[发明专利]一种金属管材断裂韧度的检测方法及系统

说明书

本发明涉及一种金属管材断裂韧度的检测方法及系统，属于断裂韧度测试技术领域。本发明根据夏比V型试样在动态冲击试验中的裂纹扩展特性，将待测金属管材制作成夏比V型试样，建立夏比V型试样在裂纹扩展过程中施力点载荷与施力点位移的对应关系，结合三点弯标准试样SEB在静态冲击试验中的裂纹扩展特性，建立夏比V型试样在裂纹扩展过程中施力点载荷与实际裂纹长度的对应关系，进而确定出裂纹扩展过程中的应力强度因子与实际裂纹长度的对应关系，最终确定出金属管材的断裂韧度值。本发明得到的检测结果与双悬臂梁试样DCB测试的结果一致，且整个检测过程采用的是循环迭代的数学模型处理方式，所需参数少，计算过程简单，测量误差小。

技术领域

本发明涉及一种金属管材断裂韧度的检测方法及系统，属于断裂韧度测试技术领域。

背景技术

工业生产中应用大量金属管材作为流动介质的传输通道，金属管材随着服役时间的增加，面临的安全风险逐渐增大，其中金属管材开裂带来的安全隐患逐步显现，尤其涉及高含硫天然气等危险介质传输的金属管材一旦开裂，有可能引发严重的安全事故，因此，研究金属管材的抗开裂性能十分必要，有助于明确金属管材运行状态，为后续风险分析和研究打下坚实的基础。

工程结构中有一种缺陷是裂纹，即为有一定长度而其端点为极其尖锐的裂缝。弹性分析表明，一旦确定了裂纹顶端附近区域内某一点的位置，应力强度因子K便确定了该点处的应力、位移及应变。应力强度因子K则是构件几何、裂纹尺寸与外载荷的函数，它表征了裂纹尖端所受载荷和变形的强度，是裂纹扩展趋势或者裂纹扩展推动力的度量。应力强度因子K随着裂纹长度及外加应力的变化而变化。在弹塑性条件下，当应力场强度因子K增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度K_IC，它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力。

金属管材的抗开裂性能与其断裂韧度紧密相关，断裂韧度是材料的一个特性常数，国家标准GB4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度K_IC试验方法》给出了断裂韧度的测试方法，该标准中将金属管材加工成三点弯标准试样SEB和标准紧凑拉伸试样CT。另外，还有一些国内外测定金属管材断裂韧度的相关标准，将金属管材加工成双悬臂梁试样DCB。断裂韧度测试标准中对试样的尺寸有严格限制，否则测定数值将偏离材料断裂韧度K_IC真值，对于普通碳钢，除双悬臂梁试样DCB壁厚为固定值9.53mm(±0.05mm)以外，其余方法要求壁厚大于25mm，近年来新应用的高强度钢，通过相关标准的公式计算，甚至要求壁厚大于40mm，对壁厚10mm-25mm的金属管材，双悬臂梁试样DCB的测试方法是国际公认的测定断裂韧度的方法，但双悬臂梁试样DCB加工复杂，试样加工精度要求高，造成成本高，试验周期比较长，不适用于大批次金属管材的测定和优选，因此需要一种能够简单、廉价和快速测定金属管材断裂韧度的方法。

冲击功也是描述材料韧性的重要参量之一，是由夏比冲击试验获得，国家标准GB/T19748-2005《钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器试验方法》详细规定了试验过程，试验机的摆锤从起始高度落下冲击夏比V型试样，冲击过程中的载荷、位移、冲击功等数据由电脑系统记录形成曲线。冲击功可以分解为起裂功和裂纹扩展功，对于夏比V型试样，试样厚度为10mm，预制裂纹是夹角为45°的V形缺口，底面的曲率半径为0.25mm，并不是真正意义的裂纹，因此，在冲击过程中，V形缺口首先发生材料的屈服，然后才会出现开裂，起裂功表征了这一过程，当裂纹出现后，试样的断裂就进入了裂纹扩展过程，此时冲击消耗的能量对应的是裂纹扩展功，裂纹扩展功表征了材料从出现裂纹到完全断裂的裂纹扩展过程，更客观的评价了金属管材抵抗裂纹扩展的能力，因此，在评价金属管材断裂性能时需要区分起裂功和裂纹扩展功。