CN105158093B - 海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置及其测量方法，其特征在于：它包括有三点弯曲夹具、海水环境容器箱所述海水环境容器箱与位于海水环境容器箱外的循环海水供给装置相连。本发明适用于单边缺口SE(B)试样疲劳裂纹扩展速率的测量，将常规的三点弯曲夹具倒装，保证SE(B)试样的机械加工缺口以及柔度测量COD规置于海水平面以上，能够通过柔度法测量裂纹扩展量并保证COD规不至于放置于海水中被腐蚀。并且通过防飞溅盖板防止疲劳试验时海水飞溅，腐蚀夹具系统及疲劳试验机，具有很强的实用性。

Description

海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置及其测量方法

技术领域

本发明属于金属材料力学性能测试技术领域，具体地指一种海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置及其测量方法。

背景技术

疲劳裂纹扩展速率试验是评价金属材料疲劳性能的一项重要试验。在海水腐蚀环境下，材料疲劳裂纹扩展将加速，因此考察腐蚀环境下材料的疲劳裂纹扩展速率对于耐蚀钢品种更具有针对性。

国家标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》附录C中对含水介质下的试验装置有所介绍，但仅限于中心裂纹M(T)试样和紧凑拉伸C(T)试样，并无标准中第3种类型试样单边缺口SE(B)试样适合的试验装置。发明专利CN202119748U“一种用于腐蚀疲劳裂纹扩展的测试装置”设计了一种适合中心裂纹M(T)试样的腐蚀介质箱体，该箱体卡在试样的测试段上疲劳试验时与试样之间有摩擦，密封性能要求非常严格，一旦泄漏，腐蚀介质将腐蚀疲劳试验设备，另外采用电阻片测试裂纹扩展量需要每次试验前进行一次标定，不如使用COD规采用柔度法直接测量方便。发明专利申请CN101358929A“一种腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验环境装置”也研制了一种卡于试样表面裂纹扩展区域的环境盒，该装置结果简单小巧，并且为COD规夹持预留了空间，避免COD规被腐蚀介质腐蚀，但该装置也只适用于紧凑拉伸C(T)试样，且由于介质盒容积下，少量腐蚀介质在小空间内随试样上下高频运动时可能发热，导致裂纹尖端应力场的变化影响试验结果有效性。

发明内容

本发明的目的是根据上述不足提供一种海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置及其测量方法，该装置适用于海水腐蚀环境下单边缺口SE(B)试样疲劳裂纹扩展速率的测量，而且装置密封性好，测量结果准确可靠。

为实现上述目的，本发明所设计的海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特殊之处在于：它包括有三点弯曲夹具、海水环境容器箱，所述三点弯曲夹具由与疲劳试验机横梁相连的三点弯曲支架、连接在三点弯曲支架上的两个上弯心夹具、以及设置在海水环境容器箱内的下弯心夹具组成；

所述三点弯曲支架通过法兰盘固定在疲劳试验机横梁上；

所述两个上弯心夹具在三点弯曲支架内的矩形滑道里滑动，并通过定位孔固定；

所述海水环境容器箱底部设有通孔，通孔内设有贯穿通孔的连接螺杆，连接螺杆通过海水环境容器箱底部内外两侧对锁螺母垂直固定，连接螺杆在海水环境容器箱内的顶端与下弯心夹具固定，在海水环境容器箱外的底端与疲劳试验机的下作动器相连；连接螺杆与通孔之间密封；

所述海水环境容器箱顶部设有防飞溅盖板，盖板上设有供试样伸入海水环境容器箱内的矩形通孔；

所述海水环境容器箱与位于海水环境容器箱外的循环海水供给装置相连。

进一步地，所述防飞溅盖板从上到下依次包括粘接而成的顶层盖板、中间层盖板以及底层盖板，所述三层盖板之间还设有一对横向推板和一对纵向推板，所述横向推板和纵向推板通过三层盖板上对应的滑槽和卡条定位。

进一步地，所述循环海水供给装置包括循环海水箱和循环水泵，所述海水环境容器箱底部设有排液管，所述排液管向海水环境容器箱内伸出并且另一端与循环海水箱相连，所述海水环境容器箱侧壁设有进液管，进液管通过循环水泵与循环海水箱相连。

