CN112649296A - 小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法 - Google Patents

小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112649296A
CN112649296A CN202011481728.2A CN202011481728A CN112649296A CN 112649296 A CN112649296 A CN 112649296A CN 202011481728 A CN202011481728 A CN 202011481728A CN 112649296 A CN112649296 A CN 112649296A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
stress
crack
taper
crack initiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011481728.2A
Other languages
English (en)
Inventor
高克玮
晏倩
颜鲁春
庞晓露
乔利杰
宿彦京
徐秋发
***
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN202011481728.2A priority Critical patent/CN112649296A/zh
Publication of CN112649296A publication Critical patent/CN112649296A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明提供了一种小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法。该方法包括：准备多组小锥度试样和传统的平行试样；对传统的平行试样进行拉伸实验，获得试样的工程应力应变曲线；根据测出来的材料屈服强度，设定需求的恒载条件下的应力；在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置；根据裂纹深度和距离中心处的距离推导出裂纹萌生处距离试样中心处的距离。由有限元模拟试样在受力状态下的应力分布云图，可得到裂纹萌生处的应力，即可实现用小锥度试样来预测裂纹萌生的应力值。本发明大大缩短了实验周期，并节省了实验材料。

Description

小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法
技术领域
本发明属于性能测试领域，具体涉及一种小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法。
背景技术
由于海底平台、油气管道、核电装置以及地下设施所处服役环境非常恶劣，其中大量使用的钢结构极易发生应力腐蚀开裂，这对设施的安全运行会产生灾难性影响。因此，在设计的承载条件下及服役环境下，预测裂纹是否开裂以及何时开裂至关重要。传统的方法是在不同的外加恒定载荷条件下，得到标准平行试样的断裂时间，从而试验出一定时间内应力腐蚀开裂的应力门槛值。得到一个应力门槛值至少需要6-10个完全相同的试样，将要耗费大量的时间。
针对这一问题，本发明提出了一种高通量预测应力腐蚀开裂临界应力的方法。
发明内容
本发明的实施提供了一种小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，以解决目前氢致开裂临界应力测试的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，包括：准备多组小锥度试样和传统的平行试样；
对传统的平行试样进行拉伸实验，获得试样的工程应力应变曲线；
根据测出来的材料屈服强度，设定需求的恒载条件下的应力；
在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置；
根据裂纹深度和距离中心处的距离推导出裂纹萌生处距离试样中心处的距离，由有限元模拟试样在受力状态下的应力分布云图，可得到裂纹萌生处的应力，即可实现用小锥度试样来预测裂纹萌生的应力值。
进一步地，所述准备多组小锥度试样和传统的平行试样的提取方式是：
小锥度试样与传统的平行试样都从轧制的商用316L上取样获得；
在加工测试试样时，确保所有样品的取样的方向是一致的；
对于所有的待测试样尽量在同一零件或者同一批次板料上获取；
小锥度试样图2的尺寸最小半径3mm，最大半径6mm，半锥度为3°，传统平行试样图3为保持和小锥度最小尺寸一致，工作区的直径也设置为3mm；
所有试样在实验前都用砂纸打磨到5000#，并用酒精超声清洗10分钟，以去除表面的油污。
进一步地，对传统平行试样进行拉伸是按照室温拉伸试样标准GBT 228.1-2010的标准来执行的。
进一步地，根据测出来的材料屈服强度，设定需求的恒载条件下的应力，恒载的应力尝试屈服强度附近的载荷，根据不同外加载荷试样上裂纹的密度和深度，确定一个具体的外加载荷；
如果测试试样在实验中拉断，该试样所测得的结果无效。
进一步地，测试溶液为0.5mol/L的硫酸加上0.5g/L的硫脲，充氢电流密度为2mA/cm2。
进一步地，在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置：
该截止时间设置为100-400h，根据材料的不同，可以设置更短或更长的时间；
进行扫描电子显微镜观察之前试样剖面需要抛光以及用腐蚀液侵蚀，以保证更好的观察到裂纹的形态。
进一步地，用于推导裂纹萌生应力的裂纹深度相对较长，他们之间没有相互影响作用；
有限元中材料的属性是按照室温拉伸试样标准GBT 228.1-2010的标准来执行得到数据的，并把工程应力应变换算为真实应力应变曲线。
如上所述一种小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，具体包括以下几个步骤：
首先，准备多组小锥度试样和传统的平行试样，在进行实验前将试样在酒精中超声清洗10分钟，以除掉表面油污；
其次，对传统的平行试样进行拉伸实验，其拉伸标准是按照GBT228.1-2010标准来执行的，获得试样的工程应力应变曲线；
再次，在进行恒载实验前，将试样用砂纸打磨到5000#，以去除加工对裂纹萌生的影响。根据测出来的材料屈服强度，对于恒载实验中在屈服强度附近尝试不同的外加载荷，设定需求的恒载条件下的应力；
再次，在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置；
最后，根据裂纹深度和距离中心处的距离推导出裂纹萌生处距离试样中心处的距离。由有限元模拟试样在受力状态下的应力分布云图，可得到裂纹萌生处的应力。
