CN104792638B - 一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法，包括底座与腐蚀介质盛装容器；所述底座下表面设计有疲劳试验机装夹件，用于疲劳试验机下夹头装夹；底座上表面设计有试样锁定件，用于疲劳试样下端固定；疲劳试样上端通过疲劳实验机上夹头夹持。由此疲劳试验机加载的交变载荷可通过疲劳试验机装夹件传递给试样。所述腐蚀介质盛装容器为筒状结构，底端固定安装在底座中圆形台面上表面；底座中的试样锁定件位于腐蚀介质盛装容器内。根据设定的疲劳测试参数进行测试，直至疲劳试样的工作段断裂；过程中由显微镜进行拍摄记录裂纹的萌生‑扩展‑断裂过程。本发明的优点为：实现静置状态下，金属材料在腐蚀介质中腐蚀疲劳性能测试。

Description

一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法

技术领域

本发明属于船用金属结构件腐蚀疲劳裂纹损伤检测领域，具体来说，是一种适用于船用结构件在海洋环境中服役时发生腐蚀疲劳问题时测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法。

背景技术

船用金属结构件服役过程中，在全寿命周期内，都处于海水全浸的状态，一方面遭受海水腐蚀介质的侵蚀，一方面承受周期性的应力加载，发生腐蚀疲劳断裂失效。腐蚀疲劳是应力腐蚀的一种，腐蚀造成的金属缺陷可作为裂纹源进而发生裂纹扩展直至断裂失效。船用金属结构件在腐蚀环境下使用时的疲劳断裂问题已经成为研究重点，并相继开展了大量的试验和理论研究工作。研究试样在腐蚀环境下承受不间断的疲劳加载状况，关键问题是解决环境腐蚀装置，对于腐蚀试验装置的设计，中华人民共和国国家军用标准GJB1997-94中规定，环境箱及其辅助设备应采用抗腐蚀材料，不允许有介质的渗漏。关于腐蚀疲劳试样的形状与尺寸，也做了详细的规定。

试样的裂纹检测是研究腐蚀疲劳的重点，裂纹扩展速率与试样疲劳寿命直接相关，GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》中详细介绍了疲劳裂纹长度的各种测量方法，包括柔度法、电位法等以及裂纹扩展速率的测定方法，这些方法都是借助一定的物理基础，通过公式计算，间接获取疲劳裂纹长度的值，这就导致测量值与实际值之间在一定程度上存在误差。若能通过直接观测、量取疲劳裂纹长度值，则能更加真实的反应材料件的疲劳裂纹扩展情况。

发明内容

针对模拟船用结构件在海洋环境中服役时发生的腐蚀疲劳问题，本发明设计了一种腐蚀环境装置进行腐蚀疲劳试验，并采用长距离工作显微镜为辅助装置，测量试样疲劳裂纹的长度，并计算其裂纹扩展速率。

本发明一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，包括底座与腐蚀介质盛装容器。所述底座下表面设计有疲劳试验机装夹件，用于疲劳试验机下夹头的装夹；底座上表面设计又试样锁定件，用于疲劳试样下端的固定；疲劳试样的上端通过疲劳实验机上夹头夹持。所述腐蚀介质盛装容器为筒状结构，底端固定安装在底座中圆形台面上表面；底座中的试样锁定件位于腐蚀介质盛装容器内。

所述的一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置的测试方法，其特征在于：

步骤1：确定疲劳测试参数；

步骤2：去掉疲劳试样表面杂质；

步骤3：确保疲劳试样表面光滑；同时确保腐蚀介质盛装容器不发生渗漏。

步骤4：将底座的疲劳试验机装夹件由疲劳试验机下夹头夹紧锁定；

步骤5：将疲劳试样一端安装在底座的试样装夹件上，另一端通过疲劳实验机上夹头夹紧锁定；随后在腐蚀介质盛装容器内加入腐蚀介质，没过疲劳试样的工作段；

步骤6：架设显微镜，使显微镜镜头对准疲劳试样的工作段；

步骤7：在疲劳试验机中设置步骤1中确定的疲劳测试参数，开始测试；

步骤8：连续测试至预定的循环次数，暂停试验，显微镜拍照，继续测试；

步骤9：重复步骤8，直至疲劳试样的工作段断裂；

步骤10：根据显微镜所拍摄的照片记录裂纹的萌生-扩展-断裂过程，根据预定的循环次数N与裂纹的增长量Δa，可知疲劳试样裂纹萌生后，裂纹扩展速率da/dN的变化情况。

本发明的优点在于：

1、本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法，实现了静置状态下，金属材料在腐蚀介质中腐蚀疲劳性能的测量；

2、本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，设计有透明窗口，可方便观察试验全过程的状态；

3、在长工作距离显微镜的辅助下，本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法，在测试金属材料预制裂纹的扩展速率方面有极大的优势，例如中心裂纹腐蚀疲劳试验与边缘裂纹腐蚀疲劳试验；

4、本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中，底座采用一体化设计，可避免应力集中现象，延长装置的使用寿命；

5、本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中，金属片的设计可避免试验过程中疲劳试样发生滑动，同时也方便试样的取换。

附图说明

图1为本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置整体结构示意图；

图2为本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中底座结构示意图；

图3为本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中金属片安装方式示意图；

图4为本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中试样定位件运动限制示意图；

图5为本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中腐蚀介质盛装容器窗口设计位置示意图；

图中：

1-底座 2-试样定位件 3-腐蚀介质盛装容器

4-疲劳试样 5-窗口 101-圆形台面

102-疲劳试验机装夹件 103-试样锁定件 104-通孔

105-螺钉 106-金属片 107-凹槽

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，包括底座1、试样定位件2与腐蚀介质盛装容器3，如图1所示。

所述底座1通过对耐腐蚀的316L不锈钢圆柱体进行一体化加工成形，一体化加工可避免试验过程中由于应力集中出现渗漏故障。底座1具有圆形台面101、疲劳试验机装夹件102、试样锁定件103，如图2所示。

其中，疲劳试验机装夹件设置于圆形台面101下表面中心位置，用于疲劳试验机下夹头的装夹，且疲劳试验机装夹完毕后，圆形台面101须呈水平状态。试样锁定件103设置于圆形台面101上表面，为两个相互平行的装夹面，两个装夹面间的间隙用来插装试样的一端。两个装夹面相对称的位置开有通孔104，由此可在疲劳试样4一端开设与装夹面上通孔104直径相等的安装孔，将疲劳试样4***两个装夹面之间的间隙，使疲劳试样4上的安装孔与两个装夹面上的通孔104位置对称，随后通过外径与通孔直径相等的定位件2穿过两个装夹面间的通孔104后，实现疲劳试样4在底座1上定位。疲劳试样4的另一端通过疲劳实验机上夹头夹持，进而实现疲劳试样4的夹紧及锁定。通过上述结构，疲劳试验机加载的交变载荷可通过疲劳试验机装夹件102传递给试样。

为了确保疲劳试验机在加载过程中定位件2脱出装夹面上的通孔104，造成疲劳试样滑落，本发明在两个装夹面中任意一个装夹面的外侧面上，位于通孔104两侧位置，以通孔104中心对称开设有两个盲孔，每个盲孔中同轴固定安装螺钉105，如图3所示；同时，在一个螺钉105上套有金属片106，金属片106可绕螺钉轴线自由转动；金属片106在螺钉105轴向上得移动通过螺钉105的螺帽限制。所述金属片106上侧边处开设有贯通侧边的凹槽107，凹槽107的宽度与螺钉105得直径相等；令安装金属片106的螺钉105为螺钉A，另一螺钉105为螺钉B，则需保证转动金属片106可使螺钉B的螺杆与凹槽107配合，位于凹槽107内，同时，金属片106刚好将装夹面上的通孔104遮挡，如图4所示。由此，当疲劳试样4装夹完毕时，放下金属片106，即可限制试样定位件2的轴向运动，确保试验机在加载过程中出现疲劳试样4滑落的现象。

所述腐蚀介质盛装容器3为筒状结构，同样采用316L不锈钢。出于经济效益考虑，腐蚀介质盛装容器3在加工时由周向4块316L不锈钢板材焊接而成。腐蚀介质盛装容器3底端设置在底座1中圆形台面101上表面，周向与圆形台面101上表面间焊接固定。底座1中的试样锁定件103位于腐蚀介质盛装容器3内，进而使疲劳试样4也位于腐蚀介质盛装容器3内。腐蚀介质盛装容器3内用来盛装腐蚀介质，进而使本发明金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置实现海水介质中的腐蚀疲劳试验。本发明中为方便观测疲劳试样4工作段的裂纹扩展情况，在腐蚀介质盛装容器3侧面上，位于疲劳试样工作段位置还开有窗口5，窗口5采用透明有机玻璃覆盖并以玻璃胶密封，如图5所示。

针对上述用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，本发明还提出一种海水介质中的腐蚀疲劳测试方法，疲劳试样根据GJB1997-94制成矩形横截面试样，具体尺寸设计根据国军标和腐蚀环境装置确定，并测定腐蚀介质(海水)的盐度值，同时采用长距离工作显微镜为辅助装置具体步骤如下：

