金属材料脆性测试方法和测试装置与流程

本发明涉及机械材料测试领域，特别是金属材料脆性测试方法和装置。
背景技术：
现有表征金属材料脆性指数的方案存在以下两种缺陷：1、没有考虑金属材料分子结构和应力环境对金属材料脆性的影响。2、直接用金属材料的动态参数表征金属材料的脆性。看似避开了动、静态机械参数转换的技术难题，但两种参数存在本质的区别，动态参数表征脆性显然存在明显的技术问题。另外，尽管动态参数在一定程度上能够反映金属材料的结构和应力环境的变化，但这种变化与静态参数的变化趋势是不同的(如图1和图2所示)。动态参数法表征金属材料脆性的技术缺陷是显而易见的。另外，一般情况下，材料的杨氏模量越大、泊松比越小，材料的脆性越好，这也是金属材料脆性评价的物理基础。金属的静态机械参数，需要进行三轴抗压实验获得，这项实验是一种破坏性实验，样品实验量通常有限。这种方法也无法实现连续测量和脆性的连续表征。针对现有技术没有充分考虑到金属材料动、静参数转换、金属材料结构的变化和应力环境对金属脆性的影响，生成金属脆性指数不准确的问题，目前尚未提出有效的解决方案。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种金属材料脆性的测试方法和装置，以解决针对现有技术没有充分考虑到金属材料结构和应力环境的变化对金属材料脆性的影响，生成金属材料脆性指数不准确的问题。为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种金属材料脆性的测试方法。该方法包括：使用脆性指数模型来表征金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数；使用具有金属材料结构特征的校正模型将动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数；使用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成金属材料在不同应力条件下的静态脆性指数。为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种金属材料脆性的测试装置。该装置包括：表征模块，用于使用脆性指数模型来表征金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数；转换模块，用于使用具有金属材料结构特征的校正模型将动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数，校正模块，用于使用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成金属材料在不同应力条件下的静态脆性指数。根据发明实施例，通过使用脆性指数模型来表征金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数；使用具有金属材料结构特征的校正模型将动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数；使用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成金属材料在不同应力条件下的静态脆性指数，解决了现有技术没有考虑金属材料结构和应力环境变化对金属材料脆性的影响因素，提高了金属材料脆性指数计算的精度。根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：图1是根据现有技术的两块金属材料样品的动态杨氏模量、泊松比与围压的关系图；图2是根据现有技术的两块相同的金属材料样品静态杨氏模量、泊松比与围压的关系图；图3是根据本发明实施例一的金属材料脆性的评测方法的流程图；图4是根据本发明实施例一的说明区块“脆性好”的金属材料力学特征示意图；图5是根据本发明实施例一的说明区块“脆性一般”的金属材料力学特征示意图；图6是根据本发明实施例一的说明区块“脆性差”的金属材料力学特征示意图；图7是根据本发明实施例二的金属材料脆性的评测装置的结构示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。实施例一本发明实施例提供了一种金属材料脆性的测试方法，如图3所示，该方法包括步骤如下：步骤s101，使用脆性指数模型来获取金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数。