由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂韧度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂韧度的方法，包括以下步骤：1）制作相同尺寸而不同裂缝长度的单边具有初始裂缝的拉伸试件，使其缝高比α=a/W分别为 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7；2）将所述试件置于拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，测得各试件的最大荷载；3）测得所述试件的最大荷载后，由式（1）得到所述试件的名义强度σn；4）由式（2）得出每个试件的等效裂缝长度ae；5）得到σn与ae后，带入式（6）进行回归分析，即可得出低合金高强钢的断裂韧度KC。本发明方法形式简单，在普通试验室条件下非常容易实现，便于推广，且具有足够精度。
【专利说明】
由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂韧度的方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料性能检测技术领域，尤其涉及一种由低合金高强钢的最大荷 载确定其断裂韧度的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，国内外现行的金属材料断裂性能测试规范，如中华人民共和国国家标 准--金属材料平面应变断裂韧度he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)、中华人民共和国 国家标准--金属材料表明裂纹拉伸试样断裂韧度试验方法(GB/T 7732-2008)、美国 ASTM E399、欧洲BS EN ISO等，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统都有严格限制： (1)测试试样的尺寸大小有严格规定，试样的裂缝长度、试样厚度及韧带高度须大于一定数 值;若采用预估尺寸进行试验，测得指标不满足尺寸规定，还需重新进行试验；（2)金属初始 裂纹的形成，需要进行疲劳试验；（3)仅能确定金属材料平面应变断裂韧度，而平面应力下 的金属断裂韧度还未给出；（4)测试试样的几何型式大多采用三点弯曲和楔入劈拉，对试件 型式与加载夹具和加载方式等都有严格限制；（5)试验须测试荷载一位移全曲线，用到引伸 计等设备，对试验系统要求相对较高。因此，当前技术测定低合金高强度钢的断裂韧度需要 严格加工试件和复杂的测试设备，而如何在普通实验室条件下确定高强钢的断裂韧度，成 为了亟待解决的技术难题。
[0003] 对于金属试验来说，其试验过程中最易得到的即为其最大荷载，较为简单的试件 形式是拉伸板试样。而测试最大荷载不需要复杂设备，对试验要求极低。由单边裂缝拉伸板 试验测试得到最大荷载在普通试验室条件下非常容易实现，方法简便且便于推广。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明提供一种由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂韧度的方 法，可解决目前高强钢断裂韧性测试难题。该方法形式简单，在普通试验室条件下非常容易 实现，便于推广，且具有足够精度。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现： 经过长期的实践研究，设计出了一种由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂韧度的方 法，包括以下步骤： 1)制作相同尺寸而不同裂缝长度的单边具有初始裂缝的拉伸试件，使其裂缝长度与试 件高度的比值--缝高比〇=a//f分别为0·1、0·2、0·3、0·4、0·5、0·6、0·7; 式中a为初始裂缝长度，为试件高度，〇为缝高比；试件高度取30~50mm，试件有 效长度Z取50~70mm，试件厚度B取5~15mm，有效长度为试件除加载头外的部分的长度。
[0006] 2)将所述试件置于拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，测得各试件的 最大荷载； 一般试验室条件下即可完成该试验，其中，试件的加载头须牢固固定于试验机上下夹 头上，并且保证试件的受力面积由试件高度r与有效长度z所对应； 拉伸试验可参照《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)规 范中规定速率进行勾速加载，一直加载到试件断裂破坏，记录每个试件的最大荷载。
[0007] 3)测得所述试件的最大荷载后，由式(1)得到所述试件的名义强度ft;
(1) 式中，Λιτ为最大荷载4为试件厚度;a为初始裂缝长度，最大荷载对应的裂缝 尖端塑性区长度，取试验实测长度值，或者试验中相机拍摄统计得出的经验值2~6mm;狗 应力分布形状影响系数，^&0.90~0.85取值。
[0008] 4)由式(2)得出每个试件的等效裂缝长度;
式中，汛々为几何形状影响系数，Γ(〇(々为单边裂缝直接拉伸情况下的几何影响因 子，作i)(4为单边裂缝纯弯情况下的几何影响因子，約=r- ao。
[0009] 5)得到(^与~后，带入式(6)进行回归分析，即可得出低合金高强钢的断裂韧度 Kc
式中，Φτ为极限强度。
[0010]本发明具有以下积极有益效果： (1)本发明只需试验测试得到试件的峰值荷载，在普通试验室条件下非常容易实现，方 法简便且便于推广。
