CN117129296A - 小冲杆试样、金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小冲杆试样、金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置及方法，涉及金属材料性能测试领域，小冲杆试样为圆片试样，经过圆片试样的正面的中心开设凹槽；凹槽的深度小于圆片试样的厚度；凹槽的中心位置开设贯穿圆片试样表面的透槽；试验时，通过向透槽施加载荷；不同的圆片试样承载不同的载荷，具有不同的载荷位移曲线和不同的裂纹扩展量；载荷位移曲线、裂纹扩展量和关联系数用于确定圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。本发明解决了标准试样取样体积大而无法实现对在役承压设备的取样检测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料性能测试领域，特别是涉及一种小冲杆试样、金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置及方法。
背景技术
由金属材料制造的承压设备广泛应用于石油化工、火电核电和制药冶金等领域，由于在苛刻的运行环境下长期服役，设备材料不可避免地会出现力学性能劣化的现象。因此，对金属材料断裂韧度阻力曲线的测量尤为重要。
目前，GBT21143标准中，有标准试样和相应的测试方法，可以获得标准试样的J-R阻力曲线，J-R阻力曲线用于确定金属材料的延性断裂韧度，是一种金属材料断裂韧度阻力曲线。GBT21143标准中的标准试样，也称之为常规大试样，标准试样包括两种，一种是三点弯曲试样，一种是紧凑拉伸(compacttension specimen，CT)试样。标准试样以及对应的测试方法，试样的尺寸相对很大，通常在测试材料时使用。而针对服役的压力容器、压力管道等设备，服役过程材料力学性能会劣化，如果评估其安全，需要获取断裂韧性数据，但是按照GBT21143标准的使用，必须从设备上提取一个很大的试样，这样会使得设备遭到破坏，甚至可能会报废。因此，标准试样由于取样体积大而无法实现对在役承压设备的取样检测，微试样测试技术受到了很高的重视。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种小冲杆试样、金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置及方法，以解决标准试样取样体积大而无法实现对在役承压设备的取样检测的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
一种小冲杆试样，所述小冲杆试样为圆片试样；
经过所述圆片试样的正面的中心开设凹槽；所述凹槽的长度等于所述圆片试样的直径；所述凹槽的深度小于所述圆片试样的厚度；所述凹槽的中心位置开设贯穿所述圆片试样表面的透槽；
测试金属材料断裂韧度阻力曲线时，对于待测试样组中的每个待测试的圆片试样，向所述透槽施加载荷，不同待测试的圆片试样承载不同的载荷，具有不同的载荷位移曲线和不同的裂纹扩展量；多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量用于确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线；待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线和关联系数用于确定待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
可选地，所述凹槽的长度为10mm；所述凹槽的深度为0.25mm；所述凹槽的宽度为0.3mm。
可选地，所述透槽的长度为1mm；所述透槽的宽度为0.3mm；所述透槽的深度为0.5mm。
本发明还提供了一种金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置，包括：上夹具、下夹具、压杆和多个上述的圆片试样；
所述上夹具位于所述圆片试样的背面；所述下夹具位于所述圆片试样的正面；所述上夹具上开始第一透孔；所述下夹具上开设第二透孔；所述第一透孔和所述第二透孔均正对所述透槽；所述第二透孔的直径和所述压杆的尺寸均大于所述透槽的长度；所述压杆用于经过所述第一透孔向所述透槽施加载荷；
