CN103217346B - 一种测量材料高温蠕变裂纹扩展门槛值的方法 - Google Patents
一种测量材料高温蠕变裂纹扩展门槛值的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种测量材料高温蠕变裂纹扩展门槛值的方法，步骤为：对某种具体材料按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工不少于6件的标准紧凑拉伸试件，将加工好的不少于6件的试件在疲劳性能试验机进行裂纹预制，预制后的裂纹长度为0.5倍试件宽度；将楔形块楔入试件初始切口之内，使楔形块的平直部分最前端处于加载线的位置，为加载线处提供位移，在试件裂纹尖端处形成以应力强度因子来表征的应力应变场，为蠕变裂纹扩展提供驱动力；具有不同初始应力强度因子的试件在高温环境下由于蠕变效应，在一定的时间后将发生扩展，相同时间间隔中裂纹扩展的长度将不相同；将不同的应力强度因子与所对应的裂纹扩展速率作图，利用外推方法求得该材料的蠕变裂纹扩展门槛值。本发明一次可进行多个试件的试验，使得试验成本和时间大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及的是材料一种断裂力学性能参数的测量方法，具体是指利用高温预应力蠕变裂纹扩展试验确定蠕变裂纹扩展门槛值的试验方法。
技术背景
蠕变裂纹扩展是一个非常复杂的力学行为，蠕变裂纹扩展曲线由裂纹长度a和时间t的关系来描述。对于低延性合金，裂纹扩展行为可以由裂纹扩展速率da/dt和应力强度因子KI来描述。通常蠕变裂纹扩展分为三个阶段：第一阶段，da/dt随KI值升高而快速增加，该阶段的起始点通常称为应力强度因子门槛值，记为Kth；第二阶段，da/dt随KI值升高而稳定增加；第三阶段，da/dt随KI值升高急剧增加，此时的KI接近断裂临界值。
国内外学者[1]张俊善著.材料的高温变形和断裂[M].科学出版社,北京.2007,336-337的研究结果表明，蠕变裂纹扩展存在一个门槛应力强度因子Kth，当实际应力强度因子低于这个数值时裂纹不扩展。关于蠕变裂纹扩展门槛值的确定，国内外学者给出了不同的方法。有的学者[2]孙坚,张源虎,胡赓样.两种组织的René高温合金的蠕变裂纹扩展行为[J].金属学报,1993,29(4)：A183-186，将裂纹扩展第一阶段的裂纹扩展规律向K1减少的方向外推，当外推扩展速率低于某一给定值（如10-6m/h）时所对应的应力强度因子为门槛值；有的学者[3-5]，[3]Floreen S.The creep fracture of wrought nickel-base alloys by a fracturemechanics approach[J].Metallurgical and MaterialsTransactions,1975,6A(9):1741-1749.[4]Sadanada K,Shahinian P.Creep crack growth in alloy719[J].Metallurgicaland Materials Transactions,1977,8A(3):439-449.[5]Scarlin R B.Creep and fatigue crack growth in overaged nickel-base alloys[J].Materials Science and Engineering,1977,30(1):55-64.
通过蠕变裂纹扩展试验，得到蠕变断裂时间和初始应力强度因子的关系，指出当初始应力强度因子低于某一临界值时断裂时间无限长，该临界值即为门槛应力强度因子Kth。
按照目前的方法，对测试材料蠕变裂纹扩展的困难之处表现在以下两个方面：（1）需要使用蠕变试验机或配置有高温炉的载荷试验机；（2）每次只能对一个试件进行试验。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种测量材料高温蠕变裂纹扩展门槛值的方法，只需要在高温炉中进行蠕变裂纹扩展试验，即确定给定温度下的蠕变裂纹扩展门槛值，不需要载荷试验机；且一次可进行多个试件的试验，使得试验时间大幅缩减，试验成本大幅降低。
本发明技术解决方案：一种测试材料蠕变疲劳裂纹扩展门槛值的方法，所述测试方法需要的试验设备包括材料疲劳性能试验机，电阻丝加热高温炉，工具显微镜，试验试件1、楔形块2，具体实现步骤如下：
第一步，加工试件
对某种具体材料按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工不少于6件的标准紧凑拉伸试件1，试件宽度为20mm，厚度为10mm。试件的初始切口的长度3为0.45倍试件宽度，即9mm，初始切口高度为2mm，应满足楔形块2楔入之后能在加载线位置产生一定位移；
