一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法

本发明属于高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试与表面应变关系，尤其是涉及一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法。

背景技术：

1、在核电和石油化工等领域中，各种大量金属材料构成的机械结构(如核电一回路管道、蒸汽发生器、压力容器等)服役在高温水环境中。已有研究证明，长期服役于高温水环境作用下的金属结构将出现力学性能的劣化，主要表现为材料强度降低，导致承压结构发生泄漏与断裂，造成严重的经济损失与安全事故。因此，需要对服役于高温水环境中材料的力学性能参数劣化情况进行准确的测试和评估，准确获取高温水环境中材料的性能劣化情况对评价重要设备结构安全性有重要意义。

2、大多数高温高压(高温指温度为300℃～400℃，高压指压力为15mpa～25mpa)与水环境腐蚀会加速承载构件的失效。目前主要利用高压釜在高温水环境下进行力学性能测试，高温水环境的存在导致用于测试材料力学性能参数的载荷传感器和位移传感器只能安放在高压釜外，传感器数据的温度漂移和传感器位置远离试样，增加了力学性能测试中的误差，导致测试结果的准确度不佳。

3、因此，市面上还未出现根据力学性能参数、断裂韧性与金属材料的表面应变关系，获取力学性能参数及断裂韧性的方法，另外现有的高温水环境下这一特殊服役环境下，金属材料力学性测试精度较低、断裂韧性获取困难的问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其方法步骤简单，设计合理，通过对待研究金属材料进行高温水环境下的单轴拉伸实验、断裂力学实验，获取待研究金属材料表面的应变分布，并使用有限元软件仿真以实验中获得的应变分布进行反演分析，进而获取力学性能参数及断裂韧性，为待研究金属材料服役在高温水环境下的性能评估提供参考依据，具有较高的测试精度。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、试样的预处理：

4、步骤101、在板状拉伸试样标距段上制作均匀布设的散斑；

5、步骤102、在紧凑拉伸试样的裂纹设计位置上制作均匀布设的散斑；其中，板状拉伸试样和紧凑拉伸试样均为待研究金属材料；

6、步骤二、安装潜望镜和高速相机：

7、步骤201、在慢应变速率应力腐蚀实验机的底座中安装潜望镜；

8、步骤202、在慢应变速率应力腐蚀实验机中夹装板状拉伸试样；

9、步骤203、在潜望镜的伸出端口安装高速相机；其中，潜望镜的伸入端朝向板状拉伸试样的散斑处；

10、步骤三、材料力学性能参数的获取：

11、步骤301、采用慢应变速率应力腐蚀实验机，在设定的高温水环境下对板状拉伸试样的下端进行单轴拉伸实验；其中，板状拉伸试样上端固定；单轴拉伸实验中以设定的位移速率均匀地拉伸试样；

12、步骤302、在设定的高温水环境下对板状拉伸试样的下端进行单轴拉伸实验直至板状拉伸试样的应变达到板状拉伸试样标距段的长度的30％的过程中，采用高速相机按照设定的拍摄速度实时获取板状拉伸试样标距段的多个应变图像记作多个拉伸应变图像；其中，采用高速相机获取初始时刻板状拉伸试样的图像记作板状拉伸试样初始图像；

13、步骤303、采用计算机利用数字图像相关法对多个拉伸应变图像和板状拉伸试样初始图像进行处理，得到拉伸应变分布图；

14、步骤304、采用计算机利用有限元软件，按照单轴拉伸实验相同实验条件和应变速率下，进行单轴拉伸仿真，获取拉伸应变分布云图；

15、步骤305、多次重复步骤304，不断调整屈服强度、硬化指数和弹性模量输入，直至有限元软件得到的拉伸应变分布云图和步骤303中得到的拉伸应变分布图的应变分布满足设计要求，则拉伸应变分布云图所对应的屈服强度、硬化指数和弹性模量为待研究金属材料的力学性能参数；

16、步骤四、材料断裂参数的获取：

17、步骤401、采用慢应变速率应力腐蚀实验机，在设定的高温水环境下对紧凑拉伸试样的下端进行断裂力学实验；其中，紧凑拉伸试样上端固定；

18、步骤402、在断裂力学实验中以设定的位移速率均匀地拉伸试样直至紧凑拉伸试样断裂的过程中，采用高速相机按照设定的拍摄速度实时获取紧凑拉伸试样的多个应变图像记作多个断裂应变图像；其中，采用高速相机获取初始时刻紧凑拉伸试样的图像记作紧凑拉伸试样初始图像；

19、步骤403、采用计算机利用数字图像相关法对多个断裂应变图像和紧凑拉伸试样初始图像进行处理，得到断裂应变分布图；

20、步骤404、采用计算机利用有限元软件，按照断裂力学实验相同实验条件和位移速率下，进行断裂拉伸仿真，获取断裂应变云图；

21、步骤405、采用计算机在有限元软件中输入步骤304中的屈服强度、硬化指数和弹性模量，并不断调整断裂韧性输入，直至有限元软件得到的断裂应变云图和步骤404中得到的断裂应变分布图的应变分布满足设计要求，则断裂应变云图所对应的断裂韧性为待研究金属材料的断裂韧性。

22、上述的一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤101中板状拉伸试样标距段上散斑的直径为0.2mm～0.4mm，相邻两个散斑的间距为0.4mm～0.5mm；

23、步骤102中紧凑拉伸试样的裂纹设计位置是以紧凑拉伸试样的裂纹尖端点c为圆心半径为10mm～12mm的区域；

24、步骤102中紧凑拉伸试样上散斑的直径为0.2mm～0.4mm，相邻两个散斑的间距为0.4mm～0.5mm。

25、上述的一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤301中单轴拉伸实验中设定的位移速率取值为0.1mm/min～1mm/min；

26、步骤401中断裂力学实验中设定的位移速率取值为0.1mm/min～1mm/min。

27、上述的一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤305中有限元软件得到的拉伸应变分布云图和步骤303中得到的拉伸应变分布图的应变分布满足设计要求，具体判断过程如下：

28、步骤3051、采用计算机根据拉伸应变分布云图中各个网格的应变，得到拉伸应变分布云图的最大应变εmax、最小应变εmin和平均应变

29、步骤3052、采用计算机从步骤303中拉伸应变分布图中获取拉伸应变分布图中的最大应变ε′max、最小应变ε′min和平均应变

30、步骤3053、采用计算机判断如果95％ε′max≤εmax≤105％ε′max，95％ε′min≤εmin≤105％ε′min，同时成立，则有限元软件得到的拉伸应变分布云图和步骤303中得到的拉伸应变分布图的应变分布满足设计要求。

31、上述的一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤405中有限元软件得到的断裂应变云图和步骤404中得到的断裂应变分布图的应变分布满足设计要求，具体判断过程如下：

32、步骤4051、采用计算机将断裂应变云图中第j个网格的应变记作εj′，εj′小于0.50％的网格为白色，εj′处于[0.50％～1.00％)的网格区域为桃红色，εj′处于[1.00％～1.50％)的网格区域为蓝色，εj′处于[1.50％～2.00％)的网格区域为浅蓝色，εj′处于[2.00％～2.50％)的网格区域为绿色，εj′处于[2.50％～3.00％)的网格区域为黄色，εj′处于[3.00％～3.50％)的网格区域为橙色，εj′不小于3.50％的网格为红色；

33、步骤4052、采用计算机将断裂应变云图划分为八个颜色区域，并获取第e个颜色区域中网格的数量记作ne；其中，e为正整数，且1≤e≤8；

34、步骤4053、采用计算机根据断裂应变分布图中各个网格的应变获取第e个颜色区域中网格的数量记作ne′；

35、步骤4054、采用计算机判断80％ne′≤ne≤110％ne′满足，则有限元软件得到的断裂应变云图和步骤404中断裂应变分布图的应变分布满足设计要求。

36、上述的一种高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法，其特征在于：所述潜望镜伸出底座的端部套设有抱箍，所述抱箍上设置有斜杆，所述斜杆上设置有供高速相机安装的安装套环。

37、本发明与现有技术相比具有以下优点：

38、1、本发明高温水环境下金属材料力学性能及断裂韧性测试方法步骤简单、设计合理且实现方便，既能对待研究金属材料的力学性能参数与表面应变关系进行测试，又能对待研究金属材料的断裂韧性与表面应变关系进行测试，建立待研究金属材料力学性能参数与表面应变的应变分布以及待研究金属材料断裂韧性与表面应变的应变分布，为通过待研究金属材料的表面应变研究待研究金属材料力学性能参数和断裂韧性提供参考依据。

39、2、本发明通过引入潜望镜和高速相机，实现了对待测金属材料的试样在拉伸和断裂过程中应变的直接测量，省去了用于连接传感器的各类复杂结构，避免了高压釜(或高温水环境下)下传感器的温度漂移，改善了实验的测试精度。

40、3、本发明使有限元软件获取的拉伸应变分布云图与高速相机拍摄得到的拉伸应变分布图的应变分布满足设计要求，此时有限元软件中输入的屈服应力、硬化指数和弹性模量等材料力学性能参数即为该板状拉伸试样对应的金属材料在高温水环境下的材料力学性能参数，从而便于将其与常温下金属材料的材料力学性能参数进行对比，即可得到金属材料力学性能的劣化状况。

41、4、本发明使有限元软件获取的断裂应变分布图与高速相机拍摄得到的断裂应变分布图的应变分布满足设计要求，此时有限元软件中输入的断裂韧性即为该紧凑拉伸试样对应的金属材料在高温水环境下的断裂韧性，从而便于将其与常温下金属材料的断裂韧性进行对比，即可得到材料断裂的劣化状况。

42、5、本发明首先是试样的预处理完成散斑制作，接着是安装潜望镜和高速相机，其次是材料力学性能参数的获取和材料断裂参数的获取，操作便捷，测试较快。

43、综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，通过对待研究金属材料进行高温水环境下的单轴拉伸实验、断裂力学实验，获取待研究金属材料表面的应变分布，并使用有限元软件仿真以实验中获得的应变分布进行反演分析，进而获取力学性能参数及断裂韧性，为待研究金属材料服役在高温水环境下的性能评估提供参考依据，具有较高的测试精度。

44、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。