CN113049398B - 一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法及装置，方法包括以下步骤：S1：提供一试样，对试样表面进行处理并制作散斑；S2：通过受力分析方法确定所述试样的加载载荷以及应力状态；S3：将试样装夹于一高温蠕变断裂实验装置中，对试样加载S2中所确定的加载载荷，设定实验温度，进行高温蠕变实验，并记录实验数据；S4：处理和分析实验数据，获得试样的轴向变形随时间变化的高温蠕变曲线和应变场分布。本发明的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法及装置，采用拉伸剪切组合试样、光滑圆棒试样和圆棒缺口试样，在仅在拉伸载荷下可开展宽范围应力状态下的高温蠕变实验，为损伤模型的建立提供实验数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及材料高温蠕变性能测试领域，更具体地涉及一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法及装置。
背景技术
蠕变通常是指在较高温度和恒定应力下，结构变形随时间逐渐增加的现象，而在高温下服役的结构构件多处于多轴应力状态下，高温蠕变断裂又是其主要的失效形式之一。因此，研究多轴应力状态对高温蠕变延性、损伤机理以及失效模式的影响，对剩余寿命的预测起到至关重要的作用。
现有技术中，多轴应力对高温蠕变延性影响的研究主要集中在较高的应力三轴度水平下，如英迪拉·甘地原子中心的Goyal等人(Goyal S,Laha K,Vijayanand V D,etal.Effect of Multiaxial State of Stress on Creep Rupture Behaviour of 2.25Cr-1Mo Steel.Procedia Engineering,2013,55:510-516)利用缺口圆棒试样开展了高应力三轴度下的单向拉伸高温蠕变实验。而考虑低应力三轴度水平和不同罗德参数下的高温蠕变实验装置和方法还鲜见报道。其中，日本信州大学的Niu等人(Niu L-B.Tension-TorsionCreep Fracture Behaviors of Notched Specimens of Austenitic SteelSUS310S.Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering,2007,1:388-396)利用缺口圆棒试样开展了不同拉伸扭转应力组合下的高温蠕变实验，其发现应力三轴度会影响高温蠕变孔洞的萌生和长大。
然而，上述实验研究存在如下问题，单向拉伸的圆棒缺口高温蠕变实验处于较高的应力三轴度水平，而不同拉伸扭转应力组合下的圆棒缺口高温蠕变实验又处于较低的应力三轴度水平，因此，两组实验都只涵盖了较小的应力三轴度范围，并且也没有考虑罗德参数对高温蠕变断裂性能的影响，此外，由于拉伸扭转高温蠕变实验其难于精确测量高温蠕变变形，因此，也并没有得到在低应力三轴度下高温蠕变延性、断裂时间与应力状态之间的关系；其次，拉伸扭转高温蠕变实验因为要同时施加轴向载荷和扭转载荷，实验较复杂，且对实验设备要求较高，最后，上述单向拉伸下的高温蠕变实验采用接触式引伸计进行测量，其只能测量标距内的均匀变形，无法测量缺口处的局部应变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法及装置，研究宽范围多轴应力状态对高温蠕变断裂性能的影响，从而为损伤模型的建立提供实验数据支持。
本发明一方面提供一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，包括以下步骤：
S1：提供一试样，对所述试样表面进行处理并制作散斑；
S2：通过受力分析方法确定所述试样的加载载荷以及应力状态；
S3：将所述试样装夹于一高温蠕变断裂实验装置中，对所述试样加载S2中所确定的加载载荷，设定实验温度，进行高温蠕变实验，并记录实验数据；
S4：处理和分析所述实验数据，获得所述试样的轴向变形随时间变化的高温蠕变曲线和应变场分布。
进一步地，所述试样包括拉伸剪切组合试样、光滑圆棒试样和圆棒缺口试样，所述试样所涵盖的应力三轴度范围为0-2，罗德参数为-1-0。
进一步地，根据所述受力分析法，所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，σe为米塞斯应力，α为试样缺口中心线与轴线的夹角。
