基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法；该方法首先通过小厚度试样计算出非平面应变断裂韧性，利用该数值通过有限元软件，计算出该金属材料小厚度试样的临界能量释放率，再通过临界能量释放率利用有限元分析软件迭代计算出大厚度金属材料的平面应变断裂韧性；该方法适用于任何新型的金属材料，没有材料的局限性，因利用有限元的单元思想，使得迭代出的大厚度试样的平面应变断裂韧性结果准确；该方法操作简单、易于掌握，克服了高韧性金属材料平面应变断裂韧性无法检测的技术难题，可供从事金属材料断裂及结构安全评价的研究人员和试验人员参考，值得推广实施。

【技术实现步骤摘要】
基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法
本专利技术属于金属材料断裂韧性检测
，具体涉及一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法。
技术介绍
平面应变断裂韧性(KIC)是评价材料抵抗裂纹启裂扩展能力的重要参量，是工程设计的关键技术依据。对于合理选材、用材，确保构件服役安全，准确测定材料的平面应变断裂韧性(KIC)至关重要。国内外测定金属材料平面应变断裂韧性(KIC)的方法标准主要包括ISO12737、GB/T4161和ASTME339。按照国内外标准要求，平面应变断裂韧性通过试验方法测定，试验所用试样应具有足够大的厚度，以确保裂纹前端处于平面应变状态，具体要求为：其中t为试样厚度，KQ为材料的断裂韧性；σ0为材料的屈服强度。可见，材料的韧性越好，测定平面应变断裂韧性所需的试样厚度越大。对于一些高韧性金属材料，平面应变断裂韧性试样所需厚度往往达到50mm，甚至100mm以上。这不仅提高了试验机的吨位能力要求，更严重的是造成满足标准要求的大厚度试样无法制备，导致平面应变断裂韧性无法测得。近年来，随着国内外冶金技术、制造加工技术的进步，金属材料的纯净度和性能水平不断提升，平面应变断裂韧性准确测定的问题变得更为突出，成为行业亟待解决的共性技术难题。文献报道，有学者提供了一种通过线性拟合估算金属材料平面应变断裂韧性的方法。遗憾的是，该方法仅适用于小范围屈服条件，而对于高韧性材料，其裂尖塑性区一般较大，难以满足小范围屈服条件，该方法不适合。按照断裂力学的能量观点，断裂发生的条件是：当裂纹扩展所释放出来的变形能等于或者大于裂纹扩展所需要的能量时，裂纹将失稳扩展。这就是断裂的能量释放率G准则。对于特定材料，存在一个临界能量释放率，当能量释放率达到临界能量释放率时，裂纹开始启裂扩展。近年来，随着ANSYS或ABAQUS等有限元软件的发展，利用数值仿真技术便可模拟实际断裂韧性试验，使得原本难以计算的能量释放率可以方便的获取。这样，结合实际断裂韧性试验，利用数值模拟，通过计算可以准确测定特定材料的临界能量释放率，进而利用此临界能量释放率则可以获得任意厚度下的断裂韧性，平面应变断裂韧性也就可以科学准确地获得了。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法；该方法用于解决高韧性金属材料平面应变断裂韧性试样无法制备，导致高韧性金属材料无法准确测定平面应变断裂韧性的技术问题。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法，包括以下步骤：步骤1，针对小厚度试样进行断裂韧性测试，获得金属材料的非平面应变断裂韧性KQ0；所述小厚度试样的厚度＜30mm；步骤2，针对小厚度试样，按照下式计算得到金属材料的非平面应变断裂韧性KQ0对应的临界启裂能量释放率G1’；式中，为断裂时裂尖处的节点力kN；ΔC为裂纹扩展长度，mm；vc、vd分别为c点和d点相对于中心处O点的位移，mm；步骤3，针对大厚度试样，通过有限元软件计算临界启裂能量释放率G1’对应的启裂载荷值F1’；所述大厚度试样的厚度≥30mm；步骤4，通过下述公式(1)和公式(2)计算金属材料的断裂韧性KQ；KQ＝(FS/BW3/2)×f(a/W)(2)式中，F为步骤3得出的启裂载荷值F1’，kN；S为大厚度试样跨距，mm；B为大厚度试样厚度，mm；W为大厚度试样宽度，mm；a为大厚度原始裂纹长度，mm；步骤5，当步骤4计算的KQ满足的条件时，KQ为金属材料的平面应变断裂韧性KIC；其中，t为试样厚度，σ0为材料的屈服强度。本专利技术的进一步改进在于：优选的，步骤2包括以下过程：步骤2.1，通过有限元软件构建小厚度试样模型；步骤2.2，通过式(1)计算非平面应变断裂韧性KQ0对应的临界启裂能量释放率G1’。优选的，步骤2.1中的小厚度试样模型的形状和尺寸和步骤1中小厚度试样的形状和尺寸相同。优选的，步骤3中，通过有限元软件构建大厚度试样模型，开始对整个大厚度试样施加载荷值F，不断增加F值，进行迭代计算，至F值对应的能量释放率G’和步骤2中的临界启裂能量释放率G1’相等，裂纹开始启裂，对应的F为启裂载荷值F1’。优选的，步骤3中，施加载荷值F的初始值20kN，逐步增加载荷值F，单次增加值设为10kN，持续加载；每一次增加的载荷值F，对应一个能量释放率G’。优选的，所述有限元软件为ANSYS或ABAQUS。优选的，步骤1中，根据GB/T211423《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》进行小厚度试样的断裂韧性测试。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法；该方法首先通过小厚度试样计算出非平面应变断裂韧性，利用该数值通过有限元软件，计算出该金属材料小厚度试样的临界能量释放率，再通过临界能量释放率利用有限元分析软件迭代计算出大厚度金属材料的平面应变断裂韧性；该方法适用于任何新型的金属材料，没有材料的局限性，因利用有限元的单元思想，使得迭代出的大厚度试样的平面应变断裂韧性结果准确；该方法操作简单、易于掌握，克服了高韧性金属材料平面应变断裂韧性无法检测的技术难题，可供从事金属材料断裂及结构安全评价的研究人员和试验人员参考，值得推广实施。【附图说明】图1为裂尖处的单元和节点示意图图2为本专利技术的金属材料断裂韧性试样示意图；图3为本专利技术的三点弯曲断裂韧性试验模型图。【具体实施方式】下面结合具体实施例和附图对本专利技术做进一步详细描述；本专利技术公开了一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法；该方法包括以下步骤：步骤1，参见图2，将待测金属材料，制备成小厚度试样，所述小厚度试样的厚度＜30mm；将制备好的试样在三点弯曲试验机下按照GB/T211423《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》进行断裂韧性试验，获得该金属材料小厚度试样的非平面应变断裂韧性KQ0；步骤2，参见图3，计算金属材料的临界能量释放率G’。步骤2.1，通过ANSYS或ABAQUS有限元软件构建小厚度试样，所述小厚度试样的长、宽、高、原始裂纹长度和试样跨距均和步骤1中的小厚度试样尺寸相同；步骤2.2，通过该金属材料小厚度试样的非平面应变断裂韧性KQ0能够获知断裂时对应裂尖处的节点力KN，结合节点力，利用下式(1)，然后通过有限元软件计算出金属材料的非平面应变断裂韧性KQ0对应的临界启裂能量释放率G1’；式中，为断裂时裂尖处的节点力kN；ΔC为裂纹扩展长度，mm；vc、vd分别为c点和d点相对于中心处O点的位移，mm；裂尖处的单元和节点参照图1；ΔC的长度为一个单元的宽度，由有限元软件确定。步骤3，建立大厚度试样的断裂韧性试验模型参见图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，针对小厚度试样进行断裂韧性测试，获得金属材料的非平面应变断裂韧性K

