由結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法技術

本發明專利技術涉及一種由結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法，包括使用鋁合金材料加工制作試件、切出裂縫、按金屬材料拉伸試驗方法加載試件、基于試驗實測的外荷載—位移全曲線來確定試件的結構屈服荷載，計算等效裂縫長度等步驟，最后通過對試驗數據的回歸分析，同時得出鋁合金材料在平面應力情況下的斷裂韌度KC和屈服強度σY。本發明專利技術只需由小尺寸帶裂縫的單向板的拉伸試驗，初始裂縫加工方法簡便，而且不需要滿足現行國內外規范對試驗試樣尺寸、型式，加載條件等的嚴格規定，減少試驗強度和成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及金屬材料性能檢測
，具體涉及一種由結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法。
技術介紹
目前，對于進行金屬材料的屈服強度和拉伸強度的測試，需將試件加工成一定型式，并對其表面進行刨光等處理措施。目的是去除其表明存在的一定微觀缺陷。而若直接對未加工和表面處理的金屬材料試件進行測試，由于缺陷的存在會降低其實際材料性能，則其實測的屈服強度和拉伸強度都偏低于其真實情況。比如，通過試驗發現：(1)Q235B鋼材的實際屈服強度和拉伸強度分別是330MPa和450MPa,而未表面處理的Q235B一組鋼板拉伸試驗得到的屈服強度和拉伸強度分別是283-292MPa和431-438MPa。(2)Q345B鋼材的實際屈服強度和拉伸強度分別是515MPa和595MPa,而未表面處理的Q345B一組鋼板拉伸試驗得到的屈服強度和拉伸強度分別是342-371MPa和509-531MPa。(3)6010鋁合金的實際屈服強度和拉伸強度分別是273MPa和320MPa,而未表面處理的6010鋁合金拉伸試驗得到的屈服強度和拉伸強度分別是202MPa和291MPa。而且現有技術中對于鋁合金材料的斷裂韌度的確定，試件尺寸須滿足大于的一定條件。比如，中華人民共和國國家標準—《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC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，等規范中，規定測試試件的厚度B,裂紋長度a,韌帶尺寸W-a都需大于等于KIC為平面應變情況下的金屬斷裂韌度，σY為金屬的屈服強度。另外更加加重試驗操作難度的是需要疲勞試驗來形成試件的初始裂紋，而且在進行金屬斷裂韌度測試試驗中，需要對試件型式、加載夾具、加載方式、試驗系統等都有嚴格限制，疲勞試驗機的必須性參與，使得試驗試件的制作成本和試驗工作量大為增加。還需要說明的是，目前國內外測試規范中僅能確定金屬材料平面應變斷裂韌度KIC，而平面應力下的金屬斷裂韌度KC的斷裂韌度測試方法還未給出。而實際工程中鋁合金結構的厚度都較薄，其裂縫斷裂平面應變的情況要少于平面應力情況，則在鋁合金裂紋穩定性分析與控制研究中，KC應用更為廣泛。
技術實現思路
本專利技術提出一種由帶裂縫試件的結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法，可有效解決目前鋁合金斷裂韌性和屈服強度的測試難題，其試驗條件要求寬松，方法簡單，易于操作實施，且試驗成本低，易于推廣實施。為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：設計一種由結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法，包括下列步驟：(1)將待測鋁合金材料制成數個尺寸為W×B×L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)對步驟(1)所得試件的一側分別切出裂縫，裂縫長度為a，各試件的縫高比α＝a/W在0.1-0.7之間離散取值，一般要求至少取5個不同的值；(3)步驟(2)所得試件分別按照常規方法進行拉伸試驗至試件斷裂破壞，并記錄每個試件的外荷載—位移全曲線；(4)對每個試件的外荷載—位移全曲線進行常規分析：按照常規方法除去外荷載—位移全曲線的試驗機器影響區域，并確定出外荷載—位移全曲線的線彈性變化區域，對該區域做切線，與全曲線的交點即相應試件的屈服荷載PY；(5)基于步驟(4)所得的每個試件的屈服荷載PY，計算出相應試件的名義強度σn；(6)計算出每個試件的等效裂縫長度ae；(7)將步驟(5)、步驟(6)所得的不同的σn與ae值，代入下式(1)進行回歸分析，即可同時得出鋁合金平面應力情況下的斷裂韌度KC和屈服強度σY，其中，σn為試件的名義強度，PY為試件實測屈服荷載，ae為試件的等效裂縫長度，KC為鋁合金材料的斷裂韌度，σY為鋁合金材料的屈服強度。所述步驟(5)中，由下式(2)計算出每個試件的名義強度σn，式中，PY為試件實測屈服荷載；B為試件厚度；a為初始裂縫長度；Δap為裂縫尖端的屈服區長度；λ為實際應力分布影響系數，可根據常規試驗結果統計得來，一般在0.65-0.85之間根據實際情況按常規方法離散取值；Δap為試件屈服時對應的屈服區真實長度。所述步驟(6)中，每個試件的等效裂縫長度ae由下式(3a)～(3d)計算：其中，a為初始裂縫長度；α為縫高比；B(α)為結構形狀系數；λ為實際應力分布影響系數，可由常規試驗結果統計得來，一般在0.65-0.85之間根據實際情況按常規方法離散取值；Y(α)為幾何結構影響參數。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B為4～8mm。