进一步地，根据所述受力分析法，在相同主应力σ，不同切应力τ下，所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，σ为主应力，α为试样的缺口中心线与轴线的夹角。
进一步地，根据所述受力分析法，在相同切应力τ，不同主应力σ下，所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，τ为切应力，α为试样缺口中心线与轴线的夹角。
进一步地，根据所述受力分析法，所述光滑圆棒试样和圆棒缺口试样的加载载荷满足如下关系式：
F＝σe*S
其中，F为加载载荷，S为试样的最小横截面积，σe为米塞斯应力。
进一步地，所述高温蠕变断裂实验装置包括非接触式光学测量装置，非接触式光学测量装置的测量范围覆盖所述试样的轴向长度。
进一步地，所述非接触式光学测量装置包括光源、相机、同步触发器和图像采集分析装置，所述光源和所述相机对准所述试样，所述相机的镜头前设置有滤光片，所述图像采集分析装置与所述相机通信相连，所述同步触发器与所述相机通信相连。
进一步地，所述S1中对试样表面进行处理并制作散斑包括：
将试样表面用油化器清洗剂去除试样表面上的油污，再用无水乙醇将表面擦拭一遍，待试样表面干燥后，在试样表面均匀涂覆一层棕色的耐高温无机胶，并在高温无机胶上利用喷笔均匀喷涂一层氧化铝颗粒，在室温下固化至少24小时，从而制得耐高温的散斑。
本发明另一方面提供一种高温蠕变断裂实验装置，包括高温蠕变试验机、加热装置以及与所述高温蠕变试验机和加热装置通信连接的控制装置，所述高温蠕变试验机上装夹有试样，所述试样位于所述加热装置中，其特征在于，所述控制装置还与一非接触式光学测量装置通信连接，该非接触式光学测量装置的测量范围覆盖所述试样的轴向长度。
进一步地，所述非接触式光学测量装置包括光源、至少一个相机、同步触发器和图像采集分析装置，所述非接触式光源和所述相机对准所述试样，所述相机的镜头前设置有滤光片，所述图像采集分析装置与所述相机通信相连，所述同步触发器与所述相机通信相连，所述控制装置与所述同步触发器通信相连。
进一步地，所述相机为两个，且两个相机的镜头中心线的夹角范围为20°-40°。
本发明的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法及装置，通过采用拉伸剪切组合试样、光滑圆棒试样和圆棒缺口试样，仅在拉伸载荷下即可开展宽范围的应力状态下的高温蠕变实验，从而为损伤模型的建立提供实验数据支持；通过受力分析法确定试样的加载载荷，相比有限元方法，计算更简单和方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的拉伸剪切组合试样的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的光滑圆棒试样的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的圆棒缺口试样的结构示意图；
图5为图2中的拉伸剪切组合试样的缺口部位受力状态图；
图6为本发明另一实施例提供的高温蠕变断裂实验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，包括以下步骤：
S1：提供一试样，对试样表面进行处理并制作散斑。
具体的，将试样表面用化油器清洗剂去除掉试样表面上的油污，再用无水乙醇将表面擦拭一遍，待试样表面干燥后，在试样表面均匀涂覆一层棕色的耐高温无机胶，并在高温无机胶上利用喷笔均匀喷涂一层氧化铝颗粒，在室温下固化至少24小时，从而制得耐高温的散斑。
在本实施例中，所述耐高温无机胶选择深圳市鑫威电子材料有限公司生产的粉液双组份无机胶S524，该无机胶可以耐受1200℃的高温，粉末与液体的添加比例为1.5～2：1，该无机胶具有韧性可加工，其线膨胀系数与铜及不锈钢接近的优点，当然，也可选择其它具有类似特性的无机胶。
如图2-图4所示，试样包括拉伸剪切组合试样(TSS)31、光滑圆棒试样(SRB)32和圆棒缺口试样(NRB)33三种，分别对这三种试样进行蠕变断裂实验，以涵盖较大范围内的应力三轴度和罗德参数。拉伸剪切组合试样31采用公布号为CN109855963A的中国专利申请中的试样，光滑圆棒试样32和圆棒缺口试样33均为现有技术中常规试样，它们的结构在此不再赘述。
S2：通过受力分析方法确定不同试样的实验加载条件以及应力状态。
