评价各向异性金属和合金材料开裂倾向的方法技术

一种评价各向异性金属和合金材料开裂倾向的方法，向试样壳体内部注入流体，并对流体加压从而对该试样施加均匀压力。加压使得试样膨胀变形，从而在试样壳体的内表面和外表面形成环向拉应力。不断增大流体压力，直至试样的筒体破坏。通过性能表征—环向破坏强度，从而能够评价各向异性的金属和合金材料沿轴向开裂的倾向的方法，克服了现有技术中的试验方法存在无法评价各向异性金属和合金材料小规格板、棒、丝材沿轴向开裂的倾向的不足，填补了此类产品轴向失效开裂评价方法的空白。

A method for evaluating the cracking tendency of anisotropic metal and alloy materials

A method for evaluating the cracking tendency of anisotropic metal and alloy materials is introduced, which injecting fluid into the sample shell and pressurizing the fluid to exert uniform pressure on the specimen. The compression causes the specimen to expand and deform, thus forming the cyclic tensile stress on the inner and outer surfaces of the specimen shell. The fluid pressure is constantly increased until the specimen's barrel is destroyed. \u901a\u8fc7\u6027\u80fd\u8868\u5f81\u2014\u73af\u5411\u7834\u574f\u5f3a\u5ea6\uff0c\u4ece\u800c\u80fd\u591f\u8bc4\u4ef7\u5404\u5411\u5f02\u6027\u7684\u91d1\u5c5e\u548c\u5408\u91d1\u6750\u6599\u6cbf\u8f74\u5411\u5f00\u88c2\u7684\u503e\u5411\u7684\u65b9\u6cd5\uff0c\u514b\u670d\u4e86\u73b0\u6709\u6280\u672f\u4e2d\u7684\u8bd5\u9a8c\u65b9\u6cd5\u5b58\u5728\u65e0\u6cd5\u8bc4\u4ef7\u5404\u5411\u5f02\u6027\u91d1\u5c5e\u548c\u5408\u91d1\u6750\u6599\u5c0f\u89c4\u683c\u677f\u3001\u68d2\u3001\u4e1d\u6750\u6cbf\u8f74\u5411\u5f00\u88c2\u7684\u503e\u5411\u7684\u4e0d\u8db3\uff0c\u586b\u8865\u4e86\u6b64\u7c7b\u4ea7\u54c1\u8f74\u5411\u5931\u6548\u5f00\u88c2\u8bc4\u4ef7\u65b9\u6cd5\u7684\u7a7a\u767d\u3002

