CN103698188A - 慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，包括步骤：一、紧凑拉伸试样预处理；二、采用慢拉升试验机进行慢应变速率拉伸试验，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图；三、对步骤二进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图；四、获取裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n；五、获得裂纹扩展速率。本发明能将裂纹扩展造成的加载力P和加载点位移ΔL的变化分离出来，能够实时预测Δa_i的变化，获得裂纹的扩展速率，且能有效减少环境影响带来的测试数据失真，提高数据精度。

Description

慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法

技术领域

本发明属于断裂力学技术领域，尤其是涉及一种慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法。

背景技术

裂纹萌生、扩展和断裂是影响重要机械结构寿命和安全服役的重要因素之一，涉及到航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等多个工程领域。实验测试结构材料裂纹扩展特性是本项研究的重要手段之一；

为了提高核电设备的耐腐蚀性，轻水核反应堆的结构材料大量选用奥氏体不锈钢和镍基合金。实践和研究表明，奥氏体不锈钢和镍基合金材料在高温高压水环境中会产生以应力腐蚀开裂(SCC)为代表的环境致裂(EAC)。为了保证核电设备的安全运行，实验测定核电结构材料在高温水环境中环境致裂裂纹扩展速率是该领域的一项重要工作；

紧凑拉伸(CT)试样是断裂力学的标准试样之一，也是高温高压水环境环境中测定核电结构材料环境致裂裂纹扩展速率的最常用试样，该实验是将一个CT试样放置在一个具有模拟核压力容器高温高压水环境的高压釜中，并施加一定的载荷，实时动态观测该材料环境致裂裂纹扩展速率，整个实验过程可持续数个月或数年之久，耗时、耗资均较大；

为了全面评价材料的性质与行为，除须知道裂纹的起始长度外，精确测定在缓慢或稳定增长的动过程中裂纹长度是十分必要的。通常，在实验室中用显微镜跟踪或照相的光学方法确定裂纹增长，有它的局限性，这就是记录到的裂纹很可能不代表试件内部的实际情形，因为它是在自由表面上观察到的。另一方面，在高温高压水环境中核电结构材料环境致裂实验中，试样置于高压釜中，并不外露，用光学仪器做观察则是不可能的，而且，材料的环境致裂裂纹扩展速率试验要持续较长的时间，直接观察与记录也是不现实的；

电位差法，包括交流电位差法（ACPD）和直流电位差法(DCPD)，是目前实时动态观测核电结构材料环境致裂裂纹扩展速率的最主要方法。其基本原理是一定值的电流通过含裂纹试样时，裂纹长度不同会造成电位分布的不同，通过微伏计的测量与换算，可以得到裂纹的扩展状况。但由于该方法是利用裂纹周围电位的微小变化来测定裂纹的扩展情况，影响因素较多，任何干扰都可能造成监测结果的误差；

慢应变速率拉伸（SSRT）为评价材料在特定介质中的应力腐蚀敏感性而设计的拉伸速率小于某一临界值的拉伸试验方法。它是以一个恒定不变的或相当缓慢的应变速率对置于腐蚀环境的试样施加应力，目的是为了得到试样的在特定环境下的应力腐蚀敏感性，它可作为高温高压水环境中测定核电结构材料环境致裂裂纹扩展速率的加速试验，把自然环境条件下长时间的裂纹扩展过程在较短时间内的实验环境条件下呈现出来。

综合分析显示，高温水环境下核电结构材料环境致裂的慢应变速率拉伸试验中实时动态观测裂纹扩展速率是一项及其重要而艰难的工作，为了有效地提高观测精度，必须对现有的测试方法进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其方法简单，实现方便，能够获得裂纹的扩展速率dΔa_i/dt_i，且能够有效地减少环境影响因素带来的测试数据失真，提高获取数据的精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、紧凑拉伸试样预处理：根据ASME标准选取一个用于慢应变速率拉伸试验的标准紧凑拉伸试样，并采用线切割和预制疲劳裂纹的方法在标准紧凑拉伸试样上设置用于初期引导裂纹扩展的预裂裂纹，所述预裂裂纹的长度为a；