步骤1：确定疲劳测试参数，包括应力比、最大应力、加载频率、加载波形、循环次数等。

步骤2：使用丙酮/酒精清洗疲劳试样4，去掉表面油污油脂等杂质。

步骤3：检查疲劳试样4，确保疲劳试样4表面光滑；同时检查本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，确保腐蚀介质盛装容器3不发生渗漏。

步骤4：将底座1的疲劳试验机装夹件102由疲劳试验机下夹头夹紧锁定；

步骤5：将疲劳试样4一端安装在底座1的试样装夹件102上，另一端通过疲劳实验机上夹头夹紧锁定；随后在腐蚀介质盛装容器3内加入腐蚀介质，没过疲劳试样4的工作段；上述疲劳试样4若刚度较小，为避免疲劳试样4上的安装孔与试样定位件2间产生应力集中，使试样定位件2先于疲劳试样4的工作段发生断裂，因此在疲劳试样4上的开孔处嵌入钢套以缓冲应力，使钢套直接与试样定位件2接触，传递加载应力给疲劳试样4；同时，为避免腐蚀介质的蒸发和飞溅，因此通过两片橡胶垫将腐蚀介质盛装容器3顶端封闭。

步骤6：架设显微镜，使显微镜镜头朝向窗口5，对准疲劳试样4的工作段；

步骤7：在疲劳试验机中设置步骤1中确定的疲劳测试参数，开始测试；

步骤8：连续测试至预定的循环次数，暂停试验，显微镜拍照，继续测试；

步骤9：重复步骤8，直至疲劳试样4的工作段断裂。

步骤10：根据显微镜所拍摄的照片记录裂纹的萌生-扩展-断裂过程，根据预定的循环次数N与裂纹的增长量Δa，可知疲劳试样4裂纹萌生后，裂纹扩展速率da/dN的变化情况。

Claims (5)

1.一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，其特征在于：包括底座与腐蚀介质盛装容器；

所述底座下表面设计有疲劳试验机装夹件，用于疲劳试验机下夹头的装夹；底座上表面设计又试样锁定件，用于疲劳试样下端的固定；疲劳试样的上端通过疲劳试验 机上夹头夹持；所述腐蚀介质盛装容器为筒状结构，由周向设置的板材焊接而成，底端焊接固定安装在底座中圆形台面上表面；底座中的试样锁定件位于腐蚀介质盛装容器内；

所述试样锁定件为两个相互平行的装夹面，两个装夹面间的间隙用来插装试样的下端；两个装夹面相对称的位置开有通孔，通过定位件穿过两个装夹面间的通孔，以及疲劳试样下端开设的开孔后，实现疲劳试样下端在底座上定位；上述两个装夹面中任意一个装夹面的外侧面上，位于通孔两侧位置，安装螺钉；同时，在一个螺钉上套有金属片；金属片上侧边处开设有贯通侧边的凹槽；令安装金属片的螺钉为螺钉A，另一螺钉为螺钉B，则需保证转动金属片可使螺钉B的螺杆与凹槽配合，位于凹槽内，同时，金属片刚好将装夹面上的通孔遮挡。

2.如权利要求1所述一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，其特征在于：所述底座通过对耐腐蚀的316L不锈钢圆柱体进行一体化加工成形。

3.如权利要求1所述的一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置的测试方法，其特征在于：在疲劳试样上的开孔处嵌入钢套，使钢套直接与试样定位件接触，传递加载应力给疲劳试样。

4.如权利要求1所述一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置，其特征在于：所述腐蚀介质盛装容器侧面上，位于疲劳试样工作段位置还开有窗口，窗口采用透明有机玻璃覆盖并以玻璃胶密封。

5.针对权利要求1所述一种用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置的测试方法，其特征在于：

步骤1：确定疲劳测试参数；

步骤2：去掉疲劳试样表面杂质；

步骤3：确保疲劳试样表面光滑；同时确保腐蚀介质盛装容器不发生渗漏;

步骤4：将底座的疲劳试验机装夹件由疲劳试验机下夹头夹紧锁定；

步骤5：将疲劳试样一端安装在底座的试样装夹件上，另一端通过疲劳试验 机上夹头夹紧锁定；随后在腐蚀介质盛装容器内加入腐蚀介质，没过疲劳试样的工作段；

步骤6：架设显微镜，使显微镜镜头朝向窗口，对准疲劳试样的工作段；

步骤7：在疲劳试验机中设置步骤1中确定的疲劳测试参数，开始测试；

步骤8：连续测试至预定的循环次数，暂停试验，显微镜拍照，继续测试；

步骤9：重复步骤8，直至疲劳试样的工作段断裂；

步骤10：根据显微镜所拍摄的照片记录裂纹的萌生-扩展-断裂过程，根据预定的循环次数N与裂纹的增长量Δa，可知疲劳试样裂纹萌生后，裂纹扩展速率da/dN的变化情况。