具体的，试样的应力状态一般用应力三轴度和罗德参数表示，它们定义为：
其中，η为应力三轴度，μ为罗德参数，σm为静水压力，σe为米塞斯应力(即Mises应力)，σ1，σ2，σ3分别为第一主应力，第二主应力，第三主应力。
对于TSS 31，通过改变缺口中心线与试样轴线的夹角α，在仅在单向拉伸的加载情况下，在缺口部位将承受不同的拉伸剪切组合受力状态，进而可以获得不同的低应力三轴度和罗德参数，缺口部位的受力状态如图5所示，其应力分量可根据下式(3)-(4)近似计算：
其中S为缺口根部最小横截面积，F为加载载荷。
三个主应力、平均应力和米塞斯应力分别通过式(5)-(7)计算：
根据式(1)-(2)计算TSS 31的应力三轴度和罗德参数为：
根据式(3)、(4)和(7)可得：
对于SRB 32和NRB 33，其罗德参数恒等于-1，而光滑圆棒试样SRB 32的应力三轴度恒为1/3，NRB 33的应力三轴度通过Bridgman给出的如下近似公式计算：
η＝1/3+ln(1+a/2R) (11)
其中，a为最小横截面半径，R为缺口半径。
SRB 32和NRB 33的加载载荷按照下式计算：
F＝σe*S (12)
其中，F为加载载荷，S为最小横截面积。
当实验给定米塞斯应力水平大小后，可根据式(10)和(12)分别确定TSS 31、SRB32和NRB 33所需要的加载载荷F。
此外，对于TSS 31，通过改变预设夹角α，还可以研究相同主应力σ下，不同切应力τ对蠕变性能的影响，其加载载荷通过式(13)可得：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，σ为主应力，α为试样的缺口中心线与轴线的夹角。
通过改变预设夹角α，还可以研究相同切应力τ下，不同主应力σ对蠕变性能的影响，其加载载荷通过式(14)可得：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，τ为切应力，α为试样的缺口中心线与轴线的夹角。
拉伸剪切组合试样(TSS)31、光滑圆棒试样(SRB)32和圆棒缺口试样(NRB)33三种试样所涵盖的应力三轴度范围为0-2，罗德参数为-1-0。
S3：将试样装夹于一高温蠕变断裂实验装置中，对试样加载S2中所确定的加载载荷，设定实验温度，进行高温蠕变实验，并记录实验数据。
具体的，实验温度可根据实际材料服役温度进行设置。高温蠕变断裂实验装置可包括加热装置和温控装置，在实验过程中，通过加热装置对试样进行加热升温，通过温控装置对温度实时监测进而保证实验温度恒定。
实验数据包括实验过程中的轴向位移、实验时间、实验温度、加载载荷以及实验过程中的试样图片，实验数据的采集频率可自行设置，在本实施例中，采集频率为每五分钟采集一次。
高温蠕变断裂实验装置可包括高温蠕变试验机、控制装置、加热装置、轴向变形测量装置和非接触式光学测量装置，试样的轴向位移可通过轴向变形测量装置测量，试样图片则由非接触式光学测量装置采集，控制装置则控制所有实验数据的采集，该高温蠕变断裂实验装置可以开展最高为1200℃温度下的高温蠕变实验。
非接触式光学测量装置为非接触式三维应变测量系统，用于采集并记录实验过程中的图片，其包括光源、相机、图像采集分析装置和同步触发器，光源和相机均对准试样，光源可采用蓝色LED光源，相机的镜头前均设置有滤光片，图像采集分析装置与相机通信连接，相机采集的图片传输至图像采集分析装置后进行记录分析，同步触发器与相机通信相连，用于控制相机的开启和图像采集，以实现蠕变时间和图像一一对应，进而得到不同蠕变时刻下的应变场。控制装置与同步触发器通信相连，用于控制非接触式光学测量装置。
为了保证非接触式光学测量装置测量的精确性以及对不同试样的变形和应变场进行测量，相机可以设置为两个，且两个相机镜头中心线的夹角范围为20°-40°，调节非接触式光学测量装置与试样之间的距离，调节蓝色LED光源强度和相机光圈，使得试样能够清晰的成像，通过同步触发器控制两个相机的开启与图像采集，同步触发器与控制装置通信相连，当控制装置采集一组轴向位移、实验时间、实验温度、加载载荷的时候，通过同步触发器令相机采集试样照片一次。为了保证光学测量装置能够在高温环境下工作，通过在相机前面加入滤光片和使用蓝色LED光源的方式，来解决高温环境下热辐射对成像影响的问题。其中滤光片选择MOS公司的BP470，其可通过波长带宽为425nm-495nm，蓝色光源的波长为450nm。
S4：处理和分析实验数据，获得试样的轴向变形随时间变化的高温蠕变曲线和应变场分布。