步骤二、采用慢拉升试验机进行慢应变速率拉伸试验，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图，其具体过程为：

步骤201、在慢拉升试验机上设定慢应变速率拉伸试验的试验参数，包括加载点位移的变化速度S和试验总时间T；

步骤202、慢拉升试验机开始对标准紧凑拉伸试样进行加载，且在加载过程中，慢拉升试验机上的力传感器探头对加载力P进行实时检测并将所检测到的信号实时传输给与所述慢拉升试验机连接的计算机，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图并显示；同时，测量记录裂纹实时的扩展长度A；其中，ΔL=St且ΔL≦L，t为试验时间且t≦T，L为在试验总时间T内加载点位移总变化长度；

步骤三、对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图：在计算机上采用有限元分析软件对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并分析慢应变速率拉伸试验中裂纹扩展长度递增变化的过程中，加载力P与加载点位移ΔL的关系，且在裂纹扩展长度分别为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图并显示在同一幅图中；其中，Δa_n不大于步骤202中测量记录的裂纹实时的扩展长度A的最大值；

步骤四、获取裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n：在计算机上采用Origin软件将步骤202中绘制的加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图和步骤三中绘制的在裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图整合到同一幅图中，得到整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图，且在整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图中，提取出裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与n条加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线的交点Q_i的坐标数据，得到了裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的加载点位移ΔL₀、ΔL₁、ΔL₂、…、ΔL_n，由进而计算得到了裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n；其中，i的取值为0、1、2、…、n；

步骤五、获得裂纹扩展速率：在计算机上采用Origin软件，以试验时间t_i为横坐标，裂纹扩展长度Δa_i为纵坐标，绘制出步骤四中得到的实验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n和裂纹扩展长度Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n对应的各个点，并拟合得到裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线，裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i即为当时的裂纹扩展速率，其中，i的取值为0、1、2、…、n。

上述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤三中所述有限元分析软件为ABAQUS软件。

上述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤三中在计算机上采用有限元分析软件对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并分析慢应变速率拉伸试验中裂纹扩展长度递增变化的过程中，加载力P与加载点位移ΔL的关系的具体过程为：

步骤301、在ABAQUS软件中，建立带有长度为a的预裂裂纹的标准紧凑拉伸试样的三维模型；

步骤302、在步骤301中建立的标准紧凑拉伸试样的三维模型中，添加长度为Δa₁的裂纹；

步骤303、在ABAQUS软件中，建立慢拉升试验机对标准紧凑拉伸试样进行加载时所用的两个加载销的刚体模型；

步骤304、赋予标准紧凑拉伸试样的三维模型材料参数，所述材料参数包括材料的类型、材料的杨氏模量、材料的泊松比、材料的屈服强度、材料的硬化指数和材料的偏移指数；

步骤305、将标准紧凑拉伸试样和两个加载销生成装配体，并移动两个加载销的位置，使得两个加载销完全对称地装配在所述标准紧凑拉伸试样上，且使得两个加载销伸出到所述标准紧凑拉伸试样左右两侧的长度相等；

步骤306、创建第一分析步和第二分析步两个分析步，与ABAQUS软件自带的初始分析步构成三个分析步；其中，初始分析步用于建立两个加载销和标准紧凑拉伸试样之间的初始接触关系；第一分析步用于施加一个载荷使初始接触关系平稳建立，便于计算的收敛；第二分析步用于加载；

步骤307、在初始分析步中，设置两个加载销和标准紧凑拉伸试样之间的初始接触关系为硬接触关系，主接触表面选择为销的外表面，从接触表面选择为孔的内表面；并设置两个加载销除拉伸方向外的其余两个直线自由度和三个旋转自由度均为0，对两个加载销除拉伸方向外的直线自由度外所有的自由度进行约束；

