一种钎焊接头断裂韧性试样制备和计算方法
阅读说明：本技术 一种钎焊接头断裂韧性试样制备和计算方法 (Preparation and calculation method of brazed joint fracture toughness sample ) 是由 周帼彦 马寒阳 段鹏洋 王涛 贾云飞 涂善东 谈建平 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种钎焊接头断裂韧性试样制备和计算方法。通过在钎焊过程中涂抹阻钎剂制备试样,使初始裂纹尖端位于钎焊接头微区范围内。在计算断裂韧性方面,综合考虑纳米压痕尺寸效应,计算钎焊接头扩散影响区(断裂路径上)的弹性模量、屈服强度和硬化指数。采用加载线位移控制模式,通过多次加/卸载,根据卸载柔度法得到J-Δa阻力曲线。基于幂硬化弹塑性本构的钝化线方程确定断裂抗力J-(0.2BL)。本发明解决了常规的断裂韧性实验中,目前加工方式初始裂纹尺寸远大于钎焊接头,难以在钎焊接头处形成裂纹尖端,更难以获得可靠的抵抗裂纹扩展的性能参数。本发明解决了钎焊接头断裂韧性测量的实验和分析方法问题,对进一步研究钎焊接头断裂机理至关重要。(The invention provides a method for preparing and calculating a brazed joint fracture toughness test sample. The samples were prepared by applying a solder resist during the brazing process so that the initial crack tips were within the braze joint micro-zone. In the aspect of calculating the fracture toughness, the nanometer indentation size effect is comprehensively considered, and the elastic modulus, the yield strength and the hardening index of a diffusion influence area (on a fracture path) of the brazing joint are calculated. And a loading linear displacement control mode is adopted, and a J-delta a resistance curve is obtained through multiple times of loading/unloading according to an unloading flexibility method. Determination of fracture resistance J based on passivation line equation of power hardening elastoplasticity constitutive 0.2BL . The invention solves the problems that in the conventional fracture toughness experiment, the initial crack size of the current processing mode is far larger than that of a brazed joint, the crack tip is difficult to form at the brazed joint, and reliable crack propagation resistance is difficult to obtainA performance parameter. The invention solves the problems of experimental and analytical methods for measuring the fracture toughness of the soldered joint and is of great importance for further researching the fracture mechanism of the soldered joint.)
技术领域
本发明涉及断裂韧性测试技术领域，具体涉及钎焊接头断裂韧性的试样制备和计算方法。
背景技术
钎焊技术具有焊接变形小、尺寸精度高、焊接结构光滑等优点。因此，广泛应用于紧凑式构件的焊接过程。经过大量的实验研究表明，在高温高压等极端服役条件下构件极易在钎焊接头处发生失效。钎焊接头是整个构件中最薄弱的部分，其决定了构件长期运行的安全性和可靠性。在钎焊过程中，钎料润湿性能和钎焊工艺的局限性以及Kirkendall现象会产生微裂纹、孔洞等缺陷，这些缺陷是钎焊接头失效的主要诱导因素。在钎焊结构中，该类缺陷一旦发生，钎焊接头就会发生裂纹扩展直至构件断裂。因此，断裂韧性的测试方法对理解钎焊接头的断裂机理至关重要。
钎焊是一种热连接技术。在加热过程中，液态钎料在母材的间隙或表面上润湿和铺展，与母材发生溶解、扩散和凝固反应，将母材连接在一起。根据微观结构分布，可以将钎焊接头分为等温凝固区、非等温凝固区、扩散影响区和母材。其中，扩散影响区包含大量硼化物，这是钎料中硼元素扩散入母材，与母材中铬和钼等元素反应形成的。在拉伸、剪切和剥离等实验中均在扩散影响区发生失效。因此，扩散影响区是接头中最为薄弱的部位。此外，扩散反应只在母材数十微米以下的界面进行，一般不牵涉母材深层的结构，难以得到微区常温力学性能。在常规的断裂韧性实验中，线切割切口尺寸远大于钎焊接头，难以在钎焊接头处形成裂纹尖端，更难以获得可靠的抵抗裂纹扩展的性能参数。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术不足，提出一种钎焊接头断裂韧性的试样制备和计算方法，用于解决在钎焊结构中钎焊接头发生裂纹扩展直至构件断裂的问题以及难以得到微区常温力学性能，难以在钎焊接头处形成裂纹尖端，更难以获得可靠的抵抗裂纹扩展的性能参数的技术问题。
本申请还提供一种钎焊接头断裂韧性试样的制备方法，包括：
对齐并压紧样块步骤，准备两个上下相适配的上试样块和下试样块，所述上试样块和所述下试样块的对接面为相同形状和尺寸的矩形，该矩形一条边长度为32mm，在该边延伸方向上设有相邻设置的第一矩形区域和第二矩形区域，所述第一矩形区域和所述第二矩形区域的边界线与另一条边平行，所述第一矩形区域和所述第二矩形区域的面积比例范围为9：10 至1：1，在所述第一矩形区域内放置非晶态箔带钎料，在所述第二矩形区域内涂上阻钎剂，将所述上试样块和所述下试样块的对接面对齐，并压紧所述上试样块和所述下试样块；以及
真空钎焊炉加热步骤，所述上试样块和所述下试样块被压紧后放入真空钎焊炉中加热，制备形成钎焊接头断裂韧性试样。
进一步地，在所述非晶态箔带钎料的周围还涂覆粘合剂。
进一步地，制备形成的所述钎焊接头断裂韧性试样中具有初始裂纹，所述初始裂纹位于钎焊接头范围内。
进一步地，所述块体的母材为奥氏体不锈钢316L；所述非晶态箔带钎料的材质为镍基 BNi-2钎料。
进一步地，所述真空钎焊炉中加热的温度为1065℃，加热速率为10℃/min，在1065℃下保温时间为60min。
进一步地，所述真空钎焊炉中加热的过程为：(1)抽真空阶段，真空度小于0.008Pa；(2) 以10℃/min的加热速率加热至850℃；(3)在850℃下保温30min；(4)继续以10℃/min 加热至1065℃；(5)在1065℃下保温60min，以使所述非晶态箔带钎料充分扩散和反应；(6)所述真空钎焊炉冷却至室温。
本申请还提供一种钎焊接头断裂韧性试样的计算方法，其特征在于，包括：
制备钎焊接头断裂韧性试样步骤，采用权利要求1-6任一项所述的钎焊接头断裂韧性试样的制备方法制备形成钎焊接头断裂韧性试样；
钎焊接头紧凑拉伸试样加工步骤，将钎焊试样加工成紧凑拉伸试样，使钎缝和初始裂纹位于中间；试样厚度B＝12.7mm，宽度W＝25.4mm，初始裂纹长度与试样宽度W的比为0.5；使用高频疲劳试验机预制约1.72-8.08mm的疲劳裂纹，疲劳裂纹在等温凝固区扩展；
钎焊接头扩散影响区纳米压痕实验步骤，选择钎焊接头中扩散影响区为作用点；以5mN/s 加载速率加载至最大载荷30mN/60mN/90mN/120mN/150mN/180mN；保载10s以消除蠕变效应；以5mN/s卸载速率卸载至最大载荷的10％，以消除温度的影响；保载100S；完全卸载；
钎焊接头扩散影响区屈服强度和硬化指数计算步骤，计算钎焊接头扩散影响区屈服强度σy和硬化指数n；
单试样法钎焊接头阻力曲线实验步骤，实验在Instron 8801液压疲劳试验机进行，测试过程都采用加载线位移控制模式，加/卸载速率为0.5mm/min；通过多次的加/卸载，用卸载柔度法测定裂纹长度Δa和断裂抗力J积分，得到J-Δa阻力曲线；以及
计算断裂抗力J0.2BL步骤，根据屈服强度和硬化指数得到计算偏置钝化线以确定断裂抗力 J0.2BL。
进一步地，计算钎焊接头扩散影响区屈服强度σy和硬化指数n的方法包括：
(1)根据卸载过程中的载荷p-位移h曲线中卸载曲线拟合参数，拟合范围为卸载曲线上部20％处；
P＝α(h-hf)m (式1)
其中：α，hf和m是拟合参数；
(2)计算弹性接触刚度S和接触面积A，
其中，Pmax是最大载荷；hmax是最大压痕深度；ε是压头形状相关的常数，对于Berkovich 压头ε＝0.75；C是修订面积函数的常数，对于Berkovich压头，Ci值约为150nm；
(3)计算弹性模量E和折合模量Er，
其中，β是压头几何形状相关的常数，对于Berkovich压头，β＝1.034；E和v是试样材料的弹性模量和泊松比；Ei和vi是压头材料的弹性模量和泊松比，金刚石取值为1140GPa和0.07；
(4)根据不同压痕载荷下的硬度值计算得到与压痕深度无关的硬度值H和屈服强度σy，
H0＝4.15σy (式8)
(5)计算出塑性应变εp为0.033时的应力σ0.033，
其中，C值是加载阶段P＝Ch2拟合得到的加载曲率；
(6)计算硬化指数n，
进一步地，根据卸载柔度法得到J-Δa阻力曲线。
进一步地，所述计算断裂抗力J0.2BL步骤具体包括：
对J-Δa阻力曲线的有效性进行判断；
通过屈服强度和硬化指数得到钝化线方程式：
Dn＝0.787+1.554n-2.45n2+16.952n3-38.206n4+33.13n5 (式13)
根据0.2mm偏置钝化线和J-Δa阻力曲线交点，得到断裂抗力J0.2BL。
本发明的有益效果在于，提供了一种钎焊接头断裂韧性试样制备和计算方法，通过在钎焊过程中涂抹阻钎剂制备试样，使初始裂纹尖端位于钎焊接头微区范围内。在计算断裂韧性方面，综合考虑纳米压痕尺寸效应，计算钎焊接头扩散影响区(断裂路径上)的弹性模量、屈服强度和硬化指数。采用加载线位移控制模式，通过多次加/卸载，根据卸载柔度法得到J-Δa 阻力曲线。基于幂硬化弹塑性本构的钝化线方程确定断裂抗力J0.2BL。本发明解决了常规的断裂韧性实验中，目前加工方式初始裂纹尺寸远大于钎焊接头，难以在钎焊接头处形成裂纹尖端，更难以获得可靠的抵抗裂纹扩展的性能参数。本发明解决了钎焊接头断裂韧性测量的实验和分析方法问题，对进一步研究钎焊接头断裂机理至关重要。
附图说明
图1为本申请钎焊接头断裂韧性试样制备方法的流程示意图；
图2为本申请钎焊接头断裂韧性试样计算方法的流程示意图；
图3为本申请钎焊试样制备示意图；
图4为本申请钎焊试样横截面光学显微镜图；
图5为本申请钎焊接头紧凑拉伸试样尺寸图；
图6为本申请纳米压痕载荷-深度曲线；
图7为本申请钎焊接头断裂韧性断裂路径；
图8为本申请钎焊接头J-R阻力曲线；
图9为本申请钎焊接头断裂韧性实验的整体原理图。
图中：1.下试样块；2.钎料；3.阻钎剂；4.上试样块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步阐述：
本发明提出一种适用于钎焊接头微小钎缝断裂韧性试样制备,以及阻力曲线和断裂抗力 J0.2BL值的计算方法，其中图1、图2分别示出了本发明的钎焊接头断裂韧性试样制备和计算方法的流程示意图。