其中，轴向位移为试样标距段内的相对位移的平均值，时间为S3中记录的实验时间。采用非接触式光学测量装置中的图像采集分析装置中的图像分析软件处理实验采集到的图像，得到不同时刻对应的全场应变图像以及断裂应变，断裂应变采用试样完全断裂前最后一张应变分析结果的断裂应变，断裂应变提取的位置为中心位置。
本实施例提供反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，通过采用拉伸剪切组合试样、光滑圆棒试样和圆棒缺口试样，仅在拉伸载荷下即可开展宽范围的应力状态下的高温蠕变实验，从而为损伤模型的建立提供实验数据支持；通过受力分析法确定试样的加载载荷，计算更方便。
实施例二
如图6所示，本发明提供一种高温蠕变断裂实验装置，其可用于对实施例一中的试样进行高温蠕变实验，从而获得试样的轴向变形随时间变化的高温蠕变曲线和应变场分布，其包括高温蠕变试验机1、加热装置、控制装置2、轴向变形测量装置和非接触式光学测量装置4，其中，高温蠕变试验机1可以选用中机试验装备有限公司的RDL50型号的电子高温蠕变试验机，其具有上夹头11、下夹头12和加载电机13，上夹头11和下夹头12之间装夹有试样3，加载电机13用于对试样3进行加载，从而完成蠕变断裂实验。非接触式光学测量装置4为非接触式三维应变测量系统，用于采集并记录实验过程中的图片，其包括光源41、相机42、图像采集分析装置43和同步触发器44，光源41为蓝色LED光源，对准试样3，相机42可以设为两个，均对准试样3，每个相机42的镜头前均设置有滤光片421，图像采集分析装置43与两个相机42通信连接，相机42采集的图片传输至图像采集分析装置43后进行记录分析，同步触发器44与两个相机42通信相连，用于控制两个相机42的开启和图像采集，以实现蠕变时间和图像一一对应，进而得到不同蠕变时刻下的应变场，该高温蠕变断裂实验装置可以开展最高为1200℃温度下的高温蠕变实验。
为了保证非接触式光学测量装置测量4的精确性以及不同试样的变形和应变场进行测量，两个相机42的镜头中心线的夹角范围为20°～40°，调节非接触式光学测量装置4与试样3之间的距离，调节蓝色LED光源强度和相机光圈，使得试样3能够清晰的成像，当控制装置2采集一组轴向位移、实验时间、实验温度、加载载荷等实验数据的时候，通过同步触发器44令相机42采集试样照片一次。为了保证非接触式光学测量装置4能够在高温环境下工作，通过在相机前面加入滤光片421和使用蓝色LED光源的方式，来解决高温环境下热辐射对成像影响的问题。其中滤光片选择MOS公司的BP470，其可通过波长带宽为425nm-495nm，蓝色光源的波长为450nm。
该高温蠕变断裂实验装置还包括加热装置，用于对试样3进行加热，以满足高温条件，加热装置包括高温炉51、热电偶52和温控装置53，试样3位于高温炉51内，热电偶52可设为三组，分别通过高温石棉绳固定在试样3的上部、中部和下部，高温炉51上开有可视化窗口511，其由石英玻璃制成，由于高温蠕变实验的周期较长，最长的有几千个或上万个小时，为避免温度的改变对成像质量的影响，高温炉51上还设有窗口水冷系统512，从而对可视化窗口511进行降温，温控装置53与高温炉51和热电偶52通信连接，用于监测高温炉内的实时温度，保证实验过程中温度恒定。
高温蠕变试验机1还设置有固定支架7，光源41和相机42固定在该固定支架7上，并使它们位于高温炉51的可视化窗口511前面，这样可使光源41和相机42稳固的摆放在高温炉51前面，提高稳定性。此外，固定支架7可实现上下移动，前后移动，并设有标尺，以精确测量前后或上下移动的距离。
下夹头12的下端设有力传感器14，用于实时测量实验过程中的加载载荷F。
试样3上还夹持有轴向变形测量装置，包括一对上引伸杆61、一对下引伸杆62以及固定在下引伸杆62上的两个光栅测微仪63，上引伸杆61和下引伸杆62分别卡接在试样3上，并伸出至高温炉51外，光栅测微仪63通过螺栓固定在下引伸杆62的底端，且其测量端正对上引伸杆61的底端，试样3的轴向变形通过上引伸杆61和下引伸杆62从高温炉51引出并通过光栅测微仪63测量。在本实施例中，光栅测微仪63为两个，以一次性测出试样3双侧的变形，从而减小实验数据的误差。
高温蠕变试验机1、光栅测微仪63、温控装置53、同步触发器44均与控制装置2通信相连，通过控制装置2对高温蠕变试验机1进行控制，采集、监测并存储实验过程中的加载载荷、实验时间、试样的轴向位移、实验温度和图像等数据。