具体的，上述静态脆性指数来源于实验分析，动态脆性指数来源于原始测量数据，本实施实例首先确定金属材料脆性指数的基本表征方法，即上述金属材料的静态脆性指数和金属材料的动态脆性指数。步骤s103，使用具有金属材料结构特征的校正模型将动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数。具体的，其中同一应力条件可以是任意固定有效应力，本发明推荐该应力为静态脆性实验时的有效应力，本实施实例以配套的试验资料为基础，建立金属材料的动、静态脆性指数的转换模型。步骤s105，使用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成金属材料在不同应力条件下的静态脆性指数。具体的，本实施实例以试验资料为基础，建立脆性指数的应力环境的校正方法。本实施例可以利用金属材料结构、应力环境校正的方法进行测试计算，生成用于表征金属材料脆性的脆性指数。分析可知，上述方案建立了适用性的脆性指数模型来表征金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数；以实验数据为基础，建立了具有金属材料结构校正的动、静态转换模型将动态脆性指数转换为同一应力条件下的静态脆性指数；在此基础上，应用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成金属材料在不同应力条件下的静态脆性指数。本实施例上述各个步骤，采用具有金属材料结构特征的校正模型对金属材料的动态脆性指数进行动静态脆性指数转换来生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数，再使用建立的金属材料脆性应力校正模型对上述同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成压实在不同应力条件下的静态脆性指数，解决了现有技术没有充分考虑到金属材料结构和应力环境变化对金属材料脆性的影响，提高了金属材料脆性指数计算的精度。可选的，步骤s101中使用脆性指数模型来表征金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数的步骤还可以包括：步骤s201，通过如下公式计算得到金属材料的静态脆性指数bi：式中，bi为金属材料的静态脆性指数，10^4mpa，es为金属材料的静态杨氏模量，10^4mpa，σs为金属材料的静态泊松比，无量纲，其中上述静态脆性指数的获得需要记录其实验的有效应力值。具体的，上述方法有效地反映金属材料的杨氏模量越大、泊松比越小，金属材料的脆性越好的技术思路，考虑动、静态转换的因素，及表征方法合理、简便，采用上述公式表征金属材料的脆性。通过如下公式计算得到动态脆性指数bid：式中，edye为动态杨氏模量，σdye为动态泊松比。具体的，现有技术还没有一种还能够准确的表征金属材料脆性的物理量，但是一般而言，金属材料的杨氏模量越大、泊松比越小，金属材料的脆性越好，这是用金属材料机械参数评价材料脆性的基础。建立的脆性表征方法不仅要考虑表征的准确性和可靠性，还要考虑动、静态转换的因素。因此，选用了上述具有结构、应力环境校正的金属材料的脆性指数的表征方法。可选的，步骤s103中使用具有金属材料结构特征的校正模型将动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数的步骤还可以包括：步骤s301，通过如下公式对动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数：biso＝a×bid×eαpor+βvcl，在上述公式中，biso为同一应力条件下的静态脆性指数，gpa；bid为应力条件下的动态脆性指数，gpa；a为动静态转换系数，无量纲；por为孔隙度，小数，无量纲；vcl为粘土含量，小数，无量纲；α、β分别为动、静态转换的系数，无量纲，同一应力条件为金属材料的静态脆性指数在实验时的有效应力值。具体的，上述脆性指数转换模型是以动、静态参数及孔隙度配套实验资料为基础，建立动、静态脆性指数的转换模型，是具有孔隙度约束的动、静态脆性指数转换模型，可以实现动态参数转化为静态参数的方法，由于上述公式中含有孔隙度含量的参数，可知上述模型充分考虑了金属材料的结构参数对动、静态参数转换的影响，物理意义明确，上述模型简单且合理。