含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性测定方法及加载装置

技术领域

本发明涉及金属薄壁管领域，具体涉及含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性测定方法及加载装置。

背景技术

金属薄壁管在生产和服役过程中难以避免地会产生一些细小缺陷，这些细小缺陷极易在高温高压等恶劣服役条件下发展成为裂纹，进而导致金属薄壁管破坏。金属薄壁管应用广泛，对材料性能要求严苛，对安全性要求高，大部分金属薄壁管长期服役于高温、高压、腐蚀甚至辐照等恶劣环境，因此金属薄壁管的断裂性能是安全评定的重要内容。

金属薄壁管中的轴向裂纹和环向裂纹是常见地导致其断裂失效的裂纹形式。金属薄壁管的缺陷形式多样，但不同形式的裂纹(表面缺陷裂纹以及结构埋藏缺陷裂纹等)都可以通过一定的等效换算方法替换为穿透裂纹，将多种缺陷特征尺寸归一为穿透裂纹长度参数。

目前大多数研究人员研究了金属薄壁管的轴向裂纹的断裂性能，而很少对其环向裂纹的断裂性能进行研究。环向裂纹的断裂性能不能简单地使用轴向裂纹的断裂性能代替。由于金属薄壁管断裂韧性受到材料性质、几何尺寸(裂纹长度、直径、壁厚等)的影响，因其结构的特殊性无法满足一系列断裂测试规范的取样要求，受此影响现有方法仅针对特定尺寸和特定金属材料的金属薄壁管的断裂韧性进行了计算，而无法适用于不同金属材料、不同尺寸含环向裂纹金属薄壁管。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性测定方法及加载装置，能测定不同金属材料、不同尺寸含环向裂纹金属薄壁管的断裂性能，并且所需的参数少且易于测量。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性测定方法，包括以下步骤：

S1、利用加载装置获取含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据；

S2、根据步骤S1中含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据，基于能量密度等效方法，计算含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度；

S3、根据步骤S2中含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、构建含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型；

S22、根据分步骤S21中含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型，基于能量密度等效方法，确定含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的总应变能和含环向裂纹金属薄壁管在纯塑形条件下总应变能；

S23、根据分步骤S22中含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的总应变能，确定含环向裂纹金属薄壁管的弹性位移与载荷的关系；

S24、根据分步骤S22中含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的总应变能，确定含环向裂纹金属薄壁管的塑性位移与载荷的关系；

S25、根据分步骤S23中含环向裂纹金属薄壁管的弹性位移与载荷的关系，确定含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系；

S26、根据步骤S1中含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据和分步骤S25中含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系，计算含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度。

进一步地，在分步骤S23中，确定含环向裂纹金属薄壁管的弹性位移与载荷的关系，表示为：

其中：P为含环向裂纹金属薄壁管的载荷，U

进一步地，在分步骤S24中，确定含环向裂纹金属薄壁管的塑性位移与载荷的关系，表示为：

其中：P为含环向裂纹金属薄壁管的载荷，U

进一步地，在分步骤S25中，确定含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系，表示为：

其中：h为含环向裂纹金属薄壁管在加载线方向的总位移，h

进一步地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据步骤S2中含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，计算含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性；

S32、根据步骤S2中含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，计算含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的断裂韧性；

S33、根据分步骤S31中含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性和分步骤S32中含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的断裂韧性，测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性。

进一步地，在分步骤S31中，计算含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性，表示为：

其中：J

进一步地，在分步骤S32中，计算含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的断裂韧性，表示为：

其中：

一种应用于上述方法的含环向裂纹金属薄壁管加载装置，包括第一夹头、支撑台、支撑座、固定器、压头、第二夹头、测量位移设备和测量位移设备外延装置；

所述第一夹头固定设置于支撑台底部，第一夹头用于夹紧支撑台和支撑座；

所述支撑台顶部根据支撑座的尺寸设置开槽，支撑台用于支撑支撑座；

所述支撑座设置于支撑台顶部开槽内部以在槽内进行固定方向的移动，支撑座两侧支撑处设置V形开槽，支撑座用于支撑含环向裂纹金属薄壁管；

所述固定器设置于支撑台两侧，固定器用于固定支撑座；

所述压头固定设置于第二夹头一端，压头用于为含环向裂纹金属薄壁管提供加载线位移，以扩展含环向裂纹金属薄壁管的裂纹长度；

所述第二夹头用于夹紧压头，并为压头提供加载线位移；

所述测量位移设备用于测量含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移；

所述测量位移设备外延装置用于固定测量位移设备以防止测量位移设备产生滑动。

本发明的有益效果为：

(1)本发明基于能量密度等效方法，构建了考虑不同金属材料、不同尺寸含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系表达式，以及测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性的表达式，进而能测定不同金属材料、不同尺寸含环向裂纹金属薄壁管的断裂性能；

