CN113376042A - 确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，将微试样测试技术和无损检测技术进行结合，采用小冲杆试验法和声发射技术来确定缺口试样的裂纹起始点，可在室温和高温环境下确定裂纹起始点，为后续的试验工作，如测定材料断裂性能以及蠕变裂纹扩展试验通过一种更精确的方法，用于预缺口小冲杆试样确定金属材料裂纹起始点方法相比于直接通过载荷‑位移曲线最高点确定裂纹起始点的方法，精度更高。

Description

确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法
技术领域
本发明属于材料性能测量技术领域，具体涉及一种确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法。
背景技术
许多核电厂部件都处于恶劣的环境中，在这种环境中，材料会随着时间的推移而损伤退化。这种材料退化会导致裂纹的产生和扩展，在严重的情况下，一旦裂纹达到临界尺寸，就会导致快速或灾难性的失效。为了确保结构的完整性，我们需要频繁的定期对部件进行检查。
现阶段设备力学性能检测主要包括无损检测和破坏取样检测。无损检测主要包括磁粉检测、超声波检测及声发射检测等；破坏取样检测主要采用标准试样进行力学性能测试。
但是传统的破坏取样检测会对原有设备造成破坏，严重时会降低原有设备寿命；而无损检测只能判断材料内部是否有损伤存在及损伤的大小，不能定量评价材料的力学性能。
目前的大部分小冲杆测试采用无缺口的小冲杆试样进行常规力学性能测试，如测定材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、蠕变性能以及断裂性能等。近年来，开始出现带缺口的小冲杆试样测量材料断裂性能的试验方法，但是这些方法一般采用载荷-挠度曲线的最高点作为裂纹的起始点，采用这种方式会对实验结果产生较大误差。大量的实验表明，裂纹在扩展前会先有一个孕育期，当加载经过一定时间后才出现裂纹长度的增加。一些方法会采用微摄像头对实验过程进行捕捉，但是由于实验装置和试样体积微小，不宜安装，且微摄像头在较高温度时易损坏。
因此，需要一种能够确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，包括以下步骤:
S1：从设备或试料采取并制备用于确定裂纹起始点的多个圆形试样，对试样的表面进行抛光，并进行硬度测试；
S2：在试样上加工预制缺口，预制缺口为在试样中心部分加工一个贯穿厚度型缺口；
S3：冲将圆形样品水平放置在冲压试验设备的下夹具的凹槽中，同时将冲头放在冲压试验设备的上夹具冲孔和试样之间，然后安装上夹具；上夹具和下夹具分别由圆形夹持器固定，冲头安装在冲杆下方，夹持器防止试样在冲压过程中向上弯曲，使变形集中在冲头下方的区域，在下夹具是安装声发射传感器；
S4：以恒定的冲压位移速率对预制缺口的试样进行冲压，获取不同材料的多条载荷-位移曲线，声发射传感器通过分析收集击波数据（单个信号）以及载荷和位移数据精确确定试样裂纹的起始点；
S5：声发射传感器在收到频度高且集中的信号时，可中断试验过程使用扫描电镜分析样品，以验证声发射传感器确定试样裂纹起始点的准确性。
进一步的，夹持器之间采用螺纹连接以确保所有实验中的夹紧力一致，从而保证冲头、试样和模具轴的对准，消除载荷偏心率对实验结果的影响。
进一步的，所述冲头径为2.5毫米。
进一步的，所述声发射传感器通过耦合剂安装在下夹具上。
进一步的，所述耦合剂采用氰基丙烯酸酯
进一步的，在步骤S1中，试样的制备方法为：用线切割机切割圆形试样尺寸为半径10 mm、直径公差为±0.1mm、初始厚度为1mm的矩形试样，将试样的上下表面分别依次在600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#不同粒度的砂纸上进行机械抛光，磨制试样厚度到达0.5mm，厚度公差为±0.005mm，再使用超声波对试样进行清洗，使其表面达到镜面级别。
进一步的，在步骤S1中，硬度测试在钢和铝合金试样的三个任意位置进行；采用的硬度测试机的负载为5kgf，压印时间为15s；采用维氏硬度测定法，从边缘读取一个读数，然后再朝向中心的两个点处，从中心读取另一个读数，以验证线切割过程对样品边缘的影响。
进一步的，在步骤S2中，预制缺口的制备方法为：在多个试样上，分别在试样中心部分加工出的一个贯穿厚度型缺口，裂尖半径做成20μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：所需材料的体积小、试验取材对设备的损伤少，确定试样裂纹起始点的精度高。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1是试样的结构示意图。
图2是冲压试验设备的结构示意图一。
图3是冲压试验设备的结构示意图二。
图4是声发射装置原理图。
图中：1-冲杆；2-上夹具；3-冲头；4-试样；5-下压具；6-声发射传感器；7-预制缺口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-4所示，一种确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，包括以下步骤:
S1：从设备或试料采取并制备用于确定裂纹起始点的多个圆形试样，对试样的表面进行抛光，并进行硬度测试；
S2：在试样上加工预制缺口，预制缺口为在试样中心部分加工一个贯穿厚度型缺口；
S3：冲将圆形样品水平放置在冲压试验设备的下夹具的凹槽中，同时将冲头放在冲压试验设备的上夹具冲孔和试样之间，然后安装上夹具；上夹具和下夹具分别由圆形夹持器固定，冲头安装在冲杆下方，夹持器防止试样在冲压过程中向上弯曲，使变形集中在冲头下方的区域，在下夹具是安装声发射传感器；
S4：以恒定的冲压位移速率对预制缺口的试样进行冲压，获取不同材料的多条载荷-位移曲线，声发射传感器通过分析收集击波数据（单个信号）以及载荷和位移数据精确确定试样裂纹的起始点；
S5：声发射传感器在收到频度高且集中的信号时，可中断试验过程使用扫描电镜分析样品，以验证声发射传感器确定试样裂纹起始点的准确性。
在本实施例中，夹持器之间采用螺纹连接以确保所有实验中的夹紧力一致，从而保证冲头、试样和模具轴的对准，消除载荷偏心率对实验结果的影响。
在本实施例中，所述冲头径为2.5毫米。
在本实施例中，所述声发射传感器通过耦合剂安装在下夹具上。
在本实施例中，所述耦合剂采用氰基丙烯酸酯
在本实施例中，在步骤S1中，试样的制备方法为：用线切割机切割圆形试样尺寸为半径10 mm、直径公差为±0.1mm、初始厚度为1mm的矩形试样，将试样的上下表面分别依次在600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#不同粒度的砂纸上进行机械抛光，磨制试样厚度到达0.5mm，厚度公差为±0.005mm，再使用超声波对试样进行清洗，使其表面达到镜面级别。
在本实施例中，在步骤S1中，硬度测试在钢和铝合金试样的三个任意位置进行；采用的硬度测试机的负载为5kgf，压印时间为15s；采用维氏硬度测定法，从边缘读取一个读数，然后再朝向中心的两个点处，从中心读取另一个读数，以验证线切割过程对样品边缘的影响。
在本实施例中，在步骤S2中，预制缺口的制备方法为：在多个试样上，分别在试样中心部分加工出的一个贯穿厚度型缺口，裂尖半径做成20μm。
在本实施例中，试验可在室温或高温环境中进行，冲杆的冲头以0.5mm/min位移速率垂直下压。
在本实施例中，夹持器包括固定试样上表面的上压模和固定试样下表面的下压模；所述冲头是一种高碳铬轴承钢，经过淬火和回火，具有非常高的强度(屈服强度为1370MPa、拉伸极限强度为1570MPa)和硬度(697–830 HV)特性。
在本实施例中，所述的声发射传感器的频率范围为200-750千赫，共振频率为250千赫，阈值35 db，取样率2MSPS，低通滤波20kHz，高通滤波3000kHz，峰值定义时间400（PDT；μs），撞击定义时间）400（HDT；μs，撞击锁闭时间800（HLT；μs）。在各种滤波器带宽和处理条件下，表现为几个参数峰值。通过对参数峰值以及载荷位移曲线的对比确定缺口试样的裂纹起始点。
本试验方法将微试样测试技术和无损检测技术进行结合，采用小冲杆试验法和声发射技术来确定缺口试样的裂纹起始点。
本试验方法可在室温和高温环境下确定裂纹起始点，为后续的试验工作，如测定材料断裂性能以及蠕变裂纹扩展试验通过一种更精确的方法。
本试验方法用于预缺口小冲杆试样确定金属材料裂纹起始点方法相比于直接通过载荷-位移曲线最高点确定裂纹起始点的方法，精度更高。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)

