CN103884603A - 蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法，该装置包括加载系统、控温系统和测量采集系统，测量采集系统包括载荷线位移量测系统和裂纹长度量测系统，试样的上下两端分别与上夹具和下夹具固定连接，高温炉与控温系统和测量采集系统连接，试样通过交流伺服电机及控制器进行加载；本发明还涉及相应的测试方法。本发明中的试验装置结构紧凑，操作方便；试验装置采用了绝缘夹头，绝缘头确保通入试样恒流电流稳定性；针对蠕变疲劳裂纹扩展试验的试样，进行了夹具的设计和加工，由于炉内温度较高，采用高温夹式引伸计将载荷线位移引出加热炉外测量；该测试方法操作简便，用电位法测量裂纹长度，可长时间无间断试验。

Description

蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法

技术领域

本发明属于测量设备技术领域，具体是指一种蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法。

背景技术

发电设备、石油化工和航空航天高温部件常在高温下承受周期性载荷，在运行过程中其材料或结构受到蠕变-疲劳交互作用。这些设备经常处于反复启动-停车和载荷波动的状态，长期服役情况下这些载荷不可避免导致疲劳裂纹产生，而且一定稳态温度下工作易导致蠕变裂纹萌生和扩展。即便是新近服役的设备，由于冶金和制造技术的限制，也不可能完全避免异物夹杂、道具划痕等缺陷。这些缺陷或裂纹在疲劳、蠕变交互作用下发生扩展，当达到临界状态时很快导致非稳态断裂而失效。故而，必须通过试验了解掌握材料在蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展行为。

目前国内外研究蠕变-疲劳裂纹扩展试验的试验装置及试验方法如下：林富生、孙康等人的发明实现了无缺陷试样的蠕变-疲劳试验，及长春机械科学研究院有限公司的持久蠕变疲劳试验机，均无法实现高温裂纹扩展测试。《316L钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究》中介绍了柔度法测量裂纹长度，但柔度法计算公式中设计到的变量较多，他们的误差将直接影响到柔度法的测量精度。《动力工程学报》2011年第六期介绍了离位直读法测量蠕变疲劳裂纹扩展速率，但是该方法不能持续的进行蠕变-疲劳裂纹扩展试验，需要中途停止试验，操作复杂。聂宏、汤剑飞等人提出了一种基于电位法的疲劳裂纹扩展速率测量方法，但是要进行蠕变-疲劳裂纹扩展试验需要不同的试验系统才能实现。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种结构紧凑、操作方便、可长时间无间断测试的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法。

为实现上述的目的，本发明的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法采用以下技术方案：

该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置，其主要特点是，包括加载系统、控温系统和测量采集系统，所述的测量采集系统包括载荷线位移量测系统和裂纹长度量测系统，所述的加载系统包括夹具、连杆装置、力传感器和绝缘头，所述的夹具包括上夹具和下夹具，试样的上下两端分别与所述的上夹具和所述的下夹具固定连接，所述的夹具的一端与所述的试样连接，所述的夹具的另一端与所述的连杆装置固定连接，所述的连杆装置与绝缘头固定连接，所述的绝缘头包括上绝缘头和下绝缘头，所述的下绝缘头的底部设置有力传感器，所述的试样位于高温炉内，所述的高温炉与所述的控温系统和测量采集系统连接，所述的试样通过交流伺服电机及控制器进行加载。

该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置中的装置还包括主机框架，所述的交流伺服电机及控制器与该主机框架固定连接，所述的主机框架包括上横梁、中横梁、底座和立柱，所述的交流伺服电机及控制器固定设置于所述的底座的上表面，两根所述的立柱的底端固定于所述的底座，所述的上横梁的两端分别与所述的立柱的上端固定连接，所述的中横梁的两端分别与所述的立柱的中间部位固定连接。

该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置中的每个所述的绝缘头均包括外套和螺钉，螺钉套设于所述的外套内，垫环与所述的外套的内壁固定连接，所述的螺钉通过所述的垫环固定连接于所述的外套，所述的螺钉和所述的垫环之间设置有垫片，且所述的垫片紧密抵靠所述的螺钉和所述的垫环，所述的上绝缘头的螺钉与所述的上横梁固定连接。

该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置中的载荷线位移量测系统包括载荷线位移采集装置、夹式引伸计和距离传感器，所述的夹式引伸计分别与所述的上夹具和所述的下夹具连接，所述的夹式引伸计与所述的距离传感器连接，该距离传感器连接于所述的载荷线位移采集装置，且所述的距离传感器设置于所述的高温炉的外部。

