一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法技术

本发明专利技术公开了一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法，包括加工含双边轴向裂纹金属小管试样；将含双边轴向裂纹金属小管试样安装在试验机上进行拉伸，以获取含双边轴向裂纹金属小管试样的载荷

【技术实现步骤摘要】
一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法


[0001]本专利技术涉及金属薄壁管状结构测试
，具体涉及一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法。

技术介绍

[0002]金属薄壁管状结构在许多现代工程系统中被广泛使用，如火力发电厂的过热器管、再热器管和蒸汽发生器管、化工和加工工业的热交换器管以及核反应堆的燃料包壳管。这些管道通常承受高压和高温环境，随着时间的增长，材料势必发生蠕变、氧化、腐蚀等现象，造成材料的劣化和损伤，如何进行材料的可靠性和安全性评定具有重要意义。评估薄壁管状试样的断裂阻力曲线一直是核工业长期关注的问题。
[0003]由于标准断裂力学试样无法从这些管中加工出来，因此必须采用非标准试样进行测试。
[0004]早期学者Grigoriev等人提出采用销加载拉伸(pin
‑
loading tension,PLT)试验，利用含轴向对称裂纹的薄壁管试样(Thin
‑
walled tube containing four axial symmetric cracks,TFAC)用于评估印度反应堆中使用的锆合金燃料包壳管的断裂韧性。Grigoriev认为PLT测试的进一步发展允许定量断裂力学参数的确定，以描述有缺口或预裂纹的薄壁管的应力状态(应力强度因子K)和表征薄壁管的断裂韧性(J积分)。根据试验过程中记录的载荷
‑
位移曲线和试验前试样未开裂韧带面积计算J积分值，即通过载荷
‑
位移计算面积得到塑性功从而获取J积分值。r/>[0005]由于早期的几何函数不能应用于不同尺寸的薄壁管，M.K.Samal采用PLT试验和TFAC试样，认为J
‑
R曲线中的J积分值(在任何加载点i)使用J的弹性和塑性部分进行评估，即
[0006][0007]其中方程右侧的第一项是J积分的弹性部分，J积分的塑性部分，E为弹性模量，ν为泊松比，K
(i)
为任何加载的应力强度因子。Li讨论了燃料包壳管(在PLT装置中)计算J积分的弹性部分所需的应力强度因子K
I
的评估方法。K
I
的表达式可以写成载荷P，厚度t和几何函数f(a/W)的表达式
[0008][0009]其中f(a/W)的表达式为
[0010][0011]J
pl
被评估为
[0012][0013]其中a为裂纹长度，b为剩余韧带长度，A
pl
为载荷
‑
位移曲线下面积的塑性分量，η和γ为两个待定参数，η和γ需要作为a/W的函数来评估。

