本發(fā)明涉及斷裂韌度測試方法領(lǐng)域，具體涉及小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試方法。
背景技術(shù)：
小直徑管材是反應(yīng)堆中大量應(yīng)用的構(gòu)件形式，尤其是在一回路中，以傳熱管和包殼管的應(yīng)用為代表，不僅用量巨大，而且長期在高溫、高壓和應(yīng)力等復(fù)雜的服役環(huán)境下工作，容易發(fā)生損傷或破裂，處理不當(dāng)將會導(dǎo)致反應(yīng)堆失水和放射性物質(zhì)泄漏等嚴(yán)重事故。因此，研究并掌握小直徑管材的斷裂行為對于反應(yīng)堆的安全運(yùn)行具有重要意義。
斷裂韌度作為重要力學(xué)指標(biāo)，可以直觀、量化的衡量帶缺陷材料抗斷裂破壞的能力。通過分析裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變場以及測試含裂紋試樣的力學(xué)性能來建立材料或構(gòu)件的斷裂判據(jù)，以解決構(gòu)件選材、確定構(gòu)件許用最大裂紋尺寸，從而保證構(gòu)件的服役安全。
國內(nèi)外針對金屬管材的斷裂韌度測試大多參照標(biāo)準(zhǔn)，將其加工成類似的緊湊拉伸（Compact Tensile, CT）或三點彎曲（Single Edged Bending, SEB）試樣，但上述方法僅局限于具有一定壁厚的大尺寸管材，即壁厚大于25mm，如申請?zhí)?01310479327.7的利用單邊缺口拉伸試驗測量管線鋼斷裂韌性的方法、專利號JP2011174808 (A) 、專利號JP2002267581 (A)中將管材加工成彎曲的緊湊拉伸試樣或采用管材的四分之一弧段進(jìn)行三點彎曲加載測試。對于OTSG專用TA16鈦合金Φ8×1.5mm傳熱管等小直徑管材的斷裂韌度測試問題，由于尺寸有限，試樣加工難度較大，加載也難以實現(xiàn)，上述方法并不適用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題提供一種小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試方法。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試方法，包括:
制作帶槽口且槽口對面預(yù)制有裂紋的C型管段試樣；
對試樣進(jìn)行單調(diào)拉伸加載，在最大載荷下降20%后停機(jī)卸載，獲得載荷-CMOD曲線；
將試樣打斷，測量初始裂紋長度和終止裂紋長度；
根據(jù)初始裂紋長度和終止裂紋長度，獲得實時裂紋長度；
根據(jù)實時裂紋長度獲得試樣的J阻力曲線，從而得到試樣的斷裂韌度值。
這種方法避免了采用尺寸較大的CT或SEB試樣，而是直接采用管材進(jìn)行試驗，試驗方法簡單、容易操作，而且試驗結(jié)果更具有代表性，不用考慮因加工工藝給材料的斷裂性能帶來的影響，獲得了小直徑管材斷裂韌度測試技術(shù)方案，為小直徑管材斷裂韌度測試技術(shù)的研究提供支持。
進(jìn)一步的，所述裂紋的開口角度<10度，且平均開口寬度<0.1毫米。對于小直徑管材的疲勞裂紋預(yù)制，無法按傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)試樣的方法進(jìn)行，裂紋長度的控制與監(jiān)測目前尚無法解決。因此，希望通過加工細(xì)微尺寸缺口來替代疲勞裂紋，而加工裂紋的形狀、質(zhì)量等因素直接影響斷裂韌度測試結(jié)果的精度，必須嚴(yán)格控制。
進(jìn)一步的，所述試樣的壁厚與外徑的比值大于10%。
進(jìn)一步的，在打斷試樣之前，對試樣進(jìn)行染色標(biāo)記。
進(jìn)一步的，所述J阻力曲線中J積分的塑性部分Jp的計算公式為：
，