该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置中的裂纹长度量测系统包括电位采集仪和直流电源，所述的电位采集仪和所述的直流电源均通过导线与所述的试样连接。

该蠕变-疲劳的测试方法包括以下步骤：

（1）测量所述的试样的尺寸；

（2）所述的试样进行疲劳裂纹的预制；

（3）所述的试样与所述的裂纹长度量测系统进行连接；

（4）所述的试样与热电偶进行连接；

（5）所述的试样与所述的夹具进行固定连接；

（6）所述的试样与所述的载荷线位移量测系统进行连接；

（7）通过所述的高温炉对所述的试样进行加热；

（8）试样通过交流伺服电机及控制器进行加载。

所述的测量所述的试样的尺寸包括以下步骤：

（1-1）通过量具对所述的试样的韧带区域的三点处测量厚度，并计算厚度平均值；

（1-2）用量具在所述的试样的裂纹所在截面处测量宽度。

所述的试样与热电偶进行连接包括以下步骤：

（4-1）所述的热电偶固定于所述的试样的无裂纹轮廓区；

（4-2）将云母片设置于所述的热电偶和所述的试样之间。

所述的试样通过交流伺服电机及控制器进行加载包括以下步骤：

（8-1）所述的试样加载三角形波的试验力进行疲劳裂纹扩展测试；或者所述的试样加载梯形波的试验力进行蠕变-疲劳裂纹扩展测试。

采用了该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法，试验装置结构紧凑，操作方便；采用电位法测量裂纹长度，可长时间无间断试验；试验装置采用了绝缘夹头，绝缘头起到试样与加载系统绝缘的作用，确保通入试样恒流电流稳定性；针对蠕变疲劳裂纹扩展试验的CT试样，进行了夹具的设计和加工，由于炉内温度较高，采用高温夹式引伸计将载荷线位移引出加热炉外测量；该测试方法操作简便，可长时间进行试验。

附图说明

图1为本发明的试验装置的示意图。

图2为本发明的加载系统的示意图。

图3为本发明的绝缘头的示意图。

图4为本发明的夹具的示意图。

图5为本发明的载荷线位移量测系统。

图6为本发明的裂纹长度量测系统。

图7为高温疲劳裂纹扩展试验测到的电位与时间的关系图，表明本试验中的试验系统和试验方法可以较好的得到稳定的电位。

图8为疲劳裂纹扩展速率，表明本试验系统和试验方法可以较好的得到服从Paris公式的裂纹扩展速率。

图9为蠕变-疲劳（保载10min）裂纹扩展速率试验得到的载荷线位移与时间的关系图，表明本试验系统和试验方法可以较好的得到稳定的载荷线位移。

图10为蠕变-疲劳（保载10min）裂纹扩展速率试验得到的电位值与时间的关系图，表明本试验系统和试验方法可以较好的得到稳定的电位。

图11为蠕变-疲劳（保载10min）裂纹扩展速率，表明本试验系统和试验方法可以较好的得到稳定的裂纹扩展速率。

图12为疲劳裂纹扩展速率与蠕变疲劳裂纹扩展速率，该图为数据处理的过程，表明蠕变-疲劳裂纹扩展速率（位于上部的曲线）高于疲劳裂纹扩展速率。

图13为保载期间内的裂纹扩展速率，表明保载期间单位时间内裂纹扩展速率在双对数坐标下有较好的线性相关性。

具体实施方式

为了能更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置包括加载系统、控温系统12和测量采集系统4，测量采集系统4包括载荷线位移量测系统和裂纹长度量测系统，加载系统包括夹具13-1,、13-2、连杆装置7、力传感器2和绝缘头11-1、11-2，夹具包括上夹具13-1和下夹具13-2，试样的上下两端分别与上夹具13-1和下夹具13-2固定连接，上夹具13-1的一端与试样14连接，上夹具13-1的另一端与连杆装置7固定连接，位于上部的连杆装置7与上绝缘头11-1连接，位于下部的连杆装置与下绝缘头11-2连接，下绝缘头13-2的底部设置有力传感器2，试样14位于高温炉5内，高温炉5与控温系统12和测量采集系统4连接，试样通过交流伺服电机及控制器1进行加载。绝缘头11-1、11-2确保试样恒流电流稳定性。试样为CT试样（紧凑拉伸试样）。

