CN101144785B - 一种基于高温断裂参数测试装置的高温断裂参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温断裂参数测试装置，包括加载机构，加载机构内部所设的高温加热炉，白炽光源，CCD摄像机，数据采集卡，以及电子计算机。本发明还公开了基于所述装置的高温断裂参数测试方法。本发明的高温断裂参数测试方法及其装置可以实现高温条件下的测量，精度高，可达微米级，能够实现断裂参量的长时测量和准确计算，从而为机械结构的安全设计与定量寿命评估提供基础数据。

Description

一种基于高温断裂参数测试装置的高温断裂参数测试方法

技术领域

本发明属于机械工程、材料、力学和实验技术的交叉领域，具体涉及一种基于高温断裂参数测试装置的高温断裂参数测试方法。

背景技术

先进断裂力学的发展，使得机械结构的可靠性和安全评定成为可能。实施高温环境下的结构防断设计和寿命评定，掌握高温蠕变裂纹的扩展规律是必要条件，离不开对高温裂变扩展的精确测量，因而进行金属高温蠕变裂纹扩展试验十分必要。

测量裂纹扩展的方法很多，如早期传统的采用显微镜目测裂纹长度的方法，申请号为89106103.7的中国发明专利所公开的自动测量表面裂纹扩展参数的方法，申请号为200610051602.5的中国发明专利申请公开的利用谐振加载原理的裂纹扩展测试方法等。但目前这些方法的使用局限于常温环境，还未见用于高温蠕变裂纹扩展测量的探讨，而且往往具有较大的局限。基于柔度理论的柔度法虽然能够用于较高温度的蠕变裂纹长度测量，然而其精度不很理想，且由于引伸计不易用于过高温度使得在高温裂纹测量中受到局限。

目前可用于高温裂变测试的方法主要有两种：第一种方法为电位法，主要是利用在试样两端施加恒定电流，通过测定裂纹面两端的电位差来间接获取裂纹扩展长度；这种方法的缺点是结果精确度受到仪器的限制，且影响因素较多，数据结果分散性大。第二种方法是引伸计方法，该方法用于金属蠕变开裂扩展速率测量，需要通过将引伸计伸至试样开口处加载线上下两端的凹槽，来获得试样的加载线位移，进而确定金属材料的裂纹扩展长度，精度较高，其缺点是对引伸计的要求较高，且价格昂贵，因而难以广泛使用。目前上述两种方法已纳入美国材料试验学会标准E1457-00。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种用于高温断裂参数测试的装置，该装置基于非接触光学

测量原理，能够较好地获取高温环境下金属材料的蠕变裂纹扩展长度和断裂参数。

本发明的另一个目的在于提供一种基于所述装置的高温断裂参数测试方法。

本发明的高温蠕变断裂参数测试装置包括：

加载机构，用于对试样进行加载，其内部设有高温加热炉，高温加热炉上设有开孔，并在开孔内安装耐高温玻璃；

白炽光源，用于透过耐高温玻璃照射试样以产生视频信号；

CCD(电荷耦合器件)摄像机，用于摄取高温环境下试样表面开口不同时刻的视频信号(图像)，并将视频信号传输至数据采集卡，CCD摄像机并带有三维移动三角支架，用于调整CCD摄像机的定位；

数据采集卡，将来自CCD摄像机的视频信号转换成数字信号并存储于计算机上；和

电子计算机，用于存储数字信号。

本发明的基于上述装置的高温断裂参数测试方法包括以下步骤：

A、将试样安装到加载机构上，打开加载机构的控制系统、高温加热炉以及温度控制系统，设定试验参数，启动高温加热炉；

B、打开白炽光源，让白光照射到试样表面，调整CCD摄像机的位置，使其能够捕捉透过耐高温玻璃反射回来的光线；

C、启动加载机构对试样进行加载，待稳定后，通过CCD摄像机定时采集试样表面的视频信号(图像)，并将信号传输至数据采集卡，再由数据采集卡将视频信号转换成数字信号，然后存储于计算机上；

D、根据采集得到的数字信号，计算不同时间t_i时裂纹嘴上下两端的距离δ_i，获取数据序列{t_i，δ_i|_{i＝1，2。3}}，运用相似三角形法得到裂纹扩展长度a_i与裂纹嘴上下两端的距离δ_i之间的几何关系；

E、试验结束后，在低温下将试样端口打开，实测裂纹扩展长度，与计算所得的裂纹扩展长度进行比较，以比例系数η对裂纹扩展长度a_i进行修正；

F、分别将裂纹嘴张开位移和蠕变裂纹扩展长度与其对应的时间进行拟合，得到裂纹嘴张开位移随时间变化的函数表达式δ_t＝δ(t)以及裂纹扩展长度随时间变化的函数表达式a_t＝f(t)，分别对其求导，得到裂纹嘴张开速率和蠕变裂纹扩展速率，修正裂纹嘴张开速率，由此得到高温断裂参数C^*(t)的函数表达式。

