同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂韌度的方法
【專利摘要】本發明公開了一種同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂韌度的方法，包括使用低合金高強度鋼加工制作試件、切出裂縫、按金屬材料拉伸試驗方法加載試件、計算試件的屈服荷載和等效裂縫長度等步驟，最后回歸分析得出低合金高強度鋼的屈服強度σY與斷裂韌度KC。本發明方法形式簡單，試驗易操作，具有足夠精度，且易判斷結果合理性。該方法只需由不同裂縫長度的小尺寸單向板的拉伸試驗測得的屈服荷載，即同時確定高強鋼的屈服強度和斷裂韌度。不需要滿足現行國內外規范對試驗試件尺寸、型式，加載條件等的嚴格規定。
【專利說明】
同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂韌度的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及金屬材料性能檢測技術領域，具體涉及一種同時測定低合金高強度鋼 的屈服強度與斷裂韌度的方法。
【背景技術】
[0002] 目前，國內外現行的金屬材料性能測試規范中，對于測定金屬材料斷裂韌性，測試 試件的尺寸大小有嚴格規定，試件的裂縫長度^)、試件厚度B及韌帶高度W-iio都須大于一定 數值。比如，中華人民共和國國家標準一一《金屬材料平面應變斷裂韌度K IC試驗方法》(GB/T 4161-2007)、中華人民共和國國家標準--《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》 (GB/T 21143-2007)、美國ASTM E399規范、歐洲BS EN ISO規范，等中，規定測試試件的厚度 B，裂紋長度aQ，韌帶尺寸W-aQ均需滿足下式：
[0003]
[0004] 其中，KIC為平面應變情況下的金屬斷裂韌度，〇Y為金屬的屈服強度。若采用預估尺 寸進行試驗，測得指標不滿足尺寸規定，還需重新進行試驗。
[0005] 另外，對于進行斷裂韌度測試所用的金屬試件，初始裂紋的形成，需要進行疲勞試 驗。則對實驗室的試驗條件要求較高，須有疲勞試驗機，大大增加了試驗的難度與工作量。 并且，進行斷裂韌度測試試驗中，對試件型式、加載夾具、加載方式、試驗系統等都有嚴格限 制。使得試驗試件的制作成本和試驗工作量大為增加。
[0006] 目前，測定低合金高強度鋼的斷裂韌度需要的試件尺寸很大，普通實驗室條件下 很難完成試件的加工和測試工作。更為重要的是，目前確定金屬的屈服強度和斷裂韌度需 采用不同型式的試件和加載方法。而用同一種測試方法和試件，同時確定高強鋼屈服強度 及斷裂韌度的方法還未見報道。

【發明內容】

[0007] 為克服現有測定方法的不足，本發明提出一種由小尺寸試件確定高強鋼的屈服強 度與斷裂韌性的測試方法，解決了目前高強鋼強度與斷裂韌性測試難題，且其試驗條件寬 松、工作量大為降低、測試成本低廉。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：
[0009] 設計一種同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂韌度的方法，包括下列步 驟：
[0010] (1)使用低合金高強度鋼加工制作一定數量的尺寸均為W X Β X L的單邊拉伸試件， 其中，W為試件高度，Β為試件厚度，L為試件有效長度；
[0011] (2)采用線切割工藝對步驟（1)所得試件分別切出裂縫，裂縫長度為aQ，試件的縫 高比α = ε?ο/W在0.1~0.7的范圍內取值;從中選取5~7種不同縫高比的試件，每種縫高比對 應2~5個試件;其中，α可在0.1~0.7的范圍內隨機取值、均態分布。
[0012] (3)在普通的拉力試驗機或者萬能試驗機上進行拉伸試驗，按金屬材料拉伸試驗 方法加載到試件斷裂破壞，試驗過程中記錄每個試件的屈服荷載Ρ;