步骤308、在第一分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加一个大小为0.02mm～0.08mm的位移；在第二分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加线性变化的大小为2mm～8mm位移载荷；

步骤309、对由标准紧凑拉伸试样和两个加载销生成的装配体进行网格划分，在裂纹尖端划分密致网格，其余位置划分稀疏网格，并将网格的单元类型选择为三维应力六面体一次单元；

步骤310、提交计算，ABAQUS软件按照步骤301～309设置的参数进行分析计算，模拟慢应变速率拉伸试验中的裂纹扩展过程；

步骤311、裂纹扩展过程中，进行数据提取，先提取加载销的加载点位移ΔL随时间变化的数据，再提取加载力P随时间变化的数据，得到了加载力P与加载点位移ΔL的关系。

上述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤三中裂纹扩展长度Δa_i=iΔx，其中，Δx为裂纹单次扩展长度，i的取值为0、1、2、…、n，n为整数。

上述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤五中在计算机上采用Origin软件，获得裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i的具体过程为：首先，打开分析analysis菜单，选用微积分calculus，并选其中的微分Derivative；然后，在微分Derivative菜单下方的文件列表中，找到Derivative文件，打开后查看微分结果，即得到了裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明方法简单，实现方便。

2、本发明针对单一采用电位差法，包括交流电位差法（ACPD）和直流电位差法（DCPD），实时动态观测核电结构材料环境致裂裂纹扩展速率可能会受到的干扰和精度不足等问题，利用弹塑性条件下，标准断裂力学试样加载点位移、加载力以及裂纹长度可以通过理论分析或有限元分析获得的特点，建立起的一种理论分析、数值分析与试验观察相融合的高温水环境下核电结构材料环境致裂的慢应变速率拉伸试验裂纹扩展速率中实时动态观测和分析方法，能够有效地减少环境影响因素带来的测试数据失真，提高获取数据的精度。

3、在慢应变速率试验中，加载点位移ΔL是一个基本的监测数据，如果能够获得裂纹增长长度Δa_i与加载点位移ΔL的关系，就能够知道在测试过程裂纹增长的情况；而在实际过程中两个原因会促使加载点位移增加，一是由试样弹塑性变形引起的加载点位移ΔL1，二是由裂纹扩展Δa_i引起的加载点位移ΔL2，即ΔL=ΔL1+ΔL2，本发明有效地区分出了试样弹塑性变形和裂纹增长长度Δa_i对加载点位移ΔL的影响，获得了加载点位移ΔL与裂纹扩展长度Δa_i之间的关系，最终获得了裂纹的扩展速率dΔa_i/dt_i，是应力腐蚀开裂慢应变速率拉伸试验物理实测方式的一致有效补充。

综上所述，本发明方法简单，实现方便，能够获得裂纹的扩展速率dΔa_i/dt_i，且能够有效地减少环境影响因素带来的测试数据失真，提高获取数据的精度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图。

图3为在裂纹扩展长度为Δa_i条件下的加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图。

图4为整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图。

图5为裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线图。

图6为裂纹扩展速率dΔa_i/dt_i与试验时间t_i之间的关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，包括以下步骤：

步骤一、紧凑拉伸试样预处理：根据ASME标准选取一个用于慢应变速率拉伸试验的标准紧凑拉伸试样，并采用线切割和预制疲劳裂纹的方法在标准紧凑拉伸试样上设置用于初期引导裂纹扩展的预裂裂纹，所述预裂裂纹的长度为a；

本实施例中，所述a的取值为10mm。

步骤二、采用慢拉升试验机进行慢应变速率拉伸试验，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图，其具体过程为：

