CN106769381A - 一种梯度型温度场的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种梯度型温度场的建立方法用的低温装置，低温装置由两个相同的低温块、与试样宽度一致的顶块、以及紧固机构组成，顶块设置在两个低温块之间，两个低温块对称设置在V型缺口处，并通过紧固机构夹紧顶块贴合试样的两侧表面设置，低温块贴合试样的一侧表面开设有呈“凹”型的低温槽，低温槽的下端长条形部分用于对V型槽进行冷却，能够满足缺口部位脆性裂纹的顺利启裂及梯度型温度场的建立需求，为实现对止裂性能的有效测试打下基础。

Description

一种梯度型温度场的建立方法

技术领域

本发明涉及一种ESSO试验中梯度型温度场的建立技术，属于金属材料抗断性能测试技术领域。

背景技术

进入二十一世纪以来，为提高效益、降低运营成本，集装箱船的发展日益趋向大型化和超大型化，目前，19000箱级集装箱船已投入运营，20000箱级集装箱船已进入实船建造阶段。随着结构的大型化和超大型化，为满足刚度和强度要求，船体结构所用钢板的强度等级和板厚规格也不断增大，最高强度水平已达460MPa，最大板厚规格趋近100mm。随着强度的升高和板厚规格的增大，钢板的抗断性能下降，安全可靠性问题突出。为保证结构的安全，要求大型集装箱船关键部位用高强度厚钢板必须具有止裂性能，即结构中一旦产生脆性裂纹，钢板能够将其止住，从而避免灾难性破坏。为正确评价钢板的止裂性能，需建立有效的评价试验方法。

针对集装箱船用高强度厚钢板止裂性能评价方法，国际船级社协会（IACS）在其统一要求《超厚板使用要求》（编号：UR S33）中规定，止裂性能可采用梯度温度型（以下简称“梯温型”）ESSO试验进行评价。

梯温型ESSO试验示意图如图1所示。在试验过程中，首先在试样中建立梯度型温度场，待温度场稳定后，对试样施加预定应力水平的主拉伸载荷，然后采用冲击装置冲击冷却至低温的预制V型缺口，缺口根部在冲击载荷作用下产生一道脆性裂纹，裂纹随后扩展进入试样，通过观察裂纹在试样中的扩展和止裂行为评价试样的止裂性能。

试验中，为实现裂纹的启裂、扩展和止裂过程，需要在试样中建立一个梯度型的温度场，针对这一技术，目前还未有公开的报道，也未有相应的专利发布。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种梯度温度型试验高强度厚钢板止裂性能时所需的梯度型温度场建立技术，能够满足试验板长度中心线距缺口端150mm～350mm范围内温度梯度为0.25℃/mm～0.35℃/mm的要求，为实现对止裂性能的有效测试打下基础。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种梯度型温度场的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、对长方形试样长度方向的一端预制V型缺口，V型缺口的V型端口与长度中心线处于一条直线上；

步骤二、对V型缺口处的长方形试样的两侧表面同时进行冷却，两侧表面冷却面积相同，对V型制品对应的长方形试样的另一端的两侧表面同时进行加热，两侧表面加热面积相同，冷却与加热同时进行，使冷却面积与加热面积相同；

步骤三、采用测温装置对试样表面温度进行测量，直至试样长度中心线距V型端口150-350mm内的温度梯度为0.25℃/mm～0.35℃/mm。

本发明所述的冷却方式采用低温装置进行冷却，低温装置由两个相同的低温块、与试样宽度一致的顶块、以及紧固机构组成，顶块设置在两个低温块之间，两个低温块对称设置在V型缺口处，并通过紧固机构夹紧顶块贴合试样的两侧表面设置，低温块贴合试样的一侧表面开设有呈“凹”型的低温槽，低温槽与试样表面围成用于注入冷却介质的冷却空腔，冷却空腔的中心对应试样长度中心线设置，在低温块的顶面上开设两个冷却介质进口，其中一个冷却介质进口通过低温槽与另一个冷却介质进口连通，低温槽向下凹陷的水平平面为上边缘面，低温槽的底面为下边缘面，上边缘面与试样的顶面平齐，上边缘面与下边缘面之间的距离大于V型缺口的高度。

