CN105136596B - 具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，包括高压釜、自带恒位移载荷加载装置测试试样、定力矩扳手和直流电位降裂纹测深仪；自带恒位移载荷加载装置测试试样包括试样本体、裂纹张开位移载荷加载装置和绝缘橡胶垫，试样本体的顶部中间位置处设有梯形缺口，试样本体上部设有分别位于梯形缺口两侧的两个预制疲劳裂纹制备加载孔，试样本体中部设有疲劳裂纹预制缺口和预制疲劳裂纹；裂纹张开位移载荷加载装置包括膨胀套筒和螺栓，螺栓由一体成型的梯形螺栓头、光杆和螺杆三部分组成；本发明还公开了一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试方法。本发明实现方便且成本低，试验方便且效率高，实用性强，便于推广使用。

Description

具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统及方法

技术领域

本发明属于应力腐蚀开裂状态测定技术领域，具体涉及一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统及方法。

背景技术

随着社会发展对能源需求的日益增多，核电在能源需求中所占的比重越来越大，而核电安全是影响核电发展的重要原因之一。由于镍基合金和奥氏体不锈钢在高温高压水环境中具有非常好的力学性能和抗高温耐腐蚀性能，所以在核电站的关键结构中大量选用此类材料，而在核电站的高温高压水环境下，由于某些原因，特别是由于焊接接头的工艺特点，使核电站关键结构存在各种类型的裂纹缺陷，这些裂纹缺陷会在应力腐蚀环境的作用下产生开裂现象，这种应力腐蚀裂纹将随时间不断扩展，最终会导致核电站关键结构和设备断裂或损坏；因此奥氏体不锈钢和镍基合金材料在高温高压水环境下的应力腐蚀开裂问题是核电结构和设备长期安全服役的关键问题之一。

目前，国内在高温高压水环境下做应力腐蚀开裂速率测定的试验为一个比较新的方向，现有的一些类似技术，一般采用标准紧凑拉伸试样，尺寸较大，需要拉伸试验机进行拉伸加载，材料应力腐蚀开裂速率测试受到试验设备限制，试验设备复杂且费用昂贵，试验效率低，因此，需要开发一种简易的方便加载的小型紧凑拉伸试样及试验测试系统，用于测试裂尖应力腐蚀开裂状态，为裂尖应力腐蚀开裂状态测试试验的普及以及核电站关键结构剩余寿命评估提供新途径。

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，提供一种结构简单、实现方便且成本低、试验方便、试验效率高、实用性强的具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：包括高压釜和放置在高压釜中的自带恒位移载荷加载装置测试试样，以及用于给自带恒位移载荷加载装置测试试样施加初始载荷的定力矩扳手和用于测试自带恒位移载荷加载装置测试试样的裂纹深度的直流电位降裂纹测深仪；所述自带恒位移载荷加载装置测试试样包括长方体形状的试样本体和裂纹张开位移载荷加载装置，以及夹装在试样本体与裂纹张开位移载荷加载装置之间的绝缘橡胶垫；所述试样本体的顶部中间位置处设置有梯形缺口，所述试样本体上部设置有分别位于梯形缺口两侧的两个预制疲劳裂纹制备加载孔，所述试样本体中部设置有与梯形缺口下底中间位置处相连通且用于预制疲劳裂纹的疲劳裂纹预制缺口和位于疲劳裂纹预制缺口下部的预制疲劳裂纹；所述裂纹张开位移载荷加载装置包括膨胀套筒和螺栓，所述膨胀套筒的上部为位于梯形缺口上部的长方体连接块，所述长方体连接块上设置有U形连接孔，所述膨胀套筒的下部由呈八字设置的左连接板和右连接板组成，所述膨胀套筒的下部卡合连接在梯形缺口中，所述左连接板的底面和右连接板的底面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔的下切面在同一个平面上，所述绝缘橡胶垫的数量为两块，其中一块绝缘橡胶垫设置在左连接板的外壁与梯形缺口的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫设置在右连接板的外壁与梯形缺口的内壁之间，所述螺栓由一体成型的梯形螺栓头、光杆和螺杆三部分组成，所述梯形螺栓头卡合连接在膨胀套筒中，所述梯形螺栓头与光杆连接的一端端面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔的上切面在同一个平面上，所述光杆套装在U形连接孔中，所述光杆上套装有位于所述长方体连接块上部的垫片，所述螺杆上螺纹连接有螺母，所述螺杆上套装有位于垫片与螺母之间的弹簧垫圈。

