据的准确性，也导致了无法准确判断生产工艺与力学性能之 间的规律，因此需要设计一种专用的小直径薄壁金属管材环向断裂韧性测试的实验装置。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种测试薄壁 管材环向断裂韧性的装置和测试方法。
[0005] 本发明的技术方案是： 一种测试薄壁管材环向抗拉强度的装置，包括圆盘形加持具、两个连接具和将加持具 与连接具固定的固定销;所述加持具被分割成两个大小不相等的半圆片，每片半圆片上均 形成有固定孔;所述连接具由连接柄和"n"型连接头组成;连接柄与连接头横梁的中心处 固定;连接头的两侧壁上均形成销孔。
[0006] 所述销孔的轴线与连接柄的轴线垂直。
[0007] 所述加持具置于两个"n"型连接头的间隙内。
[0008] 所述销孔圆心到连接头横梁的垂直距离大于固定孔到其所在半圆片边缘的最小 距离。
[0009] 薄壁管材环向断裂韧性的测试方法，其特征在于:包括以下步骤： (i)薄壁管材尺寸的测量 用数显卡尺测出薄壁管材的宽度a，精确到0.02mm;用千分尺测出薄壁管材的厚度b，精 确到0.005mm; (ii )装置的安装 将薄壁管材套于圆盘形加持具外部，薄壁管材与加持具之间涂抹润滑脂;将固定销依 次穿过连接头侧壁上的销孔和加持具上的固定孔，进而将连接具与加持具通过固定销固定 连接;连接柄装卡在疲劳试验机上，使薄壁管材工作段的中心置于与加载方向平行的位置； (iii)预制裂纹 在疲劳试验机上预制裂纹，疲劳频率小于100Hz，载荷比Pfmax/Pfmin=10,预制裂纹长度 控制在0.3W~0.35W之间，且使预制裂纹处置于加持具对开处，记录疲劳循环次数N; 针对环形试样 Pfmax = 6kN，Pfmin = 600N，片状试样 Pfmax = 3kN，Pfmin = 300N; (iv) 环向断裂韧性测试 在拉伸试验机上拉断薄壁管材，拉伸速度不大于lmm/min，薄壁管材断裂后，记录最大 载荷Pmax;薄壁管材断裂后，在读数显微镜下，测量裂纹长度2ac，精确到0.01mm; (v) 环向断裂韧性计算 薄壁管材环向断裂韧性Kc，按公式(1)计算即得薄壁管材的环向断裂韧性，
式中： Kc一平面应力断裂韧性，单位为MPa.mV2; 〇-应力，单位为MPa; a-裂纹长度，单位为 mm;F(a/w)-薄壁管材几何形状因子；
式中： F(ac；/W)-薄壁管材几何形状因子;a。一临界裂纹长度，单位为mm;w-薄壁管材宽度， 单位为mm。
[0010] 本发明的有益效果是： 本发明利用环形加持具可以实现无损情况下预制环形试样裂纹，通过简单拉伸试验实 现断裂韧性测试，避免了弯曲试样过程中带来的试样缺陷，可以准确、直接测试薄壁金属管 材环向断裂韧性;在使用监测设备情况下，如高速摄影机等可以记录试样裂纹扩展情况，本 装置还可以配合应变仪可记录样品应力的应变曲线。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明中加持具的结构示意图； 图3是本发明中连接具的结构示意图； 图4是图3中沿A-A向的剖面图。
[0012] 其中： 1加持具 2连接具 3固定销 4固定孔 5连接柄 6连接头 7销孔。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合说明书附图及实施例对本发明测试薄壁管材环向断裂韧性的装置和测 试方法进行详细说明： 如图1~4所示，一种测试薄壁管材环向抗拉强度的装置，包括圆盘形加持具1、两个连接 具2和将加持具1与连接具2固定的固定销3;所述加持具1被分割成两个大小相等的半圆片， 每片半圆片上均形成有固定孔4;所述连接具2由连接柄5和"n"型连接头6组成;连接柄5与 连接头6横梁的中心处固定;连接头6的两侧壁上均形成销孔7。
[0014] 所述销孔7的轴线与连接柄5的轴线垂直。
[0015] 所述加持具1置于两个"n"型连接头6的间隙内。
[0016] 所述销孔7圆心到连接头6横梁的垂直距离大于固定孔4到其所在半圆片边缘的最 小距离。
