CN118089607B - 一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，包括：容器、支撑架、下支撑柱、上支撑柱、加载单元、COD规以及悬臂梁。两个悬臂梁的第一端分别连接于裂纹嘴的两侧，悬臂梁的第二端连接于COD规；试样位于液态金属的液面的下方；COD规位于液态金属的液面的上方。本申请中将试样和COD规分别置于液态金属的液面下和液面上，COD规通过悬臂梁与试样的裂纹嘴连接，通过COD规测量裂纹嘴张开位移，避免液态金属的温度影响COD规的测量。由于COD规通过悬臂梁与试样连接，试样的轻微偏转、加载单元及上支撑柱之间存在小的间隙并不会影响COD规的信号变化而造成误差，测量的准确性较高。

Description

一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置

技术领域

本发明涉及张开位移测量技术领域，尤其涉及的是一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置。

背景技术

在空气环境下，试样的断裂韧性以及疲劳裂纹扩展速率（da/dN）等关键材料力学性能数据的获取通常采用三点抗弯和四点抗弯实验进行测试。在高温、腐蚀、导电和不透明的液态金属或其他类似介质中，无法使用传统测变形技术（如直接观察法、应变片、引伸计和直流电压降等）直接测量紧凑拉伸、单边V型切口梁等试样的裂纹嘴张开位移，导致无法在这种特殊环境中精确确定试样的断裂韧性以及疲劳裂纹扩展速率。可见，现有技术中的张开位移的测量装置，在液态金属介质环境下进行试样的张开位移的测量准确性有待提高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，旨在解决现有技术中张开位移的测量装置，在液态金属介质环境下进行试样的张开位移的测量准确性有待提高的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，包括：

容器，用于装载液态金属；

支撑架，位于所述容器内，所述支撑架上设置有下放置槽；

一个下支撑柱或两个下支撑柱，位于所述下放置槽内；所述支撑柱用于支撑试样，所述试样的上表面形成裂纹嘴；

两个上支撑柱，分别位于所述裂纹嘴的两侧；

加载单元，与所述上支撑柱接触；

COD规和两个悬臂梁，两个所述悬臂梁的第一端分别连接于所述裂纹嘴的两侧，所述悬臂梁的第二端连接于所述COD规；

其中，所述试样位于所述液态金属的液面的下方；

所述COD规位于所述液态金属的液面的上方。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述悬臂梁包括：

相互连接的水平梁和延长杆；

所述水平梁与所述试样通过激光焊接；

所述延长杆与所述COD规连接。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述COD规外设置有冷却箱，所述冷却箱用于冷却所述COD规。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述容器包括：

不锈钢筒，所述不锈钢筒的筒口外设置有凸缘；

法兰，与所述凸缘密封连接，所述法兰的法兰孔的边缘设置有管件；

波纹管，所述波纹管的上端与所述加载单元密封连接，所述波纹管的下端与所述管件密封连接；

其中，所述支撑架与所述法兰的下表面连接。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述支撑架包括：

U型架，所述U型架的上端与所述法兰的下表面连接；

支撑台，可拆卸设置于所述U型架的底部；

其中，所述下放置槽设置于所述支撑台。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述不锈钢筒外缠绕有加热丝，所述加热丝的上端高于所述试样。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述加载单元包括：

马鞍形压头；

立柱，与所述马鞍形压头连接；

其中，两个所述上支撑柱分别与所述马鞍形压头的凸起部接触；

所述波纹管与所述立柱密封连接。

所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其中，所述凸起部上设置有上放置槽，所述上支撑柱位于所述上放置槽内。

一种基于如上任意一项所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的测量方法，其中，包括步骤：

通过加载单元对试样施加载荷，并通过COD规获取裂纹嘴张开位移。

所述的测量方法，其中，所述测量方法还包括步骤：

根据所述裂纹嘴张开位移，确定裂纹长度；

根据所述裂纹长度，确定裂纹尖端的应力强度因子和疲劳裂纹扩展速率。

有益效果：本申请中将试样置于液态金属的液面下，为试样提供液态金属的环境，将COD规置于液态金属的液面上，COD规通过悬臂梁与试样的裂纹嘴连接，通过COD规测量裂纹嘴张开位移，避免液态金属的温度影响COD规的测量。由于COD规通过悬臂梁与试样连接，试样的轻微偏转、加载单元及上支撑柱之间存在小的间隙并不会影响COD规的信号变化而造成误差，因此，测量的准确性较高。