上述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：所述试样本体的长度为31.25mm，所述试样本体的宽度为30mm，所述试样本体的厚度为12.5mm。

上述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：所述梯形缺口的上底的长度为9mm，所述梯形缺口的下底的长度为11.6mm，所述梯形缺口的高为12.175mm，所述梯形缺口、疲劳裂纹预制缺口和预制疲劳裂纹的总高度为16.75mm。

上述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔的半径均为3.125mm；两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔之间的中心距为19mm。

本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、试验效率高、实用性强的利用上述的测试系统进行裂尖应力腐蚀开裂状态测试的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、装配自带恒位移载荷加载装置测试试样，具体过程为：

步骤101、首先将所述螺栓的光杆对准U形连接孔插入到U形连接孔中，然后将所述螺栓的梯形螺栓头卡合连接在膨胀套筒中，使所述螺栓与膨胀套筒连接为一个整体；

步骤102、首先将绝缘橡胶垫装入梯形缺口中，然后将连接为一个整体的所述螺栓和膨胀套筒装入梯形缺口中，并使其中一块绝缘橡胶垫夹装在左连接板的外壁与梯形缺口的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫夹装在在右连接板的外壁与梯形缺口的内壁之间；

步骤103、将垫片和弹簧垫圈依次套装在所述螺栓上，并在所述螺栓的螺杆上螺纹连接螺母；

步骤二、根据实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁以及预先建立的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式，计算得到所需加载的初始拧紧力矩M，采用定力矩扳手在螺母上加载初始拧紧力矩M；

步骤三、在所述试样本体的顶部位于梯形缺口两侧焊接两个钎焊接头，并将两个钎焊接头分别连接到直流电位降裂纹测深仪的两个信号输入输出接线端上；

步骤四、将自带恒位移载荷加载装置测试试样放入高压釜，并设置高压釜的工作参数；所述工作参数包括高压釜内水的压力、温度和离子浓度；

步骤五、开启直流电位降裂纹测深仪，所述直流电位降裂纹测深仪对自带恒位移载荷加载装置测试试样的裂纹深度和裂纹扩展速率进行实时监测和记录。

上述的方法，其特征在于：步骤二中预先建立初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式的具体过程为：

步骤201、采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系；

步骤202、根据公式M＝4KPBDr/(Sinθ*Cosθ)，计算得到加载在试样本体的应力加载面上的不同值的压强P对应的不同的初始拧紧力矩M；其中，K为拧紧力系数且K＝0.2，B为试样本体的厚度且B＝12.5mm，D为所述螺栓的螺杆的直径且D＝6mm，r为预制疲劳裂纹制备加载孔的半径且r＝3.125mm，θ为梯形缺口的底角且θ＝83.8°；

步骤203、根据步骤201中得到的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系，以及步骤202中不同值的压强P与初始拧紧力矩M的对应关系，得到初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M的对应关系；

步骤204、在计算机上采用Origin软件，以初始裂纹裂尖应力强度因子K₁为横坐标，初始拧紧力矩M为纵坐标，绘制出步骤203中得到的各个初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M对应的点，并拟合得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线；

步骤205、首先，观察初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线的特点，确定拟合的函数关系式为一次函数；然后，采用最小二乘法对步骤204中得到的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线进行线性回归，得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式。