步骤201、在慢拉升试验机上设定慢应变速率拉伸试验的试验参数，包括加载点位移的变化速度S和试验总时间T；

本实施例中，S的取值为0.005mm/h，T的取值为900h；

步骤202、慢拉升试验机开始对标准紧凑拉伸试样进行加载，且在加载过程中，慢拉升试验机上的力传感器探头对加载力P进行实时检测并将所检测到的信号实时传输给与所述慢拉升试验机连接的计算机，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图并显示；同时，测量记录裂纹实时的扩展长度A；其中，ΔL=St且ΔL≦L，t为试验时间且t≦T，L为在试验总时间T内加载点位移总变化长度；

本实施例中得到的加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图如图2所示。由于以上获得加载点位移ΔL和加载力P数据的过程中，裂纹扩展长度Δa_i是不断变化的，因此得到的是在裂纹动态扩展条件下的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系，还不能够区分得到加载点位移ΔL和影响因素加载力P、裂纹扩展长度Δa_i之间唯一确定的关系。

实质上，加载点位移ΔL是由两部分组成的，一是由试样弹塑性变形引起的加载点位移ΔL1，二是由裂纹扩展长度Δa_i时引起的加载点位移ΔL2即ΔL=ΔL1+ΔL2；利用弹塑性有限元分析方法，将裂纹扩展长度Δa_i作为限定的定值条件，分析计算在此条件限制下加载力P与加载点位移ΔL之间的关系，此时得到的关系是在裂纹扩展长度为Δa_i条件下的加载力P与加载点位移分量ΔL2的理论分析数据关系；

步骤三、对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图：在计算机上采用有限元分析软件对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并分析慢应变速率拉伸试验中裂纹扩展长度递增变化的过程中，加载力P与加载点位移ΔL的关系，且在裂纹扩展长度分别为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图并显示在同一幅图中；其中，Δa_n不大于步骤202中测量记录的裂纹实时的扩展长度A的最大值；

本实施例中，步骤三中裂纹扩展长度Δa_i=iΔx，i的取值为0、1、2、…、n，n为整数。其中，Δx为裂纹单次扩展长度，Δx的取值为0.375mm，n的取值为8，即在裂纹扩展长度分别为0mm、0.375mm、0.75mm、1.125mm、1.5mm、1.875mm、2.25mm、2.625mm、3mm时，裂纹长度分别为10mm、10.375mm、10.75mm、11.125mm、11.5mm、11.875mm、12.25mm、12.625mm、13mm时，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图并显示在同一幅图中；

本实施例中，步骤三中所述有限元分析软件为ABAQUS软件。步骤三中在计算机上采用有限元分析软件对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并分析慢应变速率拉伸试验中裂纹扩展长度递增变化的过程中，加载力P与加载点位移ΔL的关系的具体过程为：

步骤301、在ABAQUS软件中，建立带有长度为a的预裂裂纹的标准紧凑拉伸试样的三维模型；

步骤302、在步骤301中建立的标准紧凑拉伸试样的三维模型中，添加长度为Δa₁的裂纹；即添加长度为0.375mm的裂纹，使得裂纹总长度为10.375mm；

步骤303、在ABAQUS软件中，建立慢拉升试验机对标准紧凑拉伸试样进行加载时所用的两个加载销的刚体模型；

步骤304、赋予标准紧凑拉伸试样的三维模型材料参数，所述材料参数包括材料的类型、材料的杨氏模量、材料的泊松比、材料的屈服强度、材料的硬化指数和材料的偏移指数；本实施例中，材料的类型为镍基合金、材料的杨氏模量为210GPa、材料的泊松比为0.3、材料的屈服强度为436MPa、材料的硬化指数为6.495，材料的偏移指数为1；

步骤305、将标准紧凑拉伸试样和两个加载销生成装配体，并移动两个加载销的位置，使得两个加载销完全对称地装配在所述标准紧凑拉伸试样上，且使得两个加载销伸出到所述标准紧凑拉伸试样左右两侧的长度相等；

步骤306、创建第一分析步和第二分析步两个分析步，与ABAQUS软件自带的初始分析步构成三个分析步；其中，初始分析步用于建立两个加载销和标准紧凑拉伸试样之间的初始接触关系；第一分析步用于施加一个载荷使初始接触关系平稳建立，便于计算的收敛；第二分析步用于加载；