本发明的高温断裂参数测试方法及其装置可以实现高温条件下的测量，精度高，可达微米级，能够实现断裂参量的长时测量和准确计算，从而为机械结构的安全设计与定量寿命评估提供基础数据。

附图说明

图1为本发明的高温断裂参数测试装置的示意图。

图2为本发明的高温断裂参数测试方法的操作流程图。

图3为相似三角形法求裂纹扩展长度的示意图。

图4为高温加热炉的开孔示意图。

图5为图4沿A-A的局部剖视图。

图6为试样的实图。

图7为试样的结构简图。

图8为利用本发明的高温断裂参数测试方法获得的裂纹扩展长度一时间曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，以具体实施例对本发明的高温断裂参数测试装置及方法作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

如图1所示为本发明的高温断裂参数测试装置的示意图，该装置包括：

加载机构1，用于对试样9进行加载，其内部设有高温加热炉2，高温加热炉2上设有开孔16，并在开孔16内安装耐高温玻璃3；

白炽光源8，用于透过耐高温玻璃3照射试样以产生视频信号(图像)；

CCD摄像机4，用于摄取高温环境下试样表面开口不同时刻的视频信号(图像)，并将视频信号传输至数据采集卡5，CCD摄像机4并带有三维移动三角支架7，用于调整CCD摄像机4的定位；

数据采集卡5，将来自CCD摄像机4的视频信号转换成数字信号并存储于计算机6上；和

电子计算机6，用于存储数字信号。

其中，所述加载机构1及高温加热炉2可基于常规商业蠕变试验机。

如图4和5所示，所述高温加热炉2的开孔16外侧设有挡圈15，通过固定件13(例如六角螺栓)与高温加热炉2连接固定；且在耐高温玻璃3与挡圈15之间采用耐高温石棉14密封，以保证炉内温度的稳定。

耐高温玻璃3上镀一层抗反射膜，以减少光线反射。

白炽光源8采用长寿命LEG(半导体发光二极管)光源，以增强试样表面的反射光强度。

本实施例中，选用的材料为316L不锈钢，原材料为锻制钢板，920℃+2h空冷处理后再进行735℃+3h空冷的回火热处理；所选用的焊接材料为焊丝TIG-R40，Ф2.5mm；焊条R407，Ф(3.2～4.0)。焊后热处理为700℃+3h空冷。蠕变拉伸试样按照国家标准《金属拉伸蠕变试验方法》的要求制作，试样的尺寸为：蠕变测量长度100mm，标距内直径10mm，试样的实图及结构简图分别如图6和图7所示。

在温度为550℃、拉伸力为8KN的条件下，按照图2所示的步骤对紧凑拉伸(CT)试样进行高温蠕变裂纹扩展长度测量试验，具体如下：

第一步、将CT试样安装到加载机构1上，打开加载机构1的控制系统、高温加热炉2以及温度控制系统，设定试验参数，启动高温加热炉2。

第二步、打开白炽光源8，让白光照射到CT试样表面，通过调节三维三脚移动支架7来调整CCD摄像机4的位置，使CCD摄像机4的轴线与CT试样的法向垂直，以便更好地捕捉透过耐高温玻璃反射回来的光线。

第三步、启动加载机构1对CT试样进行加载，待稳定后，通过CCD摄像机4每隔一定时间采集CT试样表面的图像，并将信号传输至数据采集卡5，再由数据采集卡5将图像信号转换成数字信号，然后存储于计算机6上。

第四步、根据采集得到的数字信号，计算不同时间t_i时裂纹嘴上下两端的距离δ_i，获取数据序列{t_i，δ_i|_{i＝1，2。3}}，如以下表1所示：

表1

t<sub>i</sub>(hr)	0	3	8	12	15	20	23	27	30
										δ<sub>i</sub>(mm)	0	0.0267	0.0899	0.1838	0.2757	0.4013	0.4687	0.5830	0.6939
t<sub>i</sub>(hr)	33	37	41	44	47	48.5	50	51.5	53
										δ<sub>i</sub>(mm)	0.8082	0.9421	1.0827	1.2131	1.3642	1.6085	1.8911	2.4663	3.0228
t<sub>i</sub>(hr)	57	61	66	70	74	77.5	86.5	90	92
										δ<sub>i</sub>(mm)	3.2170	3.3395	3.4517	3.5052	3.5483	3.5636	3.5945	3.6103	3.6301
t<sub>i</sub>(hr)	95.5	102	110	112	116	119.5	122	126.5
										δ<sub>i</sub>(mm)	3.6481	3.6522	3.6531	3.6550	3.6839	3.7382	3.8295	4.0637

运用相似三角形法(如图3)得到裂纹扩展长度a_i与裂纹嘴上下两端的距离δ_i之间的几何关系如下：

$a_i=\frac{(a_0+0.25W)({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_0)}{{\mathrm{\δ}}_0}$

式中：a_i为t_i时刻的裂纹扩展长度；

a₀为初始裂纹长度；

δ_i为t_i时刻试样表面开口上下两端距离；

δ₀为刚施加载荷后试样表面开口上下两端距离；

W为CT试样宽度。

第五步、经过126.5小时的蠕变拉伸试验后，在低温下将CT试样断口打开，实测裂纹扩展长度，与计算所得的裂纹扩展长度进行比较，得到比例系数η为0.834，利用η对裂纹扩展长度a_i进行修正；

$a_i^{*}=\mathrm{\η}\frac{(a_0+0.25W)({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_0)}{{\mathrm{\δ}}_0}$

由此得到如图8所示的裂纹扩展长度随时间的曲线图。

第六步、分别将裂纹嘴张开位移和蠕变裂纹扩展长度与其对应的时间进行拟合，得到裂纹嘴张开位移随时间变化的函数表达式δ_t＝δ(t)以及裂纹扩展长度随时间变化的函数表达式a_t＝f(t)，分别对其求导，得到裂纹嘴张开速率

和蠕变裂纹扩展速率

，修正裂纹嘴张开速率：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_c=\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}-\frac{\stackrel{\·}{a}{B}_N}{P}\left[\frac{2K^2}{E^{\′}}\right]$

其中，P为施加载荷，B_N为有效截面厚度，E′为平面应力， $E^{\′}=\frac{E}{1-v^2},$ E为弹性模量，v为泊松比，K为应力强度因子， $K=\frac{P}{{\left({\mathrm{BB}}_N\right)}^{\frac{1}{2}}{W}^{\frac{1}{2}}}\frac{2+a/W}{{(1-a/W)}^{\frac{3}{2}}}f(a/W);$

在这里，f(a/W)＝0.866+4.64(a/W)一13.32(a/W)²+14.72(a/W)³-5.6(a/W)⁴，B为试样厚度。

则高温断裂参数C^*(t)的表达式为：

$C^{*}\left(t\right)=\frac{P{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_C}{B_N(W-a)}\frac{n}{n+1}(2+0.522\frac{W-a}{W})$

n为最小蠕变速率和施加应力的蠕变指数，可试验获取或从文献中得到。

Claims (2)

1.一种基于高温断裂参数测试装置的高温断裂参数测试方法，所述高温断裂参数测试装置包括：加载机构、白炽光源、CCD摄像机、数据采集卡和电子计算机，所述加载机构，用于对试样进行加载，其内部设有高温加热炉，高温加热炉上设有开孔，并在开孔内安装耐高温玻璃，其特征在于包括以下步骤：

A、将紧凑拉伸试样安装到加载机构上，打开加载机构的控制系统、高温加热炉以及温度控制系统，设定试验参数，启动高温加热炉；

B、打开白炽光源，让白光照射到试样表面，调整CCD摄像机的位置，使其能够捕捉透过耐高温玻璃反射回来的光线；

C、启动加载机构对试样进行加载，待稳定后，通过CCD摄像机定时采集试样表面的视频信号，并将信号传输至数据采集卡，再由数据采集卡将视频信号转换成数字信号，然后存储于计算机上；

D、根据采集得到的数字信号，计算不同时间t_i时裂纹嘴张开位移δ_i，获取数据序列{t_i，δ_i|_{i＝1，2。3}}，运用相似三角形法得到裂纹扩展长度a_i与裂纹嘴张开位移δ_i之间的几何关系；

E、试验结束后，在低温下将试样断口打开，实测裂纹扩展长度，与计算所得的裂纹扩展长度进行比较，以比例系数η对裂纹扩展长度a_i进行修正；

F、分别将裂纹嘴张开位移和裂纹扩展长度与其对应的时间进行拟合，得到裂纹嘴张开位移随时间变化的函数表达式δ_t＝δ(t)以及裂纹扩展长度随时间变化的函数表达式a_t＝f(t)，分别对其求导，得到裂纹嘴张开速率

和蠕变裂纹扩展速率

修正裂纹嘴张开速率： ${\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_c=\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}-\frac{\stackrel{\·}{a}{B}_N}{P}\left[\frac{2K^2}{E^{\′}}\right]$

其中，P为施加载荷；

B_N为有效截面厚度；

E′为平面应力， $E^{\′}=\frac{E}{1-v^2},$ E为弹性模量；

v为泊松比；

K为应力强度因子， $K=\frac{P}{{\left(B{B}_N\right)}^{\frac{1}{2}}{W}^{\frac{1}{2}}}\frac{2+a/W}{{(1-a/W)}^{\frac{3}{2}}}f(a/W);$

f(a/W)＝0.866+4.64(a/W)-13.32(a/W)²+14.72(a/W)³-5.6(a/W)⁴；

α代表裂纹长度，w代表被测试样的宽度，B为试样厚度；

由此得到高温断裂参数C^*(t)的函数表达式：

$C^{*}\left(t\right)=\frac{P{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_C}{B_N(W-a)}\frac{n}{n+1}(2+0.522\frac{W-a}{W})$

其中，α代表裂纹长度，w代表被测试样的宽度，n为最小蠕变速率和施加应力的蠕变指数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整CCD摄像机的位置是使CCD摄像机的轴线与紧凑拉伸试样的法向垂直。

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