(2)本发明通过获取含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据，并测量含环向裂纹金属薄壁管的厚度和半径，便能利用上述测定方法确定不同金属材料、不同尺寸含环向裂纹金属薄壁管的断裂性能，所需的参数少且易于测量；

(3)本发明提供的加载装置，通过将支撑座设置于支撑台顶部开槽内部，设置对应的固定器，并在支撑座两侧支撑处设置V形挖槽，可确保含环向裂纹金属薄壁管在准静态断裂试验过程中被稳定支撑而不会产生滑动，能满足不同尺寸和金属材料含环向裂纹金属薄壁管的加载试验，获取加载线位移。

附图说明

图1为含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性测定方法流程示意图；

图2为锆合金核燃料包壳管的加载线位移数据与载荷数据示意图；

图3为锆合金核燃料包壳管的实时裂纹长度示意图；

图4为锆合金核燃料包壳管的断裂韧性示意图；

图5为含环向裂纹金属薄壁管的加载装置结构示意图；

其中：1、第一夹头，2、支撑台，3、支撑座，4、固定器，5、压头，6、第二夹头，7、测量位移设备，8、测量位移设备外延装置，9、含环向裂纹金属薄壁管。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性测定方法，包括步骤S1-S3，具体如下：

S1、利用加载装置获取含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据。

在本发明的一个可选实施例中，本发明利用加载装置获取含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据，其具体过程为：将含环向裂纹金属薄壁管的安装于加载装置上，利用第一夹头和第二夹头夹紧整个加载装置，并利用加载装置进行单调加载，速率为0.2mm/s，加载装置加载过程中自动采集载荷、位移数据。

具体地，本发明以锆合金核燃料包壳管为例，锆合金核燃料包壳管的直径为9.50mm，锆合金核燃料包壳管的壁厚为0.57mm，利用加载装置获取锆合金核燃料包壳管的加载线位移数据与载荷数据，并作出对应的曲线图，如图2所示。图2中两条不同形状的曲线表示两个初始裂纹长度不同的锆合金核燃料包壳管的加载线位移数据与载荷数据。

S2、根据步骤S1中含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据，基于能量密度等效方法，计算含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度。

在本发明的一个可选实施例中，本发明构建含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型，基于能量密度等效方法，构建含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系表达式，并代入含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据，以计算含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度。

步骤S2包括以下分步骤：

S21、构建含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型；

本发明构建含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型，表示为：

其中：ε为含环向裂纹金属薄壁管的真实应变，ε

本发明通过单轴拉伸方法获取含环向裂纹金属薄壁管的应力强度系数和应力硬化指数。

S22、根据分步骤S21中含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型，基于能量密度等效方法，确定含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的总应变能和含环向裂纹金属薄壁管在纯塑形条件下总应变能。

具体地，本发明对含环向裂纹金属薄壁管的本构关系模型进行积分计算应变能密度，基于能量密度等效方法，可分别确定含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的总应变能和含环向裂纹金属薄壁管在纯塑形条件下总应变能。

S23、根据分步骤S22中含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的总应变能，确定含环向裂纹金属薄壁管的弹性位移与载荷的关系。

本发明确定含环向裂纹金属薄壁管的弹性位移与载荷的关系，表示为：

其中：P为含环向裂纹金属薄壁管的载荷，U

本发明计算纯弹性条件下的第一中间变量，表示为：

P

其中：k

S24、根据分步骤S22中含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的总应变能，确定含环向裂纹金属薄壁管的塑性位移与载荷的关系。

本发明确定含环向裂纹金属薄壁管的塑性位移与载荷的关系，表示为：

其中：P为含环向裂纹金属薄壁管的载荷，U

本发明计算纯塑形条件下的第一中间变量，表示为：

其中：N为应力硬化指数，K为含环向裂纹金属薄壁管的应力强度系数，k

本发明计算纯塑形条件下的第二中间变量，表示为：

其中：k

S25、根据分步骤S23中含环向裂纹金属薄壁管的弹性位移与载荷的关系，确定含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系。

本发明确定含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系，表示为：

其中：h为含环向裂纹金属薄壁管在加载线方向的总位移，P为含环向裂纹金属薄壁管的载荷，

本发明计算纯弹性条件下的第二中间变量，表示为：

其中：P

本发明计算纯塑性条件下的第三中间变量，表示为：

其中：P

S26、根据步骤S1中含环向裂纹金属薄壁管的加载线位移数据与载荷数据和分步骤S25中含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系，计算含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度。