步骤307、在初始分析步中，设置两个加载销和标准紧凑拉伸试样之间的初始接触关系为硬接触关系，主接触表面选择为销的外表面，从接触表面选择为孔的内表面；并设置两个加载销除拉伸方向外的其余两个直线自由度和三个旋转自由度均为0，对两个加载销除拉伸方向外的直线自由度外所有的自由度进行约束；其中，硬接触关系的特点是：接触面能传递的接触压力大小不受限制，当接触压力变为零或负值时，两个面分离，不存在接触约束；

步骤308、在第一分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加一个大小为0.02mm～0.08mm的位移；在第二分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加线性变化的大小为2mm～8mm位移载荷；优选地，在第一分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加一个大小为0.05mm的位移；在第二分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加线性变化的大小为5mm位移载荷；其中，施加的线性变化的位移载荷的大小需要保证慢应变速率拉伸试验能够进行至少900h。

步骤309、对由标准紧凑拉伸试样和两个加载销生成的装配体进行网格划分，在裂纹尖端划分密致网格，其余位置划分稀疏网格，并将网格的单元类型选择为三维应力六面体一次单元；本实施例中，在裂纹尖端划分的密致网格，1立方米有10⁶个网格；其余位置划分的稀疏网格，1立方米有10³个网格；

步骤310、提交计算，ABAQUS软件按照步骤301～309设置的参数进行分析计算，模拟慢应变速率拉伸试验中的裂纹扩展过程；

步骤311、裂纹扩展过程中，进行数据提取，先提取加载销的加载点位移ΔL随时间变化的数据，再提取加载力P随时间变化的数据，得到了加载力P与加载点位移ΔL的关系。

本实施例中得到的加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图如图3所示，图3中，曲线L0、L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7和L8分别对应裂纹扩展长度分别为0mm、0.375mm、0.75mm、1.125mm、1.5mm、1.875mm、2.25mm、2.625mm、3mm时，即裂纹长度分别为10mm、10.375mm、10.75mm、11.125mm、11.5mm、11.875mm、12.25mm、12.625mm、13mm时，加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线。这里模拟得到的是静态裂纹条件的情况下，即限制了裂纹扩展过程中裂纹扩展长度的这一影响因素的情况下，得到的单一影响因素加载力P与加载点位移ΔL的影响关系，即确定出了在某一固定裂纹扩展长度条件下的加载力P和加载点位移ΔL的关系，这样可以消除裂纹扩展长度对于加载点位移ΔL的影响。

步骤四、获取裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n：在计算机上采用Origin软件将步骤202中绘制的加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图和步骤三中绘制的在裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图整合到同一幅图中，得到整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图，且在整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图中，提取出裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与n条加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线的交点Q_i的坐标数据，得到了裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的加载点位移ΔL₀、ΔL₁、ΔL₂、…、ΔL_n，由

进而计算得到了裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n；其中，i的取值为0、1、2、…、n；

本实施例中，为了合理区分数据类型，将步骤202中绘制的加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线设置为实线并加粗，将步骤三中绘制的加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线设置为虚线，得到的整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图如图4所示，图4中，加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度为0mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L0没有交点，即交点Q₀不存在；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₁为0.375mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L1的交点为Q₁，从Q₁的坐标可以得到，裂纹扩展长度Δa₁为0.375mm时，所对应的加载点位移ΔL为0.826mm；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₂为0.75mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L2的交点为Q₂，从Q₂的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₂为0.75mm时所对应的加载点位移；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₃为11.125mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L3的交点为Q₃，从Q₃的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₃为1.125mm时所对应的加载点位移；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₄为1.5mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L4的交点为Q₄，从Q₄的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₄为1.5mm时所对应的加载点位移；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₅为1.875mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L5的交点为Q₅，从Q₅的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₅为1.875mm时所对应的加载点位移；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₆为2.25mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L6的交点为Q₆，从Q₆的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₆为2.25mm时所对应的加载点位移；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₇为2.625mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L7的交点为Q₇，从Q₇的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₇为2.625mm时所对应的加载点位移；加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与裂纹扩展长度Δa₈为3mm时加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线L8的交点为Q₈，从Q₈的坐标可以得到裂纹扩展长度Δa₈为3mm时所对应的加载点位移；由于已知S=0.005mm/h，因此由公式

