CN102103063B - 金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法及其装置，方法将试样的一端固定于承力墙，另一端经上下夹板夹持后固定；试样的试验段由腐蚀环境试验盒夹持；根据同类金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子预估初始施加的应力场强度因子，预估值大于金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子；对金属薄板试样加载应力，测量薄板试样的裂纹长度，得到裂纹应力场强度因子，当裂纹应力场强度因子等于预估值时，停止加载应力；向腐蚀环境试验盒中充入腐蚀介质；间隔一定时间，测量预裂纹试样尖端裂纹长度；裂纹应力场强度因子达到稳定后，测量裂纹长度和加载应力，得到应力腐蚀裂纹扩展的门槛应力场强度因子。本发明操作方便，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验的装置以及试验方法，属于大气侵蚀、腐蚀或防腐测量中的电化学测量技术领域。
背景技术
在使用环境中，机械系统和部件通常会被施加一定的应力，因此应力腐蚀损伤是腐蚀损伤中较为常见的，材料的耐蚀性（腐蚀稳定性）是决定系统和部件工作寿命的重要参数之一。通过应力腐蚀试验可对应力腐蚀进行初步的研究：确定机理、如何选择适宜的材料、进一步发展耐应力腐蚀的新合金、探讨材料抗应力腐蚀的防护方法。金属预裂纹试样应力腐蚀试验是一种重要的研究材料应力腐蚀损伤的应力腐蚀试验方法之一。金属预裂纹试样应力腐蚀试验的国家标准（例如：GB 12445.3-90《高强度合金楔形张开加载（WOL）预裂纹试样应力腐蚀试验方法》）中对金属预裂纹试样的应力腐蚀试验作了相关规定。但其中尚有不足，它采用的预裂纹试样裂纹尖端必须满足平面应变状态，因此其规定预裂纹试样需具有较大的厚度，而实际中薄板试样应用也较为广泛，但是根据现有的WOL型试样即满足平面应变状态的预裂纹试样应力腐蚀试验方法对薄板进行预裂纹试样应力腐蚀试验缺乏针对性，会导致试验结果过于保守偏安全，缺乏工程应用价值。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法。
本发明的另一个目的在于提供一种金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验装置。
为了实现上述的发明目的，本发明是通过以下的技术方案实现的：
金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验装置，其特征在于包括：安装在承力墙上的固定挂钩、垂直于承力墙的底板、固定在底板上的挡板，挡板与承力墙平行设置，在挡板朝向固定挂钩的一侧水平安装上下夹板，在上下夹板上垂直开孔，螺栓穿过该孔压紧夹板将金属薄板试样一端固定，试样的另一端通过固定挂钩固定在承力墙上，在挡板上开孔，加载部件安装载荷测量装置后穿过该孔，且通过与上下夹板之间的内螺纹与上下夹板紧固，加载部件、上下夹板、试样、固定挂钩的中心轴重合。
前述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验装置，其特征在于所述的加载部件是加载螺钉。
金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于包括以下的步骤：
（1）、将金属薄板试样的一端通过固定挂钩固定于承力墙，另一端经上下夹板夹持后用螺栓固定；试样的试验段由腐蚀环境试验盒夹持；
（2）、根据同类金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子预估应力试验初始施加的应力场强度因子，使得预估的应力场强度因子大于金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子；
（3）、通过加载部件对金属薄板试样加载应力，应力的大小由载荷测量装置测出，测量薄板试样的裂纹长度，根据公式 
，算出裂纹应力场强度因子，当裂纹的应力场强度因子等于预估的应力场强度因子时，停止加载应力，式中
为形状函数、K I 为裂纹应力场强度因子、
为裂纹长度、
为加载应力；
（4）、向腐蚀环境试验盒中充入腐蚀介质；
（5）、间隔一定时间，测量预裂纹试样尖端裂纹长度；
（6）、裂纹应力场强度因子达到稳定后，测量裂纹长度
和加载应力
，代入公式
，得到应力腐蚀裂纹扩展的门槛应力场强度因子。
前述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于所述的腐蚀环境试验盒为可分离式结构，分离面设有密封材料，分离面的外围包裹防渗漏材料。
前述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于所述步骤（3）中间隔一定时间是2小时。
前述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于步骤（6）中根据夹板的应变变化判断裂纹应力场强度因子是否达到稳定，夹板的应变保持恒定时，裂纹应力场强度因子达到稳定。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
本发明解决了现有技术要求试样为厚板的问题，采用薄板做试样，节省材料，所需的外加载荷相对较小，因此其对试验机的要求较低，且试验所得数据更接近真实情况。
本发明提出了一种测量和计算裂纹应力场强度因子的方法，即通过测量加载螺钉的预紧力
和裂纹长度
，根据公式
计算尖端裂纹应力场强度因子K I ，解决了采用薄板试样进行预裂纹试样无法测量和计算裂纹应力场强度因子的问题，取代了现有WOL型试样通过千分表测量试样开口处张开位移来计算尖端裂纹应力场强度因子的方法，并且本方法可对裂纹的应力场强度因子进行实时测量。