测试金属材料断裂韧度阻力曲线时，对于待测试样组中的每个待测试的圆片试样，所述上夹具和所述下夹具用于夹持待测试的圆片试样；所述压杆用于经过所述第一透孔向所述透槽施加载荷，使不同待测试的圆片试样承载不同的载荷。
本发明还提供了一种金属材料断裂韧度阻力曲线测试方法，所述测试方法采用上述的金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置实现，所述测试方法，具体包括：
获取不同裂纹扩展量下的载荷位移曲线；所述载荷位移曲线是采用压杆对各个待测试的圆片试样进行不同压杆位移的中断试验得到的；一个待测试的圆片试样对应一个裂纹扩展量和一个载荷位移曲线；所述裂纹扩展量等于下夹具的直径减去裂尖距变形边缘的距离，再减去透槽的长度；
将最短的裂纹扩展量对应的待测试的圆片试样作为参考试样，计算各目标试样的裂纹扩展量与所述参考试样裂纹扩展量之间的差值，得到裂纹扩展量差值Δa；所述目标试样为除所述参考试样之外的其他待测试的圆片试样；
计算各目标试样的载荷位移曲线下方的面积与所述参考试样的载荷位移曲线下方的面积的差值，得到能量差值ΔU；
根据所述裂纹扩展量差值和所述能量差值绘制待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线；
采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
可选地，采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线之前，还包括：
确定多组试样组；每组试样组均包括：一个待实验的圆片试样和同种材料的标准试样；各试样组的试样的材料不同；
确定每组试样组的曲线组合；所述曲线组合包括：待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线和标准试样的J-R阻力曲线；
采用多组曲线组合确定关联系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例的小冲杆试样为圆片试样，圆片试样的正面的中心开设凹槽，凹槽的中心位置开设贯穿圆片试样表面的透槽，通过向透槽施加载荷，不同的圆片试样承载不同的载荷，具有不同的载荷位移曲线和不同的裂纹扩展量，由于凹槽和透槽的开设，无需太大的尺寸，即可使得裂纹沿指定方向扩展且长度易于测量，因此，对于待测试的圆片试样，可由多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，从而结合关联系数确定待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。相比标准试样，圆片试样体积小，可以满足设备的微损取样，不影响设备的正常服役，解决了标准试样取样体积大而无法实现对在役承压设备的取样检测的问题，并且基于该小冲杆试样实现金属材料断裂韧度阻力曲线的测量，测量精度高，且测量方法较为简便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的圆片试样的正面示意图；
图2为本发明实施例提供的圆片试样的背面示意图；
图3为本发明实施例提供的小冲杆试验装置的结构图；
图4为本发明实施例提供的上夹具和下夹具位置示意图；
图5为本发明实施例提供的圆片试样启裂部位示意图；
图6为本发明实施例提供的圆片试样裂纹扩展方向示意图；
图7为本发明实施例提供的P91钢材在不同压杆位移下的开槽试样裂纹长度扩展测量实物展示图；
图8为本发明实施例提供的开槽试样和下夹具的示意图；
图9为本发明实施例提供的Δa-ΔU数据点的获取过程示意图；
图10为本发明实施例提供的Δa-ΔU曲线和标准试件的J-R阻力曲线的对弈图。
符号说明：
圆片试样—1，凹槽—2，透槽—3，压杆—4，上夹具—5，下夹具—6，试样变形边缘与下夹具重合位置—7，启裂部位—8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述。