技术实现思路

[0014]本专利技术所要解决的问题是克服现在针对金属薄壁管断裂韧性测定方法存在公式复杂、只针对特定尺寸的管等不足，提供了一种可以测定不同材料、不同尺寸金属薄壁管断裂韧性的含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法。
[0015]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0016]一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法，包括以下步骤：
[0017]加工含双边轴向裂纹金属小管试样；
[0018]将含双边轴向裂纹金属小管试样安装在试验机上进行拉伸，以获取含双边轴向裂纹金属小管试样的载荷
‑
位移曲线；
[0019]建立基于含双边轴向裂纹金属小管试样的J积分半解析模型，结合获取的载荷
‑
位移曲线计算含双边轴向裂纹金属小管试样的断裂韧性J积分；
[0020]采用直接法计算含双边轴向裂纹金属小管试样的扩展裂纹长度，并结合计算的断裂韧性J积分，得到含双边轴向裂纹金属小管试样的J阻力曲线。
[0021]可选地，所述含双边轴向裂纹金属小管试样的一端开设V形槽，其另一端开设轴向裂纹。
[0022]可选地，所述将含双边轴向裂纹金属小管试样安装在试验机上进行拉伸具体为：
[0023]采用销加载拉伸装置和U型夹具与含双边轴向裂纹金属小管试样配合安装在试验机上，使用单调位移加载，销加载拉伸装置张开，对含双边轴向裂纹金属小管试样进行拉伸。
[0024]可选地，所述基于含双边轴向裂纹金属小管试样的J积分半解析模型具体为：
[0025][0026]其中，J表示含双边轴向裂纹金属小管试样的断裂韧性J积分，J
e
表示弹性阶段J积分，J
p
表示塑性阶段J积分，m1,m2,m3分别表示与试样裂纹长度a、试样直径D、试样厚度t相关的有效体积折减系数，P
er
＝k1EWt，k1表示弹性有效变形体积系数，E表示弹性模量，b表示剩
余韧带长度，W表示试样宽度，P表示载荷，表示第i点的塑性J积分，N表示应变硬化指数，K表示材料的应变硬化系数，k2表示塑性有效变形体积系数，k3表示塑性有效体积指数，k4表示等效塑性应变系数，k5表示等效塑性应变指数，h
p
表示加载线方向塑性位移，b
i
表示第i点的剩余韧带长度，P
i
表示第i点的载荷，表示第i+1点的塑性J积分。
[0027]可选地，所述采用直接法计算含双边轴向裂纹金属小管试样的扩展裂纹长度具体为：
[0028]根据单向加载下裂纹构件的弹性阶段和塑性阶段叠加得到总能量U和总位移h，表示为
[0029][0030]其中，U(P,h)表示裂纹构件总能量，P表示载荷，h表示总位移，U
e
(P,h
e
)表示弹性能，h
e
表示弹性位移，U
p
(P,h
p
)表示塑性能，h
p
表示塑性位移；
[0031]构建含双边轴向裂纹金属小管试样载荷
‑
位移显式关系：
[0032][0033]其中，h
*
表示特征长度，h
*
＝W，W表示试样宽度，＝W，W表示试样宽度，P
er
＝k1EWt,k1表示弹性有效变形体积系数，E表示弹性模量，b表示试样剩余韧带长度、D表示试样直径、t表示试样厚度，m1、m2、m3分别表示与试样裂纹长度a、试样直径D、试样厚度t相关的有效体积折减系数，N表示应变硬化指数，K表示材料的应变硬化系数，k1为弹性有效变形体积系数，k2表示有效塑性变形体积系数，k3表示塑性有效体积指数，k4表示等效塑性应变系数，k5表示等效塑性应变指数；
[0034]根据含双边轴向裂纹金属小管试样载荷
‑
位移显式关系，结合获取的载荷
‑
位移曲线计算含双边轴向裂纹金属小管试样的扩展裂纹长度。
[0035]本专利技术具有以下有益效果：
[0036]本专利技术基于能量密度等效方法建立了基于含双边轴向裂纹金属小管试样的J积分半解析模型，具有结构简单、参数易于标定等优点，克服了之前传统测定薄壁管断裂韧性公式复杂的不足，试样加工、试验原理以及数据处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：加工含双边轴向裂纹金属小管试样；将含双边轴向裂纹金属小管试样安装在试验机上进行拉伸，以获取含双边轴向裂纹金属小管试样的载荷
‑
位移曲线；建立基于含双边轴向裂纹金属小管试样的J积分半解析模型，结合获取的载荷
‑
位移曲线计算含双边轴向裂纹金属小管试样的断裂韧性J积分；采用直接法计算含双边轴向裂纹金属小管试样的扩展裂纹长度，并结合计算的断裂韧性J积分，得到含双边轴向裂纹金属小管试样的J阻力曲线。2.根据权利要求1所述的一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法，其特征在于，所述含双边轴向裂纹金属小管试样的一端开设V形槽，其另一端开设轴向裂纹。3.根据权利要求1所述的一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法，其特征在于，所述将含双边轴向裂纹金属小管试样安装在试验机上进行拉伸具体为：采用销加载拉伸装置和U型夹具与含双边轴向裂纹金属小管试样配合安装在试验机上，使用单调位移加载，销加载拉伸装置张开，对含双边轴向裂纹金属小管试样进行拉伸。4.根据权利要求1所述的一种含双边轴向裂纹金属小管断裂韧性试验方法，其特征在于，所述基于含双边轴向裂纹金属小管试样的J积分半解析模型具体为：其中，J表示含双边轴向裂纹金属小管试样的断裂韧性J积分，J
e
表示弹性阶段J积分，J
p
表示塑性阶段J积分，m1,m2,m3分别表示与试样裂纹长度a、试样直径D、试样厚度t相关的有效体积折减系数，P
er
＝k1EWt，k1表示弹性有效变形体积系数，E表示弹性模量，b表示剩余韧带长度，W表示试样宽度，P表示载荷，表示第i点的塑性J积分，表示第i点的塑性J积分，N表示应变硬化指数，K表示材料的应变硬化系数，k2表示塑性有效变形体积系数，k3表示塑性有效体...

【专利技术属性】
技术研发人员：包陈，徐习凯，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：