CN113125285B - 一种cct试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置 - Google Patents

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Abstract

一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，包括待测试样、供液组件和环境供给组件，环境供给组件包括分装式腐蚀盒、连接螺栓和硅胶垫片，分装式腐蚀盒由左右对称设置的两个介质盒构成。本发明能够为CCT试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验提供稳定、可靠的腐蚀溶液环境，使CCT试样的裂纹缺口在试验过程中始终全部浸没在腐蚀溶液中，尤其适用于含饱和气体（如CO2、N2等）的腐蚀溶液，能够很好的保证腐蚀溶液在试验过程中的稳定性、均一性和可靠性，可使腐蚀环境中CCT试样裂纹扩展速率试验在实验室有效开展，以提高试验的可靠性和有效性。

Description

一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置
技术领域
本发明涉及金属材料腐蚀疲劳裂纹扩展检测技术领域，具体的说是一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置。
背景技术
JC关键部件材料由于长期服役在Cl-环境中，期间会承受来自波浪和海流的交变载荷作用，存在潜在的腐蚀疲劳失效风险。腐蚀疲劳裂纹扩展试验是一种基于断裂力学Paris公式发展起来的检测项目，用于含裂纹材料在腐蚀环境下的疲劳寿命预测和分析，对于海洋工程材料的安全服役具有重要的指导意义。疲劳裂纹扩展速率试验中试样常用的形式有三种：紧凑拉伸试样（CT）、中心裂纹拉伸试样（CCT）和单边缺口拉伸试样（SENT），其中，CCT试样由于裂尖拘束作用较小，在预制疲劳裂纹过程中裂纹尖端不易产生屈曲，故适用于薄板材料。因此，开展CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验，对于JC关键部件薄板材料的腐蚀疲劳性能评价更具有指导意义。
CCT试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验，一般是对处于腐蚀溶液环境中的试样进行疲劳加载，获取试样在不同疲劳循环周次N下的裂纹长度a，再通过七点拟合法或割线法得到材料的da/dN曲线及方程。由于试验中的裂纹长度a可由精度高、可靠性好的目测法获取，疲劳循环周次N可由疲劳试验机采集，七点拟合法或割线法均为较成熟的数据处理方法。因此，开展此项试验的关键是如何实现稳定、可靠的CCT试样的腐蚀溶液环境，并在试样疲劳加载过程中保证腐蚀溶液循环稳定。
专利CN104931373A公开了一种腐蚀疲劳裂纹扩展试验装置，适用于柔度法测量材料的腐蚀疲劳裂纹扩展速率及门槛值；专利CN1587988公开了一种测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及试验方法，在其试样远离裂纹扩展面的上侧采用整体设计的方法设置有电子引伸计的装卡刀口；以上方法均适用于CT试样，但对于CCT试样并不适用。北京航空材料研究院的朱亦钢发表的《柔度方法测量中心裂纹试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率》论文，提出了一种腐蚀环境下的裂纹测量装置，该装置通过腐蚀盒和COD规的配合使用，实现了腐蚀环境下CCT试样裂纹的自动读取。但在该方法和装置中，COD规价格昂贵，使其长时间接触腐蚀溶液，不仅会造成COD规的腐蚀损坏，还会影响裂纹测量精度。