本发明提出了一种判定尖端裂纹扩展是否达到稳定的方法，即通过测量试样拉伸方向的应变判断尖端裂纹扩展是否达到稳定，当试样拉伸方向的应变恒定时就判断尖端裂纹应力场强度因子达到稳定，相比较现有技术通过目测法对裂纹长度进行实时测量判断尖端裂纹扩展是否达到稳定状态，精度更高、操作更方便；可有效缩短试验时间，可在短时间内判定尖端裂纹扩展是否达到稳定。
附图说明
图1金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验装置结构示意图；
图2为图1沿中心轴的剖视图。
附图中主要标记的说明：1、底板；2、加载螺钉；3、挡板；4、夹板；5、螺栓；6、腐蚀环境试验盒；7、薄板试样；8、固定挂钩；9、承力墙。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法及装置做进一步说明：
图1是金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验装置结构示意图。图2为图1沿中心轴的剖视图。参照图1-2所示，金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验装置，其中，固定挂钩8安装在承力墙9上、上下夹板4水平地安装在挡板3朝向固定挂钩的一侧，在夹板上开三个呈三角形的孔，螺栓穿过该孔压紧夹板将试样固定，在挡板3上对应上下夹板中间的位置开孔，加载螺钉2的螺杆先套装压力传感器后穿过该孔、上下夹板之间的内螺纹与夹板紧固。加载螺钉2、上下夹板之间的螺纹（处于夹板的中轴线上，其中两个螺栓对称地分布在该轴线两侧）、试样、固定挂钩的轴线在同一条线上，挡板固定在底板1上。
金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，过程如下：
（1）、将薄板试样7的一端通过固定挂钩8固定于承力墙9，另一端经夹板4夹持后用螺栓5固定；试样7的试验段由腐蚀环境试验盒6夹持。
（2）、根据同类金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子预估试验初始施加的应力场强度因子，使得预估的应力场强度因子大于金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子；本发明实施例采用的试样为7B04铝合金，根据同类7系列铝合金的裂纹扩展门槛值25Mpam1/2预估7B04铝合金试验初始施加的应力场强度因子为30Mpam1/2。
（3）、拧紧加载螺钉2对试样加载，加载应力
的大小通过压力传感器测得，因为挡板、固定挂钩均固定，加载螺钉通过夹板对试样加载时试样受到朝向挡板方向的加载应力，试样所受的应力与加载螺钉加载的应力相等；通过读数显微镜测量薄板试样的裂纹长度，代入公式
计算裂纹应力场强度因子（K1），式中
形状函数，当裂纹应力场强度因子（KI）等于预估的应力场强度因子30Mpa时，停止加载。
（4）、向腐蚀环境试验盒6中充入浓度为3.5%的盐雾，腐蚀环境试验盒6为可分离式设计；试验时，腐蚀试验盒6分离面涂上硅胶，分离面外围包裹一层防渗漏胶带，防止盐雾泄露。
（5）、每隔2小时使用读数显微镜测量预裂纹试样裂纹长度
。
（6）、使用动态应变测量仪，通过在夹板上粘贴的应变片的应变变化判断尖端裂纹应力场强度因子是否达到稳定，当夹板的应变在24小时内保持恒定时就判断尖端裂纹应力场强度因子达到稳定，此时，测量预裂纹试样裂纹长度。为、加载应力
，此时的形状函数
，代入公式
得到应力腐蚀裂纹扩展的门槛应力场强度因子为
。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
Claims (4)
1.金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于包括以下的步骤：
（1）、将金属薄板试样的一端通过固定挂钩固定于承力墙，另一端经上下夹板夹持后用螺栓固定；试样的试验段由腐蚀环境试验盒夹持；所述的上下夹板水平安装在挡板朝向固定挂钩的一侧，在上下夹板上垂直开孔，螺栓穿过该孔压紧夹板将金属薄板试样一端固定；底板垂直于承力墙，挡板固定在底板上，挡板与承力墙平行设置；
（2）、根据同类金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子预估试验初始施加的应力场强度因子，使得预估的应力场强度因子大于金属材料裂纹扩展的门槛应力场强度因子；
（3）、在挡板上开孔，加载部件安装载荷测量装置后穿过该孔，且通过与上下夹板之间的内螺纹与上下夹板紧固，加载部件、上下夹板、试样、固定挂钩的中心轴重合；通过加载部件对金属薄板试样加载应力，应力的大小由载荷测量装置测出，测量薄板试样的裂纹长度，根据公式算出裂纹应力场强度因子，当裂纹的应力场强度因子等于预估的应力场强度因子时，停止加载应力，式中F为形状函数、KI为裂纹应力场强度因子、a为裂纹长度、σ为加载应力；
（4）、向腐蚀环境试验盒中充入腐蚀介质；
（5）、间隔一定时间，测量预裂纹试样裂纹长度；
（6）、裂纹应力场强度因子达到稳定后，测量裂纹长度a和加载应力σ，代入公式
得到应力腐蚀裂纹扩展的门槛应力场强度因子。
2.根据权利要求1所述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于所述的腐蚀环境试验盒为可分离式结构，分离面设有密封材料，分离面的外围包裹防渗漏材料；所述的加载部件是加载螺钉。
3.根据权利要求1所述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于所述步骤（5）中间隔一定时间是2小时。
4.根据权利要求1所述的金属薄板预裂纹试样应力腐蚀试验方法，其特征在于步骤（6）中根据夹板的应变变化判断裂纹应力场强度因子是否达到稳定，夹板的应变恒定时，裂纹应力场强度因子达到稳定。
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