上述的方法，其特征在于：步骤201中采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系的具体过程为：

步骤2011、在Part模块中，建立试样本体的二维模型；

步骤2012、在Property模块中，输入试样本体的二维模型材料参数，所述材料参数包括材料类型、杨氏模量E和泊松比λ；

步骤2013、在Assembly模块中，装配试样本体的二维模型，并将试样本体的二维模型设置为独立部件；

步骤2014、在Step模块中，创建新分析步，所述新分析步与初始分析步构成两个分析步；

步骤2015、在Load模块中，创建载荷，在所述试样本体二维模型预制疲劳裂纹制备加载孔的两条水平切线位置处进行切割，得到应力加载面，并在该面加载压强P；

步骤2016、在Load模块中，创建约束，对预制疲劳裂纹的裂尖在试样本体二维模型底边上的投影点进行全约束；

步骤2017、在Mesh模块中，以预制疲劳裂纹的裂尖为圆心，分别以0.05mm、0.4mm和2mm为半径作三个同心圆，并沿所作的三个同心圆对试样本体的二维模型进行切割；

步骤2018、在Mesh模块进行网格划分，对试样本体的二维模型选用二次平面应变单元，全局布种种间距离0.5mm，在步骤2017中所作的三个同心圆上均布种64个，并在步骤2017中所作的三个同心圆半径上分别布种5个、35个、55个，在步骤2017中所作的半径为0.05mm圆和半径为2mm的圆中间区域内采用结构划法，在除外步骤2017中所作的半径为0.05mm圆和半径为2mm的圆中间区域外的区域采用自由划法进行网格划分；

步骤2019、在Interaction模块中，设置预制疲劳裂纹，并定义预制疲劳裂纹的长度a＝2mm，设置预制疲劳裂纹的扩展方向为法向扩展；

步骤20110、返回到Step模块中，在步骤2015中创建的新分析步中除默认输出量外，新建断裂参量输出量，采用最大切向应力准则，积分次数设置为10次，输出初始裂纹裂尖应力强度因子K₁；

步骤20111、在Job模块中，提交计算，在计算结果的Data文件中得到收敛有效的压强P对应的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的值；

步骤20112、重复步骤2015～步骤20111，施加不同值的压强P，得到所对应的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的值，得到不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统的结构简单，实现方便且成本低，使用操作简单。

2、本发明的自带恒位移载荷加载装置测试试样与0.5T-CT试样在应力腐蚀状态测试试验中裂尖区域具有相同的结构和应力腐蚀环境特征，因此本发明的测试结果可以和使用0.5T-CT试样的测试结果进行类比分析。

3、本发明的自带恒位移载荷加载装置测试试样自带裂纹张开位移载荷加载装置，在整个试验过程中不需要拉伸试验机等其他大型拉伸设备，而且本发明自带恒位移载荷加载装置测试试样的尺寸小，一个高压釜中一次可以进行多个试样的试验，大大节省了试验时间，提高了试验效率。

4、本发明通过特殊的裂纹张开位移载荷加载装置，将恒位移载荷变化为螺栓的预紧力，能够使裂尖应力腐蚀开裂状态的测试更加方便快捷。

5、本发明在已知实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的情况下，根据预先建立的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式，就能够直接计算得到所需加载的初始拧紧力矩M，并采用定力矩扳手进行加载，试验方便。

6、本发明的试样本体与裂纹张开位移载荷加载装置之间设置有绝缘橡胶垫，有效的杜绝了在使用直流电位降裂纹测深仪测试过程中，电流在裂纹张开位移载荷加载装置与测试样本体之间传导，有效地提高了测试结果的有效性和准确性。

7、本发明能够为应力腐蚀开裂状态测试试验的普及以及核电站关键结构剩余寿命评估提供新途径，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明实现方便且成本低，测试结果准确性高，试验方便，试验效率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

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为本发明裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统的结构示意图。

图2为本发明自带恒位移载荷加载装置测试试样的结构示意图。

图3为本发明膨胀套筒的结构示意图。

图4为K₁与M对应的点，以及M与K₁的关系曲线图。

附图标记说明:

1—高压釜；2—自带恒位移载荷加载装置测试试样； 2-1—试样本体；

2-2—梯形缺口； 2-3—预制疲劳裂纹制备加载孔；

2-4—疲劳裂纹预制缺口； 2-5—疲劳裂纹；

2-6—膨胀套筒； 2-61—长方体连接块； 2-62—U形连接孔；

2-63—左连接板；2-64—右连接板；2-71—梯形螺栓头；

2-72—光杆； 2-73—螺杆；2-8—垫片；

2-9—螺母；2-10—弹簧垫圈；2-11—接线柱；

2-12—绝缘橡胶垫；3—定力矩扳手；4—直流电位降裂纹测深仪。

具体实施方式

如图1所示，本发明的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，包括高压釜1和放置在高压釜1中的自带恒位移载荷加载装置测试试样2，以及用于给自带恒位移载荷加载装置测试试样2施加初始载荷的定力矩扳手3和用于测试自带恒位移载荷加载装置测试试样2的裂纹深度的直流电位降裂纹测深仪4；如图2所示，所述自带恒位移载荷加载装置测试试样2包括长方体形状的试样本体2-1和裂纹张开位移载荷加载装置，以及夹装在试样本体2-1与裂纹张开位移载荷加载装置之间的绝缘橡胶垫2-12；所述试样本体2-1的顶部中间位置处设置有梯形缺口2-2，所述试样本体2-1上部设置有分别位于梯形缺口2-2两侧的两个预制疲劳裂纹制备加载孔2-3，所述试样本体2-1中部设置有与梯形缺口2-2下底中间位置处相连通且用于预制疲劳裂纹2-5的疲劳裂纹预制缺口2-4和位于疲劳裂纹预制缺口2-4下部的预制疲劳裂纹2-5；所述裂纹张开位移载荷加载装置包括膨胀套筒2-6和螺栓，结合图3，所述膨胀套筒2-6的上部为位于梯形缺口2-2上部的长方体连接块2-61，所述长方体连接块2-61上设置有U形连接孔2-62，所述膨胀套筒2-6的下部由呈八字设置的左连接板2-63和右连接板2-64组成，所述膨胀套筒2-6的下部卡合连接在梯形缺口2-2中，所述左连接板2-63的底面和右连接板2-64的底面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔2-3的下切面在同一个平面上，所述绝缘橡胶垫2-12的数量为两块，其中一块绝缘橡胶垫2-12设置在左连接板2-63的外壁与梯形缺口2-2的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫2-12设置在右连接板2-64的外壁与梯形缺口2-2的内壁之间，所述螺栓由一体成型的梯形螺栓头2-71、光杆2-72和螺杆2-73三部分组成，所述梯形螺栓头2-71卡合连接在膨胀套筒2-6中，所述梯形螺栓头2-71与光杆2-72连接的一端端面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔2-3的上切面在同一个平面上，所述光杆2-72套装在U形连接孔2-62中，所述光杆2-72上套装有位于所述长方体连接块2-61上部的垫片2-8，所述螺杆2-73上螺纹连接有螺母2-9，所述螺杆2-73上套装有位于垫片2-8与螺母2-9之间的弹簧垫圈2-10。

本实施例中，所述试样本体2-1的长度为31.25mm，所述试样本体2-1的宽度为30mm，所述试样本体2-1的厚度为12.5mm。

本实施例中，所述梯形缺口2-2的上底的长度为9mm，所述梯形缺口2-2的下底的长度为11.6mm，所述梯形缺口2-2的高为12.175mm，所述梯形缺口2-2、疲劳裂纹预制缺口2-4和预制疲劳裂纹2-5的总高度为16.75mm。两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔2-3的半径均为3.125mm；两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔2-3之间的中心距为19mm。

制作预制疲劳裂纹2-5时，在两个预制疲劳裂纹制备加载孔2-3中对应穿入两个加载销，用疲劳拉伸机向外反复拉伸，制作预制疲劳裂纹2-5。

本发明的裂尖应力腐蚀开裂状态测试方法，包括以下步骤：

步骤一、装配自带恒位移载荷加载装置测试试样2，具体过程为：

步骤101、首先将所述螺栓的光杆2-72对准U形连接孔2-62插入到U形连接孔2-62中，然后将所述螺栓的梯形螺栓头2-71卡合连接在膨胀套筒2-6中，使所述螺栓与膨胀套筒2-6连接为一个整体；