附图说明

图1是本发明实施例中适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的外部结构示意图。

图2是本发明实施例中适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的内部结构示意图。

图3是图2中A处的放大图。

图4是本发明实施例中适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的第一剖视图。

图5是本发明实施例中适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的第二剖视图。

图6是本发明实施例中适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置采用四根支撑柱的结构示意图。

图7是本发明实施例中COD规与悬臂梁的结构示意图。

附图标记说明：

10、容器；11、不锈钢筒；111、凸缘；12、法兰；121、管件；122、入水口；123、出水口；124、过线孔；13、波纹管；14、加热丝；20、支撑架；21、U型架；22、支撑台；221、下放置槽；31、下支撑柱；32、上支撑柱；40、加载单元；41、马鞍形压头；411、凸起部；412、上放置槽；42、立柱；50、COD规；60、悬臂梁；61、水平梁；62、延长杆；70、冷却箱；80、试样；81、裂纹嘴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图7，本发明提供了一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的一些实施例。

第四代液态铅、铅铋冷却快中子反应堆具有能量密度高、固有安全性好等优点，是近年来国内外重点研究的热点核技术之一。但是铅和铅铋对材料具有较强的腐蚀和应力腐蚀开裂作用。如何准确评价材料在这些液态金属介质中的力学性能是材料安全选型必不可少的环节。其中，材料的断裂韧性和疲劳裂纹扩展是关键力学性能之一。根据ASTM_E1820标准，这些力学性能的获取需要使用1/2CT、单边V型切口梁等试样进行测试并利用商用COD规实时精确测量裂纹嘴张开位移。但是在液态金属环境，则不适用。这是因为液态金属具有高温、腐蚀、导电和不透明等性质，传统的测量器具和测量方式如直接观察法、应变片、引伸计和直流电压降等均不可用于这些特殊介质。

断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率的确定需要通过试样的实时裂纹长度来计算，而裂纹长度又与裂纹嘴张开位移之间具有一定的对应关系。因此，如果能够实时精确测量试样的裂纹嘴张开位移，便可以获得试样的实时裂纹长度。以三点抗弯实验测试单边V型切口梁试样的断裂韧性为例，ASTM_E1820标准给出的实时应力强度因子的计算公式为：

；(1)

是施加在试样的载荷，是试样的厚度，是试样的高度，的值在下面给出：

；(2)

其中，，是实时的裂纹长度，与试样裂纹嘴张开位移有关，关系式如下：

；(3)

；(4)

其中，是材料的弹性模量，是实时载荷的变化值，是中间变量。

从公式(3)和公式(4)中可以看出，如果能够精确获得裂纹嘴张开位移，通过上述公式便可以计算得到实时裂纹长度。

目前，在液态金属环境中测量裂纹嘴张开位移方式有：在1/2CT试样的厚度端面开螺纹孔，用于连接的两个延伸杆将裂纹嘴上下两部分的位移导出至液态金属容器外的两个位移传感器LVDT进行测量，两个测量值之差为裂纹嘴张开位移。但由于位移传感器LVDT与试样、延伸杆等不是一个整体，导致任何间隙、试样的偏转等都会产生很大实验误差。经计算，当实验加载力为4600N，如果裂纹嘴张开位移存在正负20μm的测量误差，裂纹长度则达到1.30~1.86 mm的误差。

因此，一种能在液态铅铋环境中精确测量裂纹嘴张开位移的装置极其重要，这对于液态金属冷却快中子反应堆材料关键力学性能的准确评价具有重要意义。

如图1-图3所示，本发明的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，包括：

容器10，用于装载液态金属；

支撑架20，位于所述容器10内，所述支撑架20上设置有下放置槽221；

一个下支撑柱31或两个下支撑柱31，位于所述下放置槽221内；所述支撑柱用于支撑试样80，所述试样80的上表面形成裂纹嘴81；

两个上支撑柱32，分别位于所述裂纹嘴81的两侧；

加载单元40，与所述上支撑柱32接触；

COD规50和两个悬臂梁60，两个所述悬臂梁60的第一端分别连接于所述裂纹嘴81的两侧，所述悬臂梁60的第二端连接于所述COD规50；

其中，所述试样80位于所述液态金属的液面的下方；

所述COD规50位于所述液态金属的液面的上方。

支撑架20是指用于支撑试样80、支撑柱以及加载单元40等构件的架体，支撑架20位于容器10内，支撑架20具有一定强度，且支撑架20的部分没入液态金属，支撑架20可以采用不锈钢支撑架。支撑架20可以与容器10连接。试样80可以采用单边V型切口梁试样，试样80上有裂纹嘴81，裂纹嘴81位于试样80的中间位置。支撑柱是指用于支撑试样80的柱体，支撑柱躺平设置，支撑柱可以位于试样80的上方或下方，分别记为上支撑柱32和下支撑柱31，根据测量方式的不同，采用三点抗弯测试时，则需要三根支撑柱，例如两根支撑柱位于试样80的上方，即两根上支撑柱32，一根支撑柱位于试样80的下方，即一根下支撑柱31；采用四点抗弯测试时，则需要四根支撑柱，例如，两根支撑柱位于试样80的上方，即两根上支撑柱32，两根支撑柱位于试样80的下方，即两根下支撑柱31。支撑架20上设置有放置槽，放置槽位于试样80的下方，记为下放置槽221；放置槽位于试样80的上方，记为上放置槽412。支撑架20上的下放置槽221用于放置下支撑柱31，下支撑柱31放于下放置槽221内后，下支撑柱31不容易滚动。

试样80上方有两个上支撑柱32，两个上支撑柱32分别位于靠近试样80的两端的位置。加载单元40用于对试样80施加载荷，加载单元40具体通过上支撑柱32，从而对试样80的两端的位置施加载荷，由于试样80上表面的两端受到力的作用，试样80的两端向下弯曲变形，从而在裂纹嘴81的位置形成裂纹。

COD规50具有两个引脚。COD规50并不是直接连接试样80的，而是通过两个悬臂梁60连接试样80的裂纹嘴81的两侧，并间接测量裂纹嘴81变形时的张开位移。如图2和图7所示，悬臂梁60的两端分别连接试样80的裂纹嘴81边缘和COD规50的引脚。悬臂梁60有两个，两个悬臂梁60的第一端与裂纹嘴81的边缘连接，且两个悬臂梁60的第一端分别位于裂纹嘴81的两侧。两个悬臂梁60的第二端与COD规50的引脚连接。试样80位于液态金属的液面以下，可以测量试样80在液态金属的环境下的裂纹嘴张开位移，而COD规50位于液态金属的液面以上，液态金属的热量不容易传导至COD规50而影响COD规50的测量。容器10、支撑架20、支撑柱、加载单元40、悬臂梁60等与液态金属接触的构件均采用熔点较高的材料制成，例如不锈钢或高温合金。

在测量时，对容器10内的金属进行加热，形成液态金属，再将装配好试样80的支撑架20、支撑柱、加载单元40以及悬臂梁60等构件放入容器10并固定。然后启动加载单元40对试样80施加载荷，并通过COD规50获取张开位移。

本申请中将试样80置于液态金属的液面（图4和图5中的虚线表示液态金属的液面）下，为试样80提供液态金属的环境，将COD规50置于液态金属的液面上，COD规50通过悬臂梁60与试样80的裂纹嘴81连接，通过COD规50测量裂纹嘴81的张开位移，避免液态金属的温度影响COD规50的测量。由于COD规50通过悬臂梁60与试样80连接，试样80的轻微偏转、加载单元40及上支撑柱32之间存在小的间隙并不会影响COD规50的信号变化而造成误差，因此，测量的准确性较高。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图5所示，所述悬臂梁60包括：

相互连接的水平梁61和延长杆62；

所述水平梁61与所述试样80通过激光焊接；

所述延长杆62与所述COD规50连接。

具体地，悬臂梁60呈L形，水平梁61水平设置，延长杆62竖直设置，延长杆62与水平梁61连接，水平梁61和延长杆62可以采用螺栓连接，水平梁61没入液态金属，延长杆62的部分没入液态金属。延长杆62向远离液态金属方向延伸，并与COD规50连接。水平梁61向试样80延伸，并通过激光焊接的方式连接于试样80的裂纹嘴81的边缘。裂纹嘴81张开时，两个悬臂梁60也会张开。由于COD规50通过悬臂梁60与试样80间接连接，COD规50实际测量的是延长杆62顶端的张开位移，但是在延长杆62的长度固定的条件下，延长杆62顶端的张开位移与试样80的裂纹嘴81的张开位移存在几何关系。根据COD规50可以测量和计算得到裂纹嘴81的张开位移。例如，当延长杆62的长度为150mm，试样80初始裂纹长度为15 mm，当裂纹扩展至17 mm时，裂纹嘴81张开位移大约是67μm，此时由延长杆62放大后在其顶部测量的张开位移大约是3.14 mm，可以采用量程为5mm的COD规50。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1、图2以及图5所示，所述COD规50外设置有冷却箱70，所述冷却箱70用于冷却所述COD规50。

具体地，为了降低COD规50的温度，避免液态金属的温度影响COD规50的测量，冷却箱70内具有循环冷却水，将COD规50的热量传导走。冷却箱70将COD规50的温度维持在50℃以下。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1、图4以及图5所示，所述容器10包括：

不锈钢筒11，所述不锈钢筒11的筒口外设置有凸缘111；

法兰12，与所述凸缘111密封连接，所述法兰12的法兰孔的边缘设置有管件121；

波纹管13，所述波纹管13的上端与所述加载单元40密封连接，所述波纹管13的下端与所述管件121密封连接；

其中，所述支撑架20与所述法兰12的下表面连接。

具体地，液态金属放置在不锈钢筒11内，法兰12可以采用不锈钢法兰，法兰12与凸缘111密封连接，具体可以采用密封铜环和螺栓实现法兰12和不锈钢筒11的密封连接。凸缘111上设置螺栓孔，法兰12的边缘上设置有螺栓孔，可供螺栓穿过，从而将密封铜环夹持在不锈钢筒11和法兰12之间，螺栓穿过两个螺栓孔，并用螺母与螺栓螺纹连接。波纹管13与加载单元40或管件121密封连接，具体也可以采用密封铜环和螺栓实现波纹管13与加载单元40或管件121的密封连接。冷却箱70设置于法兰12的下表面，COD规50通过冷却箱70与法兰12连接。法兰12上设置入水口122和出水口123，供循环冷却水流通。法兰12上还是设置有过线孔124，供COD规50的电源线和数据线穿过。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2、图4以及图5所示，所述支撑架20包括：

U型架21，所述U型架21的上端与所述法兰12的下表面连接；

支撑台22，可拆卸设置于所述U型架21的底部；

其中，所述下放置槽221设置于所述支撑台22。

具体地，U型架21的上端与法兰12的下表面连接，具体可以通过螺栓实现U型架21与法兰12的可拆卸连接。支撑台22设置于U型架21的底部，具体可以通过螺栓实现支撑台22和U型架21的可拆卸连接，具体在U型架21上设置通孔，在支撑台22上设置螺杆，螺杆穿过通孔后与螺母螺纹连接。下放置槽221设置在支撑台22上，下放置槽221的延伸方向垂直于U型架21所在的面。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1、图4以及图5所示，所述不锈钢筒11外缠绕有加热丝14，所述加热丝14的上端高于所述试样80。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图5所示，所述加载单元40包括：

马鞍形压头41；

立柱42，与所述马鞍形压头41连接；

其中，两个所述上支撑柱32分别与所述马鞍形压头41的凸起部411接触；

所述波纹管13与所述立柱42密封连接。

具体地，马鞍形压头41呈倒置的U型，马鞍形压头41具有两个凸起部411，且两个凸起部411朝下，立柱42可以与动力装置连接，动力装置为加载单元40提供上下移动的动力，当立柱42带动马鞍形压头41向下移动时，凸起部411处的两个上支撑柱32对试样80的两端施加载荷，从而使得试样80弯曲或变形，并在裂纹嘴81处形成裂纹。采用波纹管13连接立柱42和管件121时，可以在容器10内形成密封空间。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3和图6所示，所述凸起部411上设置有上放置槽412，所述上支撑柱32位于所述上放置槽412内。

具体地，凸起部411的下表面形成上放置槽412，有利于限制上支撑柱32的位置，避免在对试样80施加载荷的过程中上支撑柱32在试样80表面滑动。上放置槽412可以是V型槽。

基于上述任意一实施例所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，本发明还提供了一种测量方法的较佳实施例：

本发明实施例的测量方法，包括以下步骤：

步骤S100、通过加载单元对试样施加载荷，并通过COD规获取裂纹嘴张开位移。

具体地，通过加热丝将容器内的金属加热融化形成液态金属后，将试样装配好后置于容器内，完成测量准备，则可以开始测量。通过加载单元对试样施加载荷，并通过COD规获取裂纹嘴张开位移。

测量方法还包括：

步骤S200、根据所述裂纹嘴张开位移，确定裂纹长度。

步骤S300、根据所述裂纹长度，确定裂纹尖端的应力强度因子和疲劳裂纹扩展速率。

具体地，根据COD规获取的裂纹嘴张开位移；再根据裂纹嘴张开位移，计算裂纹长度（即实时的裂纹长度）；然后根据裂纹长度计算裂纹尖端的应力强度因子，以表征试样在液态金属环境中的断裂韧性，具体见公式（1）~公式（4）；还可以根据实时裂纹长度，确定疲劳裂纹扩展速率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其特征在于，包括：

容器，用于装载液态金属；

支撑架，位于所述容器内，所述支撑架上设置有下放置槽；

一个下支撑柱或两个下支撑柱，位于所述下放置槽内；所述支撑柱用于支撑试样，所述试样的上表面形成裂纹嘴；

两个上支撑柱，分别位于所述裂纹嘴的两侧；

加载单元，与所述上支撑柱接触；

COD规和两个悬臂梁，两个所述悬臂梁的第一端分别连接于所述裂纹嘴的两侧，所述悬臂梁的第二端连接于所述COD规；

其中，所述试样位于所述液态金属的液面的下方；

所述COD规位于所述液态金属的液面的上方，所述COD规具有两个引脚；

所述悬臂梁呈L形，所述悬臂梁包括：

相互连接的水平梁和延长杆；所述水平梁水平设置，所述延长杆竖直设置；

所述水平梁与所述试样通过激光焊接；

所述延长杆与所述COD规的引脚连接；

所述容器包括：

不锈钢筒，所述不锈钢筒的筒口外设置有凸缘；

法兰，与所述凸缘密封连接，所述法兰的法兰孔的边缘设置有管件；

波纹管，所述波纹管的上端与所述加载单元密封连接，所述波纹管的下端与所述管件密封连接；

其中，所述支撑架与所述法兰的下表面连接；

所述加载单元包括：

马鞍形压头；

立柱，与所述马鞍形压头连接；

其中，两个所述上支撑柱分别与所述马鞍形压头的凸起部接触；

所述波纹管与所述立柱密封连接。

2.根据权利要求1所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其特征在于，所述COD规外设置有冷却箱，所述冷却箱用于冷却所述COD规。

3.根据权利要求1所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其特征在于，所述支撑架包括：

U型架，所述U型架的上端与所述法兰的下表面连接；

支撑台，可拆卸设置于所述U型架的底部；

其中，所述下放置槽设置于所述支撑台。

4.根据权利要求1所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其特征在于，所述不锈钢筒外缠绕有加热丝，所述加热丝的上端高于所述试样。

5.根据权利要求4所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置，其特征在于，所述凸起部上设置有上放置槽，所述上支撑柱位于所述上放置槽内。

6.一种基于如权利要求1-5任意一项所述的适用于液态金属介质中的裂纹嘴张开位移的测量装置的测量方法，其特征在于，包括步骤：

通过加载单元对试样施加载荷，并通过COD规获取裂纹嘴张开位移。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括步骤：

根据所述裂纹嘴张开位移，确定裂纹长度；

根据所述裂纹长度，确定裂纹尖端的应力强度因子和疲劳裂纹扩展速率。