[0013] (4)基于步驟(3)所得的每個試件的屈服荷載，計算出每個試件的名義強度ση;
[0014] (5)計算出每個試件的等效裂縫長度;
[0015] (6)將步驟(4)、步驟(5)所得的不同的〇11與&(3值，帶入下式（1)進行回歸分析，即可 同時得出低合金高強度鋼的屈服強度σγ與斷裂韌度Kc，
[0016]
[0017] 其中，Kc為試件的斷裂韌度，〇n為試件的名義強度，為試件的等效裂縫長度，PS 試件的屈服荷載，σγ為試件的屈服強度。
[0018] 優選的，在所述步驟(4)中，可由下式(2)計算出每個試件的名義強度〇n，
[0019]
[0020] 其中，P為試件的屈服荷載;B為試件厚度;ao為初始裂縫長度，△ &[)為裂縫尖端塑性 區長度，λ為應力分布形狀影響系數，λ = 0. 90-0.85。
[0021] 優選的，在所述步驟(5)中，每個試件的等效裂縫長度由下式(3a)~(3d)計算， LUUM」 共中，aQ為初妬眾縫長度；α為縫咼K
; A(α)為試懺的兒例形狀影啊糸數；A為奴刀 分布形狀影響系數，λ = 0.95-0.85;Υ(α)為計算應力強度因子所對應的幾何影響因子。
[0027] 優選的，所述步驟（1)中試件的寬度W為30mm~50mm，有效長度L為50mm~70mm，試 件厚度試件厚度B為5~15mm。
[0028] 優選的，所述步驟(2)中的裂縫寬度小于0.25_。
[0029] 優選的，在所述步驟(2)中，所述縫高比a = a/W的取值依次為0.1,0.2,0.3,0.4， 0.5，0.6,0.7。
[0030] 優選的，在所述步驟(1)中，制作的試件個數為10~35個。
[0031] 本發明的有益技術效果在于：
[0032] 1.測試條件寬松，采用小尺寸試件，試件尺寸不需滿足現有規范測定線彈性斷裂 條件下，試件的高度、厚度、初始裂縫長度等都要大于一定數值的嚴格要求，從而能實現高 強鋼的斷裂韌性的測定;試驗試件的厚度可較薄，不需滿足現有規范平面應變條件，并可得 出應用范圍更為廣泛的平面應力條件的高強鋼的斷裂韌度K C;可采用單邊拉伸試件，而不 需采用現行規范對于測定強度所用切削后的圓棒試件，以及測定斷裂韌度所用的三點彎曲 梁試件和楔入劈拉試件等，試件加工和試驗加載設備得到了簡化。
[0033] 2.測試成本大為降低，用同一種試件和測試方法，即可同時確定高強鋼的屈服強 度及斷裂韌度;克服了目前確定金屬的屈服強度和斷裂韌度需采用不同型式的試件和加載 方法。
[0034] 3.測試工作量、難度大為降低，對于斷裂韌性試驗的初始裂紋的形成，不需采用疲 勞試驗形成，而只需采用線切割技術切縫。大大降低了加工試件裂縫的難度，減輕了相應的 工作量。
[0035] 4.本發明方法實現形式簡單，試驗易操作，易推廣實施，且具有足夠精度，還易于 判斷結果的合理性;該方法只需由不同裂縫長度的小尺寸單向板的拉伸試驗測得的屈服荷 載，即同時確定高強鋼的屈服強度和斷裂韌度;不需要滿足現行國內外規范對試驗試件尺 寸、型式，加載條件等的嚴格規定。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明所用試件的形狀示意圖；
[0037] 圖2為實施例試驗所用拉伸試驗機夾頭；
[0038] 圖3為實施例1中機器加載情況下的單邊裂縫拉伸鋼板應力分布圖；
[0039] 圖4為實施例1中試件拉斷前后對比圖；
[0040] 圖5為裂縫尖端塑性區影響下的應力分布圖；
[0041]圖6為由實施例1試驗數據回歸確定的試件屈服強度與斷裂韌度的擬合線性圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例來說明本發明的【具體實施方式】，但以下實施例只是用來詳 細說明本發明，并不以任何方式限制本發明的范圍。以下實施例中所涉及的一些步驟或方 法，如無特殊說明，均為本領域的常規方法，所涉及的材料、儀器設備，如無特別說明，均為 常規材料和儀器設備。
[0043]本發明所用單邊拉伸試件示意圖參見圖1，制作相同尺寸而不同裂縫長度ao的單 邊拉伸試件。其中，試件寬度W推薦取30mm-50mm，試件有效長度L推薦取50mm-70mm。試件厚 度B推薦取5mm-15mm，使得試件為平面應力條件。其中初始裂縫ao的形成須用線切割工藝， 裂縫寬度須小于〇.25mm，而不需要進行疲勞試驗形成疲勞裂紋。
[0044]實施例1:采用低合金高強度鋼加工制作單邊拉伸試件，試件尺寸W = 40mm，B = 10mm，L = 60mm，弧型段高度為20mm，矩形夾持端的尺寸為：70mm X 80mm。分別制作縫高比為 a〇/W=0 · 1，0·2,0·3,0·4,0·5,0·6,0 · 7的7組試件，每組制作5個試件，共計35個試件。
[0045]按《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1-2010)等規范中規定 速率進行勻速加載，一直加載到試件斷裂破壞。試驗過程中須記錄每個試件的屈服荷載。在 實施例試驗試件屈服前，可用相機進行連續拍照，捕捉裂縫尖端的屈服區長度。本實施例中 試件屈服區長度在〇
[0046]對于國內實驗室中的拉力試驗機或者萬能試驗機，其機器上下端的一般為固定夾 頭，參見圖2。采用拉力試驗機或者萬能試驗機加載情況下的單邊裂縫的拉伸鋼板的實際應 力分布參見圖3所示。即由于機器上下端的強力固定，則機器會對拉伸試件產生一個附加彎 矩M mac；hine3，因此，如圖3所示，單邊裂縫拉伸板實際受力分為兩部分:第一部分為機器對試件 的軸向拉力，其又可分解為一個偏心拉力P (作用力過韌帶高度W-a的軸心）和一個彎矩Μ (P);第二部分為限制試件大變形而由機器對試件產生的附加彎矩Mmachine。由于上述兩部分 力的疊加，使得單邊裂縫鋼板在受力過程中，裂縫邊張開口的張開變形很小，如圖4實施例 試件拉斷前后的照片可見。因此進一步證明，假定沿著韌帶高度W-ao方向上的應力分布為 圖3所示的合理性。
[0047]考慮裂縫尖端塑性區的影響，其受力分布如圖5所示，由力平衡條件可知：
[0048]
--式(4);
[0049] 式(4)中，P為試件的實測屈服荷載;B為試件厚度;W為試件高度。ao為初始裂縫長 度；A ap為裂縫尖端塑性區長度。〇n為考慮裂縫情況下的名義強度，〇min為沿韌帶高度W-a方 向上應力跌落后的名義應力大小。因此可得出σ η:
[0050]
[00511這里令0min = λ0η，λ彡1反映了試件受力拉伸變形過程中，試驗機由于對鋼板夾 持端的強力固定，從而產生的附加彎矩對軸向力產生應力的抵消作用。從圖4試件 拉斷照片及試驗中試件屈服時變形可知，試件在整個受力過程中，裂縫邊并未張開很多，則 兩部分外力（i)軸力P與（ii)附加彎矩M ma0hine3疊加后的應力分布近似水平，但又不完全水 平，因裂縫其實有一定微小張開。若機器與試件加的非常緊，試件在受力過程中張開很小， 則取0.90,若機器與試件的加緊程度偏弱，則取0.85。極限情況下λ=1.0時，裂縫一直被壓 緊，完全未張開。因此，這里人=0.90,0.85。則：
[0052]
[0053] 式中的AaPS裂縫尖端塑性區長度，可取試驗實測長度值，也可取試驗中相機拍 攝統計得出的經驗值1_-2_。
[0054]基于現有計算單邊裂縫試件的線彈性斷裂力學理論情況下的應力強度因子公式， 采用拉伸情況和純彎情況構建本發明情況下的應力強度因子公式。由應力強度因子手冊可 知，單邊裂縫試件的拉伸情況：
[0057]單邊裂縫試件的純彎情況：
[0060]因此，本發明情況為：
[0068]
[0069] 每個試件的等效裂縫長度ae可由下式計算：
[0070]
--式(3a);
[0071 ]測得各試件的屈服荷載后，由彈塑性理論公式
[0072]
-式 (2)，：
[0073]計算出每個試件的名義強度〇n。
[0074]得到不同的％與&(3后，帶入式（1)進行回歸分析， _5]^式⑴； L1 、^ 1
V.
[0076] 即可同時得出低合金高強度鋼的屈服強度〇Y與斷裂韌度Kc。
[0077] 參見圖6,由實施例試件試驗數據回歸確定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂韌 度。考慮屈服區的影響時，采用本發明方法確定的低合金高強度鋼的屈服強度σ Υ = 514.5-525.2MPa，與其安陽鋼鐵股份有限公司的產品質量證明書(編號：20150820148)給出的屈服 強度〇Y=520MPa吻合良好。平面應力條件下的Kc = 65.9MPa · m1/2-70.8MPa · m1/2。
[0078] 實施例1中試驗確定的低合金高強鋼的〇Y與Kc數據如下表1所示。
[0079] 表1實施例1中試驗確定的低合金高強鋼的σγ與Kc
[0080]
[0081]對所公開實施例的上述說明，使本領域技術人員能夠實現或使用本發明。對這些 實施例的多處修改對本領域技術人員來說是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在 不脫離發明的精神或范圍的前提下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不限制于本文所 顯示的這些實施例，而是要符合與本文公開原理和新穎特點相一致的最寬范圍。
【主權項】
1. 一種同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其特征在于，包括下 列步驟： (1) 使用低合金高強度鋼加工制作一定數量的尺寸均為WXBXL的單邊拉伸試件，其 中，W為試件高度，B為試件厚度，L為試件有效長度； (2) 采用線切割工藝對步驟（1)所得試件分別切出裂縫，裂縫長度為ao,試件的縫高比α =ao/W在0.1~0.7的范圍內取值;從中選取5~巧中不同縫高比的試件，每種縫高比對應2~ 5個試件； (3) 在普通的拉力試驗機或者萬能試驗機上進行拉伸試驗，按金屬材料拉伸試驗方法 加載到試件斷裂破壞，試驗過程中記錄每個試件的屈服荷載P; (4) 基于步驟(3)所得的每個試件的屈服荷載，計算出每個試件的名義強度曰η; (5) 計算出每個試件的等效裂縫長度ae; (6) 將步驟(4)、步驟(5)所得的不同的On與ae值，帶入下式（1)進行回歸分析，即可同時 得出低合金高強度鋼的屈服強度σγ與斷裂初度Kc，其中，Kg為試件的斷裂初度，On為試件的名義強度，ae為試件的等效裂縫長度，P為試件 的屈服荷載，σγ為試件的屈服強度。2. 根據權利要求1所述的同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(4)中，由下式(2)計算出每個試件的名義強度曰η，其中，Ρ為試件的屈服荷載;Β為試件厚度;a日為初始裂縫長度，Δ ap為裂縫尖端塑性區長 度，λ為應力分布形狀影響系數，λ = 0.90-0.85。3. 根據權利要求1所述的同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(5)中，每個試件的等效裂縫長度ae由下式(3a)~(3d)計算，其中，a日為初始裂縫長度;α為縫高比;W為試件高度;Α(α)為試件的幾何形狀影響系數;λ 為應力分布形狀影響系數，λ = 0.95-0.85;Υ(α)為計算應力強度因子所對應的幾何影響因 子。4. 根據權利要求1所述的同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其 特征在于，所述步驟（1)中試件的寬度W為30mm~50mm，有效長度L為50mm~70mm，試件厚度 試件厚度B為5~15mm。5. 根據權利要求1所述的同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其 特征在于，所述步驟(2)中的裂縫寬度小于0.25mm。6. 根據權利要求1所述的同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(2)中，所述縫高比α = a/W的取值依次為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6， 0.7。7. 根據權利要求1所述的同時測定低合金高強度鋼的屈服強度與斷裂初度的方法，其 特征在于，在所述步驟(1)中，制作的試件個數為10~35個。
【文檔編號】G01N3/08GK105973701SQ201610278370
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】管俊峰, 姚賢華, 胡曉智, 白衛峰, 周密, 卿龍邦, 謝超鵬, 王強, 韓霄羽
【申請人】華北水利水電大學