进一步地，所述上弯心夹具由上弯心夹具支座、上弯心夹具支辊、上弯心夹具挡块和连接弹簧组成；所述上弯心夹具挡块固定在两个上弯心夹具相对一侧的上弯心夹具支座表面；连接弹簧通过一端与上弯心夹具支辊相连，另一端与上弯心夹具挡块相连，使上弯心夹具支辊与上弯心夹具支座固定；所述上弯心夹具支座底面两侧设有凸台，所述凸台上设有跑道型上弯心夹具定位孔，与三点弯曲支架上定位孔配合定位。

进一步地，所述下弯心夹具由下弯心夹具支座、下弯心夹具支辊、连接下弯心夹具支辊与下弯心夹具支座的下弯心夹具挡块组成，所述下弯心夹具支座底部设有回型空腔，所述连接螺杆伸入回型空腔与回型空腔内的螺栓相连。

进一步地，所述三点弯曲支架的矩形滑道两侧设有带刻度的挡条。

本发明所设计海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置的测量方法，其步骤包括：

1)将连接螺杆与疲劳试验机下作动器相连，并下调疲劳试验机横梁位置，将横梁与法兰盘固定；

2)根据试样尺寸，选择合适的跨距，将两个上弯心夹具在三点弯曲支架内的矩形滑道里滑动至合适的跨距，并通过定位孔固定在三点弯曲支架上；

3)将海水环境容器箱通过底部通孔、连接螺杆和对锁螺母与疲劳试验机下作动器相连，保证海水环境容器箱安装后的轴向性，且约束海水环境容器箱不会左右晃动；

4)将下弯心夹具固定在连接螺杆上表面，并通过转动下作动器使下弯心夹具的轴线与两个上弯心夹具轴线平行；

5)在海水环境容器箱顶部盖上防飞溅盖板，将被测试样固定在上弯心夹具上，下调横梁高度，使试样进入防飞溅盖板上的矩形通孔直至与下弯心夹具接触，调整试样水平位置，使下弯心夹具与试样下表面切线与试样机械加工缺口裂尖位于同一垂面内；

6)将海水环境容器箱与海水环境容器箱外的循环海水供给装置相连形成循环回路；

7)安装COD规于试样上表面燕尾槽卡口处，开启疲劳试验机中疲劳裂纹扩展速率试验模块进行疲劳裂纹扩展速率试验。

本发明的优点在于：其适用于单边缺口SE(B)试样疲劳裂纹扩展速率的测量，将常规的三点弯曲夹具倒装，保证SE(B)试样的机械加工缺口以及柔度测量COD规置于海水平面以上，能够通过柔度法测量裂纹扩展量并保证COD规不至于放置于海水中被腐蚀。并且通过防飞溅盖板防止疲劳试验时海水飞溅，腐蚀夹具系统及疲劳试验机，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为三点弯曲支架结构示意图；

图3为上弯心夹具结构示意图；

图4为海水环境容器箱及下弯心夹具正视图；

图5为下弯心夹具结构示意图；

图6为防飞溅盖板底层盖板结构示意图；

图7为防飞溅盖板纵向推板结构示意图；

图8为防飞溅盖板中间层盖板结构示意图；

图9为防飞溅盖板横向推板结构示意图；

图10为防飞溅盖板顶层盖板结构示意图；

其中，1-三点弯曲支架，2-海水环境容器箱，3-法兰盘，4-防飞溅盖板，5-上弯心夹具，6-下弯心夹具，7-矩形滑槽，8-定位孔，9-海水环境容器箱箱底通孔，10-连接螺杆；11-对锁螺母，12-进液管，13-排液管，14-矩形通孔，15-循环水泵，16-循环海水箱，17-上弯心夹具支座，18-上弯心夹具支辊，19-上弯心夹具挡块，20-连接弹簧，21-凸台，22-跑道型上弯心夹具定位孔，23-下弯心夹具支座，24-下弯心夹具支辊，25-下弯心夹具挡块，26-回型空腔，27-螺栓，28-挡条，29-防飞溅盖板底层盖板，30-防飞溅盖板纵向推板，31-防飞溅盖板中间层盖板，32-防飞溅盖板横向推板，33-防飞溅盖板顶层盖板，34-纵向滑动卡条，35-纵向弧形边界，36-纵向滑动滑槽，37-横向滑动卡条，38-横向弧形边界，39-横向滑动滑槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的发明海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，包括有三点弯曲夹具和海水环境容器箱2。所述三点弯曲夹具由与疲劳试验机横梁相连的三点弯曲支架1、连接在三点弯曲支架1上的两个上弯心夹具5、以及设置在海水环境容器箱2内的下弯心夹具6组成。所述海水环境容器箱2与位于海水环境容器箱外的循环海水供给装置相连。所述循环海水供给装置包括循环海水箱16和循环水泵15，所述海水环境容器箱2底部设有排液管13，排液管13向海水环境容器箱2内伸出并且另一端与循环海水箱16相连，所述海水环境容器箱2侧壁设有进液管12，进液管12通过循环水泵15与循环海水箱16相连。排液管13伸出海水环境容器箱2内侧的高度与试样安装在夹具上后初始机加工缺口尖端平齐，保证海水面总是不会太高而漫出，也不会太低使得裂纹扩展区域露出海水面。