第二步，预制裂纹
将加工好的不少于6件的试件1在疲劳性能试验机上进行裂纹预制，预制后的裂纹长度4为0.5倍试件宽度，即10mm；所述不少于6件的试件1具有相同长度预制裂纹；
第三步，装配试件
将楔形块楔入试件1初始切口之内，使楔形块2的平直部分最前端5处于加载线6的位置，为加载线提供位移，在试件裂纹尖端形成以应力强度因子来表征的应力应变场，为蠕变裂纹扩展提供驱动力；加入不同厚度的楔形块2，使得加载线6的位移不同，试件裂纹尖端具有不同的应力强度因子；
第四步，安装试件
将第三步装配好的试件以切口端朝上置于电阻丝加热高温炉中间部位，保证试件在高温环境下受热均匀；高温炉温度范围为300-1000℃；
第五步，升温及保温
采用电阻丝高温炉加热试件，使试件在60分钟内加热升温到指定温度（如650℃），然后保温30分钟后开始计时，此时试件的各个部位受热已均匀；保温过程中电阻丝高温炉温度波动不超过±2℃；
第六步，裂纹扩展
从计时开始保温20小时后将试件从电阻丝高温炉中取出，待试件温度冷却至室温后在工具显微镜下测量裂纹长度。测量完所有试件的裂纹长度后，如果裂纹扩展量不大于0.1mm，重复第四步、第五步及第六步的裂纹长度测量过程；如果测量到的裂纹扩展量大于0.1mm，则将保温时间间隔变为10小时后重复第四步、第五步及第六步的裂纹长度测量过程；
第七步，数据处理
在给定的高温环境下，由于蠕变效应，一定时间后具有不同应力强度因子的试件的裂纹将向前扩展不同的长度，裂纹扩展长度Δa与保温时间Δt的比值记为蠕变裂纹扩展速率da/dt，即da/dt=Δa/Δt，不同的试件具有不同的裂尖应力强度因子和裂纹扩展长度，因此具有不同的裂纹扩展速率；每件试件具有特定的应力强度因子和蠕变裂纹扩展速率，以应力强度因子为横坐标、裂纹扩展速率为纵坐标将试验数据点作图，得到应力强度因子和裂纹扩展速率的关系图；将关系图中的试验数据点按照数据外推的方法，得到裂纹扩展速率为1×10-6m/h时所对应的应力强度因子，此应力强度因子即为该材料在该特定温度下的蠕变裂纹扩展门槛值。
本发明与现有技术相比的优点在于：相对于传统的测定材料蠕变裂纹扩展门槛值的方法，本发明的创新之处在于给初始预制裂纹长度相同的一组（6件以上）试件通过在加载线处施加不同的位移来产生以应力强度因子表征的应力应变场，提供促进裂纹扩展的动力。当裂纹尖端的应力强度因子不同时裂纹的扩展速率也不同，通过试验数据的外推方法能计算出特定温度下蠕变裂纹扩展门槛值。由于传统的蠕变裂纹扩展试验都是在蠕变试验机或者配置高温炉的载荷试验机上进行，每次只能进行一个试验件的试验，因此要测得门槛值耗时长、成本高。本发明只需要在高温炉中进行，不需要载荷试验机；且一次可进行多个试件多个应力强度因子的试验，使得试验时间大幅缩减，试验成本大幅降低。
附图说明
图1为本发明实现流程图；
图2为已装配试验试件示意图；
图3为材料蠕变裂纹扩展门槛值确定示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具体实施步骤如下：
一、加工试件：针对所研究的具体材料，按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工一批（至少6件）标准紧凑拉伸（CT）试件，初始切口高度为2mm；初始切口长度为0.45倍试件宽度；在试件表面用先用300目粗砂纸、后用2000目细砂纸进行打磨，使得表面粗糙度和光洁度尽可能高，以便于观察裂纹扩展路径。加工一批（至少6件）不同厚度的楔形块，楔形块厚度从2.1mm开始，楔形块之间厚度差为0.05mm，楔形块宽度与试件宽度一致，楔形块平直段长度比加载线到试件左侧距离大2mm。
二、预制裂纹：针对如前所述加工好的试件，在疲劳试验机上预制长度相同的裂纹，预制裂纹长度为0.5倍试件宽度。由于试件较厚，预制的裂纹在前后表面上长度差应小于0.1倍试件厚度。
三、装配试件：针对如前所述具有相同初始裂纹长度的试件，在切口处楔入不同厚度的楔形块，以达到在加载线处施加不同加载位移的目的，使得裂纹尖端具有不同的以应力强度因子表征的应力应变场。加载线位移以及加载线到裂尖距离均通过工具显微镜测量，针对每个试件的实际加载线位置及位移，利用有限元软件Abaqus计算每个试件的裂尖应力强度因子。
四、安装试件：将第三步装配好的试件以切口端朝上置于电阻丝加热高温炉中间部位，保证试件在高温环境下受热均匀。
五、升温及保温：采用电阻丝高温炉加热试件，使试件在60分钟内加热升温到指定温度（如650℃），然后保温30分钟后开始计时，此时试件的各个部位受热已均匀。保温过程中高温炉温度波动不超过±2℃。
