一种原板厚低温环境下防撞击断裂性能的测试方法与装置与流程

本发明涉及金属材料断性能评价，特别涉及一种原板厚低温环境下防撞击断裂性能的测试方法与装置。

背景技术：

1、随着全球气候变暖，北极地区的冰层逐渐融化，北极航线的开通为全球航运提供了新的选择，大幅缩短了亚欧之间的运输距离。同时，极地地区蕴藏着丰富的油气、矿产和渔业资源，吸引了众多国家将其目光投向这一要地。各国纷纷加强在极地的科研、勘探与军事部署，围绕资源开发与航道控制展开激烈竞争。

2、但是，即便是有全球变暖的影响，相比常规航道，极地地区仍存在环境恶劣，常年低温严寒，海面浮冰密集，给航行带来极大挑战。北极航线虽具有缩短航程的潜力，但浮冰移动频繁，存在撞击船体的风险，可能对船舶结构造成严重损害，甚至威胁航行安全。此外，极地天气突变频繁，能见度低，通信与救援难度大，进一步增加了航行的不确定性。因此，极地航运需依赖高抗冰能力的船舶、精准的冰情监测系统以及完善的应急机制，以保障航行安全和生态保护。在极地航行中，现有船舶的船体用铁素体钢本身存在低温脆性，在极地低温环境下，韧性下降，抗撞击能力必然下降，若与浮冰相撞击，很可能造成灾难性后果。因此为避免出现此类灾难发生，必须对船体结构钢的低温抗撞击断裂能力进行考核评估。

3、目前，针对断裂性能的考核方法主要有夏比冲击试验、动态撕裂试验、落锤撕裂试验、落锤试验等，这些试验在国内外广泛应用于断裂性能的考核中。但是针对较厚的船体结构钢，上述试验一般是将钢板减薄处理，不能考核原板厚钢板的抗撞击能力，另外实际船体在撞击时，撞击面受压应力，背面受拉应力，这种应力状态也是上述试验不能完全模拟的。

4、公开号：cn120467924a一种原板厚钢板裂纹扩展试验装置与方法，包括：固定设置的主机架；安装在所述主机架上的提升系统，包括动力单元、柔性牵引件；与所述柔性牵引件末端连接的撞击装置；设置于所述撞击装置下方的模具，所述模具用于放置试样；独立设置的低温装置，包括低温槽501和传动装置，所述低温槽501用于将所述试样冷却至设定温度，所述传动装置用于将所述低温槽501内的所述试样传送到所述模具上；粘贴在所述试样受拉面的应变片，用于记录试验时的时间-应变曲线。但是该技术方案的评价仅为检查裂纹是否贯穿板厚、测量特定位置的钢板减薄率，是一种“合格/不合格”式的粗略判定，这种评价方式无法区分不同材料在“尚未裂穿”状态下的防撞性能差异，也无法为工程选材提供精细化的量化依据。

5、为此，亟需提出一种原板厚低温环境下防撞击断裂性能的测试方法与装置，解决现有评价方法不能有效模拟原板厚船体结构钢低温环境下的防撞性能的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种原板厚低温环境下防撞击断裂性能的测试方法与装置，解决现有评价方法不能有效模拟原板厚船体结构钢低温环境下的防撞性能的问题。

2、本发明通过采用原板厚试样并在其受拉面强制预制裂纹起始部位，结合外方内圆带倒角固支支撑工装与球面钝头撞击头实现弯曲加载，在低温下精准复现的真实船体冰撞应力场，首次使裂纹从最大拉应力区确定性起裂、解决了传统试验裂纹萌生随机离散的难题；同时构建能量吸收系数、裂纹扩展速率与断裂韧性指数构成的三维量化评价体系，将定性观察升级为的定量综合评价；并引入量化保温公式确保全截面等温穿透，克服了厚板心部冷不透导致数据失真的技术障碍，从而有效评价原板厚金属材料在极地低温环境下的防撞击断裂性能。

3、本发明的技术方案是这样实现的：

4、本发明一个目的是公开了一种原板厚低温环境下防撞击断裂性能的测试方法，包括：

5、提供原板厚的金属材料试样，所述试样的受拉面预制有裂纹起始部位；

6、将所述试样进行低温预处理后置于支撑工装上，所述支撑工装具有供撞击头通过的避让空间；

7、利用冲击加载设备以设定冲击能量对所述试样进行撞击加载，使所述撞击头穿过所述避让空间对所述试样施加冲击载荷；

8、根据所述试样在冲击加载后的状态及所述加载能量，评价其低温防撞击断裂性能。

9、可选的，所述裂纹起始部位的预制步骤：

10、在所述试样的受拉面焊接脆性焊道；

11、在所述脆性焊道上加工出预制裂纹。

12、可选的，所述低温预处理包括：将所述试样置于温控装置中降温至极地环境温度并保温，保温时间预定值计算，且总保温时间不少于10分钟。

13、可选的，所述评价其低温防撞击断裂性能，具体包括：

14、计算能量吸收系数，其中eabsorb为试样吸收的能量，eimpact为撞击头释放的总能量；

15、计算裂纹扩展速率，其中δl为裂纹扩展长度，δt为裂纹扩展时间；

16、计算断裂韧性指数，所述断裂韧性指数越高，表示该金属材料在低温环境下抵抗裂纹扩展和能量吸收能力越强，防撞击断裂性能越好。

17、可选的，所述冲击加载设备为落锤试验机，通过调节所述撞击头的提升高度实现不同冲击能量的加载。

18、本发明另一个目的是公开了一种原板厚金属材料低温环境下防撞击断裂性能的测试装置，包括：

19、支撑工装，用于放置原板厚的金属材料试样，所述支撑工装具有供撞击头通过的避让空间；

20、撞击头，设置于所述支撑工装的上方，用于穿过所述避让空间对放置于所述支撑工装上的试样施加冲击载荷；

21、冲击加载设备，与所述撞击头连接，用于驱动所述撞击头以设定冲击能量对所述试样进行加载；

22、温控装置，用于对所述试样进行低温预处理；

23、其中，所述试样的受拉面预制有裂纹起始部位，以使冲击加载时裂纹从所述裂纹起始部位起裂。

24、可选的，所述支撑工装采用超高强钢制造，结构为外方内圆，内圆孔边缘加工有倒角，所述内圆孔构成所述避让空间。

25、可选的，当试样厚度为12mm～24mm时，所述支撑工装的厚度≥80mm，边长为360mm，内圆孔直径为230mm，倒角半径为25mm；

26、当试样厚度为25mm～40mm时，所述支撑工装的厚度≥100mm，边长为510mm，内圆孔直径为305mm，倒角半径为50mm。

27、可选的，所述撞击头的撞击端面为弧形凸面。

28、可选的，所述温控装置为保温槽，所述冲击加载设备为落锤试验机，所述撞击头的另一端与所述落锤试验机的撞击组件相连。

29、相对于现有技术，本发明的一种原板厚低温环境下防撞击断裂性能的测试方法与装置具有以下优势：

30、1.本发明通过在原板厚试样受拉面预制裂纹起始部位，结合带避让空间的固支边界支撑工装实现弯曲加载，解决了现有减薄试样无法复现原板厚应力场、常规冲击试验无法模拟正面受压、背面受拉真实工况的技术难题，使裂纹从最大拉应力区确定性起裂，试验结果离散性显著降低，有效表征原板厚金属材料在极地低温环境下的抗浮冰撞击能力。

31、2.本发明通过在低温预处理中引入“1min/2mm厚度”的保温时间量化公式并设定总保温时间不少于10分钟的下限，解决了厚规格试样因全厚度未冷透导致心部韧性虚高、测得的断裂数据失真的技术难题，结合独立的低温槽501与传动装置实现自动送样，确保原板厚试样从表面到心部达到全截面等温穿透，温度控制偏差≤±2℃，使测试结果真实反映材料在极地低温环境下的实际服役性能。

32、3.本发明通过构建能量吸收系数eac、裂纹扩展速率cpr与断裂韧性指数ftki构成的三维量化评价体系，将传统的“裂纹是否贯穿”定性观察提升为“吸能-止裂耦合”的定量综合评价，解决了现有ftp/fte温度测定法仅判定韧脆转变温度、无法量化区分不同材料低温抗撞性能优劣的技术难题，为极地船用厚钢板的工程选材与设计提供了可量化、可对比的可靠判据。