CN110044703B - 采用固支c型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，属测量领域。其包括设计制造固支C型环小试样及夹具；建立固支C型环小试样小变形阶段与单轴蠕变之间的转换关系式；建立有限元模型，根据参考应力法得到转换公式系数；进行固支C型环小试样多组温度相同但载荷不同的蠕变试验；导出蠕变试验获得的多组加载点—时间曲线；对加载点—时间曲线进行微分处理，得到在不同载荷条件下的稳态位移速率；将其置于双对数坐标中进行线性拟合，即可得到固支C型环反演得到的单轴蠕变参数。该方法试样受力简单、试验设备简易、能够获得断裂数据，与单轴之间的转换公式与材料无关，试样变形量大，测量精度高。可广泛用于材料蠕变力学性能的测量领域。

Description

采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法
技术领域
本发明属于材料蠕变的测量领域，尤其涉及一种采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法。
背景技术
为了获得更高的能源利用率，越来越多的设备与构件的工作温度和工作压力不断提高，这对在役设备材料的性能提出了更高的要求。
对于高温设备，蠕变是其最主要的破坏形式。许多工程问题都涉及蠕变。
蠕变，也称潜变，是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加缓慢塑性变形的一种现象。
蠕变常常随着温度升高而加剧。蠕变的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力都有关。
测量高温设备材料的蠕变性能，特别是在役设备材料的蠕变性能，对预测设备剩余寿命、做出安全评价具有重要的意义。
蠕变试验，即测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。
通常情况下，可通过传统单轴蠕变试验测试材料的蠕变性能，但标准试样体积较大，所需材料较多，限制了其在服役构件材料测试中的应用，这些原因，促进了小试样蠕变方法的发展。
小试样作为一种新的测量材料蠕变性能的技术，由于其试样尺寸小、对在役设备结构完整性损伤小和加工简便等特点，小试样测试技术是评估材料蠕变力学性能的一种重要的方法。
目前用于测量在役设备材料蠕变力学性能的小试样，主要有以小冲杆试样为代表的板试样，以固支直杆小试样、悬臂梁小试样和简支三点弯小试样为代表的三点弯直杆小试样以及以圆环为代表的环形小试样。
其中，小冲杆小试样由于受力复杂而较难从理论上获得其与单轴之间的转换关系式。固支直杆小试样变形量较小，试验精度低。悬臂梁小试样、简支三点弯小试样和圆环小试样无法获得蠕变断裂数据。对于板翅换热器内部的管道、钎焊微区的流道等这些构件而言，可供取样的体积过小，小冲杆试样和三点弯直杆试样无法从这种结构上完成取样。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法。其结合三点弯小试样的理论分析简便和圆环小试样变形量大、测量精度高的优点，提出了一种新型的固支C型环小试样。该试样受力简单、试验设备简易、能够获得断裂数据，与单轴之间的转换公式与材料无关，试样变形量大，测量精度高，解决了目前各种小试样存在的各种弊端。
本发明的技术方案是：提供一种采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是所述的方法至少包括下列步骤：
步骤(1)，设计制造固支C型环小试样及夹具，并按照设计要求进行试样以及夹具的装配；
步骤(2)，依据梁弯曲模型和Norton蠕变本构方程建立固支C型环小试样小变形阶段与单轴蠕变之间的转换关系式；
步骤(3)，建立有限元模型，根据参考应力法得到转换公式系数；
步骤(4)，在实际设定的试验条件下，进行固支C型环小试样多组温度相同但载荷不同的蠕变试验；
步骤(5)，从蠕变试验台配套的电脑中导出步骤(4)中蠕变试验获得的多组温度相同但载荷不同的加载点位移—时间曲线；
步骤(6)，将步骤(5)获得的加载点位移—时间曲线进行微分处理，当位移速率在较长一段时间不再改变或者变化很小的时候即可认为试样变形已进入到稳态阶段，得到其不同载荷条件下的稳态位移速率；
步骤(7)，将不同的载荷和其对应的稳态位移速率代入到步骤(2)与步骤(3)中得到的固支C型环与单轴蠕变之间的转换关系式，计算得到对应的载荷与稳态蠕变应变速率，将其置于双对数坐标中进行线性拟合，即可得到固支C型环反演得到的单轴蠕变参数。
具体的，所述C型环小试样的横截面为矩形截面；
C型环小试样的中性层半径R与试样的厚度H必须满足R:H≥5。
