一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料技术领域，具体设及一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测 量方法。
【背景技术】
[0002] 对于焊接结构件而言，其材料本质是非均质的，母材、焊缝和热影响区=个区域的 力学性能是不同的，对焊接结构进行断裂评估时需要每个材料区域的全程真应力真应变曲 线。由于经济、方便，焊接接头横向拉伸试验被广泛地用于焊缝质量评价，例如断裂失效发 生在母材代表了良好的焊缝质量，而断裂失效发生在焊缝金属或热影响区表明焊缝质量不 好。焊接接头横向拉伸试验可W记录载荷和轴向伸长量的关系曲线，显而易见，该曲线不能 用于焊接结构的失效评估，由于该曲线很大程度取决于样品的标距长度初始测量、取样方 法、颈缩和终断区的位置等，而且该试验的测试结果表征了焊接接头=个不同材料区域的 整体质量，并不能准确测量每个区域的应力应变曲线，不能给焊接结构的断裂评估带来有 效的材料性能信息。在焊接接头横向拉伸试验中，可在样品中不同材料区域上粘贴应变片 或采用光学测量来测量材料的真实应变，但该些方法都有明显的局限，表面应变和变形很 难直接转化为材料全程应力-应变关系。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，该方法采用 焊接接头横向缺口拉伸试验来测量焊接接头不同区域材料的真应力真应变曲线，在载荷与 直径变化关系的基础上，采用载荷分离原理，建立包括缺口尺寸、最大载荷处真实断裂应变 等影响因素的几何因子表达式，通过该表达式计算得到每种区域材料的真实应力应变曲 线。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0005] 一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，包括W下步骤：
[0006] (1)缺口拉伸试验真应力真应变曲线的获取：
[0007] 采用拉伸试验机，对加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样进行拉伸性能测试， 得到缺口拉伸试验的真实应力应变关系，并且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金 属的应变硬化指数；
[000引 （2)焊缝金属或热影响区金属真实应力应变曲线的预测：
[0009] 根据载荷分离理论，待测部位金属的真实应力应变关系与缺口拉伸试样的真实应 力应变曲线的关系符合式（1)，
[0010] 0 細〇〇化(￡ ) = 0 N〇tched( e )/G (1)
[0011] 式中o e )为待测部位金属的真实应力应变关系，
[001引 0 W°tth6d( e )为待测部位金属的缺口拉伸试样的真实应力应变关系，
[001引 G为几何因子；
[0014] 采用有限元计算软件，计算光滑拉伸试样和不同缺口尺寸的缺口拉伸试样的应力 应变曲线；其中，待测部位金属的弹性性能为；6/〇。= 500, V =〇.3，E为弹性模量，0。为 屈服应力，V为泊松比，并且待测部位金属塑性符合化wer-law硬化模型：
[00巧]
【主权项】
1. 一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征在于，包括w下步骤： (1) 缺口拉伸试验真应力真应变曲线的获取： 采用拉伸试验机，对加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样进行拉伸性能测试，得到 缺口拉伸试验的真实应力应变关系，并且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金属的 应变硬化指数； (2) 焊缝金属或热影响区金属真实应力应变曲线的预测： 根据载荷分离理论，待测部位金属的真实应力应变关系与缺口拉伸试样的真实应力应 变曲线的关系符合式（1)， 0 smooth( e )二 〇Notched( e )/G (〇 式中〇s-th(e)为待测部位金属的真实应力应变关系， 0 WMthed( e )为待测部位金属的缺口拉伸试样的真实应力应变关系， G为几何因子； 采用有限元计算软件，计算光滑拉伸试样和不同缺口尺寸的缺口拉伸试样的应力应变 曲线；其中，待测部位金属的弹性性能为；E/〇〇= 500, V =〇.3，E为弹性模量，0。为屈服 应力，V为泊松比，并且待测部位金属塑性符合化wer-law硬化模型：
(2) 式中，a为流变应力， 7为等效塑性应变， 。。为屈服应力， e。为屈服应变，且e。= 0 u/E，E为弹性模量， n为应变硬化指数， 当n = 0. 1时，计算光滑拉伸试样、多个缺口尺寸下和D〇/R〇分别为7. 5和3. 0的真实 应力真应变曲线，拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，如式（3)所示：
(3) 式中，D。为缺口拉伸试样的缺口深度， R。为缺口拉伸试样的缺口半径； 通过改变材料的应变硬化指数n，计算并分析应变硬化指数n对不同缺口尺寸下材料 应力应变曲线的影响，并拟合建立最大载荷处真实断裂应变与几何因子比值的关系，即关 系式（4);
(4) 式中，6^^。"为最大载荷处的真实断裂应变， 根据式（1)、式（4) W及步骤（1)中的应变硬化指数，计算得到待测部位金属的真实应 力应变曲线。
2. 根据权利要求1所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征 在于，所述拉伸试验机为电子拉伸或液压伺服拉伸试验机。
3. 根据权利要求1或2所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其 特征在于，所述拉伸试验机的载荷量程大于等于100KN。
4. 根据权利要求1所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征 在于，所述加工好的待测部位金属的缺口拉伸试样的缺口半径R。小于或等于待测试部分的 宽度H。
5. 根据权利要求1所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征 在于，所述待测部位金属的缺口拉伸试样的加工具体过程为；从待测试的金属焊接构件上 切取长度100mm、宽度100mm的样块，并将样块磨平、磨抛，然后进行酸洗至焊接接头中的母 材、热影响区和焊缝部位露出为止。
6. 根据权利要求5所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征 在于，所述磨平是采用砂轮或磨床进行的。
7. 根据权利要求5所述的一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，其特征 在于，所述酸洗是采用质量分数为5%的硝酸酒精溶液进行的。
【专利摘要】一种金属焊接结构的真实应力应变曲线的测量方法，先测得缺口拉伸试验的真实应力应变曲线，且最大载荷处的真实断裂应变为待测量部位金属的应变硬化指数；采用有限元计算软件进行缺口拉伸试样真实应力应变曲线计算，获得不同缺口尺寸下的缺口拉伸试样的真实应力应变曲线，拟合建立缺口尺寸与几何因子的关系，建立包含缺口尺寸和最大载荷处真实断裂应变等影响因素的几何因子表达式；根据载荷分离理论以及上述得到的关系式、表达式，得到金属焊接结构待测区域金属的真实应力应变曲线。本发明通过小尺寸的缺口拉伸试验和建立的一系列关系，实现了将待测材料区域的局部性向整个单一区域材料的准确传递。
【IPC分类】G01N3-08
【公开号】CN104596845
【申请号】CN201410671029
【发明人】李洋, 杨放, 张伟卫, 李鹤, 张继明, 熊庆人, 吉玲康, 霍春勇, 马秋荣
【申请人】中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年11月20日