可选的，步骤s105，使用建立的金属材料脆性应力校正模型同一应力条件下的静态脆性指数进行校正之前，本实施例提供的方法还可以包括：通过如下公式创建不同应力条件下校正模型：bisc＝bisoeγ(po-(lcp-cp)h)，上述公式中，bisc为校正后的、具有金属材料结构的静态脆性指数，104mpa，biso为试验应力条件下的静态脆性指数，104mpa，γ为脆性指数的深度校正指数，无量纲，po为应力条件下采用的有效应力即静态脆性实验时采用的有效应力，lcp为计算点上覆金属材料的压力梯度，mpa/100m；cp为基础应力层的压力系数mpa/100m；h为应力所在点的垂深，m。其中，通过如下公式计算得到脆性指数的校正指数γ：γ＝c×ed×vcl，其中，在上述公式中，γ为脆性指数的校正指数，vcl为孔隙含量，c、d为转换系数。具体的，本实施例可以应用不同围压环境即应力环境下的三轴抗压试验获得的静态脆性指数，即针对上述biso建立特定应力条件下静态脆性指数的校正公式。可选的，步骤s105使用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正的步骤包括：步骤a，通过如下公式对获取到的参数进行计算，生成金属材料的动态泊松比σdye和动态杨氏模量edye：在上述公式中，dts为动态横波时差，μs/ft；dtc为动态纵波时差，μs/ft；ρ为体积密度，g/cm3；edye为计算的动态杨氏模量，104mpa。步骤b，通过如下公式使用金属材料的动态泊松比σdye和动态杨氏模量edye进行测试计算，生成用于表征金属材料脆性的脆性指数；在上述公式中，bisc为不同金属材料、不用应力条件下金属材料脆性的静态脆性指数，104mpa；a为动静态转换系数，无量纲；α、β为动、静态转换的系数，无量纲；γ为校正指数，无量纲；po为同一应力条件下采用的有效应力即静态脆性指数实验时的有效应力，lcp为计算点上覆金属材料的压力梯度，mpa/100m；cp为测试流体的压力系数，mpa/100m；h为应力所在点的垂深，m，por为孔隙度，小数，无量纲；vcl为孔隙含量，小数，无量纲。可选的，本实施例可以以上述方案为基础，建立以原始测量资料为基础的脆性指数综合表征方法，首先，用原始测量资料计算出金属材料的动态泊松比和动态杨氏模量，然后，计算孔隙度、孔隙含量和上覆金属材料的压力梯度，最后，用上述计算参数和试验获得的模型参数联系计算每个测量深度的具有结构、应力环境校正的静态脆性指数。具体实施方式和实施流程为：1、应用系统的三轴抗压实验资料，选择适应的脆性指数表征方法。选取60块金属材料样品进行了三轴抗压实验，依据应力-应变曲线的特征和金属材料的破碎状态进行脆性分类。金属材料的脆性分为三类，好、一般、差。如图4a和4b所示，脆性好的金属材料力学特征：在应力-应变1曲线上表现为较好弹性，呈直线型，曲线斜率较陡，在达到最大抗压强度之前金属材料破碎，金属材料破碎时应变1较小，在应变2-应变1曲线上表现为在破裂点之前曲线斜率变化小，在破裂点曲线产生突变，金属材料破裂形态为破碎。如图5a和5b所示，脆性一般的金属材料力学特征：在应力—应变1曲线上表现为中等弹性，呈s型，在抗压强度50％时曲线表现一定弹性，呈直线，在达到最大抗压强度之前金属材料有塑性变形发生，在应变2—应变1曲线上表现为在破裂点曲线有突变但较缓，金属材料破裂形态为剪切破坏及较小的破碎。如图6a和6b所示，脆性差的金属材料力学特征：在应力—应变1曲线上表现为较差弹性(或称表现为塑性)，呈下凹型，在达到最大抗压强度之前金属材料一直发生塑性变形，在应变2—应变1曲线上表现为在破裂点之前曲线斜率持续增加，在破裂点曲线变化平缓无突变，金属材料破裂形态为剪切破坏。考虑表征的准确性和可靠性以及动、静态转换的因素，金属材料的脆性指数选用以下方法：在公式中：bi为金属材料的静态脆性指数，104mpa；es为金属材料的静态杨氏模量,，104mpa；σs为金属材料的静态泊松比,无量纲。2、动、静态脆性指数转换模型的建立为了建立动、静态脆性指数的转换模型，选择了20块有代表性的金属材料进行了配套的动、静态参数及孔隙度、孔隙含量配套测量。三轴抗压实验模拟平均深度的上覆层有效应力为35mpa。全部20块样品测量结果见用于表示动、静态转换配套测量数据的表1：表1：其中，47、126号样品三轴抗压实验过程中样品掉块，未用于建模计算，参入建模计算的18组数据，建立的动、静态脆性指数的转换模型为：bi35＝0.59×bid×e1.36por-1.09vcl，式中，bi35为35mpa围压情况下金属材料的静态脆性指数，104mpa；bid为由密度、纵横波时差获得金属材料的动态脆性指数，104mpa；por为孔隙度，小数，无量纲；vcl为粘土含量，小数，无量纲。在上式中，其中edye为动态杨氏模量；σdye为动态泊松比。相关系数为0.81，建立的动、静态转换模型相关性较好。3、脆性指数应力环境校正方法的建立为了建立脆性指数应力环境校正方法，选择了4组有代表性的金属材料进行了不同围压条件下的静态参数及孔隙度含量配套测量实验。脆性指数测量结果包括了不同围压下脆性指数的变化结构，数据表如表2所示：表2：实验结果表明，如图7所示，金属材料样品随着实验围压的增大，脆性指数逐渐减低。孔隙含量越高，变化率越高，孔隙含量不同，γ值不同。其相关系可用下式描述：bip＝b35eγ(35-p)，在公式中，bip为不同围压条件下的静态脆性指数，104mpa；b35为围压35mp实验获得的静态脆性指数，104mpa；γ为为脆性指数的围压校正指数，无量纲；p为实验采用的围压。四块不同孔隙度含量的金属材料拟合的γ值如下表3所示：表3：样号337411430455γp0.0440.0210.0290.021孔隙度含量14.12.38.36.4通过系统的研究发现，脆性指数的压力校正指数与孔隙度含量具有很好的相关性，其拟合关系为：γ＝0.016×e0.067×vcl在公式中：γ为脆性指数的校正指数，无量纲；vcl为孔隙度含量，小数，无量纲，该关系式的相关系数达到了0.94。由上式得到金属材料任意垂深的脆性指数计算公式：bisc＝bi35eγ(35-(lcp-cp)h)，在上述公式中：bisc为校正的静态脆性指数，104mpa；bi35为35mpa围压情况下的脆性指数，104mpa；γ为脆性指数的有效应力校正指数，无量纲；lcp为计算点上覆金属材料造成的压力梯度，mpa/100m；cp为应力基础层的压力系数，mpa/100m；h为测量点的垂深，m。关系式中(lcp-cp)h为不同深度的有效应力，其相当于实验中的围压。4、脆性指数的计算首先，用原始测量资料计算金属材料的动态泊松比和动态杨氏模量：在上述公式中：dts为原始测量获得的横波时差，μs/ft；dtc为原始测量获得的纵波时差,μs/ft；ρ为密度测量获得的体积密度,g/cm3；σdye为计算的动态泊松比，无量纲；edye为计算的动态杨氏模量，104mpa。然后，计算孔隙度por、孔隙含量vcl和上覆金属材料的压力梯度lcp、并获取应力基础层压力系数cp。最后，用以下公式连续计算每个具有金属材料结构、应力环境校正的静态脆性指数：在公式中：bisc为经过校正的静态脆性指数，104mpa；lcp为计算点上覆金属材料造成的压力梯度，mpa/100m；cp为应力基础层的压力系数；σdye为动态泊松比，无量纲；edye为动态杨氏模量，104mpa；h为应力所在点的垂深，m。综上，本发明以配套的动、静态金属材料机械参数及孔隙度、孔隙含量实验资料为基础，提出了全新的金属材料脆性指数的表征方法，形成了具有孔隙度、孔隙度含量约束的动、静态脆性指数转换模型和校正方法，建立了具有金属材料结构和应力环境校正的脆性指数表征方法，弥补了现有技术的不足，提高了原始测量资料脆性指数表征的准确性和可靠性，效果明显。本发明实施例还提供了一种金属材料脆性的评测装置。如图7所示，该装置可以包括：表征模块201，用于使用脆性指数模型来获取金属材料的静态脆性指数和动态脆性指数。具体的，上述静态脆性指数来源于实验分析，动态脆性指数来源于原始测量数据，本实施例首先确定金属材料脆性指数的基本表征方法，即上述金属材料的静态脆性指数和金属材料的动态脆性指数。转换模块203，用于使用具有金属材料结构特征的校正模型将动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数。具体的，其中同一应力条件可以是任意固定有效应力，本发明推荐该应力为静态脆性实验时的有效应力，本实施例可以以配套的试验资料为基础，建立金属材料的动、静态脆性指数的转换模型。校正模块205，用于使用建立的金属材料脆性应力校正模型对同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成金属材料在不同应力点深度对应的金属材料应力条件下的静态脆性指数。具体的，本实施例可以以试验资料为基础，建立脆性指数的应力环境的校正方法。本实施例可以利用金属材料结构、应力环境校正的方法进行测量计算，生成用于表征金属材料脆性的脆性指数。本实施例采用具有金属材料结构特征的校正模型对金属材料的动态脆性指数进行动静态脆性指数转换来生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数，再使用建立的金属材料脆性应力校正模型对上述同一应力条件下的静态脆性指数进行校正，生成压实在不同应力对应的金属材料应力条件下的静态脆性指数，解决了现有技术没有充分考虑到金属材料结构和应力环境变化对金属材料脆性的影响，提高了金属材料脆性指数计算的精度。可选的，上述表征模块201还可以包括：第一计算模块2011，用于通过如下公式计算得到金属材料的静态脆性指数bi：在上述公式中，bi为金属材料的静态脆性指数，104mpa，es为金属材料的静态杨氏模量，104mpa，σs为金属材料的静态泊松比，无量纲，其中上述静态脆性指数的获得需要记录其实验的有效应力值。具体的，上述方法有效地反映金属材料的杨氏模量越大、泊松比越小，金属材料的脆性越好的技术思路，考虑动、静态转换的因素，及表征方法合理、简便，采用上述公式表征金属材料的脆性。第二计算模块2022，用于通过如下公式计算得到动态脆性指数bid：式中，edye为动态杨氏模量，σdye为动态泊松比。转换模块203还可以包括：第三计算模块2031，用于通过如下公式对动态脆性指数进行动静态脆性指数转换处理，生成金属材料在同一应力条件下的静态脆性指数：biso＝a×bid×eαpor+βvcl，在上述公式中，biso为应力条件下的静态脆性指数，104mpa；bid为应力条件下的动态脆性指数，104mpa；a为动静态转换系数，无量纲；por为孔隙度，小数，无量纲；vcl为孔隙含量，小数，无量纲；α、β分别为动、静态转换的系数，无量纲，同一应力条件为金属材料的静态脆性指数在实验时的有效应力值。具体的，上述模型脆性指数转换模型是以动、静态参数及孔隙度、孔隙含量配套实验资料为基础，建立动、静态脆性指数的转换模型，是具有孔隙度、孔隙含量约束的动、静态脆性指数转换模型，可以实现动态参数转化为静态参数的方法，由于上述公式中含有孔隙度和孔隙含量的参数，可知上述模型充分考虑了金属材料的结构参数对动、静态参数转换的影响，物理意义明确，上述模型简单且合理。可选的，本实施例提供的装置还可以包括：第四计算模块2051，用于通过如下公式创建不同深度对应的金属材料应力条件下校正模型：bisc＝bisoeγ(po-(lcp-cp)h)，上述公式中，bisc为校正后的、具有金属材料结构的静态脆性指数，104mpa，biso为试验应力条件下的静态脆性指数，104mpa，γ为脆性指数的深度校正指数，无量纲，po为计算模块2031对应的同一应力条件下采用的有效应力(即静态脆性实验时采用的试验围压)，lcp为计算点上覆金属材料的压力梯度，mpa/100m；cp为应力基础层的压力系数mpa/100m；h为应力所在点的垂深，m。第五计算模块2053，用于通过如下公式计算得到脆性指数的校正指数γ：γ＝c×ed×vcl，式中，γ为脆性指数的校正指数，vcl为孔隙度含量，c、d为转换系数。具体的，本实施例可以应用不同围压环境即应力环境下的三轴抗压试验获得的静态脆性指数，即针对上述biso建立特定应力条件下静态脆性指数的校正公式。校正模块207还可以包括：第六计算模块2071，用于通过如下公式对获取到的参数进行计算，生成金属材料的动态泊松比σdye和动态杨氏模量edye：在上述公式中，dts为横波时差，μs/ft；dtc为纵波时差，μs/ft；ρ为体积密度，g/cm3；edye为计算的动态杨氏模量，104mpa。第七计算模块2073，用于通过如下公式使用金属材料的动态泊松比σdye和动态杨氏模量edye进行测量计算，生成用于表征金属材料脆性的脆性指数；在上述公式中，bisc为不同应力条件下金属材料脆性的静态脆性指数，104mpa；a为动静态转换系数，无量纲；α、β为动、静态转换的系数，无量纲；γ为校正指数，无量纲；po为同一应力条件下采用的有效应力即静态脆性指数实验时的有效应力，lcp为计算点上覆金属材料的压力梯度，mpa/100m；cp为应力基础层流体的压力系数，mpa/100m；h为应力所在点的垂深，m，por为孔隙度，小数，无量纲；vcl为孔隙含量，小数，无量纲。虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。当前第1页12