如图2所示，所述三点弯曲支架1通过法兰盘3和8个螺母固定在疲劳试验机横梁上。三点弯曲支架1内设有矩形滑道7，两个上弯心夹具5可以在矩形滑道7内滑动，根据测试试样的具体尺寸选择不同的跨距。所述矩形滑道7内有两排定位孔8，两个上弯心夹具5确定好跨距后可用锁紧螺母固定在矩形滑道7内，从而固定在三点弯曲支架1上。所述矩形滑道7两侧设有挡条28，用于约束上弯心夹具5的侧向位移。所述挡条28外侧表面设有标尺，用于上弯心夹具5定位，选择合适的跨距。

如图3所示，所述上弯心夹具5由上弯心夹具支座17、上弯心夹具支辊18、上弯心夹具挡块19和连接弹簧20组成。所述上弯心夹具挡块19固定在两个上弯心夹具5相对一侧的上弯心夹具支座17表面，起支挡上弯心夹具支辊18的作用。优选的上弯心夹具挡块19与上弯心夹具支座17表面采用螺母锁紧连接，上弯心夹具挡块19上开设跑道型通孔以保证选择不同直径的上弯心夹具支辊时上弯心夹具挡块高度可调。上弯心夹具支辊18两端设有螺母，上弯心夹具挡块19两侧也设有螺母，连接弹簧20一端与上弯心夹具支辊18两端的螺母相连，另一端与上弯心夹具挡块19两侧的螺母相连，从而使上弯心夹具支辊18与上弯心夹具挡块19以及上弯心夹具支座17固定。所述上弯心夹具支座17底面两侧设有凸台21，所述凸台21上设有跑道型上弯心夹具定位孔22，与三点弯曲支架1上定位孔8配合定位。跑道型上弯心夹具定位孔22保证上弯心夹具5在两个相邻间距的定位孔8间可以适当的滑动微调，精确定位跨距。

如图4所示，所述海水环境容器箱2底部设有通孔9，通孔9内设有贯穿通孔的连接螺杆10。连接螺杆10通过海水环境容器箱2底部内外两侧对锁螺母11垂直固定。所述对锁螺母11不仅保证连接螺杆10与海水环境容器箱2连接紧密，还保证了连接螺杆10的铅垂性，以确保夹具系统施力时的轴向性。在连接螺杆10、对锁螺母11以及通孔9周围间隙填充环氧树脂胶，固化成形，保证箱底粘接紧密，密封性好，海水环境容器箱2盛水时不会发生泄漏。连接螺杆10在海水环境容器箱2内的顶端开有螺纹孔，下弯心夹具6通过外六角螺栓27固定在连接螺杆10上。连接螺杆10在海水环境容器箱2外的底端与疲劳试验机的下作动器相连。

下弯心夹具6的结构如图5所示，下弯心夹具6由下弯心夹具支座23、下弯心夹具支辊24、连接下弯心夹具支辊24与下弯心夹具支座23的下弯心夹具挡块25组成。所述下弯心夹具支座23底部设有回型空腔26，所述连接螺杆10伸入回型空腔26与卡在回型空腔26里的螺栓27相连，使下弯心夹具6与海水环境容器箱2固定连接。所述下弯心夹具6由于长时间浸泡在海水中，选材为特殊耐蚀钢。