本发明的目的是提供一种小冲杆试样、金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置及方法，通过新型的开槽方式，使得裂纹沿指定方向扩展且长度易于测量，解决了标准试样取样体积大而无法实现对在役承压设备的取样检测的问题，同时提高了金属材料断裂韧度阻力曲线的测量精度和测量的便捷性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1和图2，本实施例的小冲杆试样为圆片试样1；经过所述圆片试样1的正面的中心开设凹槽2；所述凹槽2的长度等于所述圆片试样1的直径；所述凹槽2的深度小于所述圆片试样1的厚度；所述凹槽2的中心位置开设贯穿所述圆片试样1表面的透槽3。圆片试样1形式上和标准试样不同，尺寸上更小，又称为双U型槽小冲杆试样(Double U-grooveSmall Punch Test specimen，SPT)。
测试金属材料断裂韧度阻力曲线时，对于待测试样组中的每个待测试的圆片试样，向所述透槽3施加载荷，不同待测试的圆片试样承载不同的载荷，具有不同的载荷位移曲线和不同的裂纹扩展量；多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量用于确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线；待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线和关联系数用于确定待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。待测试样组中的所有待测试的圆片试样相同。
其中，由多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线的过程为：
将最短的裂纹扩展量对应的待测试的圆片试样作为参考试样，计算各目标试样的裂纹扩展量与参考试样裂纹扩展量之间的差值，得到裂纹扩展量差值Δa；目标试样为除参考试样之外的其他待测试的圆片试样。
计算各目标试样的载荷位移曲线下方的面积与参考试样的载荷位移曲线下方的面积的差值，得到能量差值ΔU。
根据裂纹扩展量差值和能量差值绘制待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线。
采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
其中，关联系数的确定方法为：
确定多组试样组；每组试样组均包括：一个待实验的圆片试样和同种材料的标准试样；各试样组的试样的材料不同。待测试样组中的每个待测试的圆片试样与每组试样组中待实验的圆片试样的材料均不同。
确定每组试样组的曲线组合；所述曲线组合包括：待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线和标准试样的J-R阻力曲线。待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线的确定方法和待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线的确定方法相同，在此不再赘述。标准试样的J-R阻力曲线采用GBT21143标准中给出的测试方法测量即可，J-R阻力曲线表征裂纹扩展量与根据载荷位移曲线下方的面积得到的J积分数值之间的关系。
在一个示例中，所述凹槽2的长度可以为10mm；所述凹槽2的深度可以为0.25mm；所述凹槽2的宽度可以为0.3mm。所述透槽3的长度可以为1mm；所述透槽3的宽度可以为0.3mm；所述透槽3的深度可以为0.5mm。
小冲杆试验是一种研究的比较多的微试样测试技术。通过小冲杆试验来获取金属材料的断裂韧度时，采用了各种不同的方法，例如等效断裂应变、应变能密度、反向有限元等。断裂韧度是表征材料或结构抵抗裂纹扩展的能力，为了使得试样发生启裂或撕裂的现象，也有许多学者研究开槽小冲杆试样获取金属材料断裂韧度，现有的开槽小冲杆试样不同于本发明上述实施例中的新型开槽小冲杆试样，其测试方法也较为繁琐，并不能广泛地应用，且精度有待提高。下面对基于上述实施例提供的新型开槽的小冲杆试样实现金属材料断裂韧度阻力曲线测试的装置及方法进行介绍。
参见图3，本实施例的金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置，包括：上夹具5、下夹具6、压杆4和多个圆片试样1。
经过所述圆片试样1的正面的中心开设凹槽2；所述凹槽2的长度等于所述圆片试样1的直径；所述凹槽2的深度小于所述圆片试样1的厚度；所述凹槽2的中心位置开设贯穿所述圆片试样1表面的透槽3。