能够得到裂纹扩展长度Δa_i分别为0mm、0.375mm、0.75mm、1.125mm、1.5mm、1.875mm、2.25mm、2.625mm和3mm时，所对应的试验时间为t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈。

具体实施时，为了能够得到更准确的裂纹扩展长度Δa_i和试验时间t_i之间的关系，可以在步骤三中减小Δx的取值，即增大n。

步骤五、获得裂纹扩展速率：在计算机上采用Origin软件，以试验时间t_i为横坐标，裂纹扩展长度Δa_i为纵坐标，绘制出步骤四中得到的实验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n和裂纹扩展长度Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n对应的各个点，并拟合得到裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线，裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i即为当时的裂纹扩展速率，其中，i的取值为0、1、2、…、n。本实施例中，裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线图如图5所示。

本实施例中，步骤五中在计算机上采用Origin软件，获得裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i的具体过程为：首先，打开分析analysis菜单，选用微积分calculus，并选其中的微分Derivative；然后，在微分Derivative菜单下方的文件列表中，找到Derivative文件，打开后查看微分结果，即得到了裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i。本实施例中，得到的裂纹扩展速率dΔa_i/dt_i与试验时间t_i之间的关系曲线图如图6所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、紧凑拉伸试样预处理：根据ASME标准选取一个用于慢应变速率拉伸试验的标准紧凑拉伸试样，并采用线切割和预制疲劳裂纹的方法在标准紧凑拉伸试样上设置用于初期引导裂纹扩展的预裂裂纹，所述预裂裂纹的长度为a；

步骤二、采用慢拉升试验机进行慢应变速率拉伸试验，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图，其具体过程为：

步骤201、在慢拉升试验机上设定慢应变速率拉伸试验的试验参数，包括加载点位移的变化速度S和试验总时间T；

步骤202、慢拉升试验机开始对标准紧凑拉伸试样进行加载，且在加载过程中，慢拉升试验机上的力传感器探头对加载力P进行实时检测并将所检测到的信号实时传输给与所述慢拉升试验机连接的计算机，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图并显示；同时，测量记录裂纹实时的扩展长度A；其中，ΔL=St且ΔL≦L，t为试验时间且t≦T，L为在试验总时间T内加载点位移总变化长度；

步骤三、对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图：在计算机上采用有限元分析软件对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并分析慢应变速率拉伸试验中裂纹扩展长度递增变化的过程中，加载力P与加载点位移ΔL的关系，且在裂纹扩展长度分别为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所述计算机采用Origin软件，以加载点位移ΔL为横坐标，加载力P为纵坐标，绘制出加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图并显示在同一幅图中；其中，Δa_n不大于步骤202中测量记录的裂纹实时的扩展长度A的最大值；

步骤四、获取裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n：在计算机上采用Origin软件将步骤202中绘制的加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线图和步骤三中绘制的在裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线图整合到同一幅图中，得到整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图，且在整合后的加载力P与加载点位移ΔL之间的关系曲线图中，提取出裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，加载力P与加载点位移ΔL之间的实验数据关系曲线与n条加载力P与加载点位移ΔL之间的理论分析数据关系曲线的交点Q_i的坐标数据，得到了裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的加载点位移ΔL₀、ΔL₁、ΔL₂、…、ΔL_n，由

进而计算得到了裂纹扩展长度为Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n时，所对应的试验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n；其中，i的取值为0、1、2、…、n；