步骤102、首先将绝缘橡胶垫2-12装入梯形缺口2-2中，然后将连接为一个整体的所述螺栓和膨胀套筒2-6装入梯形缺口2-2中，并使其中一块绝缘橡胶垫2-12夹装在左连接板2-63的外壁与梯形缺口2-2的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫2-12夹装在在右连接板2-64的外壁与梯形缺口2-2的内壁之间；

步骤103、将垫片2-8和弹簧垫圈2-10依次套装在所述螺栓上，并在所述螺栓的螺杆2-73上螺纹连接螺母2-9；通过设置弹簧垫圈2-10，能够防止螺母2-9松动；

步骤二、根据实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁以及预先建立的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式，计算得到所需加载的初始拧紧力矩M，采用定力矩扳手3在螺母2-9上加载初始拧紧力矩M；

本实施例中，步骤二中预先建立初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式的具体过程为：

步骤201、采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体2-1的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系；

本实施例中，步骤201中采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体2-1的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系的具体过程为：

步骤2011、在Part模块中，建立试样本体2-1的二维模型；

步骤2012、在Property模块中，输入试样本体2-1的二维模型材料参数，所述材料参数包括材料类型、杨氏模量E和泊松比λ；

本实施例中，所述应力腐蚀开裂速率测试试样的材料为奥氏体不锈钢304，材料类型为线弹性材料，杨氏模量E＝19300MPa，泊松比λ＝0.3；

步骤2013、在Assembly模块中，装配试样本体2-1的二维模型，并将试样本体2-1的二维模型设置为独立部件；

步骤2014、在Step模块中，创建新分析步，所述新分析步与初始分析步构成两个分析步；

步骤2015、在Load模块中，创建载荷，在所述试样本体2-1二维模型预制疲劳裂纹制备加载孔2-3的两条水平切线位置处进行切割，得到应力加载面，并在该面加载压强P；

步骤2016、在Load模块中，创建约束，对预制疲劳裂纹2-5的裂尖在试样本体2-1二维模型底边上的投影点进行全约束；

步骤2017、在Mesh模块中，以预制疲劳裂纹2-5的裂尖为圆心，分别以0.05mm、0.4mm和2mm为半径作三个同心圆，并沿所作的三个同心圆对试样本体2-1的二维模型进行切割；

步骤2018、在Mesh模块进行网格划分，对试样本体2-1的二维模型选用二次平面应变单元(CPE8)，全局布种种间距离0.5mm，在步骤2017中所作的三个同心圆上均布种64个，并在步骤2017中所作的三个同心圆半径上分别布种5个、35个、55个，在步骤2017中所作的半径为0.05mm圆和半径为2mm的圆中间区域内采用结构划法，在除外步骤2017中所作的半径为0.05mm圆和半径为2mm的圆中间区域外的区域采用自由划法进行网格划分；这样布种的目的是：在满足精度的要求下，减小了计算机的运算量；

步骤2019、在Interaction模块中，设置预制疲劳裂纹2-5，并定义预制疲劳裂纹2-5的长度a＝2mm，设置预制疲劳裂纹2-5的扩展方向为法向扩展；

步骤20110、返回到Step模块中，在步骤2015中创建的新分析步中除默认输出量外，新建断裂参量输出量，采用最大切向应力准则，积分次数设置为10次，输出初始裂纹裂尖应力强度因子K₁；

步骤20111、在Job模块中，提交计算，在计算结果的Data文件中得到收敛有效的压强P对应的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的值；

步骤20112、重复步骤2015～步骤20111，施加不同值的压强P，得到所对应的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的值，得到不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系。