因此，如何设置相应的装置结构，使其能够为CCT试样提供稳定、可靠的循环式腐蚀溶液环境，且试验成本较低、裂纹测量精度高，对于JC关键部件薄板材料的腐蚀疲劳性能评价来说具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的技术目的为：提供一种能够为CCT试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验提供稳定、可靠的腐蚀溶液环境，使CCT试样的裂纹缺口在试验过程中始终全部浸没在腐蚀溶液中，尤其适用于含饱和气体（如CO2、N2等）的腐蚀溶液，能够很好的保证腐蚀溶液在试验过程中的稳定性、均一性和可靠性，可使腐蚀环境中CCT试样裂纹扩展速率试验在实验室有效开展的试验装置，来提高试验的可靠性和有效性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，包括待测试样、供液组件和环境供给组件，其中，所述的待测试样竖直设置，在待测试样的中部设置有裂纹缺口，待测试样的顶端和底端分别承受向上和向下的疲劳载荷，所述的供液组件包括腐蚀槽、液压泵、进液管路和出液管路，液压泵安装在腐蚀槽的内部，且液压泵的出液口与进液管路的一端连接，进液管路的另一端连接在环境供给组件上，出液管路的一端接腐蚀槽，另一端也连接在环境供给组件上，所述的环境供给组件包括分装式腐蚀盒、连接螺栓和硅胶垫片，分装式腐蚀盒由左右对称设置的两个介质盒构成，所述的介质盒呈竖直板状结构，每个介质盒在其朝向待测试样一侧的中心处均开设有一个凹槽，该凹槽的宽度小于待测试样的宽度，而介质盒的宽度大于待测试样的宽度，在介质盒上还开设有多个螺纹通孔，两个介质盒通过连接螺栓和螺纹通孔对接设置在待测试样的左右两侧，使分装式腐蚀盒内部的两个凹槽共同组构成一个用于盛装腐蚀溶液、为待测试样的裂纹缺口提供封闭式腐蚀溶液环境的腐蚀腔，在两个介质盒上位于腐蚀腔上部的位置，还分别设置有用于连接进液管路的腐蚀溶液进口和用于连接出液管路的腐蚀溶液出口，该腐蚀溶液进口和腐蚀溶液出口所处的水平面均高于裂纹缺口所处的水平面，所述硅胶垫片的个数为两个，每个硅胶垫片垫设在一个介质盒与待测试样之间，且硅胶垫片的中部也开设有与介质盒上凹槽大小相匹配的通孔。
优选的，所述的介质盒由透明材质制成。
优选的，所述的腐蚀溶液进口和腐蚀溶液出口位于同一水平面内，且均位于试样裂纹缺口的上部。
优选的，所述介质盒上的凹槽和硅胶垫片上开设的通孔均呈矩形结构。
优选的，所述每个介质盒上螺纹通孔的个数为四个，且四个螺纹通孔左右对称设置在介质盒的四角处。
优选的，所述分装式腐蚀盒内部的两个凹槽共同组构成一个封闭式环境腔，可为试样提供含饱和气体（如CO2、N2等）腐蚀溶液的试验环境。
有益效果：
1、本发明的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，结构简单、设计合理，使用方便。装置中通过分装式腐蚀盒、硅胶垫片及连接螺栓等结构的设置，有效、可靠地实现了CCT试样的封闭式腐蚀溶液环境，通过“上进上出”的腐蚀溶液进口、腐蚀溶液出口的设计，可使CCT试样的裂纹缺口在试验过程中始终全部浸没在腐蚀溶液中，通过进液管路、出液管路、液压泵及腐蚀槽的连通式设计实现腐蚀溶液的稳定、可靠循环。整体的封闭式环境尤其适用于含饱和气体（如CO2、N2等）腐蚀溶液的裂纹扩展速率试验，能够很好的保证腐蚀溶液在试验过程中的稳定性、均一性和可靠性，可使腐蚀环境中CCT试样裂纹扩展速率试验在实验室有效开展，也为金属材料CCT试样在腐蚀溶液中裂纹扩展速率试验的开展提供了重要的技术支持。
2、本发明的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，在为CCT试样提供稳定、可靠的循环式腐蚀溶液环境的同时，可通过透明质的介质盒配合目测法肉眼读取裂纹的长度变化，因此，试验成本较低、影响因素较少、裂纹测量精度高，对于JC关键部件薄板材料的腐蚀疲劳性能评价来说具有极其重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中环境供给组件和待测试样的结构示意爆炸图；
图3为本发明中环境供给组件和待测试样的结构示意剖视图；
图4为本发明实施例1中CCT试样的结构示意图；
图5为本发明实施例1中CCT试样的裂纹扩展速率da/dN曲线；
附图标记：1、分装式腐蚀盒；2、连接螺栓；3、硅胶垫片；4、待测试样；5、裂纹缺口；6、出液管路；7、进液管路；8、液压泵；9、腐蚀槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。