具体地，本发明将锆合金核燃料包壳管的加载线位移数据与载荷数据，代入含环向裂纹金属薄壁管的总位移与载荷的关系表达式，获取锆合金核燃料包壳管的实时裂纹长度，并作出对应的曲线图，如图3所示。图3中两条不同形状的曲线表示两个初始裂纹长度不同的锆合金核燃料包壳管的实时裂纹长度。

S3、根据步骤S2中含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性。

在本发明的一个可选实施例中，本发明根据含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，分别计算含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性以及在纯塑性条件下的断裂韧性，进而测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性。

步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据步骤S2中含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，计算含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性。

本发明计算含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性，表示为：

其中：J

S32、根据步骤S2中含环向裂纹金属薄壁管的实时裂纹长度，基于能量密度等效方法，计算含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的断裂韧性。

本发明计算含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的断裂韧性，表示为：

其中：

S33、根据分步骤S31中含环向裂纹金属薄壁管在纯弹性条件下的断裂韧性和分步骤S32中含环向裂纹金属薄壁管在纯塑性条件下的断裂韧性，测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性。

本发明测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性，表示为：

J＝J

其中：J为含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性值，J

本发明将锆合金核燃料包壳管的实时裂纹长度代入测定含环向裂纹金属薄壁管的断裂韧性的表达式，获取锆合金核燃料包壳管的断裂韧性值，断裂韧性值具体指代J积分，并作出对应的曲线图，如图4所示。图4中两条不同形状的曲线表示两个初始裂纹长度不同的锆合金核燃料包壳管的断裂韧性值。

如图5所示，一种应用于上述方法的含环向裂纹金属薄壁管加载装置，包括第一夹头1、支撑台2、支撑座3、固定器4、压头5、第二夹头6、测量位移设备7和测量位移设备外延装置8。

在本发明的一个可选实施例中，第一夹头1固定设置于支撑台2底部，第一夹头1用于夹紧支撑台2和支撑座3。第一夹头1贴合设置于支撑台2底部中心开槽区域，第一夹头1将接收到的来自加载装置的液压传导至支撑台2，以夹紧支撑台2和支撑座3。

在本发明的一个可选实施例中，支撑台2顶部根据支撑座3的尺寸设置开槽，支撑台2用于支撑支撑座3。支撑台2顶部根据支撑座3的尺寸设置开槽，以使支撑座能够在开槽内进行固定方向的移动。支撑台2底部根据第一夹头1的尺寸设置开槽，以使得第一夹头1能够贴合设置于支撑台2底部中心开槽区域。

在本发明的一个可选实施例中，支撑座3设置于支撑台2顶部开槽内部以在槽内进行固定方向的移动，支撑座3两侧支撑处设置V形开槽，支撑座3用于支撑含环向裂纹金属薄壁管9。V形开槽用于放置不同金属材料、不同尺寸的含环向裂纹金属薄壁管9，能防止不同金属材料、不同尺寸的含环向裂纹金属薄壁管9在加载过程中出现滑动。支撑座3两侧设置用于固定的螺栓孔。

在本发明的一个可选实施例中，固定器4设置于支撑台2两侧，固定器用于固定支撑座3。固定器4设置用于固定的第一螺栓孔、第二螺栓孔和第三螺栓孔。本发明将螺栓穿过固定器4中用于固定的第一螺栓孔和第二螺栓孔，以将固定器固定于支撑台2两侧。本发明将螺栓穿过固定器4中用于固定的第三螺栓孔和支撑座3上用于固定的螺栓孔，以固定支撑座3。本发明通过上述设置能避免载荷过大以及支撑座3滑动。

在本发明的一个可选实施例中，压头5固定设置于第二夹头6一端，压头5用于为含环向裂纹金属薄壁管9提供加载线位移，以扩展含环向裂纹金属薄壁管9的裂纹长度。压头5跟随加载装置以0.02mm/s实现位移加载。

在本发明的一个可选实施例中，第二夹头6用于夹紧压头5，并为压头5提供加载线位移。第二夹头6将接收到的来自加载装置的液压传导至压头5。

在本发明的一个可选实施例中，测量位移设备7用于测量含环向裂纹金属薄壁管9的加载线位移。测量位移设备7采用精密位移传感器，测量位移设备7跟随压头5的位移加载自动记录加载线位移数据。

在本发明的一个可选实施例中，测量位移设备外延装置8用于固定测量位移设备7以防止测量位移设备7产生滑动。测量位移设备外延装置8本身与测量位移设备7进行一体化设计。测量位移设备外延装置8采用将螺栓旋入螺栓孔的方式将其一端固定设置于第二夹头6，并将其另一端固定设置于支撑台2。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。