步骤202、根据公式M＝4KPBDr/(Sinθ*Cosθ)，计算得到加载在试样本体2-1的应力加载面上的不同值的压强P对应的不同的初始拧紧力矩M；其中，K为拧紧力系数且K＝0.2，B为试样本体的厚度且B＝12.5mm，D为所述螺栓的螺杆2-73的直径且D＝6mm，r为预制疲劳裂纹制备加载孔2-3的半径且r＝3.125mm，θ为梯形缺口2-2的底角且θ＝83.8°；

步骤203、根据步骤201中得到的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系，以及步骤202中不同值的压强P与初始拧紧力矩M的对应关系，得到初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M的对应关系；

步骤204、在计算机上采用Origin软件，以初始裂纹裂尖应力强度因子K₁为横坐标，初始拧紧力矩M为纵坐标，绘制出步骤203中得到的各个初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M对应的点，并拟合得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线；

步骤205、首先，观察初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线的特点，确定拟合的函数关系式为一次函数；然后，采用最小二乘法对步骤204中得到的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线进行线性回归，得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式。

本实施例中，得到的压强P、初始裂纹裂尖应力强度因子K₁和初始拧紧力矩M的对应关系表如表1所示：

表1 压强P、初始裂纹裂尖应力强度因子K₁和初始拧紧力矩M的对应关系表

P(MPa)	1	25	50	75	100	125	150
								K1(MPa·m1/2)	0.37	9.14	18.28	27.42	36.56	45.70	54.83
M(N·m)	1.79	41.25	87.30	130.95	174.60	218.25	261.90

采用Origin软件绘制出步骤203中得到的各个初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M对应的点，以及拟合得到的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线图如图4所示，得到的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式为M＝4.53K₁。

例如，实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁＝30MPa·m^1/2时，计算得到所需加载的初始拧紧力矩M＝135.84N·m。

步骤三、在所述试样本体2-1的顶部位于梯形缺口2-2两侧焊接两个钎焊接头2-11，并将两个钎焊接头2-11分别连接到直流电位降裂纹测深仪4的两个信号输入输出接线端上；

步骤四、将自带恒位移载荷加载装置测试试样2放入高压釜1，并设置高压釜1的工作参数；所述工作参数包括高压釜1内水的压力、温度和离子浓度；

步骤五、开启直流电位降裂纹测深仪4，所述直流电位降裂纹测深仪4对自带恒位移载荷加载装置测试试样2的裂纹深度和裂纹扩展速率进行实时监测和记录。

综上所述，本发明的自带恒位移载荷加载装置测试试样2自带裂纹张开位移载荷加载装置，在测试过程中不需要拉伸试验机等其他大型拉伸设备，在已知实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的情况下，根据预先建立的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式，就能够直接计算得到所需加载的初始拧紧力矩M，并采用定力矩扳手3进行加载，试验方便；自带恒位移载荷加载装置测试试样2的尺寸小，一个高压釜1中一次可以进行多个试样的试验，大大节省了试验时间，提高了试验效率；通过在试样本体与裂纹张开位移载荷加载装置之间设置绝缘橡胶垫，有效的杜绝了在使用直流电位降裂纹测深仪测试过程中，电流在裂纹张开位移载荷加载装置与测试样本体之间传导，有效地提高了测试结果的有效性和准确性。

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 (6)