1.一种确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于,包括以下步骤:
S1：从设备或试料采取并制备用于确定裂纹起始点的多个圆形试样，对试样的表面进行抛光，并进行硬度测试；
S2：在试样上加工预制缺口，预制缺口为在试样中心部分加工一个贯穿厚度型缺口；
S3：冲将圆形样品水平放置在冲压试验设备的下夹具的凹槽中，同时将冲头放在冲压试验设备的上夹具冲孔和试样之间，然后安装上夹具；上夹具和下夹具分别由圆形夹持器固定，冲头安装在冲杆下方，夹持器防止试样在冲压过程中向上弯曲，使变形集中在冲头下方的区域，在下夹具是安装声发射传感器；
S4：以恒定的冲压位移速率对预制缺口的试样进行冲压，获取不同材料的多条载荷-位移曲线，声发射传感器通过分析收集击波数据以及载荷和位移数据精确确定试样裂纹的起始点；
S5：声发射传感器在收到频度高且集中的信号时，可中断试验过程使用扫描电镜分析样品，以验证声发射传感器确定试样裂纹起始点的准确性。
2.根据权利要求1所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：夹持器之间采用螺纹连接以确保所有实验中的夹紧力一致。
3.根据权利要求1所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：所述冲头径为2.5毫米。
4.根据权利要求1所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：所述声发射传感器通过耦合剂安装在下夹具上。
5.根据权利要求4所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：所述耦合剂采用氰基丙烯酸酯。
6.根据权利要求1所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：在步骤S1中，试样的制备方法为：用线切割机切割圆形试样尺寸为半径10 mm、直径公差为±0.1mm、初始厚度为1mm的矩形试样，将试样的上下表面分别依次在600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#不同粒度的砂纸上进行机械抛光，磨制试样厚度到达0.5mm，厚度公差为±0.005mm，再使用超声波对试样进行清洗，使其表面达到镜面级别。
7.根据权利要求1所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：在步骤S1中，硬度测试在钢和铝合金试样的三个任意位置进行；采用的硬度测试机的负载为5kgf，压印时间为15s；采用维氏硬度测定法，从边缘读取一个读数，然后再朝向中心的两个点处，从中心读取另一个读数，以验证线切割过程对样品边缘的影响。
8.根据权利要求1所述的确定带缺口试样的裂纹起始点的试验方法，其特征在于：在步骤S2中，预制缺口的制备方法为：在多个试样上，分别在试样中心部分加工出的一个贯穿厚度型缺口，裂尖半径做成20μm。
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