【技术实现步骤摘要】
评价各向异性金属和合金材料开裂倾向的方法
本专利技术涉及测试领域，具体是一种评价各向异性的金属和合金材料在常温条件下作为结构材料服役时因承受一次加载而沿轴向开裂倾向的方法。
技术介绍
众所周知，金属和合金材料的力学性能各向异性现象普遍存在，程度不同。特别在金属和合金的热加工过程中，伴随着锻造、拉拔、轧制等宏观变形过程的发生，微观层面的晶粒发生跟随变形，沿宏观伸长方向拉长，产生所谓的晶粒流线(grainflow)。晶粒流线的出现，使含晶粒流线材料的力学性能呈现各向异性。沿流线伸长方向加载时，材料具有较高的力学性能，包括抗拉强度、断裂韧性、应力腐蚀临界应力强度因子；垂直于流线方向加载时的力学性能则较差。特别对于细长的金属丝材、棒料，其力学性能的各向异性更加明显。所述的流线伸长方向是指材料的轴向。所述的垂直于流线方向是指材料的径向和环向。当含晶粒流线棒材、丝材的金属和合金制成品作为结构材料服役时，其破坏断口的宏观断面特征有两类：第一类断面沿轴向的法平面断裂破坏，如：抗拉型螺栓，拉杆等；第二类断面沿轴向开裂，如：螺母，枪管，管接头等。目前现有评价金属和合金材料在室温条件下因承受一次加载而破坏测试方法主要侧重于第一类破坏模式的评价。基本方法有：试样取样方向和试验加载时试样主应力的方向均沿轴向，进而对此试样进行拉伸试验，常用标准如：《GB-228.1金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》，最终获得材料的抗拉强度作为评价表征；进行第二类破坏模式的评价测试时，当原材料或产品尺寸足够容纳试样，直接沿径向、环向取样制样进行拉伸试验，即可获得抗拉强度表征。而对于小规格板、棒、丝材，其环向、径向尺寸远小于标准试样尺寸，现有的拉伸试验方法无法适用。现有关于金属材料试验的专利中均无评价各向异性的金属和合金材料的小规格板、棒、丝材的径向、环向性能适用的试验方法。耐压和爆破试验：耐压和爆破试验是检查导管、容器等流体结构的重要试验，通过对流体介质加压，以不同速率对流体结构施加应力，检查结构的严密性和强度。该类试验方法在国家标准GB-150《压力容器》、国军标GJB-3230《航空液压导管和接头试验方法》中均有描述。除了检查流体结构导管、容器等，通过流体介质施加应力的方法也可用于检测其他对象。已有公开专利US7,380,466通过流体介质加压的方式，对混凝土结构施加压力并测量过程中应变，确定混凝土的机械性能。公开专利CN201159706Y中利用液压伺服系统控制的活塞对一种道路工程材料的环状被测试样均匀施力，从而达到测量环向性能，最终反映拉伸疲劳寿命。使用流体介质加压对取自金属和合金材料的小规格板、棒、丝材原材料及制成品的试样进行加压试验，并进行性能表征的方法，未见公开报道。综上，因试验方法空白，小规格板、棒、丝材的环向、径向性能数据在工程手册中是空白状态；而该类材料沿轴向开裂是其服役过程中重要的失效模式，需要此类试验数据指导工程应用。现有技术无法满足需求工程需求。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的试验方法无法评价各向异性金属和合金材料小规格板、棒、丝材沿轴向开裂倾向的不足，本专利技术提出了一种评价各向异性金属和合金材料开裂倾向的方法。本专利技术的具体过程如下：步骤1，试样的制作；试样的旋转轴线与所评价材料的晶粒流向相同；所述测试段的壁厚δ与该测试段的外径D之比小于0.1。所述试样的一端为连接端，另一端为密封端，中部为测试段。所述测试段的外径D为6～11mm，测试段的内径d为5～10mm，测试段的壁厚δ为0.5mm；d：δ＝10～20。所述连接端的外圆周表面加工有连接法兰；所述连接法兰的外端端面为与管接头内锥面配合的球面。所述密封端的外径比测试段外径大15％。步骤2，压力传感器的连接：将高压液压缸的压力传感器与信号采集仪器连接。步骤3，试样和液压爆破试验系统的连接：通过液压爆破试验系统中的金属导管和管接头将试样与高压液压缸的油路出口连接试样。连接时，将管接头的内锥面与试样的球面通过螺母压紧配合，使两者之间的配合面形成密封面。所述高压液压缸的压力为0MPa。步骤4，增压：对双作用液压缸加载，以驱动高压液压缸增压。所述增压的具体过程是控制阀门连续从所述双作用液压缸的进油口通入液压油。打开所述双作用液压缸的出油口，通过活塞推动活塞连杆，进而推动高压活塞，使位于试样内的压力和高压液压缸内的压力逐步升高。所述高压液压缸内的压力P为105～300MPa，所述双作用液压缸的工作压力P0为21MPa。所述双作用液压缸的工作推力范围为5KN～323KN。步骤5，试样破裂：该试样中空回转体部分在承受内部压力为P的条件下，应力分布有如下特点：测试段筒体部份质点单元为二向应力状态，即径向应力σr＝0，且各受力面应力均匀分布。环向应力轴向应力其中：试样的测试段内径为d；壁厚为D为测试段的外径。为保证试样测试段能被高压液体膨胀破裂，须使试样筒体的环向应力σθ超过试样材料的断裂强度σb。即满足：随着高压液压缸的工作压力值P的不断增加，试样筒体的环向应力σθ超过材料破坏强度σb时，试样筒体沿轴向开裂，位于该高压液压缸内的高压液压油泄露。发生爆裂和泄漏即判定试验结束，关闭进油口，所述信号采集仪停止记录压力；得到高压液压缸与试样的最高压力Pb。试验完成。步骤6，试验结果表征：材料的环向破坏强度σθb。当试样筒体破坏模式为轴向开裂破坏时，σθb的表达式为：其中：Pb是试验过程中压力传感器9测得的高压液压缸3的最高压力，即试样破坏时的压力。本专利技术通过性能表征—环向破坏强度，从而能够评价各向异性的金属和合金材料沿轴向开裂的倾向的方法，克服了现有技术中的试验方法存在无法评价各向异性金属和合金材料小规格板、棒、丝材沿轴向开裂的倾向的不足，本专利技术填补此类产品轴向失效开裂评价方法的空白。本专利技术向试样壳体内部注入流体，并对流体加压从而对该试样施加均匀压力。加压使得试样膨胀变形，从而在试样壳体的内表面和外表面形成环向拉应力。不断增大流体压力，直至试样的筒体破坏。通过压力记录仪记录流体达到的最大压力，即破坏压力。使用该压力数值为试验结果输出，结合试样截面尺寸得到环向破坏强度。以环向破坏强度来表征此种材料沿轴向开裂的倾向。在外界条件一定的条件下，材料的环向破坏强度越低，沿轴向开裂的倾向越高。试样壳体的内外表面依据制成品的特征形状对照加工，既可以是光滑的，也可以是粗糙的，也可以带有突起或凹下纹路，也可以在表面加工出内螺纹或外螺纹。与现有技术相比较，本专利技术的独特优势在于：1：能够评价小尺寸(直径或厚度<16mm)各向异性材料的小规格板、棒、丝材沿轴向开裂倾向的强弱。2：应力施加的范围沿整个试样表面，因此考察范围更广，降低了批量抽样风险。3：试样的内外表面均为拉应力，应力状态和服役状态一致。4：破坏性的测试结果体现失效模式，破坏断口能有效显示微观缺陷。附图说明图1是试样旋转体截面。图2是试样和管接头连接结构示意图。图3是试样与液压爆破系统的配合示意图。图4是本专利技术的流程图。图中：1.试样；2.高压液压油；3.高压液压缸；4.高压活塞；5.活塞连杆；6.活塞；7.双作用液压缸；8.液压油；9压力传感器；10.进油口；11.出油口；12.螺母；13.管接头。具体实施方式本专利技术针对断裂强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种评价各向异性金属和合金材料开裂倾向的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，试样的制作；试样的旋转轴线与材料的晶粒流向相同；测试段的壁厚δ与该测试段的外径D之比小于0.1；步骤2，压力传感器的连接：将高压液压缸的压力传感器与信号采集仪器连接；步骤3，试样和液压爆破试验系统的连接：通过液压爆破试验系统中的金属导管和管接头将试样与高压液压缸的油路出口连接试样；连接时，将管接头的内锥面与试样的球面通过螺母压紧配合，使两者之间的配合面形成密封面；所述高压液压缸的压力为0MPa；步骤4，增压：对双作用液压缸加载，以驱动高压液压缸增压；所述高压液压缸内的压力P为105～300MPa，所述双作用液压缸的工作压力P0为21MPa；所述双作用液压缸的工作推力范围为5KN～323KN；步骤5，试样破裂：为保证试样测试段能被高压液体膨胀破裂，须使试样筒体的环向应力σθ超过试样材料的断裂强度σb；即满足：