参见图4，所述上夹具5位于所述圆片试样1的背面；所述下夹具6位于所述圆片试样1的正面；所述上夹具5上开始第一透孔；所述下夹具6上开设第二透孔；所述第一透孔和所述第二透孔均正对所述透槽3；所述第二透孔的直径和所述压杆4的尺寸均大于所述透槽3的长度；所述压杆4用于经过所述第一透孔向所述透槽3施加载荷。图4示出了试样变形边缘与下夹具6重合位置7。
试验时，对于任一待测试的圆片试样，所述上夹具5和所述下夹具6夹持待测试的圆片试样，所述压杆4经过所述第一透孔向所述透槽3施加载荷；不同的圆片试样1承载不同的载荷，具有不同的载荷位移曲线和不同的裂纹扩展量，图4示出了载荷F的方向；多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量用于确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线；待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线和关联系数用于确定待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。所述裂纹扩展量等于下夹具6的直径减去裂尖距变形边缘的距离，再减去透槽3的长度。
其中，由多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线的过程为：
将最短的裂纹扩展量对应的待测试的圆片试样作为参考试样，计算各目标试样的裂纹扩展量与参考试样裂纹扩展量之间的差值，得到裂纹扩展量差值Δa；目标试样为除参考试样之外的其他待测试的圆片试样。
计算各目标试样的载荷位移曲线下方的面积与参考试样的载荷位移曲线下方的面积的差值，得到能量差值ΔU。
根据裂纹扩展量差值和能量差值绘制待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线。
采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
其中，关联系数的确定方法为：
确定多组试样组；每组试样组均包括：一个待实验的圆片试样和同种材料的标准试样；各试样组的试样的材料不同。待测试样组中的每个待测试的圆片试样与每组试样组中待实验的圆片试样的材料均不同。
确定每组试样组的曲线组合；所述曲线组合包括：待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线和标准试样的J-R阻力曲线。待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线的确定方法和待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线的确定方法相同，在此不再赘述。标准试样的J-R阻力曲线采用GBT21143标准中给出的测试方法测量即可，J-R阻力曲线表征裂纹扩展量与根据载荷位移曲线下方的面积得到的J积分数值之间的关系。
采用多组曲线组合确定关联系数，具体的，将每组曲线组合中的Δa-ΔU曲线的ΔU值和J-R阻力曲线的J值带入公式(1)，通过多组数据找到规律获得关联系数η。
式中，hs为试样的剩余厚度，这里取0.25mm(试样厚0.50mm，U型槽深度为0.25mm)。b为下夹具6上方未开透槽3的长度，b＝3.0mm。关联系数η通过实验调整获得。
按照GBT21143标准中给出的测试方法获得的J-R阻力曲线可以用于工程评估使用。但是用本实施的圆片试样获得的形状相似的△a-△U曲线不能用于工程评估。因此上述需要对Δa-ΔU曲线采用关联系数为η转换得到J-R阻力曲线，这样就可以采用圆片试样间接获得了标准试样的J-R阻力曲线，作为设备上所取的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
上述新型小冲杆试样测试主要应用于在役设备微损取样获得在役设备材料的断裂韧性、或者材料稀缺、尺寸受限等情况(比如焊缝)下力学性能测试。通过新型开槽结构的小冲杆试验装置采用多试样法得到金属材料断裂韧度阻力曲线。上述测量方法，无需从设备上提取一个很大的试样，相比标准试样，圆片试样1也称之为小试样。