步骤五、获得裂纹扩展速率：在计算机上采用Origin软件，以试验时间t_i为横坐标，裂纹扩展长度Δa_i为纵坐标，绘制出步骤四中得到的实验时间t₀、t₁、t₂、…、t_n和裂纹扩展长度Δa₀、Δa₁、Δa₂、…、Δa_n对应的各个点，并拟合得到裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线，裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i即为当时的裂纹扩展速率，其中，i的取值为0、1、2、…、n。

2.按照权利要求1所述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤三中所述有限元分析软件为ABAQUS软件。

3.按照权利要求2所述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤三中在计算机上采用有限元分析软件对步骤二中进行的慢应变速率拉伸试验进行模拟，并分析慢应变速率拉伸试验中裂纹扩展长度递增变化的过程中，加载力P与加载点位移ΔL的关系的具体过程为：

步骤301、在ABAQUS软件中，建立带有长度为a的预裂裂纹的标准紧凑拉伸试样的三维模型；

步骤302、在步骤301中建立的标准紧凑拉伸试样的三维模型中，添加长度为Δa₁的裂纹；

步骤303、在ABAQUS软件中，建立慢拉升试验机对标准紧凑拉伸试样进行加载时所用的两个加载销的刚体模型；

步骤304、赋予标准紧凑拉伸试样的三维模型材料参数，所述材料参数包括材料的类型、材料的杨氏模量、材料的泊松比、材料的屈服强度、材料的硬化指数和材料的偏移指数；

步骤305、将标准紧凑拉伸试样和两个加载销生成装配体，并移动两个加载销的位置，使得两个加载销完全对称地装配在所述标准紧凑拉伸试样上，且使得两个加载销伸出到所述标准紧凑拉伸试样左右两侧的长度相等；

步骤306、创建第一分析步和第二分析步两个分析步，与ABAQUS软件自带的初始分析步构成三个分析步；其中，初始分析步用于建立两个加载销和标准紧凑拉伸试样之间的初始接触关系；第一分析步用于施加一个载荷使初始接触关系平稳建立，便于计算的收敛；第二分析步用于加载；

步骤307、在初始分析步中，设置两个加载销和标准紧凑拉伸试样之间的初始接触关系为硬接触关系，主接触表面选择为销的外表面，从接触表面选择为孔的内表面；并设置两个加载销除拉伸方向外的其余两个直线自由度和三个旋转自由度均为0，对两个加载销除拉伸方向外的直线自由度外所有的自由度进行约束；

步骤308、在第一分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加一个大小为0.02mm～0.08mm的位移；在第二分析步中，对两个加载销沿拉伸方向分别施加线性变化的大小为2mm～8mm位移载荷；

步骤309、对由标准紧凑拉伸试样和两个加载销生成的装配体进行网格划分，在裂纹尖端划分密致网格，其余位置划分稀疏网格，并将网格的单元类型选择为三维应力六面体一次单元；

步骤310、提交计算，ABAQUS软件按照步骤301～309设置的参数进行分析计算，模拟慢应变速率拉伸试验中的裂纹扩展过程；

步骤311、裂纹扩展过程中，进行数据提取，先提取加载销的加载点位移ΔL随时间变化的数据，再提取加载力P随时间变化的数据，得到了加载力P与加载点位移ΔL的关系。

4.按照权利要求1所述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤三中裂纹扩展长度Δa_i=iΔx，其中，Δx为裂纹单次扩展长度，i的取值为0、1、2、…、n，n为正整数。

5.按照权利要求1所述的慢应变速率拉伸应力腐蚀裂纹扩展速率测量方法，其特征在于：步骤五中在计算机上采用Origin软件，获得裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i的具体过程为：首先，打开分析analysis菜单，选用微积分calculus，并选其中的微分Derivative；然后，在微分Derivative菜单下方的文件列表中，找到Derivative文件，打开后查看微分结果，即得到了裂纹扩展长度Δa_i与试验时间t_i之间的关系曲线上任意一点的切线斜率k=dΔa_i/dt_i。

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