该装置还包括主机框架6，交流伺服电机及控制器1与该主机框架6固定连接，主机框架6包括上横梁8、中横梁3、底座9和立柱10，交流伺服电机及控制器1固定设置于底座9的上表面，两根立柱10的底端固定于底座9，上横梁8的两端分别与立柱10的上端固定连接，中横梁3的两端分别与立柱10的中间部位固定连接。

每个绝缘头11-1、11-2均包括外套16和螺钉18，螺钉18套设于外套16内，垫环17与16外套的内壁固定连接，螺钉18通过垫环17固定连接于外套16，螺钉18和垫环17之间设置有垫片15，且垫片15紧密抵靠螺钉18和垫环17，上绝缘头11-1的螺钉18与上横梁8固定连接。

载荷线位移量测系统包括载荷线位移采集装置19、夹式引伸计20和距离传感器21，夹式引伸计20分别与上夹具13-1和下夹具13-2连接，夹式引伸计20与距离传感器21连接，该距离传感器21连接于载荷线位移采集装置19，由于炉内温度较高的原因，距离传感器21设置于高温炉5的外部。

裂纹长度量测系统包括电位采集仪23和直流电源24，电位采集仪23和直流电源24均通过导线22与试样14连接。当裂纹扩展时，垂直电流方向的横截面积变小，电阻变大，导致电位升高，电位采集仪23记录电位，并转换成裂纹长度。

该高温炉5为电阻炉，在空气介质大气压下加热试样，加热炉的均热带应不小于试样工作部分的1.5倍。加热装置应保证在整个试验过程中温度在均热带范围内稳定。温度波动及梯度应符合表1的规定。

表1 加热装置温度波动

该蠕变-疲劳的测试方法包括以下步骤：

（1）测量所述的试样的尺寸；

（1-1）通过精度不低于0.02mm的量具对所述的试样的韧带区域的三点处测量厚度B，并计算厚度平均值；

（1-2）用精度不低于0.02mm的量具在所述的试样的裂纹所在截面处测量宽度W。

（2）所述的试样进行疲劳裂纹的预制；在高频试验机上预制疲劳裂纹，长度为1.2mm，分两级力预制，每级力的下降率不得大于20%，最后一级力不得大于试验时的力值。

（3）所述的试样与所述的裂纹长度量测系统进行连接；在试样表面焊接导线，位置如图6所示，且输入电流的导线焊点的位置在0.5W位置，输出的导线的焊点位于距离裂纹面4mm处。

（4）所述的试样与热电偶进行连接；

（4-1）所述的热电偶固定于所述的试样的无裂纹轮廓区；裂纹平面上或距离裂纹平面2～5mm处，热电偶与试样紧密接触；

（4-2），若使用电位法通入电流时，为了防止电流对热电偶测温的影响，将云母片设置于所述的热电偶和所述的试样之间。

（5）所述的试样与夹具进行固定连接；通过插入销钉使得试样固定于夹具；

（6）所述的试样与所述的载荷线位移量测系统进行连接；

（7）通过所述的高温炉对所述的试样进行加热；

（8）试样通过交流伺服电机及控制器进行加载；

（8-1）所述的试样加载三角形波的试验力进行疲劳裂纹扩展测试，应力比为0.1；或者试样加载梯形波的试验力进行蠕变-疲劳裂纹扩展测试，应力比为0.1。升温时对试样施加预加载，大小为试验力值的10%，达到预期温度后保温两小时，在升温中对试样通恒流电流；施加载荷应避免冲击和惯性过载，逐渐施加载荷，监控位移。

试验过程中测量电位、载荷、加载位移、试验温度。试验结束后检验断口，若需要进行曲率修正，且裂纹前缘线条明显，则在预制裂纹和极限裂纹测量沿厚度方向（1/4）B、（1/2）B、（3/4）B三点处的裂纹长度，其平均值（平均裂纹长度）与电位法计算到的裂纹长度之差即为曲率修正量。在任何一个位置上，由断口测量的平均裂纹长度计算出的应力强度因子范围和由试验电位法测量的平均裂纹长度计算出的应力强度因子范围相差大于5%，则需要曲率修正。当需要曲率修正时，采用线性内插法修正中间各数据点。