[0017] 薄壁管材环向断裂韧性的测试方法，包括以下步骤： (i)薄壁管材尺寸的测量 用数显卡尺测出薄壁管材的宽度a=35.10mm，精确到0.02mm;用千分尺测出薄壁管材的 厚度b=l. 5mm，精确到0.005mm; (ii )装置的安装 将薄壁管材套于圆盘形加持具1外部，薄壁管材与加持具1之间涂抹润滑脂;将固定销3 依次穿过连接头6侧壁上的销孔7和加持具1上的固定孔4,进而将连接具2与加持具通过固 定销3固定连接;连接柄5装卡在疲劳试验机上，使薄壁管材工作段的中心置于与加载方向 平行的位置； (iii) 预制裂纹 在疲劳试验机上预制裂纹，疲劳频率位10Hz，载荷最大力Pfmax=10000N，Pfmin=100N，预 制裂纹长度达到12mm，且使预制裂纹处置于加持具1对开处，记录疲劳循环次数为30000次； (iv) 环向断裂韧性测试 启动拉伸试验程序，拉伸速度为lmm/min，在拉伸试验机上拉断薄壁管材，薄壁管材断 裂后，记录最大载荷Pmax=25KN; 薄壁管材断裂后，在读数显微镜下，测量裂纹长度2ac=12.25mm，精确到0.01mm; (v) 环向断裂韧性计算 薄壁管材环向断裂韧性Kc，按公式(1)计算即得薄壁管材的环向断裂韧性，
式中： Kc一平面应力断裂韧性，单位为MPa.mV2; 〇-应力，单位为MPa; a-裂纹长度，单位为 mm;F(a/w)-薄壁管材几何形状因子； 其中，宽度修正因子按公式(2)计算：
式中： F(acyW)-薄壁管材几何形状因子;a。一临界裂纹长度，单位为mm;w-薄壁管材宽度， 单位为mm。
[0018] 本发明利用环形加持具可以实现无损情况下预制环形试样裂纹，通过简单拉伸试 验实现断裂韧性测试，避免了弯曲试样过程中带来的试样缺陷，可以准确、直接测试薄壁金 属管材环向断裂韧性;在使用监测设备情况下，如高速摄影机等可以记录试样裂纹扩展情 况，本装置还可以配合应变仪可记录样品应力的应变曲线。
【主权项】
1. 一种测试薄壁管材环向断裂韧性的装置，其特征在于:包括圆盘形加持具（1)、两个 连接具(2)和将加持具（1)与连接具(2)固定的固定销(3);所述加持具（1)被分割成两个大 小相等的半圆片，每片半圆片上均形成有固定孔(4);所述连接具(2)由连接柄(5)和"n"型 连接头(6)组成;连接柄(5)与连接头(6)横梁的中心处固定;连接头(6)的两侧壁上均形成 销孔(7)。2. 根据权利要求1所述的一种测试薄壁管材环向断裂韧性的装置，其特征在于:所述销 孔(7)的轴线与连接柄(5)的轴线垂直。3. 根据权利要求1所述的一种测试薄壁管材环向断裂韧性的装置，其特征在于:所述加 持具(1)置于两个"n"型连接头(6)的间隙内。4. 根据权利要求1所述的一种测试薄壁管材环向断裂韧性的装置，其特征在于:所述销 孔(7)圆心到连接头(6)横梁的垂直距离大于固定孔(4)到其所在半圆片边缘的最小距离。5. 应用权利要求1所述的一种测试薄壁管材环向断裂韧性的装置的薄壁管材环向断裂 韧性的测试方法，其特征在于:包括以下步骤： (i)薄壁管材尺寸的测量 用数显卡尺测出薄壁管材的宽度a，精确到0.02mm;用千分尺测出薄壁管材的厚度b，精 确到0.005mm; (ii )装置的安装 将薄壁管材套于圆盘形加持具（1)外部，薄壁管材与加持具（1)之间涂抹润滑脂;将固 定销(3)依次穿过连接头(6)侧壁上的销孔(7)和加持具（1)上的固定孔(4)，进而将连接具 (2)与加持具通过固定销(3)固定连接;连接柄(5)装卡在疲劳试验机上，使薄壁管材工作段 的中心置于与加载方向平行的位置； (iii) 预制裂纹 在疲劳试验机上预制裂纹，疲劳频率小于100Hz，载荷比Pfmax/Pfmin=10,预制裂纹长度控 制在0.3W~0.35W之间，且使预制裂纹处置于加持具(1)对开处，记录疲劳循环次数N; (iv) 环向断裂韧性测试 在拉伸试验机上拉断薄壁管材，拉伸速度不大于lmm/min，薄壁管材断裂后，记录最大 载荷Pmax;薄壁管材断裂后，在读数显微镜下，测量裂纹长度2ac，精确到0.01mm; (v) 环向断裂韧性计算 薄壁管材环向断裂韧性Kc，按公式(1)计算即得薄壁管材的环向断裂韧性，式中： Kc一平面应力断裂韧性，单位为MPa.mV2; 〇-应力，单位为MPa; a-裂纹长度，单位为 mm;F(a/w)-薄壁管材几何形状因子；式中： F(acyV)-薄壁管材几何形状因子;a。一临界裂纹长度，单位为mm;w-薄壁管材宽度，单 位为mm〇
【文档编号】G01N3/08GK106053232SQ201610572870
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】郑晓静, 贺平, 高蔚, 吴福, 陈开媛
【申请人】核工业理化工程研究院