如图1、6-10所示，海水环境容器箱2顶部设有防飞溅盖板4，所述防飞溅盖板4从上到下依次包括用环氧树脂粘接而成的顶层盖板33、中间层盖板31以及底层盖板29，所述三层盖板之间还设有一对横向推板32和一对纵向推板30。顶层盖板33、中间层盖板31以及底层盖板29上均设有供试样伸入海水环境容器箱内的矩形通孔14。所述底层盖板29上设有纵向滑动卡条34和纵向弧形边界35，纵向推板30上设有纵向滑动滑槽36，纵向滑动卡条34与纵向滑动滑槽36对应，使纵向推板30可以沿纵向推动直至与试样前、后表面接触，并通过纵向弧形边界35限位。中间层盖板31上设有横向滑动卡条37和横向弧形边界38，横向推板32上设有横向滑动滑槽39，横向滑动卡条37与横向滑动滑槽39对应，使横向推板32可以沿横向推动直至与试样左、右表面接触，并通过横向弧形边界38限位。两组推板推至与试样的4个表面接触后，疲劳试验时海水环境箱溅起的海水将被防飞溅盖板4完全挡住，不至于溅出，腐蚀夹具或疲劳试验机。

用本发明的海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置进行单边缺口SE(B)试样疲劳裂纹扩展速率的测量时步骤如下：

1)开启疲劳试验机控制系统，将连接螺杆10与疲劳试验机下作动器相连。通过位移模式控制作动器上行至一定高度，下调疲劳试验机横梁位置，使横梁上传感器连接端与法兰盘3接触，并调整三点弯曲支架1的角度使法兰盘3上8个圆孔与传感器连接端锁紧孔重合，然后通过8个锁紧螺母将法兰盘3锁紧在试验机横梁上。提升横梁高度，将三点弯曲支架1抬至一定高度，方便海水环境容器箱2的安装操作。

2)根据试样尺寸，选择合适的跨距，将两个上弯心夹具5固定在三点弯曲支架1上。并依据标准选择合适的弯曲支辊直径，将上弯心夹具支辊18与下弯心夹具支辊24换成符合被测对象尺寸的弯曲支辊。

3)将海水环境容器箱2通过连接螺杆10和对锁螺母11与疲劳试验机下作动器相连，保证海水环境容器箱2安装后的轴向性，且约束海水环境容器箱2不会左右晃动。

4)将下弯心夹具6通过外六角螺栓27锁紧在连接螺杆10上表面，并通过转动下作动器使下弯心夹具6的轴线与两个上弯心夹具5轴线平行。

5)在海水环境容器箱2顶部盖上防飞溅盖板4，将纵向推板30和横向推板32通过限位拉开至防飞溅盖板4中心矩形通孔14呈最大状态，将试样固定在上弯心夹具5上，下调横梁高度，使被测试样进入防飞溅盖板矩形通孔14直至与下弯心夹具6接触。调整试样水平位置，使下弯心夹具6与试样下表面切线与试样机械加工缺口裂尖位于同一垂面内。再给试验机施加一点预压力使被测试样压紧不至于晃动。

6)将防飞溅盖板的纵向推板30和横向推板32分别推至与试样四周表面接触，然后将循环海水箱16、循环水泵15以及海水环境容器箱2用橡胶管连接起来，开启循环水泵15，让海水进入海水环境容器箱2，海水漫过排液管13顶端出口后会形成循环回路，保证海水循环起来，且液面一直保持在与排液管顶端出口平齐位置。排水管13顶端出口位置高度与试样安装在夹具上后初始机加工缺口尖端平齐，低于试样上表面位置，保证试样安装COD规后，COD规不会置于海水中，防止其被腐蚀。

7)安装COD规于试样上表面燕尾槽卡口处，开启疲劳试验机中疲劳裂纹扩展速率试验模块进行疲劳裂纹扩展速率试验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于：它包括有三点弯曲夹具、海水环境容器箱(2)，所述三点弯曲夹具由与疲劳试验机横梁相连的三点弯曲支架(1)、连接在三点弯曲支架(1)上的两个上弯心夹具(5)、以及设置在海水环境容器箱内的下弯心夹具(6)组成；

