[发明专利]一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料断裂韧性测试技术领域技术，特别是一种采用双引伸计测量紧凑拉伸试样断裂参量的方法。

背景技术

裂纹尖端张开位移（下文简称“CTOD”，表示为“δ”）以及CTOD设计曲线是弹塑性断裂力学中的重要参量，广泛应用于金属构件的安全可靠性评估。

目前，针对紧凑拉伸试样的临界CTOD值的测量方法主要有：柔度法、剖面法、显微镜直接测量法。柔度法试验周期短，在实际操作中得到了广泛的应用，但测试精度较低；剖面法和显微镜直接测量法精度高，但由于切片的制作复杂导致试验周期长，未得到广泛的应用。

（1）柔度法

《Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness》和《GB/T 21143-2007 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》规定采用柔度法测量CTOD值。柔度法是根据特征载荷P、张开位移塑性分量V_p、裂纹长度a和材料参数（屈服强度R_p0.2、弹性模量E），利用柔度法推导得到的计算公式计算CTOD值。该方法操作简单方便，试验周期短，但由于旋转因子r采用了统一的推荐值，并未考虑材料强度、试样尺寸和裂纹长度的影响，会影响到临界CTOD值的计算精度，同时计算精度也受屈服强度R_p0.2和弹性模量E测试误差的影响。

（2）剖面法

标准《GB/T 21143-2007 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》的附录J中推荐采用剖面法测定CTOD值。剖面法是将卸载后的试样切片，在放大倍数为30~50倍的显微镜下直接测量裂纹尖端的张开位移，该方法原理简单、测试精度高，但由于是测试卸载后的裂纹尖端张开位移，测量值只是CTOD值的塑性部分δ_p，且切片制备过程操作复杂，试验周期长，不适用于大范围的应用。

（3）显微镜直接测量法

文献《A method for the metallographical measurement of the CTOD at cracking initiation and the role of reverse plasticity on unloading》提出了一种采用显微镜直接测量裂纹尖端张开位移的方法，该法的操作与剖面法一致，只是测试的位置有所区别，该方法测试精度高，但存在与剖面法相同的不足。

目前，CTOD设计曲线主要有基于D-B模型的设计曲线、Wells和Burdekin等人提出的设计曲线、CVDA-84及JWES2805等标准中基于试验测得的设计曲线、美国电力研究院提出的EPRI方法设计曲线。D-B模型设计曲线基于一定假设，适用范围较小（σ<0.6σs）；Wells、Burdekin、CVDA-84及JWES2805设计曲线是基于试验经验的设计曲线，精度较差；EPRI方法提出的设计曲线是基于有限元方法计算得到，精度较高，但计算难度大，且未考虑实际板厚的影响，不能给出实际厚度下的CTOD设计曲线。

（1）D-B模型设计曲线

D-B模型设计曲线是以真实裂纹长度与塑性区半径作为有效裂纹长度，由卡氏定理求解得到裂纹尖端张开位移。D-B模型设计曲线在理论求解时，忽略了材料硬化效应，适用范围较小，且只适用于受拉伸的中心开裂平板。

（2）Wells、Burdekin、CVDA-84和JWES2805设计曲线

Wells、Burdekin等人使用应变片测试了标称应变与CTOD的关系，并得出了不同的设计曲线。Wells等人的设计曲线是基于大量试验得到的，在理论分析上并不成功。CVDA-84及JWES2805等标准采用了Wells等人试验中得到的较为保守的结果作设计曲线。这些设计曲线过均基于试验，缺乏理论支持，计算结果过于保守、且只适用于受拉伸的中心开裂平板。

（3）EPRI设计曲线

EPRI设计曲线采用有限元方法计算得到J积分，并依据J积分与CTOD的关系计算得到CTOD设计曲线。EPRI设计曲线精度高，适用于紧凑拉伸试验，但计算难度大，且未考虑实际板厚的影响，不能给出实际板厚下的设计曲线。

针对紧凑拉伸试样，还未有能同时精确测定临界CTOD值和实际厚度条件下的CTOD设计曲线测试方法的公开报道，也未有相应的专利公布。

发明内容