式中，η為塑性因子；b為剩余韌帶長度，單位為毫米；BN為凈厚度，單位為毫米；，ΔUp為增量塑性功；γ為與η和試樣幾何參量相關(guān)的參量；
其中，
；
。
塑性因子ηCMOD和ηLLD符合以下關(guān)系：
；
。
J阻力曲線中應(yīng)力強(qiáng)度因子K的計算公式為：
；
其中：；
式中：P為試樣所受的拉伸載荷；a為裂紋長度，單位為毫米；t為壁厚，單位為毫米；B為試樣長度，單位為毫米；pi為K因子待定系數(shù)。
小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試夾具，包括夾頭，所述夾頭包括拉伸端、用于對加載銷兩端進(jìn)行支撐的固定端，所述加載銷成半圓柱形?，F(xiàn)有的斷裂韌性測試用的夾具顯然不適合小直徑的管材。本方案在上述方法的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種夾具，使其適用于小直徑管材的斷裂韌度測試。夾具在對試樣進(jìn)行加持時，對加載銷的承載力要求極高，試驗證明，將加載銷設(shè)置為半圓柱形，可有效的提高加載銷的承載力。且受試樣內(nèi)徑的影響，加載銷設(shè)置為半圓柱形是最佳設(shè)置。
優(yōu)選的，所述固定端上設(shè)置有夾持槽，所述加載銷兩端分別設(shè)置在夾持槽的兩槽壁上。
進(jìn)一步的，夾頭包括第一夾頭和第二夾頭，所述第一夾頭的固定端位于第二夾頭的夾持槽內(nèi)。第一夾頭和第二夾頭分別從試樣內(nèi)徑的上下兩端對試樣進(jìn)行夾持，兩個夾頭設(shè)置為交錯結(jié)構(gòu)，即第一夾頭的固定端位于第二夾頭的夾持槽內(nèi)，適于小直徑試樣的夾持。
進(jìn)一步的，所述第一夾頭的夾持槽的寬度為10毫米至12毫米。試樣的長度在大于壁厚的一定范圍內(nèi)對斷裂韌度的影響小，夾持槽設(shè)置在試樣的兩端，夾持槽的寬度不宜過大，過大不易對加載銷施力。
優(yōu)選的，采用該結(jié)構(gòu)的夾具，其對加載銷性能要求極高，由于受到管內(nèi)徑的限制，加載銷要有極高的屈服強(qiáng)度，在加載過程中才不會帶來形變誤差，同時也要易于加工，故加載銷為馬氏體沉淀硬化不銹鋼。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
本發(fā)明采用試樣對管材的斷裂韌性進(jìn)行測量，其加工難度小，容易操作，直接反應(yīng)加工工藝給材料的斷裂性能帶來的影響，滿足小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明的夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱：
1、固定端；2、試樣；3、加載銷；4、拉伸端。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
一種小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試方法，包括:
制作帶槽口且槽口對面預(yù)制有裂紋的C型管段試樣，具體的，可在成品管材單側(cè)開口，通過激光器在槽口對面進(jìn)行裂紋預(yù)制，然后將其切割成管段試樣，或者將成品管材切割成管段，再在其單側(cè)開口，通過激光器在槽口對面進(jìn)行裂紋預(yù)制；
對試樣進(jìn)行單調(diào)拉伸加載，在最大載荷下降20%后停機(jī)卸載，獲得載荷-CMOD曲線；
將試樣打斷，測量初始裂紋長度和終止裂紋長度；
根據(jù)初始裂紋長度和終止裂紋長度，獲得實時裂紋長度；
根據(jù)實時裂紋長度獲得試樣的J阻力曲線，從而得到試樣的斷裂韌度值。
通過紫外光進(jìn)行切割的裂紋在合理控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)不同深度的V型缺口的加工，以避免試樣發(fā)生鈍化，其開口角度<10°，平均寬度<0.1mm，可以替代預(yù)制的疲勞裂紋。