上述小冲杆试样，圆片试样1的一侧开通透的槽，另外一侧开直线槽。通过中断试验控制压杆4的位移，对开槽试样进行不同程度的加载，以获得不同的裂纹扩展量，在该开槽结构下，裂纹沿指定方向扩展且长度易于测量，进而计算通过小冲杆试验得到的△a-△U曲线。该△a-△U曲线与标准断裂韧度测试所得的J-R阻力曲线有非常相近的趋势，通过一个与材料相关的关联系数η进行修正后，与标准断裂韧度测试得到的J-R阻力曲线高度重合。本实施例适用于韧性金属材料，当材料尺寸受到限制，无法制取标准断裂韧度测试试样时，使用开槽小冲杆试验可以获得材料的△a-△U曲线，随着对不同韧性金属材料系数η的不断积累，可获得断裂韧度阻力曲线。该方法使用的试样体积微小，可以对在役设备微损取样(不破坏设备，不需要修补)进行测试获得在役设备材料的断裂韧性。
在一个示例中，圆片试样1、凹槽2、透槽3和压杆4的尺寸可根据需要进行设置。例如，所述凹槽2的长度可以为10mm；所述凹槽2的深度可以为0.25mm；所述凹槽2的宽度可以为0.3mm。所述透槽3的长度可以为1mm；所述透槽3的宽度可以为0.3mm；所述透槽3的深度可以为0.5mm。所述圆片试样1的直径可以为10mm；所述圆片试样1的厚度可以为0.5mm。所述压杆4的压头的半径可以为1.25mm。
同理，圆片试样1的数量可根据需要进行设置。例如，所述圆片试样1的数量可以为6-10个。
采用本示例的新型小冲杆试样实现金属材料断裂韧度阻力曲线测试的测试过程如下：
1)在标准小冲杆试样小圆片的基础上加工两种槽。首先加工凹槽2，凹槽2为U型槽，U型槽长度10.00mm，槽深0.25mm，槽宽0.30mm，在此基础上，沿着U型槽，在试样中心加工透槽3，透槽3长度1.00mm，宽度与U型槽相同为0.30mm。这两种槽在同一直线上且与小圆片试样1对称轴重合，试样过程中压杆4直接加载在试样的中心，这样的优点是可以使得试样应力状态为对称的，不会发生裂纹的偏移。
U型槽和中心透槽3的存在的目的有以下几个：1.为了让裂纹沿指定方向扩展，U型槽与透槽3的结合处会因较大的应力集中作用首先发生启裂，启裂部位8如图5所示，U型槽的存在充当裂纹扩展的“引导槽”，裂纹会沿着U型槽扩展，便于裂纹扩展量的测量，如图6所示，图6中的箭头所指的方向为裂纹扩展方向；2.中心透槽3的存在，可以使得裂纹的开裂模式转变为Ⅰ型张开裂纹为主导，与标准测试的开裂模式一致。
2)取6-10片开槽小冲杆试样，通过控制试验设备的压杆4位移对试样进行不同程度的加载，即在不同的压杆4位移下中断试验，获得相应的载荷位移曲线。通过扫描电镜或其他方式测量计算每个试样的裂纹扩展量。
本示例基于能量法原理，试验设备直接输出载荷位移曲线，通过计算载荷位移曲线下方的面积可以得到相应的能量值。压杆4位移越大，试样的受载程度越高，裂纹扩展量就会越长。由于下夹具6的夹持作用，试样的变形边缘与下夹具6的边缘重合，裂纹扩展量等于下夹具6的直径(4mm)减去通过电镜等方式测量得到的裂尖距变形边缘的距离，再减去中心透槽3的长度，测量实物如图7所示，测量原理如图8所示。阻力曲线的本质是裂纹扩展长度与所消耗的能量之间的关系，因此通过小冲杆试验可以得到这两个值。
3)以裂纹扩展量最短的试样为参考试样，获得每个试样对应的△a和△U数值，绘制△a-△U数据点，并采用y＝axb模型将数据点拟合为阻力曲线。通过步骤2)获得每个试样的裂纹扩展量后，△a是每个试样的裂纹扩展量与参考试样(裂纹扩展量最短)之间的裂纹扩展量差值，△U是获得不同裂纹扩展长度试样的载荷位移曲线所对应的面积之差，△U的具体计算过程如图9的(a)部分所示，△a的具体计算过程如图9的(b)部分所示。
△a代表相对裂纹扩展量，△U表示所对应的能量差值。标准试样得到的J-R阻力曲线横坐标为裂纹扩展量，纵坐标是通过载荷位移曲线下方面积得到的J积分数值。△a-△U曲线在物理意义上与标准试样的J-R阻力曲线相似。
4)通过与标准试样的J-R阻力曲线的对比，采用公式(1)获得系数η的数值。
系数η可认为是与材料相关的常数，例如材料的变形能力、小冲杆试验过程中塑性变形区域的影响等。通过本发明可获得材料的△a-△U曲线，该△a-△U曲线与断裂韧度阻力曲线有相同的物理含义，即裂纹扩展量与所消耗能量之间的关系。△a-△U曲线结合公式(1)经系数η修正后可转换为J-R阻力曲线，J-R阻力曲线是一种金属材料断裂韧度阻力曲线，转换后的△a-△U曲线即为本发明的断裂韧度阻力曲线。
本示例所提出的方法适用于尺寸受限金属材料(例如焊缝、热影响区等材料)断裂韧度阻力曲线的获取，用于评价金属材料的力学性能，即材料抵抗裂纹扩展的能力采用国标GB/T29459.2-2012所推荐的小冲杆试验装置。