试验后数据处理方法如下：

第一步，用Johnson公式将电位转化为裂纹长度：

$a=\frac{2W}{\mathrm{\π}}{\cos }^{-1}\frac{\cosh (\mathrm{\πy}/2W)}{\cosh \left\{(U/U_0){\cosh }^{-1}\right[\cosh (\mathrm{\πy}/2W)\cos ({\mathrm{\πa}}_0/2W)\left]\right\}};......\left(1\right)$

式中：a是裂纹长度；a₀是初始裂纹长度；U₀是所对应a₀时刻所测量的电位势；2_y是试样中心线上两侧点之间的距离；W是试样的宽度。

第二步，在试验中，只要测出任何时刻的U值，就可以用（3）式计算出裂纹长度a，裂纹的扩展量就是：

Δa＝a-a₀   ……（2）

第三步，将Δa与相应的循环数做比值即可得到裂纹扩展速率。

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=\frac{\mathrm{\Δa}}{\mathrm{\ΔN}}=\frac{a_{i+1}-a_i}{N_{i+1}\text{-}{N}_i}......\left(3\right)$

第四步，用平均裂纹计算ΔK。

第五步，将蠕变-疲劳裂纹扩展速率与疲劳裂纹扩展速率在同一ΔK下相减，再除以保载时间，即得到保载期间内的裂纹扩展速率(da/dt)avg，并与计算得到的(Ct)avg在双对数坐标中相关联。

1.1应力强度因子范围的计算:

△K按下列数学表达式计算:

对CT试样：

$\mathrm{\ΔK}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{B\sqrt{W}}\·\frac{(2+\mathrm{\α})}{{(1-\mathrm{\α})}^{3/2}}(0.886+4.64a-13.32{\mathrm{\α}}^2+14.72{\mathrm{\α}}^3-5.6{\mathrm{\α}}^4)......\left(4\right)$

式中:α=a/W，对于a/W大于或等于0.2，表达式有效。

1.2(Ct)avg的计算:

对于CT试样，(C_t)_avg的计算方法为：

${\left(C_t\right)}_{\mathrm{avg}}=\frac{{\mathrm{\ΔP\ΔV}}_c}{{\mathrm{BWt}}_h}\frac{F^{\′}}{F}......\left(5\right)$

其中ΔP为施加的载荷范围，ΔV_c为保载期间内的加载线位移的差值，t_h为保载时间，

的计算方法为：

$\frac{F^{\′}}{F}=[\left(\frac{1}{2+a/W}\right)+\left(\frac{3}{2(1-a/W)}\right)]+\left[\frac{(4.64-26.64(a/W)+44.16{(a/W)}^2-22.4{(a/W)}^3)}{0.886+4.64(a/W)-13.32{(a/W)}^2+14.72{(a/W)}^3-5.6{(a/W)}^4}\right]...\left(6\right)$

1.3ΔV_e的计算：

${\mathrm{\ΔV}}_e=\frac{t_h{\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\mathrm{avg}}}{P}B\left[\frac{{2\mathrm{\ΔK}}^2}{E^{\′}}\right]......\left(7\right)$

1.4蠕变疲劳裂纹扩展速率的表征

如果ΔVe≤0.5ΔV，那么这种材料为蠕变-延性材料；反之则为蠕变-脆性材料

对于蠕变-延性材料，采用Saxena和Gieseke提出的模型：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}={\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}\right)}_{\mathrm{cycle}}+{\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}\right)}_{\mathrm{time}}......\left(8\right)$

其中： ${(\mathrm{da}/\mathrm{dN})}_{\mathrm{cycle}}=C_0{\mathrm{\ΔK}}^{n_0},$ 表示循环相关的裂纹扩展速率； ${(\mathrm{da}/\mathrm{dN})}_{\mathrm{time}}=B{\left(C_t\right)}_{\mathrm{avg}}^n{t}_h,$ 表示保载时间内的平均裂纹扩展速率。

因此，保载时间内的裂纹扩展速率为

(da/dt)_avg＝[(da/dN)_total-(da/dN)_cycle]/t_h   ……（9）

将(da/dt)avg与计算得到的(C_t)_avg关联。

这样蠕变-延性材料的蠕变疲劳裂纹扩展速率即可表示为：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_0{\mathrm{\ΔK}}^{n_0}+B{{\left(C_t\right)}_{\mathrm{avg}}}^n{t}_h......\left(10\right)$

对于蠕变-脆性材料采用式(12)关联蠕变-疲劳裂纹扩展速率：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_0{\mathrm{\ΔK}}^{n_0}+{\mathrm{B\ΔK}}^{n_2}\sqrt{t_h}......\left(11\right)$