【技术特征摘要】
1.基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，针对小厚度试样进行断裂韧性测试，获得金属材料的非平面应变断裂韧性KQ0；所述小厚度试样的厚度＜30mm；
步骤2，针对小厚度试样，按照下式计算得到金属材料的非平面应变断裂韧性KQ0对应的临界启裂能量释放率G1’；



式中，为断裂时裂尖处的节点力kN；ΔC为裂纹扩展长度，mm；vc、vd分别为c点和d点相对于中心处O点的位移，mm；
步骤3，针对大厚度试样，通过有限元软件计算临界启裂能量释放率G1’对应的启裂载荷值F1’；所述大厚度试样的厚度≥30mm；
步骤4，通过下述公式(1)和公式(2)计算金属材料的断裂韧性KQ；
KQ＝(FS/BW3/2)×f(a/W)(2)



式中，F为步骤3得出的启裂载荷值F1’，kN；S为大厚度试样跨距，mm；B为大厚度试样厚度，mm；W为大厚度试样宽度，mm；a为大厚度原始裂纹长度，mm；
步骤5，当步骤4计算的KQ满足的条件时，KQ为金属材料的平面应变断裂韧性KIC；其中，t为试样厚度，σ0为材料的屈服强度。


2.根据权利要求1所述的基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法，其特征在于，步骤2包括以下过程：
步骤2.1，通过有限元软件构建小厚度试样...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜伟，娄琦，李群，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11