一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，包括待测试样4、供液组件和环境供给组件，其中，所述的待测试样4竖直设置，在待测试样4的中部设置有裂纹缺口5，待测试样4的顶端和底端分别承受向上和向下的疲劳载荷，所述的供液组件包括腐蚀槽9、液压泵8、进液管路7和出液管路6，液压泵8安装在腐蚀槽9的内部，且液压泵8的出液口与进液管路7的一端连接，进液管路7的另一端连接在环境供给组件上，出液管路6的一端接腐蚀槽9，另一端也连接在环境供给组件上，所述的供液组件经由液压泵8、进液管路7和出液管路6将腐蚀槽9内的腐蚀溶液输送至环境供给组件的内部后再输送回腐蚀槽9内，所述的环境供给组件包括分装式腐蚀盒1、连接螺栓2和硅胶垫片3，分装式腐蚀盒1由左右对称设置的两个介质盒构成，所述的介质盒由透明有机玻璃材质制成，介质盒呈竖直板状结构，每个介质盒在其朝向待测试样4一侧的中心处均开设有一个凹槽，该凹槽的宽度小于待测试样4的宽度，而介质盒的宽度大于待测试样4的宽度，在介质盒上还左右对称开设有四个螺纹通孔，且四个螺纹通孔设置在介质盒的四角处，两个介质盒通过连接螺栓2和螺纹通孔对接设置在待测试样4的左右两侧，使分装式腐蚀盒1内部的两个凹槽共同组构成一个用于盛装腐蚀溶液、为待测试样4的裂纹缺口5提供封闭式腐蚀溶液环境的腐蚀腔，在两个介质盒上位于腐蚀腔上部的位置，还分别设置有用于连接进液管路7的腐蚀溶液进口和用于连接出液管路6的腐蚀溶液出口，该腐蚀溶液进口和腐蚀溶液出口所处的水平面均高于裂纹缺口5所处的水平面，且腐蚀溶液进口和腐蚀溶液出口位于同一水平面内，所述硅胶垫片3的个数为两个，每个硅胶垫片3垫设在一个介质盒与待测试样4之间，且硅胶垫片3的中部也开设有与介质盒上凹槽大小相匹配的通孔。
本发明的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置的设计思路为：根据CCT试样的加载方式和试样缺口特点，设计分装式有机玻璃腐蚀盒，配合硅胶垫片及连接螺栓实现CCT试样的腐蚀溶液环境；利用“上进上出”的进、出水设计，实现CCT试样缺口及裂纹全部浸没在腐蚀溶液中；利用导管、液压泵及腐蚀槽的连接设计，实现CCT试样腐蚀溶液的稳定循环。
本发明的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置在设计要主要包括以下两个关键环节：
关键环节1：实现CCT试样在裂纹扩展速率试验中的腐蚀溶液环境
在裂纹扩展试验中，CCT试样两端承受疲劳载荷，缺口位于试样中心位置，如图2所示。若要实现CCT试样的腐蚀溶液环境，则需要借助分装式腐蚀盒使试样的裂纹缺口处于腐蚀溶液环境中。通过分装式腐蚀盒装卡于试样两个表面，腐蚀盒和试样接触部分采用硅胶垫片密封，通过四个连接螺栓在腐蚀盒四个角连接并固定两个分装式腐蚀盒，即可使CCT试样的缺口处于一个密封空间，向该空间充入腐蚀溶液即可实现CCT试样的腐蚀溶液环境。
关键环节2：实现CCT试样缺口及裂纹全部浸没在腐蚀溶液中
在向CCT试样裂纹缺口所在空间充水的基础上，实现CCT试样腐蚀溶液环境的关键是确保试样缺口及裂纹全部浸没在腐蚀溶液中。本发明通过“上进上出”的进、出水口设计，使CCT试样的缺口及裂纹在腐蚀溶液循环过程中始终全部浸没其中，如图3所示，可实现CCT试样缺口及裂纹的腐蚀溶液环境。
如图1所示，本发明的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置在具体使用时，先将分装式腐蚀盒采用连接螺栓分别固定在待测试样的前后两个表面，调整两个介质盒的位置，使CCT试样的裂纹缺口位于腐蚀腔的中心，介质盒和待测试样接触的部分采用硅胶垫片密封。之后，将连接进液管路的液压泵置于腐蚀槽中，进液管路的另一端连接分装式腐蚀盒的腐蚀溶液进口，接通液压泵电源即可为分装式腐蚀盒内的腐蚀腔注入腐蚀溶液；出液管路连接分装式腐蚀盒的腐蚀溶液出口，待腐蚀腔中溶液液面升高到腐蚀溶液出口高度时，腐蚀溶液即可自然流出，又返回至腐蚀槽中。这样该装置就可为CCT试样提供循环稳定的腐蚀溶液环境。
实施例1
本实施例以5XXX系铝合金作为试验材料，选用的腐蚀溶液为3.5%的NaCl溶液，试验温度为23~25℃，环境相对湿度为40~50%，试样类型为CCT试样，且该CCT试样的形状如附图4所示，具体尺寸为：试样长度为330mm，宽度为100 mm，厚度为8mm；裂纹缺口位于CCT试样的正中心处，裂纹缺口的竖直长度为9mm，水平宽度为0.2mm，中心通孔的直径为2mm。