本示例通过开槽小冲杆试验获取金属材料的断裂韧度阻力曲线，上述采用的小冲杆试验装置是一种新型槽，裂纹沿指定方向扩展且长度易于测量，更加符合能量法原理，可获得材料的Δa-ΔU曲线，进一步通过关联系数η可得到阻力曲线。所需的试样体积小，有明确的试验原理且相对来说较为简单，有重要的工程应用价值。
本发明还提供了一种金属材料断裂韧度阻力曲线测试方法，所述测试方法采用上述实施例的小冲杆试验装置实现，所述测试方法，具体包括：
(1)获取不同裂纹扩展量下的载荷位移曲线；所述载荷位移曲线是采用压杆对各个待测试的圆片试样进行不同压杆位移的中断试验得到的；一个待测试的圆片试样对应一个裂纹扩展量和一个载荷位移曲线；所述裂纹扩展量等于下夹具的直径减去裂尖距变形边缘的距离，再减去透槽的长度。
(2)将最短的裂纹扩展量对应的待测试的圆片试样作为参考试样，计算各目标试样的裂纹扩展量与所述参考试样裂纹扩展量之间的差值，得到裂纹扩展量差值Δa；所述目标试样为除所述参考试样之外的其他待测试的圆片试样。
(3)计算各目标试样的载荷位移曲线下方的面积与所述参考试样的载荷位移曲线下方的面积的差值，得到能量差值ΔU。
(4)根据所述裂纹扩展量差值和所述能量差值绘制待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线。
(5)确定多组试样组；每组试样组均包括：一个待实验的圆片试样和同种材料的标准试样；各试样组的试样的材料不同。确定每组试样组的曲线组合；所述曲线组合包括：待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线和标准试样的J-R阻力曲线。采用多组曲线组合确定关联系数。
(6)采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
总之，小冲杆试验装置可以获取待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，但是得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线，需要确定一个关联系数η，这样，将Δa-ΔU曲线转换为J-R阻力曲线，即可得到断裂韧度阻力曲线。在确定关联系数时，可在实验室用多种材料做试验(同时做小试样和标准试验，这样就获得了一系列的Δa-ΔU曲线和J-R阻力曲线，然后通过大量的数据找到规律获得关联系数η。基于该关联系数η，在实际应用时，例如，当有其它材料需要测试时，只测试相应材料的圆片试样即可，结合关联公式η获得相应的J-R阻力曲线。
具体的，本实施例的金属材料断裂韧度阻力曲线测试方法，主要包括两个部分：小冲杆试验和开槽结构能量法测量。
(1)小冲杆试验
对韧性金属材料进行小冲杆试验，采用国标GB/T29459.2-2012推荐的小冲杆试验装置和夹具，压杆压头半径r＝1.25mm，下夹具孔径4mm。
(2)开槽结构能量法测量
对试样进行开槽加工，如图1和图2所示，并按照图3进行装夹安装，U型槽一面朝下。采用6-10个开槽试样，并在不同的位移下进行中断试验，试样大致在载荷位移曲线最高点发生启裂，并在载荷下降阶段发生扩展，推荐的中断区间为载荷最高点至50％最大载荷之间，试样的裂纹会如图5和图6所示的一样发生启裂和扩展，从而获得不同裂纹扩展量情况下的载荷位移曲线。
以裂纹扩展量最短的试样为参考试样，测量计算出其他试样与参考试样之间的裂纹扩展量差值△a，并通过对应的载荷位移曲线下方的面积计算出对应的能量差值△U，得到△a-△U曲线。
将△a-△U曲线与标准断裂韧度测试得到的阻力曲线绘制在同一张图，并采用(1)式得到两条曲线误差最小时，系数η的数值。
图7示出了P91钢材在不同压杆位移下的开槽试样裂纹长度扩展测量过程，图7中Pa1、PaR1、Pa2、PaR2是通过扫描电镜测量裂纹尖端到变形边缘距离时作的标记，这些距离是人为测量的。图9示出了△a-△U数据点的获取过程，以P91钢材为例，计算各个试样与参考试样(裂纹扩展量最短的试样)之间的能量差值及对应的裂纹扩展量差值。
图10的(a)部分示出了将△a-△U数据点通过方程y＝axb拟合为△a-△U曲线，及与标准测试方法得到的阻力曲线对比效果。标准试样选用CT试样。
图10的(b)部分示出了将△a-△U数据点通过方程和关联系数η进行处理后的曲线与标准试样的J-R阻力曲线的对比效果。对于P91钢材，系数η的取值为1.222。