所述三点弯曲支架(1)通过法兰盘(3)固定在疲劳试验机横梁上；

所述两个上弯心夹具(5)在三点弯曲支架内的矩形滑道(7)里滑动，并通过定位孔(8)固定；

所述海水环境容器箱(2)底部设有通孔(9)，通孔内设有贯穿通孔的连接螺杆(10)，连接螺杆(10)通过海水环境容器箱底部内外两侧对锁螺母(11)垂直固定，连接螺杆(10)在海水环境容器箱内的顶端与下弯心夹具(6)固定，在海水环境容器箱外的底端与疲劳试验机的下作动器相连；连接螺杆(10)与通孔(9)之间密封；

所述海水环境容器箱顶部设有防飞溅盖板(4)，盖板上设有供试样伸入海水环境容器箱内的矩形通孔(14)；

所述海水环境容器箱(2)与位于海水环境容器箱外的循环海水供给装置相连；

所述防飞溅盖板(4)从上到下依次包括粘接而成的顶层盖板(33)、中间层盖板(31)以及底层盖板(29)，所述三层盖板之间还设有一对横向推板(32)和一对纵向推板(30)，所述横向推板(32)和纵向推板(30)通过三层盖板上对应的滑槽和卡条定位。

2.根据权利要求1所述海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于：所述循环海水供给装置包括循环海水箱(16)和循环水泵(15)，所述海水环境容器箱(2)底部设有排液管(13)，所述排液管(13)向海水环境容器箱(2)内伸出并且另一端与循环海水箱(16)相连，所述海水环境容器箱(2)侧壁设有进液管(12)，进液管通过循环水泵与循环海水箱相连。

3.根据权利要求1所述海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于：所述上弯心夹具(5)由上弯心夹具支座(17)、上弯心夹具支辊(18)、上弯心夹具挡块(19)和连接弹簧(20)组成；所述上弯心夹具挡块(19)固定在两个上弯心夹具(5)相对一侧的上弯心夹具支座(17)表面；连接弹簧(20)通过一端与上弯心夹具支辊(18)相连，另一端与上弯心夹具挡块(19)相连，使上弯心夹具支辊(18)与上弯心夹具支座(17)固定；所述上弯心夹具支座(17)底面两侧设有凸台(21)，所述凸台(21)上设有跑道型上弯心夹具定位孔(22)，与三点弯曲支架上定位孔(8)配合定位。

4.根据权利要求1所述海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于：所述下弯心夹具(6)由下弯心夹具支座(23)、下弯心夹具支辊(24)、连接下弯心夹具支辊(24)与下弯心夹具支座(23)的下弯心夹具挡块(25)组成，所述下弯心夹具支座(23)底部设有回型空腔(26)，所述连接螺杆(10)伸入回型空腔(26)与回型空腔内的螺栓(27)相连。

5.根据权利要求1所述海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于：所述三点弯曲支架(1)的矩形滑道(7)两侧设有带刻度的挡条(28)。

6.一种权利要求1所述海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验装置的测量方法，其步骤包括：

1)将连接螺杆(10)与疲劳试验机下作动器相连，并下调疲劳试验机横梁位置，将横梁与法兰盘(3)固定；

2)根据试样尺寸，选择合适的跨距，将两个上弯心夹具(5)在三点弯曲支架内的矩形滑道(7)里滑动至合适的跨距，并通过定位孔(8)固定在三点弯曲支架(1)上；

3)将海水环境容器箱(2)通过底部通孔(9)、连接螺杆(10)和对锁螺母(11)与疲劳试验机下作动器相连，保证海水环境容器箱(2)安装后的轴向性，且约束海水环境容器箱(2)不会左右晃动；

4)将下弯心夹具(6)固定在连接螺杆(10)上表面，并通过转动下作动器使下弯心夹具(6)的轴线与两个上弯心夹具(5)轴线平行；

5)在海水环境容器箱(2)顶部盖上防飞溅盖板(4)，将被测试样固定在上弯心夹具(5)上，下调横梁高度，使试样进入防飞溅盖板(4)上的矩形通孔(14)直至与下弯心夹具(6)接触，调整试样水平位置，使下弯心夹具(6)与试样下表面切线与试样机械加工缺口裂尖位于同一垂面内；

6)将海水环境容器箱(2)与海水环境容器箱外的循环海水供给装置相连形成循环回路；

7)安装COD规于试样上表面燕尾槽卡口处，开启疲劳试验机中疲劳裂纹扩展速率试验模块进行疲劳裂纹扩展速率试验。