本发明所述的紧固机构由紧固螺母和螺杆组成。

本发明所述的测温装置包括热电偶，以及与热电偶连接的动态信号测试分析系统。

本发明有益效果是：

（1）能够形成梯度型温度场。通过对缺口部位进行冷却、对与缺口相对的另一端进行加热的方式，能够在试样中形成梯度型温度场，同时缺口部位的冷却还能够保证脆性裂纹的顺利启裂。

（2）温度梯度满足标准要求。通过改变冷却区域和加热区域的大小，可调整温度梯度，使其位于标准要求的0.25℃/mm～0.35℃/mm范围，如图4所示。

（3）能够保证试样两侧温度场一致。所用低温槽和加热槽能够对试样两侧表面同时冷却和加热，且两侧冷却和加热面积分别相同，从而保证试样两侧温度场的一致性。

（4）操作方便。采用本发明建立梯度型温度场的过程中，低温槽和加热槽均能重复使用，冷却介质的添加和加热过程较为简单，表面热电偶的焊接及温度场的测量也较为简便。

（5）能够实现表面降温。将低温槽固定于试样表面，在槽与试样表面之间形成密闭空间，通过向槽中加入冷却介质即可实现表面降温。

（6）能够实现同步降温。采用两个尺寸相同的保温槽对试样两侧表面同时进行低温冷却，能够避免试样两侧表面温度场因降温不同步导致的温度差异，保证两侧表面温度场的一致性，进而保证试验结果的有效性。

（7）固定方式简单可靠。试验时，保温槽采用螺杆连接的方式紧固于试样表面，能够保证低温槽与试样表面连接的密闭性。

（8）形式简单，使用成本低。低温槽形式简单，原材料可选用市场上现有的3mm薄钢板，加工方便。同时，对于不同厚度规格的试样，只需采用相应长度的螺杆及与试样厚度相同的顶块即可，不必更换低温槽，使用成本较低。

附图说明

图1为ESSO试验示意图；

图2为本发明梯度型温度场建立示意图；

图3为本发明测温位置示意图；

图4为本发明典型温度场分布图；

图5为本发明低温装置使用示意图；

图6为本发明低温块的剖视结构示意图；

图7为本发明低温块的侧视结构示意图；

图8为本发明低温块的俯视结构示意图；

图中：1、低温装置，2、低温块，201、低温槽，203、冷却空腔，204、上边缘面，205、下边缘面，3、顶块，4、紧固机构，401、紧固螺栓，402、螺杆，5、试样，6、V型缺口。

具体实施方式

在梯温型ESSO试验中，梯度型温度场能否满足标准规范的要求将直接关系到试验的有效性，本发明主要基于这一要求设计梯度型温度场的建立技术。

在梯温型ESSO试验过程中，为在试样中形成梯度型温度场，需要对试样一端进行冷却，同时对另一端进行加热；为保证结果有效性，试样两侧表面温度场应相同；此外，还应实现对温度场的有效测量。本发明针对上述三方面技术问题采取的解决方案是：对试样缺口部位利用低温槽和冷却介质进行冷却，除形成梯度型温度场的冷端外，还能保证脆性裂纹的顺利启裂，同时对与缺口相对的另一端利用加热槽进行加热（图2）；所用低温槽和加热槽能够对试样两侧表面同时冷却和加热，且两侧冷却和加热面积分别相同，从而保证试样两侧温度场的一致性；采用热电偶+动态信号测试系统对温度场进行测量，测温方式为表面测温，测温位置如图3所示，采用这一测温方法既能不破坏试样的完整性，又能实现对温度场的有效测量。

利用本发明的工作过程：

本发明根据梯温型ESSO试验对梯度型温度场的要求，设计了梯度型温度场的建立技术，能够满足试验板中心线距缺口端150mm～350mm范围内温度梯度为0.25℃/mm～0.35℃/mm的要求，进而保证试验的有效性。

方法具体工作过程如下：

1、按尺寸要求加工带有预制V型缺口的ESSO试样；

2、在试样表面按图3中的位置焊接热电偶；

3、按图2所示在试样缺口部位安装低温装置，在另一端安装加热装置（原理等同于低温装置结构）；

4、在低温装置的低温槽中加入冷却介质，对试样进行冷却；同时对加热槽中介质进行加热；

5、利用动态信号测试分析系统对热电偶信号进行采集，获得试样各个测温位置的温度分布；

6、根据所测温度值，调整冷却和加热时间，最终建立满足要求的梯度型温度场。

在梯温型ESSO试验中，缺口部位脆性裂纹能否顺利启裂及梯度型温度场的建立是否满足要求将直接关系到试验的有效性，这两方面均需通过对试样进行低温冷却处理方能实现。合理的低温槽是脆性裂纹顺利启裂及梯度型温度场满足要求的一项重要保证，本发明主要基于这两方面的要求进行低温槽设计。