在实际使用过程中可依据情况对使用范围进行适当修正扩宽。例如开槽结构的尺寸可以进行适当变化；对应于不同厚度的试样，采用不同的夹具即可。
本发明适用于等向强化的韧性金属材料，能够获得多种韧性金属材料的△a-△U曲线和标准试样的J-R阻力曲线。可对在役设备进行微损取样，能够定量获取材料的断裂韧度。本发明有充分的能量法原理基础，试验成本低，所需试样体积小，易于应用和推广。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种小冲杆试样，其特征在于，所述小冲杆试样为圆片试样；
经过所述圆片试样的正面的中心开设凹槽；所述凹槽的长度等于所述圆片试样的直径；所述凹槽的深度小于所述圆片试样的厚度；所述凹槽的中心位置开设贯穿所述圆片试样表面的透槽；
测试金属材料断裂韧度阻力曲线时，对于待测试样组中的每个待测试的圆片试样，向所述透槽施加载荷，不同待测试的圆片试样承载不同的载荷，具有不同的载荷位移曲线和不同的裂纹扩展量；多个载荷位移曲线和多个裂纹扩展量用于确定待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线；待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线和关联系数用于确定待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
2.根据权利要求1所述的小冲杆试样，其特征在于，所述凹槽的长度为10mm；所述凹槽的深度为0.25mm；所述凹槽的宽度为0.3mm。
3.根据权利要求1所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述透槽的长度为1mm；所述透槽的宽度为0.3mm；所述透槽的深度为0.5mm。
4.一种金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置，其特征在于，包括：上夹具、下夹具、压杆和多个权利要求1-3中任意一项所述的圆片试样；
所述上夹具位于所述圆片试样的背面；所述下夹具位于所述圆片试样的正面；所述上夹具上开始第一透孔；所述下夹具上开设第二透孔；所述第一透孔和所述第二透孔均正对所述透槽；所述第二透孔的直径和所述压杆的尺寸均大于所述透槽的长度；所述压杆用于经过所述第一透孔向所述透槽施加载荷；
测试金属材料断裂韧度阻力曲线时，对于待测试样组中的每个待测试的圆片试样，所述上夹具和所述下夹具用于夹持待测试的圆片试样；所述压杆用于经过所述第一透孔向所述透槽施加载荷，使不同待测试的圆片试样承载不同的载荷。
5.一种金属材料断裂韧度阻力曲线测试方法，其特征在于，所述测试方法采用权利要求4所述的金属材料断裂韧度阻力曲线测试装置实现，所述测试方法，具体包括：
获取不同裂纹扩展量下的载荷位移曲线；所述载荷位移曲线是采用压杆对各个待测试的圆片试样进行不同压杆位移的中断试验得到的；一个待测试的圆片试样对应一个裂纹扩展量和一个载荷位移曲线；所述裂纹扩展量等于下夹具的直径减去裂尖距变形边缘的距离，再减去透槽的长度；
将最短的裂纹扩展量对应的待测试的圆片试样作为参考试样，计算各目标试样的裂纹扩展量与所述参考试样裂纹扩展量之间的差值，得到裂纹扩展量差值Δa；所述目标试样为除所述参考试样之外的其他待测试的圆片试样；
计算各目标试样的载荷位移曲线下方的面积与所述参考试样的载荷位移曲线下方的面积的差值，得到能量差值ΔU；
根据所述裂纹扩展量差值和所述能量差值绘制待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线；
采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，采用关联系数修正待测试的圆片试样的Δa-ΔU曲线，得到待测试的圆片试样的金属材料的断裂韧度阻力曲线之前，还包括：
确定多组试样组；每组试样组均包括：一个待实验的圆片试样和同种材料的标准试样；各试样组的试样的材料不同；
确定每组试样组的曲线组合；所述曲线组合包括：待实验的圆片试样的Δa-ΔU曲线和标准试样的J-R阻力曲线；
采用多组曲线组合确定关联系数。
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