本方明的优点在于大大减小的实验周期以及节省了实验材料，其得到的结果误差比传统的方法小。
附图说明
图1所示为本发明高通量预测氢致开裂临界应力方法的一个实施流程图；
图2所示为本发明小锥度试样尺寸示意图；
图3所示为本发明传统平行试样尺寸示意图；
图4所示为本发明用有限元模拟小锥度试样在600MPa的外加名义应力条件下的应力分布云图，外加载荷作用在试样最细处；
图5所示为本发明具体实施中裂纹深度与裂纹距离中心处距离的关系示意图。
具体实施方式
为了进一步详细说明本发明的目的、技术方案和优点，下面根据附图和具体实施实例对本发明作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。
参考图1为本发明高通量预测氢致开裂临界应力方法的一个实施流程图。本实例所用的钢材为商用的轧制态316L，厚度均为10mm.
该高通量预测应力腐蚀开裂临界应力的方法包括：
步骤S101:准备多组小锥度试样图2和传统的平行试样图3；
步骤S102：对传统的平行试样进行拉伸实验，获得试样的工程应力应变曲线；
步骤S103：根据测出来的材料屈服强度，设定需求的恒载条件下的应力；
步骤S104：在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置；
步骤S105：根据裂纹深度和距离中心处的距离推导出裂纹萌生处距离试样中心处的距离。由有限元模拟试样在受力状态下的应力分布云图，可得到裂纹萌生处的应力，即可实现用小锥度试样来预测裂纹萌生的应力值。
其中在步骤S101中，准备多组小锥度试样和传统的平行试样包括：试样尽量在同一零件或者同一批次板料上获取。
其中在步骤S103中，在进行恒载实验前，试样表面用5000#砂纸打磨，以除去加工对裂纹萌生的影响。
其中在步骤S105中，输入有限元模拟中的参数由步骤S102中得到，并将得到的工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线。
实施案例
在该实施例中，试样尺寸如图2所示，将试样放入到0.5mol/L硫酸加上0.5g/L的硫脲中进行电化学充氢，充氢电流密度为2mA/cm2，时间为200h。外加名义应力为600MPa，如图4，其中由于试样中心处的应力已经超过了其屈服强度，该处的实际应力是大于600MPa，具体数值由有限元给出。实验结束后，将试样沿中心轴剖开，统计试样边上的裂纹深度和裂纹距离试样中心的距离，如图5所示。预测裂纹萌生距离试样中心距离为4173μm，由有限元模拟结果可得，该条件下裂纹萌生的应力值为487.42MPa。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，包括：准备多组小锥度试样和传统的平行试样；
对传统的平行试样进行拉伸实验，获得试样的工程应力应变曲线；
根据测出来的材料屈服强度，设定需求的恒载条件下的应力；
在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置；
根据裂纹深度和距离中心处的距离推导出裂纹萌生处距离试样中心处的距离，由有限元模拟试样在受力状态下的应力分布云图，可得到裂纹萌生处的应力，即可实现用小锥度试样来预测裂纹萌生的应力值。
2.根据权利要求1所述的小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，所述准备多组小锥度试样和传统的平行试样的提取方式是：
小锥度试样与传统的平行试样都从轧制的商用316L上取样获得；
在加工测试试样时，确保所有样品的取样的方向是一致的；
对于所有的待测试样尽量在同一零件或者同一批次板料上获取；
小锥度试样图2的尺寸最小半径3mm，最大半径6mm，半锥度为3°，传统平行试样图3为保持和小锥度最小尺寸一致，工作区的直径也设置为3mm；
所有试样在实验前都用砂纸打磨到5000#，并用酒精超声清洗10分钟，以去除表面的油污。
3.根据权利要求1所述的小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，
对传统平行试样进行拉伸是按照室温拉伸试样标准GBT228.1-2010的标准来执行的。
4.根据权利要求3所述的小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，根据测出来的材料屈服强度，设定需求的恒载条件下的应力，恒载的应力尝试屈服强度附近的载荷，根据不同外加载荷试样上裂纹的密度和深度，确定一个具体的外加载荷；
如果测试试样在实验中拉断，该试样所测得的结果无效。
5.根据权利要求1所述的小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，测试溶液为0.5mol/L的硫酸加上0.5g/L的硫脲，充氢电流密度为2mA/cm2。
6.根据权利要求1所述的小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，在恒载状态下设定一个截止时间，然后取出试样，对试样沿中心轴切开，使用扫描电子显微镜统计裂纹的深度和裂纹距离试样中心的相对位置：
该截止时间设置为100-400h，根据材料的不同，可以设置更短或更长的时间；
进行扫描电子显微镜观察之前试样剖面需要抛光以及用腐蚀液侵蚀，以保证更好的观察到裂纹的形态。
7.根据权利要求1所述的小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法，其特征在于，
用于推导裂纹萌生应力的裂纹深度相对较长，他们之间没有相互影响作用；
有限元中材料的属性是按照室温拉伸试样标准GBT 228.1-2010的标准来执行得到数据的，并把工程应力应变换算为真实应力应变曲线。
CN202011481728.2A 2020-12-15 2020-12-15 小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法 Pending CN112649296A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011481728.2A CN112649296A (zh) 2020-12-15 2020-12-15 小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011481728.2A CN112649296A (zh) 2020-12-15 2020-12-15 小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112649296A true CN112649296A (zh) 2021-04-13