[0011] (2)本发明可采用小尺寸试件，试件尺寸不需满足现有规范测定线弹性断裂条件 下高度、厚度、初始裂缝长度等都要大于一定数值的苛刻要求。
[0012] (3)对于断裂韧性试验的初始裂纹的形成，本发明不需采用疲劳试验形成，而只需 采用线切割技术切缝，大大降低了加工试样裂缝的难度，减轻了相应的工作量。
[0013] (4)本发明采用试样的厚度可较薄，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高强钢的断裂韧度价。
[0014] (5)本发明采用单边拉伸试样，而不需采用现行规范对于测定强度所用切削后的 圆棒试样，以及测定断裂韧度所用的三点弯曲梁试样和楔入劈拉试样等，试样加工和试验 加载设备得到了简化，节省了检测成本。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明，其中： 图1为本发明所用试件结构示意图； 图2为由实施例试验数据回归确定断裂韧度（Aap = 4mm;t 0.85);
【具体实施方式】 下面将结合附图对本发明技术方案进行清楚完整的描述，显然所描述的实例仅为本发 明示意性的部分【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不 脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
[0016] 实施例1 参见图1，本实施例所用拉伸试样示意图，制作相同尺寸而不同裂缝长度a的单边具有 初始裂缝的拉伸板试件，试件尺寸#= 40mm，j? = 10mm，Z = 60mm，弧型段高度为20mm，矩 形夹持头的尺寸为:70_ X 80mm。
[0017] 分别制作试样的缝高比a//f = 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7的7组试样，每组制 作5个试样，共计35个试样。其中初始裂缝的形成须用线切割工艺，裂缝宽度须小于0.25_， 而不需要进行疲劳试验形成疲劳裂纹。
[0018] 试验按《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)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峰值荷载。
[0019] 测得各试件的最大荷载后，由式(1)计算出每个试件的名义强度Φ。
[0020] 每个试件的等效裂缝长度ae可由式(2)、（3)、（4)、（5)计算。
[0021] 得到不同的《与&后，带入下式(6)进行回归分析，即可同时得出高强钢的极限强 度《τ和断裂韧度A。 参见图2,由实施例试样试验数据回归确定低合金高强度钢的屈服强度与断裂韧度。考 虑屈服区的影响时，采用本发明方法确定的低合金高强度钢的极限强度咖=577.82 _ 607.20 MPa，与其安阳钢铁股份有限公司的产品质量证明书(编号：20150820148)给出的极 限强度?T=598MPa吻合良好。平面应力条件下的A = 60.96-65.28 MPa· m1/2。
[0022] 表1试验确定低合金高强钢的极限强度与断裂韧度价
[0023]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，但显然 所描述的实施例仅为本发明示意性的部分【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围，任 何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应 属于本发明保护的范围。
【主权项】
1. 一种由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂初度的方法，其特征在于，包括W下步 骤： 1) 制作相同尺寸而不同裂缝长度的单边具有初始裂缝的拉伸试件，使其裂缝长度与试 件高度的比值--缝高比（Pa/r分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7; 式中a为初始裂缝长度，r为试件高度，α为缝高比； 2) 将所述试件置于拉力试验机或者万能试验机上进行拉伸试验，测得各试件的最大荷 载； 3) 测得所述试件的最大荷载后，由式(1)得到所述试件的名义强度(1) 式中，凡Τ为最大荷载;公为试件厚度;a为初始裂缝长度，Aap为最大荷载对应的裂缝 尖端塑性区长度，取试验实测长度值；A为应力分布形状影响系数，省E0.90~0.85取值； 4) 由式(2)得出每个试件的等效裂缝长度ae;(2) 式中，凤4为几何形状影响系数； 5) 得到《与ae后，带入式(6)进行回归分析，即可得出低合金高强钢的断裂初度原；(6) 式中，化为极限强度。2. 根据权利要求1所述由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂初度的方法，其特征在 于:步骤(1)所制作试件的高度r为30~50mm、有效长度Z为50~70mm、厚度5为5~15mm，有 效长度为试件除加载头外的部分的长度。3. 根据权利要求1所述由低合金高强钢的最大荷载确定其断裂初度的方法，其特征在 于:步骤(4)所述凤4由式(3)、（4)、巧)得到：式中，化>)(4为单边裂缝直接拉伸情况下的几何影响因子，iU)( 4为单边裂缝纯弯情 况下的几何影响因子，％= r- ao。
【文档编号】G01N3/08GK105973700SQ201610277872
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】管俊峰, 白卫峰, 胡晓智, 姚贤华, 卿龙邦, 周密, 谢超鹏, 王强, 钱国双
【申请人】华北水利水电大学