采用了该蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置及相应的测试方法，试验装置结构紧凑，操作方便；采用电位法测量裂纹长度，可长时间无间断试验；试验装置采用了绝缘夹头，绝缘头起到试样与加载系统绝缘的作用，确保通入试样恒流电流稳定性；针对蠕变疲劳裂纹扩展试验的CT试样，进行了夹具的设计和加工，由于炉内温度较高，采用高温夹式引伸计将载荷线位移引出加热炉外测量；该测试方法操作简便，可长时间进行试验。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置，其特征在于，包括加载系统、控温系统和测量采集系统，所述的测量采集系统包括载荷线位移量测系统和裂纹长度量测系统，所述的加载系统包括夹具、连杆装置、力传感器和绝缘头，所述的夹具包括上夹具和下夹具，试样的上下两端分别与所述的上夹具和所述的下夹具固定连接，所述的夹具的一端与所述的试样连接，所述的夹具的另一端与所述的连杆装置固定连接，所述的连杆装置与绝缘头固定连接，所述的绝缘头包括上绝缘头和下绝缘头，所述的下绝缘头的底部设置有力传感器，所述的试样位于高温炉内，所述的高温炉与所述的控温系统和测量采集系统连接，所述的试样通过交流伺服电机及控制器进行加载。

2.根据权利要求1所述的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述的装置还包括主机框架，所述的交流伺服电机及控制器与该主机框架固定连接，所述的主机框架包括上横梁、中横梁、底座和立柱，所述的交流伺服电机及控制器固定设置于所述的底座的上表面，两根所述的立柱的底端固定于所述的底座，所述的上横梁的两端分别与所述的立柱的上端固定连接，所述的中横梁的两端分别与所述的立柱的中间部位固定连接。

3.根据权利要求2所述的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置，其特征在于，每个所述的绝缘头均包括外套和螺钉，螺钉套设于所述的外套内，垫环与所述的外套的内壁固定连接，所述的螺钉通过所述的垫环固定连接于所述的外套，所述的螺钉和所述的垫环之间设置有垫片，且所述的垫片紧密抵靠所述的螺钉和所述的垫环，所述的上绝缘头的螺钉与所述的上横梁固定连接。

4.根据权利要求1所述的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述的载荷线位移量测系统包括载荷线位移采集装置、夹式引伸计和距离传感器，所述的夹式引伸计分别与所述的上夹具和所述的下夹具连接，所述的夹式引伸计与所述的距离传感器连接，该距离传感器连接于所述的载荷线位移采集装置，且所述的距离传感器设置于所述的高温炉的外部。

5.根据权利要求1所述的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述的裂纹长度量测系统包括电位采集仪和直流电源，所述的电位采集仪和所述的直流电源均通过导线与所述的试样连接。

6.一种通过权利要求1～5中任一项所述的蠕变-疲劳裂纹扩展试验装置的蠕变-疲劳的测试方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）测量所述的试样的尺寸；

（2）所述的试样进行疲劳裂纹的预制；

（3）所述的试样与所述的裂纹长度量测系统进行连接；

（4）所述的试样与热电偶进行连接；

（5）所述的试样与所述的夹具进行固定连接；

（6）所述的试样与所述的载荷线位移量测系统进行连接；

（7）通过所述的高温炉对所述的试样进行加热；

（8）试样通过交流伺服电机及控制器进行加载。

7.根据权利要求6所述的蠕变-疲劳的测试方法，其特征在于，所述的测量所述的试样的尺寸包括以下步骤：

（1-1）通过量具对所述的试样的韧带区域的三点处测量厚度，并计算厚度平均值；

（1-2）用量具在所述的试样的裂纹所在截面处测量宽度。

8.根据权利要求6所述的蠕变-疲劳的测试方法，其特征在于，所述的试样与热电偶进行连接包括以下步骤：

（4-1）所述的热电偶固定于所述的试样的无裂纹轮廓区；

（4-2）将云母片设置于所述的热电偶和所述的试样之间。

9.根据权利要求6所述的蠕变-疲劳的测试方法，其特征在于，所述的试样通过交流伺服电机及控制器进行加载包括以下步骤：

（8-1）所述的试样加载三角形波的试验力进行疲劳裂纹扩展测试；或者所述的试样加载梯形波的试验力进行蠕变-疲劳裂纹扩展测试。

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