Family

ID=75354288

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011481728.2A Pending CN112649296A (zh) 2020-12-15 2020-12-15 小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112649296A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103105477A (zh) * 2013-01-23 2013-05-15 太原科技大学 一种预测锻态钢锻造裂纹萌生的方法
US20160299046A1 (en) * 2014-09-25 2016-10-13 East China University Of Science And Technology A method of measurement and determination on fracture toughness of structural materials at high temperature
CN110795885A (zh) * 2019-11-22 2020-02-14 东北大学 Trip钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法
CN111024513A (zh) * 2019-12-19 2020-04-17 东北大学 一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103105477A (zh) * 2013-01-23 2013-05-15 太原科技大学 一种预测锻态钢锻造裂纹萌生的方法
US20160299046A1 (en) * 2014-09-25 2016-10-13 East China University Of Science And Technology A method of measurement and determination on fracture toughness of structural materials at high temperature
CN110795885A (zh) * 2019-11-22 2020-02-14 东北大学 Trip钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法
CN111024513A (zh) * 2019-12-19 2020-04-17 东北大学 一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
史冬梅等: "《小锥度试样在研究应力腐蚀裂纹形核中的应用》", 《北京科技大学学报》 *
张卿卿等: "TRIP780高强度钢板动态力学特性的研究", 《塑性工程学报》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5851197B2 (ja) 金属材料の応力腐食割れ発生寿命評価方法及び腐食水環境下で使用される構造物の検査計画策定システム
Zhai et al. Precursor evolution and stress corrosion cracking initiation of cold-worked alloy 690 in simulated pressurized water reactor primary water
Kim et al. Fatigue crack formation and growth from localized corrosion in Al–Zn–Mg–Cu
KR101461858B1 (ko) 부품의 파괴 평가 장치, 부품의 파괴 평가 방법 및 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체
CN108535105B (zh) 一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法
Aldeeb et al. Fatigue strength of S275 mild steel under cyclic loading
KR101329202B1 (ko) 항공기의 부식 손상이 피로에 미치는 영향을 예측하는 방법
JP2009281738A (ja) 鋼材中の最大介在物径の予測方法、および、鋼材の転動疲労寿命の推定方法
Dixon et al. Quantification of the fatigue severity of porosity in aluminium alloy 7050-T7451 thick plate
CN112649296A (zh) 小锥度实验结合模拟的方式来预测裂纹萌生应力的方法
Ekengren et al. Extreme value distributions of inclusions in six steels
Chen et al. Experimental investigation of various corroded metal materials used in building structures
Daum et al. Experimental and analytical investigation of the mechanical behavior of high-burnup Zircaloy-4 fuel cladding
Zammit et al. Increasing the design strength of glass-fractography and stress testing
Gan et al. Micro-cantilever testing of cementitious materials under various loading conditions
Castori et al. Experimental and numerical investigation of the bending strength of glass
CN113139300B (zh) 陶瓷微孔致裂强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质
Radaelli et al. A probabilistic model for forging flaw crack nucleation processes
CN116840084A (zh) 一种快速评价疲劳损伤构件应力腐蚀敏感性的方法及***
RU2465565C1 (ru) Способ изготовления образцов высоконагруженного металла нефтегазового оборудования для испытания на циклическую трещиностойкость
JP2017009439A (ja) 構造物の寿命評価方法
Crawford et al. Production of controlled amounts of pitting corrosion damage in anodised 7010-T7651
Xie et al. Failure analysis of isolation switch in transformer substation
Cao et al. Fractal behavior of concrete crack and its application to damage assessment
Huzni et al. Stress Distribution Analysis on Four Types of Stress Corrosion Cracking Specimen

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210413

RJ01 Rejection of invention patent application after publication