本发明实施例提供的高温蠕变断裂实验装置，通过采用拉伸剪切组合试样31、光滑圆棒试样32和圆棒缺口试样33，仅在拉伸载荷下即可开展宽范围的应力状态下的高温蠕变实验，从而为损伤模型的建立提供实验数据支持；通过受力分析法确定试样3的加载载荷，相比有限元方法，计算更简单和方便。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (7)
1.一种反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一试样，对所述试样表面进行处理并制作散斑，包括：
将试样表面用油化器清洗剂去除试样表面上的油污，再用无水乙醇将表面擦拭一遍，待试样表面干燥后，在试样表面均匀涂覆一层棕色的耐高温无机胶，并在高温无机胶上利用喷笔均匀喷涂一层氧化铝颗粒，在室温下固化至少24小时，从而制得耐高温的散斑；
所述试样包括拉伸剪切组合试样、光滑圆棒试样和圆棒缺口试样，所述试样所涵盖的应力三轴度范围为0～2，罗德参数为-1～0；
S2：通过受力分析方法确定所述试样的加载载荷以及应力状态；所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
所述光滑圆棒试样和圆棒缺口试样的加载载荷满足如下关系式：
F＝σe*S
其中，F为加载载荷，S为试样的最小横截面积，σe为米塞斯应力，α为试样缺口中心线与轴线的夹角；
S3：将所述试样装夹于一高温蠕变断裂实验装置中，对所述试样加载S2中所确定的加载载荷，设定实验温度，进行高温蠕变实验，并记录实验数据；
S4：处理和分析所述实验数据，获得所述试样的轴向变形随时间变化的高温蠕变曲线和应变场分布。
2.根据权利要求1所述的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，其特征在于，根据所述受力分析方法 ，在相同主应力σ，不同切应力τ下，所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，σ为主应力，α为试样的缺口中心线与轴线的夹角。
3.根据权利要求1所述的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，其特征在于，根据所述受力分析方法 ，在相同切应力τ，不同主应力σ下，所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
其中，F为加载载荷，S为试样缺口处的最小横截面积，τ为切应力，α为试样缺口中心线与轴线的夹角。
4.根据权利要求1所述的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，其特征在于，所述高温蠕变断裂实验装置包括非接触式光学测量装置，非接触式光学测量装置的测量范围覆盖所述试样的轴向长度。
5.根据权利要求4所述的反映多轴应力作用的高温蠕变断裂实验方法，其特征在于，所述非接触式光学测量装置包括光源、相机、同步触发器和图像采集分析装置，所述光源和所述相机对准所述试样，所述相机的镜头前设置有滤光片，所述图像采集分析装置与所述相机通信相连，所述同步触发器与所述相机通信相连。
6.一种高温蠕变断裂实验装置，包括高温蠕变试验机、加热装置以及与所述高温蠕变试验机和加热装置通信连接的控制装置，所述高温蠕变试验机上装夹有试样，所述试样位于所述加热装置中，其特征在于，所述控制装置还与一非接触式光学测量装置通信连接，该非接触式光学测量装置的测量范围覆盖所述试样的轴向长度，所述试样包括拉伸剪切组合试样、光滑圆棒试样和圆棒缺口试样，所述试样所涵盖的应力三轴度范围为0～2，罗德参数为-1～0；所述拉伸剪切组合试样的加载载荷满足如下关系式：
所述光滑圆棒试样和圆棒缺口试样的加载载荷满足如下关系式：
F＝σe*S
其中，F为加载载荷，S为试样的最小横截面积，σe为米塞斯应力，α为试样缺口中心线与轴线的夹角；
所述非接触式光学测量装置包括光源、至少一个相机、同步触发器和图像采集分析装置，所述光源和所述相机对准所述试样，所述相机的镜头前设置有滤光片，所述图像采集分析装置与所述相机通信相连，所述同步触发器与所述相机通信相连，所述控制装置与所述同步触发器通信相连，所述光源为蓝色LED光源。
7.根据权利要求6所述的高温蠕变断裂实验装置，其特征在于，所述相机为两个，且两个相机的镜头中心线的夹角范围为20°-40°。
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