要對小直徑的管材進(jìn)行徑向加載，空間非常有限，如果將試樣設(shè)計的過長，所需要的加載力相應(yīng)的增大，難以找到能夠承載的剛性材料做加載銷，如果將試樣設(shè)計的過短，則有效的裂紋擴(kuò)展面過短，無法保證裂紋長度的測量精度。由于試樣長度在大于壁厚的一定的范圍內(nèi)對斷裂韌度的影響較小，因此，可對試樣長度進(jìn)行適量調(diào)整。
具體的以Φ8×1.5mm TA16鈦合金成品管材為例。
在鈦合金成品管材單側(cè)開一個寬度為1mm的槽口，通過激光器在槽口對面進(jìn)行裂紋預(yù)制，然后將其切割為長度為10mm的管材試樣，在每個試樣上粘接引伸計固定件，將試樣安裝在夾具上，在在萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行單調(diào)拉伸加載，控制位移速率為0.01 mm/s來控制加載過程，各試樣均在最大載荷下降20%后停機(jī)卸載，獲得載荷-CMOD曲線。為了便于觀察，取下試樣通過熱著色的方法，對試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行染色標(biāo)記，然后將試樣打斷，用顯微鏡測量初始裂紋長度和終止裂紋長度。將獲得的數(shù)據(jù)按規(guī)則化法或其他方法進(jìn)行處理，獲得實時裂紋長度，根據(jù)實時裂紋長度就可獲得試樣的J阻力曲線，從而得到試樣的斷裂韌度JⅠC值。
具體的根據(jù)實時裂紋長度就可獲得試樣的J阻力曲線的原理為：
通過建立小直徑管材試樣斷裂韌度測試的有限元模型，并通過數(shù)值分析獲得了該構(gòu)型試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子K表達(dá)式和J積分計算式。
在計算J積分時，通常將其分解為彈性和塑性兩部分。其中，J=Je+Jp。彈性部分Je由應(yīng)力強(qiáng)度因子轉(zhuǎn)換獲得，與現(xiàn)有技術(shù)的計算方法相同，即
式中，E為彈性模量，ν為泊松比。
塑性部分Jp的計算公式為：
，
式中，η為塑性因子；b為剩余韌帶長度，單位為毫米；BN為凈厚度，單位為毫米；，ΔUp為增量塑性功；γ為與η和試樣幾何參量相關(guān)的參量；
其中，
；
。
塑性因子η是計算塑性J積分的關(guān)鍵參量，η值與材料性能及試樣幾何構(gòu)形密切相關(guān)。對于本方法中的小直徑管材試樣的塑性因子ηCMOD和ηLLD符合以下關(guān)系：
；
。
則對應(yīng)的γCMOD和γLLD滿足如下關(guān)系：
小直徑管試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子K的計算公式為：
；
其中：；
式中：P為試樣所受的拉伸載荷；a為裂紋長度，單位為毫米；t為壁厚，單位為毫米；B為試樣長度，單位為毫米；pi為K因子待定系數(shù)。三種分析模型下的K因子公式系數(shù)列于表1中。
針對上述方法，研發(fā)了一種小直徑厚壁金屬管材的斷裂韌度測試夾具，包括夾頭，所述夾頭包括拉伸端4、用于對加載銷兩端進(jìn)行支撐的固定端1，所述加載銷3成半圓柱形。
所述固定端上設(shè)置有夾持槽，所述加載銷兩端分別設(shè)置在夾持槽的兩槽壁上。
夾頭包括第一夾頭和第二夾頭，所述第一夾頭的固定端位于第二夾頭的夾持槽內(nèi)。如圖1所示，在對試樣進(jìn)行斷裂韌度測試時，第一夾頭和第二夾頭分別從試樣2內(nèi)徑的上下兩端對試樣進(jìn)行夾持，兩個夾頭設(shè)置為交錯結(jié)構(gòu)，即第一夾頭的固定端位于第二夾頭的夾持槽內(nèi)。
所述第一夾頭的夾持槽的寬度為10毫米至12毫米。
加載銷為馬氏體沉淀硬化不銹鋼。
以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。