六、裂纹扩展：保温20小时后将试件从电阻丝高温炉中取出，采取空气冷却的方式，待试件温度冷却至室温后在工具显微镜下测量裂纹长度。测量完所有试件的裂纹长度后，如果测量到的裂纹扩展长度不大于0.1mm，重复步骤四、五及步骤六中的裂纹长度测量过程；当测量到的裂纹扩展长度大于0.1mm后，将保温时间间隔变为10小时，重复步骤四、五及步骤六的裂纹长度测量过程。
七、数据处理：在给定的高温环境下，由于蠕变效应，一定时间后具有不同应力强度因子的试件的裂纹将向前扩展不同的长度，裂纹扩展长度Δa与保温时间Δt的比值记为蠕变裂纹扩展速率da/dt，即da/dt=Δa/Δt。不同的试件具有不同的裂尖应力强度因子和裂纹扩展长度，因此具有不同的裂纹扩展速率。每件试件具有特定的应力强度因子和蠕变裂纹扩展速率，以应力强度因子为横坐标、裂纹扩展速率为纵坐标将试验数据点作图，可以得到应力强度因子和裂纹扩展速率的关系图；将图中的试验数据点按照数据外推的方法，得到裂纹扩展速率为1×10-6m/h时所对应的应力强度因子，此应力强度因子即为该材料在该特定温度下的蠕变裂纹扩展门槛值。试验结果处理方法见图3，图3中横坐标表示应力强度因子，单位为MPa·m1/2，其中的K7>K6>…>K1；纵坐标表示蠕变裂纹扩展速率，单位为m/h；图3中的Kth表示蠕变裂纹扩展应力强度因子门槛值。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (2)
1.一种测量材料高温蠕变裂纹扩展门槛值的方法，其特征在于实现步骤如下：
第一步，加工试件
对某种具体材料按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工不少于6件的标准紧凑拉伸试件(1)，试件宽度为20mm，厚度为10mm，试件的初始切口的长度(3)为0.45倍试件宽度，即9mm，初始切口高度为2mm，满足楔形块(2)楔入之后能在加载线(6)位置产生垂直裂纹面的一定的位移；
第二步，预制裂纹
将加工好的不少于6件的试件(1)在疲劳性能试验机上进行裂纹预制，预制后的裂纹长度(4)为0.5倍试件宽度，即10mm；所述不少于6件的试件(1)具有相同长度预制裂纹；
第三步，装配试件
将楔形块楔入试件(1)初始切口之内，使楔形块(2)的平直部分最前端(5)处于加载线(6)的位置，为加载线处提供位移，在试件裂纹尖端形成以应力强度因子来表征的应力应变场，为蠕变裂纹扩展提供驱动力；加入不同厚度的楔形块(2)，使得加载线(6)处的位移不同，试件裂纹尖端具有不同的应力强度因子；
第四步，安装试件
将第三步装配好的试件以切口端朝上置于电阻丝高温炉中间部位，保证试件在高温环境下受热均匀；高温炉温度范围为300-1000℃；
第五步，升温及保温
采用电阻丝高温炉加热试件，使试件在60分钟内加热升温到指定温度，然后保温30分钟后开始计时，此时试件的各个部位受热已均匀；保温过程中电阻丝高温炉温度波动不超过±2℃；
第六步，裂纹扩展
从计时开始保温20小时后将试件从电阻丝高温炉中取出，待试件温度冷却至室温后在工具显微镜下测量裂纹长度，测量完所有试件的裂纹长度后，如果裂纹扩展量不大于0.1mm，重复第四步、第五步及第六步的裂纹长度测量过程；如果测量到的裂纹扩展量大于0.1mm，则将保温时间间隔变为10小时后重复第四步、第五步及第六步的裂纹长度测量过程；
第七步，数据处理
在给定的高温环境下，由于蠕变效应，一定时间后具有不同应力强度因子的试件的裂纹将向前扩展不同的长度，裂纹扩展长度Δa与保温时间Δt的比值记为蠕变裂纹扩展速率da/dt，即da/dt＝Δa/Δt，不同的试件具有不同的裂尖应力强度因子和裂纹扩展长度，因此具有不同的裂纹扩展速率；每件试件具有特定的应力强度因子和蠕变裂纹扩展速率，以应力强度因子为横坐标、裂纹扩展速率为纵坐标将试验数据点作图，得到应力强度因子和裂纹扩展速率的关系图；将关系图中的试验数据点按照数据外推的方法，得到裂纹扩展速率为1×10-6m/h时所对应的应力强度因子，此应力强度因子即为该材料在该特定温度下的蠕变裂纹扩展门槛值；
所述第五步中，升温过程裂纹扩展区前后表面温度差不大于2℃；
所述第二步中，预制的裂纹在前后表面上长度差应小于0.1倍试件厚度。
2.根据权利要求1所述的测量材料高温蠕变裂纹扩展门槛值的方法，其特征在于：所述第三步中，加载线处位移以及加载线到试件裂纹尖端的距离均通过工具显微镜测量，针对每个试件的实际加载线(6)的位置及位移，利用有限元软件Abaqus计算每个试件的裂尖应力强度因子。
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