其所述的夹具由上板、下板、左挡板、右挡板和圆盘构成；
其中，上板、下板和圆盘通过螺钉连接固定为一体；
在夹具上板的中间开有纵向的导向槽，确保压头对中加载；
所述的左挡板和右挡板设置在上板和下板之间；
在所述左挡板和右挡板上分别开有矩形槽；
左挡板与右挡板通过螺栓连接，实现试样的固定端约束。
进一步地，在步骤(1)中，按照其所示的尺寸制造出固支C型环小试样，并按照要求进行试样以及夹具的装配。
进一步地，在步骤(2)中，Norton蠕变本构方程为：
Figure BDA0002050674100000038
其中，
Figure BDA0002050674100000039
为稳态阶段蠕变应变速率，B为蠕变常数，σ为应力，n为蠕变应力指数。
进一步地，在步骤(2)中，固支C型环小试样小变形阶段加载点稳态位移速率方程为：
Figure BDA0002050674100000031
Figure BDA0002050674100000032
C(θ)＝-sinθ+0.308+0.904(1-cosθ)
其中，R为固支C型环小试样的中性层半径，b为试样的厚度，P为试验载荷，H为试样的厚度，α为参考应力法引入的一个系数值。θ为曲杆横截面与水平面的夹角，当曲杆中某一位置弯矩为零，即θ＝θ1，θ＝θ2。
进一步地，在步骤(2)中，固支C型环小试样与单轴蠕变的转换关系式为：
Figure BDA0002050674100000033
Figure BDA0002050674100000034
其中，σeq为等效应力，
Figure BDA0002050674100000035
为等效稳态蠕变应变速率，
Figure BDA0002050674100000036
为稳态位移速率，
Figure BDA0002050674100000037
进一步地，在执行所述的步骤(3)之前，先查看是否已通过有限元得到固支C型环与单轴蠕变之间的转换系数，若有，直接进入步骤(4)；若没有，则进入步骤(3)。
与现有技术比较，本发明的优点是：
(1)本发明的技术方案，结合三点弯小试样的理论分析简便和圆环小试样变形量大、测量精度高的优点，提出了一种新型的固支C型环小试样；
(2)本发明技术方案中的固支C型环小试样受力简单、试验设备简易、能够获得断裂数据，与单轴之间的转换公式与材料无关，试样变形量大，测量精度高；
(3)本发明技术方案中的固支C型环小试样，属于环形小试样，对于管道等环形构件而言，由于其特殊的结构，取样非常方便，并且对构件本身结构不会造成损伤；
(4)本发明技术方案中固支C型环小试样两端采用固定端约束，数据波动较小；同时其受力简单、能够获得断裂数据，与单轴之间的转换公式及材料无关，变形量大，测量精度高。
附图说明
图1为本发明测量材料蠕变力学性能方法的流程方框图；
图2a为本发明固支C型环小试样安装结构剖视示意图；
图2b为本发明固支C型环小试样安装结构示意图；
图3为本发明固支C型环小试样的有限元模型示意图；
图4为logβ与蠕变应力指数n的关系示意图；
图5为蠕变试验装置的结构示意图；
图6为蠕变试验加载点位移与时间的关系图；
图7为稳态应变速率和应力的关系图。
图中，1为螺钉，2为上板，3为左挡板，4为下板，5为压头，6为右挡板，7为螺纹孔，8为试样，9为圆盘，10为导向槽，51为加热炉，52为直线位移传感器LVDT，53为砝码，54为电脑。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1中所示，本发明的方法如下：
(1)设计制造固支C型环小试样及夹具，所述C型环小试样的横截面为矩形截面。C型环小试样的中性层半径R与试样的厚度H必须满足R:H≥5。夹具的左挡板和右挡板分别开有矩形槽，左挡板与右挡板通过螺栓连接实现试样的固定端约束。上板中间开有导向槽，确保压头对中加载。上板与下板通过六角螺钉连接底部的圆盘；
(2)依据梁弯曲模型和Norton蠕变本构方程建立固支C型环小试样小变形阶段与单轴蠕变之间的转换关系式；
(3)首先判断是否已通过有限元得到固支C型环与单轴蠕变之间的转换系数，若有，直接进入步骤(4)；若没有，则进入步骤(3)建立有限元模型，根据参考应力法得到转换公式系数；
(4)在实际设定的试验条件下，进行固支C型环小试样多组温度相同但载荷不同的蠕变试验；
(5)从蠕变试验台配套的电脑中导出步骤(4)中蠕变试验获得的多组温度相同但载荷不同的加载点位移—时间曲线(简称加载点—时间曲线，下同)；
(6)将步骤(5)获得的加载点位移—时间曲线进行微分处理，当位移速率在较长一段时间不再改变或者变化很小的时候即可认为试样变形已进入到稳态阶段，得到其不同载荷条件下的稳态位移速率；
(7)，将不同的载荷和其对应的稳态位移速率代入到步骤(2)与步骤(3)中得到的固支C型环与单轴蠕变之间的转换关系式，计算得到对应的载荷与稳态蠕变应变速率，将其置于双对数坐标中进行线性拟合即可得到固支C型环反演得到的单轴蠕变参数。