对上述CCT试样进行3.5%NaCl溶液中的CCT裂纹扩展速率da/dN试验。具体的试验方法为：
①预制疲劳裂纹：在液压伺服疲劳试验机上，对CCT试样预制疲劳裂纹，最大应力强度因子F fmax 设为20kN，应力比R设为0.1，加载频率f设为10Hz。
②装卡腐蚀试验装置：将分装式腐蚀盒采用连接螺栓分别固定在待测试样的前后两个表面，调整介质盒位置使CCT试样的裂纹缺口位于腐蚀腔的中心，介质盒和待测试样接触的部分采用硅胶垫片密封；将连接进液管路的液压泵置于腐蚀槽中，进液管路的另一端连接腐蚀盒的进水口，出液管路连接腐蚀盒的出水口。
③CCT裂纹扩展da/dN试验:待试样在腐蚀溶液装置中静置一段时间后，设置最大加载载荷F max 为13kN，应力比R为0.1，加载频率f为5Hz，每隔10000循环周次肉眼读数并记录试样的左、右裂纹长度。
④采用七点拟合法得到材料的da/dN曲线及方程。
上述试验的试验结果如下：
1、试验环境监测记录
在试验过程中，对试样的腐蚀溶液环境进行监测，记录见表1。
表 1 试验环境监测记录
试验环境 腐蚀溶液环境
试验要求 3.5%NaCl溶液环境
监测结果 CCT试样缺口及裂纹全部浸没在3.5%NaCl溶液中，溶液循环顺畅，腐蚀盒无渗漏。
2、CCT裂纹扩展速率da/dN曲线
对本实施例的5XXX系铝合金在3.5%NaCl溶液中获得的裂纹扩速率展da/dN曲线进行绘制如附图5所示。
3、Paris方程
得到的Paris方程为da/dN=2.12×10-6×(∆K)2.9230 (R=0.9898)。

Claims (5)

1.一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，包括待测试样（4）、供液组件和环境供给组件，其中，所述的待测试样（4）竖直设置，在待测试样（4）的中部设置有裂纹缺口（5），待测试样（4）的顶端和底端分别承受向上和向下的疲劳载荷，所述的供液组件包括腐蚀槽（9）、液压泵（8）、进液管路（7）和出液管路（6），液压泵（8）安装在腐蚀槽（9）的内部，且液压泵（8）的出液口与进液管路（7）的一端连接，进液管路（7）的另一端连接在环境供给组件上，出液管路（6）的一端接腐蚀槽（9），另一端也连接在环境供给组件上，其特征在于：所述的环境供给组件包括分装式腐蚀盒（1）、连接螺栓（2）和硅胶垫片（3），分装式腐蚀盒（1）由左右对称设置的两个介质盒构成，所述的介质盒呈竖直板状结构，每个介质盒在其朝向待测试样（4）一侧的中心处均开设有一个凹槽，该凹槽的宽度小于待测试样（4）的宽度，而介质盒的宽度大于待测试样（4）的宽度，在介质盒上还开设有多个螺纹通孔，两个介质盒通过连接螺栓（2）和螺纹通孔对接设置在待测试样（4）的左右两侧，使分装式腐蚀盒（1）内部的两个凹槽共同组构成一个用于盛装腐蚀溶液、为待测试样（4）的裂纹缺口（5）提供封闭式腐蚀溶液环境的腐蚀腔，在两个介质盒上位于腐蚀腔上部的位置，还分别设置有用于连接进液管路（7）的腐蚀溶液进口和用于连接出液管路（6）的腐蚀溶液出口，该腐蚀溶液进口和腐蚀溶液出口所处的水平面均高于裂纹缺口（5）所处的水平面，所述硅胶垫片（3）的个数为两个，每个硅胶垫片（3）垫设在一个介质盒与待测试样（4）之间，且硅胶垫片（3）的中部也开设有与介质盒上凹槽大小相匹配的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，其特征在于：所述的介质盒由透明材质制成。
3.根据权利要求1所述的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，其特征在于：所述的腐蚀溶液进口和腐蚀溶液出口位于同一水平面内。
4.根据权利要求1所述的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，其特征在于：所述介质盒上的凹槽和硅胶垫片（3）上开设的通孔均呈矩形结构。
5.根据权利要求1所述的一种CCT试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验用装置，其特征在于：所述每个介质盒上螺纹通孔的个数为四个，且四个螺纹通孔左右对称设置在介质盒的四角处。
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