[发明专利]基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法

说明书

本发明公开了一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法；该方法首先通过小厚度试样计算出非平面应变断裂韧性，利用该数值通过有限元软件，计算出该金属材料小厚度试样的临界能量释放率，再通过临界能量释放率利用有限元分析软件迭代计算出大厚度金属材料的平面应变断裂韧性；该方法适用于任何新型的金属材料，没有材料的局限性，因利用有限元的单元思想，使得迭代出的大厚度试样的平面应变断裂韧性结果准确；该方法操作简单、易于掌握，克服了高韧性金属材料平面应变断裂韧性无法检测的技术难题，可供从事金属材料断裂及结构安全评价的研究人员和试验人员参考，值得推广实施。

【技术领域】

本发明属于金属材料断裂韧性检测技术领域，具体涉及一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法。

【背景技术】

平面应变断裂韧性(K_IC)是评价材料抵抗裂纹启裂扩展能力的重要参量，是工程设计的关键技术依据。对于合理选材、用材，确保构件服役安全，准确测定材料的平面应变断裂韧性(K_IC)至关重要。国内外测定金属材料平面应变断裂韧性(K_IC)的方法标准主要包括ISO 12737、GB/T 4161和ASTM E339。按照国内外标准要求，平面应变断裂韧性通过试验方法测定，试验所用试样应具有足够大的厚度，以确保裂纹前端处于平面应变状态，具体要求为：其中t为试样厚度，K_Q为材料的断裂韧性；σ₀为材料的屈服强度。

可见，材料的韧性越好，测定平面应变断裂韧性所需的试样厚度越大。对于一些高韧性金属材料，平面应变断裂韧性试样所需厚度往往达到50mm，甚至100mm以上。这不仅提高了试验机的吨位能力要求，更严重的是造成满足标准要求的大厚度试样无法制备，导致平面应变断裂韧性无法测得。近年来，随着国内外冶金技术、制造加工技术的进步，金属材料的纯净度和性能水平不断提升，平面应变断裂韧性准确测定的问题变得更为突出，成为行业亟待解决的共性技术难题。文献报道，有学者提供了一种通过线性拟合估算金属材料平面应变断裂韧性的方法。遗憾的是，该方法仅适用于小范围屈服条件，而对于高韧性材料，其裂尖塑性区一般较大，难以满足小范围屈服条件，该方法不适合。按照断裂力学的能量观点，断裂发生的条件是：当裂纹扩展所释放出来的变形能等于或者大于裂纹扩展所需要的能量时，裂纹将失稳扩展。这就是断裂的能量释放率G准则。对于特定材料，存在一个临界能量释放率，当能量释放率达到临界能量释放率时，裂纹开始启裂扩展。

近年来，随着ANSYS或ABAQUS等有限元软件的发展，利用数值仿真技术便可模拟实际断裂韧性试验，使得原本难以计算的能量释放率可以方便的获取。这样，结合实际断裂韧性试验，利用数值模拟，通过计算可以准确测定特定材料的临界能量释放率，进而利用此临界能量释放率则可以获得任意厚度下的断裂韧性，平面应变断裂韧性也就可以科学准确地获得了。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法；该方法用于解决高韧性金属材料平面应变断裂韧性试样无法制备，导致高韧性金属材料无法准确测定平面应变断裂韧性的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于能量释放率确定金属材料平面应变断裂韧性的方法，包括以下步骤：

步骤1，针对小厚度试样进行断裂韧性测试，获得金属材料的非平面应变断裂韧性K_Q⁰；所述小厚度试样的厚度＜30mm；

步骤2，针对小厚度试样，按照下式计算得到金属材料的非平面应变断裂韧性K_Q⁰对应的临界启裂能量释放率G₁’；