1.一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：包括高压釜(1)和放置在高压釜(1)中的自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)，以及用于给自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)施加初始载荷的定力矩扳手(3)和用于测试自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)的裂纹深度的直流电位降裂纹测深仪(4)；所述自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)包括长方体形状的试样本体(2-1)和裂纹张开位移载荷加载装置，以及夹装在试样本体(2-1)与裂纹张开位移载荷加载装置之间的绝缘橡胶垫(2-12)；所述试样本体(2-1)的顶部中间位置处设置有梯形缺口(2-2)，所述试样本体(2-1)上部设置有分别位于梯形缺口(2-2)两侧的两个预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)，所述试样本体(2-1)中部设置有与梯形缺口(2-2)下底中间位置处相连通且用于预制疲劳裂纹(2-5)的疲劳裂纹预制缺口(2-4)和位于疲劳裂纹预制缺口(2-4)下部的预制疲劳裂纹(2-5)；所述裂纹张开位移载荷加载装置包括膨胀套筒(2-6)和螺栓，所述膨胀套筒(2-6)的上部为位于梯形缺口(2-2)上部的长方体连接块(2-61)，所述长方体连接块(2-61)上设置有U形连接孔(2-62)，所述膨胀套筒(2-6)的下部由呈八字设置的左连接板(2-63)和右连接板(2-64)组成，所述膨胀套筒(2-6)的下部卡合连接在梯形缺口(2-2)中，所述左连接板(2-63)的底面和右连接板(2-64)的底面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)的下切面在同一个平面上，所述绝缘橡胶垫(2-12)的数量为两块，其中一块绝缘橡胶垫(2-12)设置在左连接板(2-63)的外壁与梯形缺口(2-2)的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫(2-12)设置在右连接板(2-64)的外壁与梯形缺口(2-2)的内壁之间，所述螺栓由一体成型的梯形螺栓头(2-71)、光杆(2-72)和螺杆(2-73)三部分组成，所述梯形螺栓头(2-71)卡合连接在膨胀套筒(2-6)中，所述梯形螺栓头(2-71)与光杆(2-72)连接的一端端面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)的上切面在同一个平面上，所述光杆(2-72)套装在U形连接孔(2-62)中，所述光杆(2-72)上套装有位于所述长方体连接块(2-61)上部的垫片(2-8)，所述螺杆(2-73)上螺纹连接有螺母(2-9)，所述螺杆(2-73)上套装有位于垫片(2-8)与螺母(2-9)之间的弹簧垫圈(2-10)；

两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)的半径均为3.125mm；两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)之间的中心距为19mm。

2.按照权利要求1所述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：所述试样本体(2-1)的长度为31.25mm，所述试样本体(2-1)的宽度为30mm，所述试样本体(2-1)的厚度为12.5mm。

3.按照权利要求1或2所述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：所述梯形缺口(2-2)的上底的长度为9mm，所述梯形缺口(2-2)的下底的长度为11.6mm，所述梯形缺口(2-2)的高为12.175mm，所述梯形缺口(2-2)、疲劳裂纹预制缺口(2-4)和预制疲劳裂纹(2-5)的总高度为16.75mm。

4.一种利用如权利要求1所述的测试系统进行裂尖应力腐蚀开裂状态测试的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、装配自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)，具体过程为：

步骤101、首先将所述螺栓的光杆(2-72)对准U形连接孔(2-62)插入到U形连接孔(2-62)中，然后将所述螺栓的梯形螺栓头(2-71)卡合连接在膨胀套筒(2-6)中，使所述螺栓与膨胀套筒(2-6)连接为一个整体；

步骤102、首先将绝缘橡胶垫(2-12)装入梯形缺口(2-2)中，然后将连接为一个整体的所述螺栓和膨胀套筒(2-6)装入梯形缺口(2-2)中，并使其中一块绝缘橡胶垫(2-12)夹装在左连接板(2-63)的外壁与梯形缺口(2-2)的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫(2-12)夹装在在右连接板(2-64)的外壁与梯形缺口(2-2)的内壁之间；

步骤103、将垫片(2-8)和弹簧垫圈(2-10)依次套装在所述螺栓上，并在所述螺栓的螺杆(2-73)上螺纹连接螺母(2-9)；

步骤二、根据实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁以及预先建立的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式，计算得到所需加载的初始拧紧力矩M，采用定力矩扳手(3)在螺母(2-9)上加载初始拧紧力矩M；

步骤三、在所述试样本体(2-1)的顶部位于梯形缺口(2-2)两侧焊接两个钎焊接头(2-11)，并将两个钎焊接头(2-11)分别连接到直流电位降裂纹测深仪(4)的两个信号输入输出接线端上；

步骤四、将自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)放入高压釜(1)，并设置高压釜(1)的工作参数；所述工作参数包括高压釜(1)内水的压力、温度和离子浓度；