其中，如图1所示，钎焊接头断裂韧性试样的制备方法，采用阻钎剂预制初始裂纹再加工的方式，可以同时制备q个断裂韧性试样，其具体包括S11-S12。
S11、对齐并压紧样块步骤，结合图3，准备两个上下相适配的上试样块4和下试样块1，所述上试样块4和所述下试样块1的对接面为相同形状和尺寸的矩形，该矩形具有长边和短边，所述短边的长度为32mm，在沿所述短边延伸方向上设有相邻设置的第一矩形区域(参考图3中标号2对应的区域)和第二矩形区域(参考图3中标号3对应的区域)，所述第一矩形区域和所述第二矩形区域的边界线与所述长边平行，所述第一矩形区域和所述第二矩形区域在沿所述短边位置的长度比例范围为9：10至1：1，在所述第一矩形区域内放置非晶态箔带钎料2(下文中简称为钎料)，在所述第二矩形区域内涂上阻钎剂3，将所述上试样块4和所述下试样块1的对接面对齐，这样可将所述第一矩形区域内的所述非晶态箔带钎料2和所述第二矩形区域内的所述阻钎剂3分别相邻对齐，并压紧所述上试样块4和所述下试样块1；在所述非晶态箔带钎料2的周围还涂覆粘合剂。所述块体的母材为奥氏体不锈钢316L；所述非晶态箔带钎料的材质为镍基BNi-2钎料。
参照附图3，准备两块50mm*16mm*32mm的块体，在块体32mm*50mm表面一侧涂上16.3mm*32mm尺寸的阻钎剂(Nicrobraz Stop-Off Materials)，在表面的尺寸放置15.7mm*50mm BNi-2非晶态箔带钎料，将两个块体上下对好放入真空钎焊炉中加热。在图3中，1表示下试样块，2表示钎料，3表示阻钎剂，4表示上试样块。块体的32mm*50mm表面即为对接面，呈矩形，矩形的长边为50mm，矩形的短边为32mm。可理解的是16mm为块体的厚度。矩形的短边优选为32mm，这样可保证焊接质量，矩形的长边以及块体的厚度的尺寸可根据实际需求设置。所述第一矩形区域和所述第二矩形区域在沿所述短边位置的长度比例范围为9：10至1：1，本实施例优选为15.7：16.3。
步骤S11具体过程为：准备两块横截面为16mm*32mm的块体，厚度为q倍单个断裂韧性试样厚度。此外，为了减少钎料润湿性和填缝性能导致的未焊透，厚度方向还需要增加5mm。因此，总体厚度D(mm)＝q*12.7+5。在块体表面(32mm*D)一侧放置尺寸为15.7mm* 厚度D的BNi-2非晶态箔带钎料，为了防止钎料的滑动，在钎料的周围增加粘合剂加以固定。在另一侧涂上16.3mm*D尺寸的阻钎剂(Nicrobraz Stop-Off Materials)。将两个块体中阻钎剂和钎料分别对齐，压紧后放入真空钎焊炉中加热。
S12、真空钎焊炉加热步骤，所述上试样块4和所述下试样块1被压紧后放入真空钎焊炉中加热，制备形成钎焊接头断裂韧性试样。制备形成的所述钎焊接头断裂韧性试样中具有初始裂纹，所述初始裂纹位于钎焊接头范围内。所述真空钎焊炉中加热的温度为1065℃，加热速率为10℃/min，在1065℃下保温时间为60min。
真空钎焊炉加热工艺具体过程为：(1)抽真空阶段，真空度小于0.008Pa；(2)以10℃ /min的加热速率加热至850℃；(3)在850℃下保温30min，以保证炉内温度稳定；(4)继续以10℃/min加热至1065℃；(5)在1065℃下保温30min，使钎料充分扩散和反应；(6) 随炉冷却至室温。
其中，如图2所示，所述钎焊接头断裂韧性试样的计算方法，包括步骤S1-S6。
S1、制备钎焊接头断裂韧性试样步骤，采用前文所述的钎焊接头断裂韧性试样的制备方法制备形成钎焊接头断裂韧性试样，具体包括步骤S11-S12。
在钎焊试样中取钎焊接头部分进行微观观察，将试样打磨抛光，采用腐蚀液(10mlHNO3 -10ml C2H4O2-15ml HCl)腐蚀，在光学显微镜下进行观察。如附图4所示，钎焊接头处分为等温凝固区、扩散影响区和母材。此外，初始裂纹位于钎焊接头微区范围内。
S2、钎焊接头紧凑拉伸试样加工步骤，将钎焊试样加工成紧凑拉伸(CT)试样，使钎缝和初始裂纹位于中间，具体试样几何尺寸如附图5所示。试样厚度B＝12.7mm，宽度W＝25.4mm，初始裂纹长度与试样宽度的比a0/W约为0.5。高频疲劳试验机预制约1.72-8.08mm的疲劳裂纹，疲劳裂纹在等温凝固区扩展。
S3、钎焊接头扩散影响区纳米压痕实验步骤，纳米压痕法获取钎焊接头扩散影响区常规力学性能的具体步骤：(1)选择钎焊接头中扩散影响区为作用点；(2)以5mN/s加载速率加载至最大载荷30mN/60mN/90mN/120mN/150mN/180mN；(3)保载10s以消除蠕变效应；(4)以5mN/s卸载速率卸载至最大载荷的10％，以消除温度的影响；(5)保载100S；(6) 完全卸载。纳米压痕得到的载荷-位移曲线如附图6所示。
S4、钎焊接头扩散影响区屈服强度和硬化指数计算步骤，计算钎焊接头扩散影响区屈服强度σy和硬化指数n。
其中，计算钎焊接头扩散影响区屈服强度σy和硬化指数n的方法包括：
(1)根据卸载过程中的载荷p-位移h曲线中卸载曲线拟合参数，拟合范围为卸载曲线上部20％处；
P＝α(h-hf)m (式1)
其中：α，hf和m是拟合参数；
(2)计算弹性接触刚度S和接触面积A，
其中，Pmax是最大载荷；hmax是最大压痕深度；ε是压头形状相关的常数，对于Berkovich 压头ε＝0.75；C是修订面积函数的常数，对于Berkovich压头，Ci值约为150nm；
(3)计算弹性模量E和折合模量Er，
其中，β是压头几何形状相关的常数，对于Berkovich压头，β＝1.034；E和v是试样材料的弹性模量和泊松比；Ei和vi是压头材料的弹性模量和泊松比，金刚石取值为1140GPa和0.07；
(4)根据不同压痕载荷下的硬度值计算得到与压痕深度无关的硬度值H和屈服强度σy，
H0＝4.15σy(式8)
(5)计算出塑性应变εp为0.033时的应力σ0.033，
其中，C值是加载阶段P＝Ch2拟合得到的加载曲率；
(6)计算硬化指数n，
总之，在上述计算钎焊接头扩散影响区屈服强度σy和硬化指数n的方法中，所述步骤S4 包括：
H0＝4.15σy；
S5、单试样法钎焊接头阻力曲线实验步骤，实验在Instron 8801液压疲劳试验机进行，测试过程都采用加载线位移控制模式，加/卸载速率为0.5mm/min；通过多次的加/卸载，用卸载柔度法测定裂纹长度Δa和断裂抗力J积分，根据卸载柔度法得到J-Δa阻力曲线。
附图7表明断裂韧性断裂路径，其中疲劳预制裂纹在等温凝固区扩展，断裂韧性测试在扩散影响区断裂。
S6、计算断裂抗力J0.2BL步骤，根据屈服强度和硬化指数得到计算偏置钝化线以确定断裂抗力J0.2BL。
其中，所述计算断裂抗力J0.2BL步骤S6具体包括：
首先，对J-Δa阻力曲线的有效性进行判断；
然后，通过屈服强度和硬化指数得到钝化线方程式：
Dn＝0.787+1.554n-2.45n2+16.952n3-38.206n4+33.13n5 (式13)。
如附图8所示，根据0.2mm偏置钝化线和J-Δa阻力曲线交点，得到断裂抗力J0.2BL。
如附图9所示，为钎焊接头断裂韧性实验的整体原理图。本发明解决了钎焊接头断裂韧性测量的实验和分析方法问题，对进一步研究钎焊接头断裂机理至关重要；本发明采用阻钎剂制备试样，使初始裂纹尖端位于钎焊接头微区范围内；本发明采用纳米压痕测量钎焊接头扩散影响区的常温力学参数，包括弹性模量、屈服强度和硬化指数；本发明采用基于幂硬化弹塑性本构的钝化线方程，得到更为准确的断裂抗力J0.2BL。
本发明的有益效果在于，提供了一种钎焊接头断裂韧性试样制备和计算方法，通过在钎焊过程中涂抹阻钎剂制备试样，使初始裂纹尖端位于钎焊接头微区范围内。在计算断裂韧性方面，综合考虑纳米压痕尺寸效应，计算钎焊接头扩散影响区(断裂路径上)的弹性模量、屈服强度和硬化指数。采用加载线位移控制模式，通过多次加/卸载，根据卸载柔度法得到J-Δa 阻力曲线。基于幂硬化弹塑性本构的钝化线方程确定断裂抗力J0.2BL。本发明解决了常规的断裂韧性实验中，目前加工方式初始裂纹尺寸远大于钎焊接头，难以在钎焊接头处形成裂纹尖端，更难以获得可靠的抵抗裂纹扩展的性能参数。本发明解决了钎焊接头断裂韧性测量的实验和分析方法问题，对进一步研究钎焊接头断裂机理至关重要。
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