在梯温型ESSO试验过程中，试样尺寸较大（500mm×500mm），且试样中的温度场为梯度型温度场，因此对试样的降温方式只能采取局部表面降温方式；同时，为保证对缺口部位的均匀降温及试样两侧表面梯度型温度场的一致性，需采用两侧表面同时降温的方法。本发明针对上述两方面技术问题采取的解决方案是：将低温块固定于试样表面，低温块贴合试样表面的一侧开设凹型低温槽，块与试样表面之间形成冷却空腔，在低温槽中加入冷却介质后即可实现对试样表面的降温；将两个尺寸完全相同的低温块平行相对称固定于试样两侧表面，通过向两个低温槽同时加入冷却介质，可实现对试样两侧表面的同时降温（图5）。此外，对于不同厚度的测试试样，只需采用相应长度的螺杆及与试样厚度相同的顶块即可实现对试样的低温冷却处理而不必更换低温槽。低温槽的具体结构如图6所示。该装置设计原理简单方便，能够满足梯温型ESSO试验对脆性裂纹启裂和梯度型温度场的要求。

低温装置具体安装工作过程如下：

1、按尺寸要求加工带有预制V型缺口的ESSO试样；

2、加工与试样厚度相同的顶块；

3、将两个尺寸相同的低温块平行相对称放于缺口部位两侧的试样表面，低温槽上边缘面与试样顶面平齐，低温槽中心与试样预制V型缺口中心对齐；

4、将螺杆穿过两个低温块，将两个紧固螺母套装在螺杆的两端；

5、将顶块放入两个低温块之间并使顶块位于螺杆上方，拧紧螺母将低温块固定于试样表面；

6、通其中一个冷却介质进口向低温槽中加入冷却介质，对缺口部位进行冷却并在试样中建立梯度型温度场。

Claims (4)

1.一种梯度型温度场的建立方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、对长方形试样长度方向的一端预制V型缺口，V型缺口的V型端口与长度中心线处于一条直线上；

步骤二、对V型缺口处的长方形试样的两侧表面同时进行冷却，两侧表面冷却面积相同，对V型制品对应的长方形试样的另一端的两侧表面同时进行加热，两侧表面加热面积相同，冷却与加热同时进行，使冷却面积与加热面积相同；

步骤三、采用测温装置对试样表面温度进行测量，直至试样长度中心线距V型端口150-350mm内的温度梯度为0.25℃/mm～0.35℃/mm。

2.如权利要求1所述的一种梯度型温度场的建立方法，其特征在于：所述的冷却方式采用低温装置进行冷却，低温装置（1）由两个相同的低温块（2）、与试样宽度一致的顶块（3）、以及紧固机构（4）组成，顶块（3）设置在两个低温块（2）之间，两个低温块（2）对称设置在V型缺口（6）处，并通过紧固机构（4）夹紧顶块（3）贴合试样（5）的两侧表面设置，低温块（2）贴合试样（5）的一侧表面开设有呈“凹”型的低温槽（201），低温槽（201）与试样（5）表面围成用于注入冷却介质的冷却空腔（202），冷却空腔（202）的中心对应试样长度中心线设置，在低温块（2）的顶面上开设两个冷却介质进口（203），其中一个冷却介质进口（203）通过低温槽（201）与另一个冷却介质进口（203）连通，低温槽（201）向下凹陷的水平平面为上边缘面（204），低温槽（201）的底面为下边缘面（205），上边缘面（204）与试样（5）的顶面平齐，上边缘面（204）与下边缘面（205）之间的距离大于V型缺口（6）的高度。

3.如权利要求2所述的一种梯度型温度场的建立方法，其特征在于：所述的紧固机构由紧固螺母（401）和螺杆（402）组成。

4.如权利要求1所述的一种梯度型温度场的建立方法，其特征在于：所述的测温装置包括热电偶，以及与热电偶连接的动态信号测试分析系统。