所述步驟(2)中的裂縫寬度小于0.25mm。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。所述步驟(2)中，采用線切割工藝對每個試件切出裂縫。所述步驟(3)中，采用普通的拉力試驗機或者萬能試驗機，按照金屬材料拉伸試驗方法對每個試件進行拉伸。本專利技術的有益技術效果在于：1.直接基于實測的結構試件的外荷載—位移全曲線上的線彈性階段，通過做切線，與外荷載—位移全曲線的交點，來確定帶裂縫試件的結構屈服荷載，然后由結構屈服荷載推算出材料屈服強度。2.試驗采用小尺寸結構試件，不需要對其表面進行切削等處理，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。3.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，簡化了試驗成本和難度。4.試驗試件的厚度可低于現有技術中的試驗要求，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鋁合金材料的斷裂韌度KC。附圖說明圖1為具體實施方式中所述試件的結構示意圖；圖2為實施例1中所述試件的實測荷載-變形全曲線；圖3為試件的實測屈服荷載確定鋁合金材料的斷裂韌度和屈服強度的示意圖；圖4為縫高比α＝0.3試件的實測外荷載—位移曲線確定其屈服荷載的示意圖；圖5為縫高比α＝0.6試件的實測外荷載—位移曲線確定其屈服荷載的示意圖；圖6為Δap＝2mm,λ＝0.75時，由實施例1所得數據回歸確定鋁合金材料的斷裂韌度和屈服強度；圖7為Δap＝4mm,λ＝0.75時，由實施例1所得數據回歸確定鋁合金材料的斷裂韌度和屈服強度；注，圖1中標注為：未處理表面1，初始裂縫2。具體實施方式下面結合附圖和實施例來說明本專利技術的具體實施方式，但以下實施例只是用來詳細說明本專利技術，并不以任何方式限制本專利技術的范圍。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。參見圖1，將待測鋁合金材料制作相同尺寸W而不同裂縫長度a的試件，試件寬度W為30mm-50mm，試件有效長度L為50mm-70mm，試件厚度B為4mm-8mm，保證試件受力處于平面應力條件。其中試件上單邊初始裂縫的形成采用線切割工藝，裂縫寬度小于0.25mm。實施例1：采用6061鋁合金材料加工制作七組試件，試件尺寸為：W＝40mm，B＝6.1mm，L＝60mm，試本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種由結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法，其特征在于，包括下列步驟：(1)將待測鋁合金材料制成數個尺寸為W×B×L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)對步驟(1)所得試件的一側分別切出裂縫，裂縫長度為a，各試件的縫高比α＝a/W在0.1?0.7之間離散取值；(3)步驟(2)所得試件分別進行拉伸試驗至試件斷裂破壞，并記錄每個試件的外荷載—位移全曲線；(4)對每個試件的外荷載—位移全曲線進行分析：按照常規方法除去外荷載—位移全曲線的試驗機器影響區域，并確定出外荷載—位移全曲線的線彈性變化區域，對該區域做切線，與全曲線的交點即相應試件的屈服荷載PY；(5)基于步驟(4)所得的每個試件的屈服荷載PY，計算出相應試件的名義強度σn；(6)計算出每個試件的等效裂縫長度ae；(7)將步驟(5)、步驟(6)所得的不同的σn與ae值，代入下式(1)進行回歸分析，即可同時得出鋁合金平面應力情況下的斷裂韌度KC和屈服強度σY，其中，σn為試件的名義強度，PY為試件實測屈服荷載，ae為試件的等效裂縫長度，KC為鋁合金材料的斷裂韌度，σY為鋁合金材料的屈服強度。...

【技術特征摘要】
1.一種由結構屈服荷載確定鋁合金材料的平面應力斷裂韌度及屈服強度的方法，其特征在于，包括下列步驟：(1)將待測鋁合金材料制成數個尺寸為W×B×L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)對步驟(1)所得試件的一側分別切出裂縫，裂縫長度為a，各試件的縫高比α＝a/W在0.1-0.7之間離散取值；(3)步驟(2)所得試件分別進行拉伸試驗至試件斷裂破壞，并記錄每個試件的外荷載—位移全曲線；(4)對每個試件的外荷載—位移全曲線進行分析：按照常規方法除去外荷載—位移全曲線的試驗機器影響區域，并確定出外荷載—位移全曲線的線彈性變化區域，對該區域做切線，與全曲線的交點即相應試件的屈服荷載PY；(5)基于步驟(4)所得的每個試件的屈服荷載PY，計算出相應試件的名義強度σn；(6)計算出每個試件的等效裂縫長度ae；(7)將步驟(5)、步驟(6)所得的不同的σn與ae值，代入下式(1)進行回歸分析，即可同時得出鋁合金平面應力情況下的斷裂韌度KC和屈服強度σY，其中，σn為試件的名義強度，PY為試件實測屈服荷載，ae為試件的等效裂縫長度，KC為鋁合金材料的斷裂韌度，σY為鋁合金材料的屈服強度。2.根據權利要求1所述的測定鋁合金材料平面應力條件下斷裂韌度及屈服強度的方法，其特征在于，在所述步驟(5)中，由下式(2)計算出每個試件的名義強度σn，式中，PY為試件實測屈服荷載；B為試件厚度；a為初始裂縫長度；Δap為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：管俊峰，白衛峰，姚賢華，胡曉智，王娟，謝超鵬，王強，錢國雙，韓霄羽，
申請(專利權)人：華北水利水電大學，
類型：發明
國別省市：河南;41