CN104677259B - 一种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法，该方法使用勾线法和直流电位法对高温合金试样进行的裂纹长度测量，由于试样断口部分的裂纹前缘是一弧形，中间裂纹长度最长，试样表面的裂纹长度最短。将电位法测量得到的裂纹长度，分别与勾线法得到的平均裂纹长度、表面裂纹长度和内部裂纹长度进行比较，认为所使用的直流电位测量方法，与勾线法测量的平均裂纹长度最为一致，可以使用勾线法对裂纹长度进行标定。
Description
技术领域
本发明是一种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法,属于试验测试技术领域。
背景技术
金属结构材料在循环载荷下容易产生疲劳断裂问题。材料的抗疲劳裂纹扩展性能是飞机和发动机损伤容限设计中必须考虑的重要性能指标。高温合金具有较高的高温强度，良好的抗蠕变和抗疲劳性能，更具有较高的抗氧化和抗热腐蚀性能，是广泛应用于航空航天发动机、铁路力机车以及其他工业关键高温部件的材料。裂纹长度是裂纹扩展性能数据的基础，其测量的结果将会直接影响飞机和发动机损伤容限设计结果。
在疲劳裂纹扩展研究中，裂纹长度的测量是获得裂纹扩展性能数据的关键技术。目前在低温下观察裂纹长度是直接通过显微镜。而航空发动机材料主要的、大量的测试是在高温条件下进行的，在高温下，试样表面氧化、变黑，裂纹长度无法使用目测方法进行观察。试样表面氧化、变黑裂纹长度测量的目前在标准试验方法中(如美国标准ASTM E647－08，航空标准HB 7680－2000)，规定裂纹扩展的自动测试方法有直流电位法，并且在实际测试中得到了应用，该方法具有很好的稳定性。
发明内容
本发明是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法，其目的是提高在高温情况下使用直流电位法测量裂纹长度的精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案的设计思路是在使用直流电位法测量高温裂纹长度之前，对直流电位法测量系统进行标定，以提高测量系统的精度，然后再对测量试样进行测量。本发明技术方案的具体内容如下：
该种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、参照航标HB7680-2000的要求，加工1个紧凑拉伸标定试样(11)，在标定试样(11)的切口(1)两侧的试样宽度面(2)上各标记一个电流输入焊点位置(3)，该电流输入焊点位置(3)处于试样宽度W和试样厚度B的中心，在标定试样(11)的切口(1)的开口端两侧的试样厚度面(4)上各标记一个电压输出焊点位置(5)，该电压输出焊点位置(5)处于试样厚度B的中心及距离切口中心线(6)0.175倍试样宽度W位置上；
步骤二、用点焊的方式将导线(7)与上述焊点连接，将标定试样(11)电流输入焊点位置(3)上的两根连接导线与直流电源(8)连接，将标定试样(11)的电压输出焊点位置(5)上的两根导线(7)与信号放大器(9)连接，；
步骤三、将标定试样(11)随炉升温至试验温度，试验温度范围为600℃～900℃，保温至标定试样(11)热透，计算机(10)记录标定试样(11)的试验过程中的电压值；
步骤四、通过电压值换算出标定试样(11)上的裂纹长度，换算计算过程按公式(1)～(3)的顺序完成：
式中：
W为试样宽度；
a0为起始裂纹长度，该长度是标定试样(11)的中心加载线到切口(1)前端的距离；
a为裂纹长度，该长度是标定试样(11)的中心加载线到裂纹前端的距离；
Y为切口中心线(6)到其两侧的电压输出焊点位置(5)的距离，U为电压值；
每当标定试样(11)上的裂纹长度的扩展增量达到2～4mm时，对标定试样(11)施加一个大于试验载荷的试验力，该试验力为试验载荷力值的1.4倍～1.6倍，该试验力会在标定试样(11)的裂纹扩展面上留下一个痕迹(13)，该痕迹(13)呈弧形；
步骤五、当标定试样(11)断裂时，测量标定试样(11)的裂纹扩展面上的每一条痕迹(13)到起始裂纹端(12)的距离，在痕迹(13)上选取的测量位置点在标定试样(11)的厚度方向上依次为0、B/4、B/2、3B/4、B；
步骤六、将步骤五中每一条痕迹(13)的测量结果的平均值作为标定值，将该标定值与相应位置处的裂纹长度进行比较，将差值作为直流电位法测量高温裂纹长度的误差，通过调节信号放大器(9)的放大倍数，消除该误差。
本发明技术方案的特点是：在高温裂纹扩展试验之前，使用勾线法对直流电位法测量裂纹长度的结果进行标定，该技术措施可以保证直流电位法的测量精度，解决了600℃以上裂纹扩展长度测量精度的难题。而且具有操作方便、实用性强。之前600℃以下试验一般使用目测法对直流电位法的测量精度进行标定。
附图说明
图1为本发明技术方案中标定试样的形状及结构三视图，图1-1为主视图，图1-2为图1的右视图，图1-3为图1的俯视图
图2为直流电位法测量高温裂纹长度的测量原理图
图3为本发明技术方案中标定试样的裂纹扩展面上的痕迹的示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步地详述：