实施例：
材料为1.25Cr0.5MoSi，固支C型环试验的四组载荷值分别为40N、43N、46N和49N，试验温度为550℃，试样的横截面为矩形截面，厚度为1.2mm，内半径为4.6mm，外半径为5.4mm，试样直边段长度为2mm，运用本发明技术方案所述的方法，测量上述材料的蠕变力学性能：
1.设计制造固支C型环小试样及夹具，所述C型环小试样的横截面为矩形截面，厚度为1.2mm，内半径为4.6mm，外半径为5.4mm，试样的直边段长度为2mm。
如图2a和图2b中所示，所述的夹具由上板2、下板4、左挡板3、右挡板6和圆盘9构成。
其中，上板2、下板4和圆盘9通过螺钉1连接固定为一体；
在夹具上板的中间开有纵向的导向槽10，确保压头5对中加载；
所述的左挡板3和右挡板6设置在上板和下板之间；
在所述左挡板和右挡板上分别开有矩形槽；
左挡板与右挡板通过位于螺纹孔7中的螺栓连接，实现试样8的固定端约束。
2.依据梁弯曲模型和Norton蠕变本构方程建立固支C型环小试样加载点处稳态位移速率方程：
Figure BDA0002050674100000061
Figure BDA0002050674100000062
C(θ)＝-sinθ+0.308+0.904(1-cosθ)
其中，R为固支C型环小试样的中性层半径，b为试样的厚度，P为试验载荷，H为试样的厚度，α为参考应力法引入的一个系数值。θ为曲杆横截面与水平面的夹角，当曲杆中某一位置弯矩为零，即θ＝θ1，θ＝θ2。
固支C型环小试样与单轴蠕变的转换关系式为：
Figure BDA0002050674100000063
Figure BDA0002050674100000064
其中，σeq为等效应力，
Figure BDA0002050674100000065
为等效稳态蠕变应变速率，
Figure BDA0002050674100000066
为稳态位移速率，
Figure BDA0002050674100000067
3.由于未得到过固支C型环与单轴转换公式的系数，因此，在ABAQUS有限元分析软件中建立固支C型环小试样的有限元模型，如图3中所示。
试样的直边段部分轴向方向的四张面固定(U1＝U2＝U3＝0)。恒定载荷P通过圆柱形压头施加在试样中心，约束压头除z方向以外的全部自由度。压头与试样间的接触形式选择为面-面接触，摩擦系数选取为0.3，试样网格选用三维八节点非协调积分单元类型(C3D8I)。进行n值从1到8的共八组条件下的数值模拟，得到不同条件下的稳态位移速率，将其代入到步骤(2)中的加载点处位移速率方程，其logβ与n值的关系如图4中所示。
由图4中所示可知，当α＝η时，logβ与n是一条近似直线，通过直线与纵轴的交点可得β，即η＝0.38，β＝0.5。
4.在550℃试验温度条件下，进行固支C型环小试样载荷分别为40N、43N、46N和49N的四组试验。
进行试验的蠕变试验装置的构成结构如图5中所示。
具体的，该蠕变试验台由加热炉51、直线位移传感器LVDT 52、砝码53和电脑54四大部分构成，其中，加热炉用于产生试验所需要的温度，砝码用于对试样施加压力，直线位移传感器LVDT用于检测试样的位移量，电脑用于记录和储存试验过程中的试样变形数据，得到压头的蠕变位移量。
由于蠕变试验系现有技术，故其具体试验过程在此不再详述。
5.从蠕变试验台配套的电脑中导出步骤(4)中蠕变试验获得的多组温度相同但载荷不同的加载点—时间曲线，该曲线如图6中所示。
6.将步骤(5)获得的加载点—时间曲线进行微分处理，当位移速率在较长一段时间不再改变或者变化很小的时候即可认为试样变形已进入到稳态阶段，得到其不同载荷条件下的稳态位移速率，其结果如图7中所示。
7.将不同的载荷和其对应的稳态位移速率代入到步骤(2)与步骤(3)中得到的固支C型环与单轴蠕变之间的转换关系式，计算得到对应的载荷与稳态蠕变应变速率，将其置于双对数坐标中进行线性拟合，即可得到固支C型环反演得到的单轴蠕变参数，单轴试验拟合得到的材料参数B＝6.69E-19，n＝6.38，固支C型环反演得到的材料蠕变参数B＝5.58E-19，n＝6.45。固支C型环小试样得到的材料蠕变参数与单轴十分接近，数据准确。
本发明的技术方案，首先设计制造固支C型环小试样及夹具，然后通过有限元模拟的方法得到转换公式系数；若是已得到固支C型环与单轴蠕变之间的转换公式系数，则无需重复有限元模拟这一步，可直接使用之前得到的转换公式系数；之后通过蠕变试验得到多组温度相同但载荷不同的加载点—时间曲线，将曲线进行微分处理可得到不同载荷条件下的稳态位移速率，将载荷和稳态位移速率代入到转换公式中计算得到对应的应力和稳态应变速率；最后将计算得到的应力和稳态蠕变应变速率在双对数坐标中进行线性拟合即可得到材料的蠕变参数。
本发明的技术方案中，固支C型环小试样与单轴蠕变的转换公式与材料无关，测量精度高，结果可靠。
本发明的技术方案，解决了目前各种小试样数据处理复杂、理论分析不完善以及外界影响因素大等问题，提供了一种简便地、精度高且成本低的蠕变试验方法。为长期服役在高温条件下的设备蠕变寿命的评估和新材料蠕变力学性能的检测提供了一种获取材料蠕变性能参数的试验方法。
本发明可广泛用于材料蠕变力学性能的测量领域。

Claims (6)

1.一种采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是所述的方法至少包括下列步骤：
步骤(1)，设计制造固支C型环小试样及夹具，并按照设计要求进行试样以及夹具的装配；所述的C型环小试样的两端采用固定端约束的方式固定在夹具中；
步骤(2)，依据梁弯曲模型和Norton蠕变本构方程建立固支C型环小试样小变形阶段与单轴蠕变之间的转换关系式；
步骤(3)，建立有限元模型，根据参考应力法得到转换公式系数；
步骤(4)，在实际设定的试验条件下，进行固支C型环小试样多组温度相同但载荷不同的蠕变试验；
步骤(5)，从蠕变试验台配套的电脑中导出步骤(4)中蠕变试验获得的多组温度相同但载荷不同的加载点—时间曲线；
步骤(6)，将步骤(5)获得的加载点位移—时间曲线进行微分处理，当位移速率在较长一段时间不再改变或者变化很小的时候即可认为试样变形已进入到稳态阶段，得到其不同载荷条件下的稳态位移速率；
步骤(7)，将不同的载荷和其对应的稳态位移速率代入到步骤(2)与步骤(3)中得到的固支C型环与单轴蠕变之间的转换关系式，计算得到对应的载荷与稳态蠕变应变速率，将其置于双对数坐标中进行线性拟合，即可得到固支C型环反演得到的单轴蠕变参数。
2.按照权利要求1所述的采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是所述C型环小试样的横截面为矩形截面；
C型环小试样的中性层半径R与试样的厚度H必须满足R:H≥5。
3.按照权利要求1所述的采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是所述的夹具由上板、下板、左挡板、右挡板和圆盘构成；
其中，上板、下板和圆盘通过螺钉连接固定为一体；
在上板的中间开有纵向的导向槽，确保压头对中加载；
所述的左挡板和右挡板设置在上板和下板之间；
在所述左挡板和右挡板上分别开有矩形槽；
左挡板与右挡板通过螺栓连接，实现试样的固定端约束。
4.按照权利要求1所述的采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是在所述的步骤(2)中，固支C型环小试样小变形阶段加载点稳态位移速率方程为：
Figure FDA0003247940920000021
Figure FDA0003247940920000022
C(θ)＝-sinθ+0.308+0.904(1-cosθ)
其中，R为固支C型环小试样的中性层半径，b为试样的宽度，P为试验载荷，H为试样的厚度，α为参考应力法引入的一个系数值；θ为固支C型环小试样横截面与水平面的夹角，当固支C型环小试样中某一位置弯矩为零，即θ＝θ1，θ＝θ2；B为蠕变常数，n为蠕变应力指数，
Figure FDA0003247940920000027
为固支C型环小试样小变形阶段加载点稳态位移速率。
5.按照权利要求4所述的采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是在所述的步骤(2)中，固支C型环小试样与单轴蠕变的转换关系式为：
Figure FDA0003247940920000023
Figure FDA0003247940920000024
其中，σeq为等效应力，
Figure FDA0003247940920000026
为等效稳态蠕变应变速率，
Figure FDA0003247940920000027
为固支C型环小试样小变形阶段加载点稳态位移速率，
Figure FDA0003247940920000025
η为应力系数值，P为试验载荷，R为固支C型环小试样的中性层半径，b为试样的宽度，H为试样的厚度，n为蠕变应力指数，α为参考应力法引入的一个系数值。
6.按照权利要求1所述的采用固支C型环小试样测量材料蠕变力学性能的方法，其特征是在执行所述的步骤(3)之前，先查看是否已通过有限元得到固支C型环小试样与单轴蠕变之间的转换系数，若有，直接进入步骤(4)；若没有，则进入步骤(3)。
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