步骤五、开启直流电位降裂纹测深仪(4)，所述直流电位降裂纹测深仪(4)对自带恒位移载荷加载装置测试试样(2)的裂纹深度和裂纹扩展速率进行实时监测和记录。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤二中预先建立初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式的具体过程为：

步骤201、采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体(2-1)的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系；

步骤202、根据公式M＝4KPBDr/(Sinθ*Cosθ)，计算得到加载在试样本体(2-1)的应力加载面上的不同值的压强P对应的不同的初始拧紧力矩M；其中，K为拧紧力系数且K＝0.2，B为试样本体的厚度且B＝12.5mm，D为所述螺栓的螺杆(2-73)的直径且D＝6mm，r为预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)的半径且r＝3.125mm，θ为梯形缺口(2-2)的底角且θ＝83.8^°；

步骤203、根据步骤201中得到的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系，以及步骤202中不同值的压强P与初始拧紧力矩M的对应关系，得到初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M的对应关系；

步骤204、在计算机上采用Or igin软件，以初始裂纹裂尖应力强度因子K₁为横坐标，初始拧紧力矩M为纵坐标，绘制出步骤203中得到的各个初始裂纹裂尖应力强度因子K₁与初始拧紧力矩M对应的点，并拟合得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线；

步骤205、首先，观察初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线的特点，确定拟合的函数关系式为一次函数；然后，采用最小二乘法对步骤204中得到的初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的关系曲线进行线性回归，得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的函数关系式。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤201中采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体(2-1)的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系的具体过程为：

步骤2011、在Part模块中，建立试样本体(2-1)的二维模型；

步骤2012、在Property模块中，输入试样本体(2-1)的二维模型材料参数，所述材料参数包括材料类型、杨氏模量E和泊松比λ；

步骤2013、在Assembly模块中，装配试样本体(2-1)的二维模型，并将试样本体(2-1)的二维模型设置为独立部件；

步骤2014、在Step模块中，创建新分析步，所述新分析步与初始分析步构成两个分析步；

步骤2015、在Load模块中，创建载荷，在所述试样本体(2-1)二维模型预制疲劳裂纹制备加载孔(2-3)的两条水平切线位置处进行切割，得到应力加载面，并在该面加载压强P；

步骤2016、在Load模块中，创建约束，对预制疲劳裂纹(2-5)的裂尖在试样本体(2-1)二维模型底边上的投影点进行全约束；

步骤2017、在Mesh模块中，以预制疲劳裂纹(2-5)的裂尖为圆心，分别以0.05mm、0.4mm和2mm为半径作三个同心圆，并沿所作的三个同心圆对试样本体(2-1)的二维模型进行切割；

步骤2018、在Mesh模块进行网格划分，对试样本体(2-1)的二维模型选用二次平面应变单元，全局布种种间距离0.5mm，在步骤2017中所作的三个同心圆上均布种64个，并在步骤2017中所作的三个同心圆半径上分别布种5个、35个、55个，在步骤2017中所作的半径为0.05mm圆和半径为2mm的圆中间区域内采用结构划法，在除外步骤2017中所作的半径为0.05mm圆和半径为2mm的圆中间区域外的区域采用自由划法进行网格划分；

步骤2019、在Interact ion模块中，设置预制疲劳裂纹(2-5)，并定义预制疲劳裂纹(2-5)的长度a＝2mm，设置预制疲劳裂纹(2-5)的扩展方向为法向扩展；

步骤20110、返回到Step模块中，在步骤2015中创建的新分析步中除默认输出量外，新建断裂参量输出量，采用最大切向应力准则，积分次数设置为10次，输出初始裂纹裂尖应力强度因子K₁；

步骤20111、在Job模块中，提交计算，在计算结果的Data文件中得到收敛有效的压强P对应的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的值；

步骤20112、重复步骤2015～步骤20111，施加不同值的压强P，得到所对应的初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的值，得到不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K₁的对应关系。