【技术特征摘要】
1.一种评价各向异性金属和合金材料开裂倾向的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，试样的制作；试样的旋转轴线与材料的晶粒流向相同；测试段的壁厚δ与该测试段的外径D之比小于0.1；步骤2，压力传感器的连接：将高压液压缸的压力传感器与信号采集仪器连接；步骤3，试样和液压爆破试验系统的连接：通过液压爆破试验系统中的金属导管和管接头将试样与高压液压缸的油路出口连接试样；连接时，将管接头的内锥面与试样的球面通过螺母压紧配合，使两者之间的配合面形成密封面；所述高压液压缸的压力为0MPa；步骤4，增压：对双作用液压缸加载，以驱动高压液压缸增压；所述高压液压缸内的压力P为105～300MPa，所述双作用液压缸的工作压力P0为21MPa；所述双作用液压缸的工作推力范围为5KN～323KN；步骤5，试样破裂：为保证试样测试段能被高压液体膨胀破裂，须使试样筒体的环向应力σθ超过试样材料的断裂强度σb；即满足：随着高压液压缸的工作压力值P的不断增加，试样筒体的环向应力σθ超过材料破坏强度σb时，试样筒体沿轴向开裂，位于该高压液压缸内的高压液压油泄露；发生爆裂和泄漏即判定试验结束，关闭进油口，所述信号采集仪停止记录压力；得到高压液压缸与试样的最高压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泓，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61