参见附图1～3所示，该种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、参照航标HB7680-2000的要求，加工1个紧凑拉伸标定试样11，该试样的材料牌号是GH4169G的镍基高温合金,所述试样宽度W为40mm，试样厚度B为10mm，在标定试样11的切口1两侧的试样宽度面2上各标记一个电流输入焊点位置3，该电流输入焊点位置3处于试样宽度W和试样厚度B的中心，即该电流输入焊点位置(3)距试样宽度面(2)的边缘分别为20mm、5mm,在标定试样11的切口1的开口端两侧的试样厚度面4上各标记一个电压输出焊点位置5，该电压输出焊点位置5处于试样厚度B的中心及距离切口中心线60.175倍试样宽度W位置上，即该电压输出焊点位置5距试样厚度面4的边缘分别为7mm、5mm；；
步骤二、用点焊的方式将导线7与上述焊点连接，将标定试样11电流输入焊点位置3上的两根连接导线与直流电源8连接，该直流电源8是电流调整范围为1A～30A的恒定电流源，将标定试样11的电压输出焊点位置5上的两根导线7与信号放大器9连接；
上述导线7与焊点采用点焊连接，点焊的方式与熔焊的方式相比，焊点位置更精确，焊接时不会产生高温，避免了对材料特性的影响，因为焊点位置是否准确对试验结果影响很大；
所述信号放大器9为双路信号放大器，用于放大标定试样11上的电压信号，并把该信号传递给送入计算机10，计算机10进行数据处理；
步骤三、将标定试样11随炉升温至试验温度，试验温度范围为700℃，保温至标定试样11热透，计算机10记录标定试样11的试验过程中的电压值；
步骤四、通过电压值换算出标定试样11上的裂纹长度，换算计算过程按公式(1)～(3)的顺序完成：
式中：
W为试样宽度；
a0为起始裂纹长度，该长度是标定试样11的中心加载线到切口1前端的距离；
a为裂纹长度，该长度是标定试样11的中心加载线到裂纹前端的距离；
Y为切口中心线6到其两侧的电压输出焊点位置5的距离；U为电压值；
每当标定试样11上的裂纹长度的扩展增量达到3mm时，所述裂纹长度的扩展增量分别是3mm、6mm、9mm、12mm和15mm，对标定试样11施加一个大于试验载荷的试验力，所述试验载荷为6kN，该试验力为试验载荷力值的1.5倍，所述过载试验力为9kN，，该试验力会在标定试样11的裂纹扩展面上留下一个痕迹13，所述痕迹为5条，该痕迹13呈弧形；
步骤五、当标定试样11断裂时，对标定试样11的裂纹扩展面上的每一条痕迹13到起始裂纹端12的距离，在痕迹13上选取的测量位置点在标定试样11的厚度方向上依次为0、B/4、B/2、3B/4、B；
步骤六、将步骤五中每5条痕迹13的测量结果的平均值作为标定值，所述5条痕迹13的测量结果的平均值为2.90mm、5.88mm、8.91mm、11.88mm和14.89mm，将该标定值与相应位置处的裂纹长度进行比较，将差值作为直流电位法测量高温裂纹长度的误差，所述5条痕迹的误差为0.1mm、0.12mm、0.11mm、0.12mm和0.11mm，通过调节信号放大器9的放大倍数，所述增大信号放大器9的放大倍增加了2倍，又重复了一次试验，测量了5条痕迹13的测量结果的平均值为3.01mm、5.99mm、9.02mm、12.01mm和15.02mm，将该标定值与相应位置处的裂纹长度进行比较，将差值作为直流电位法测量高温裂纹长度的误差，所述5条痕迹的误差为0.01mm、0.01mm、0.02mm、0.01mm和0.02mm，测量结果符合试验要求，数消除该误差。
Claims (1)
1.一种对直流电位法测量高温裂纹长度精度的标定方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、参照航标HB7680-2000的要求，加工1个紧凑拉伸标定试样(11)，在标定试样(11)的切口(1)两侧的试样宽度面(2)上各标记一个电流输入焊点位置(3)，该电流输入焊点位置(3)处于试样宽度W和试样厚度B的中心，在标定试样(11)的切口(1)的开口端两侧的试样厚度面(4)上各标记一个电压输出焊点位置(5)，该电压输出焊点位置(5)处于试样厚度B的中心及距离切口中心线(6)0.175倍试样宽度W位置上；
步骤二、用点焊的方式将导线(7)与上述焊点连接，将标定试样(11)电流输入焊点位置(3)上的两根连接导线与直流电源(8)连接，将标定试样(11)的电压输出焊点位置(5)上的两根导线(7)与信号放大器(9)连接；
步骤三、将标定试样(11)随炉升温至试验温度，试验温度范围为600℃～900℃，保温至标定试样(11)热透，计算机(10)记录标定试样(11)的试验过程中的电压值；
步骤四、通过电压值换算出标定试样(11)上的裂纹长度，换算计算过程按公式(1)～(3)的顺序完成：
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式中：
W为试样宽度；
a0为起始裂纹长度，该长度是标定试样(11)的中心加载线到切口(1)前端的距离；
a为裂纹长度，该长度是标定试样(11)的中心加载线到裂纹前端的距离；
Y为切口中心线(6)到其两侧的电压输出焊点位置(5)的距离，U为电压值；
每当标定试样(11)上的裂纹长度的扩展增量达到2～4mm时，对标定试样(11)施加一个大于试验载荷的试验力，该试验力为试验载荷力值的1.4倍～1.6倍，该试验力会在标定试样(11)的裂纹扩展面上留下一个痕迹(13)，该痕迹(13)呈弧形；
步骤五、当标定试样(11)断裂时，测量标定试样(11)的裂纹扩展面上的每一条痕迹(13)到起始裂纹端(12)的距离，在痕迹(13)上选取的测量位置点在标定试样(11)的厚度方向上依次为0、B/4、B/2、3B/4、B；
步骤六、将步骤五中每一条痕迹(13)的测量结果的平均值作为标定值，将该标定值与相应位置处的裂纹长度进行比较，将差值作为直流电位法测量高温裂纹长度的误差，通过调节信号放大器(9)的放大倍数，消除该误差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |