專利名稱：一種測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是材料一種蠕變力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)量方法，具體是指利用高溫預(yù)應(yīng)力蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)確定蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
蠕變是指材料在高于和低于材料宏觀屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生的緩慢的塑性變形。在發(fā)生晶界損傷的應(yīng)力范圍內(nèi)，在較高應(yīng)力下形成楔形裂紋導(dǎo)致局部晶界分離，裂紋相互作用并連接導(dǎo)致最終斷裂；在較低應(yīng)力下，蠕變損傷表現(xiàn)為晶界空洞的形核、長(zhǎng)大與合并，進(jìn)而斷裂。蠕變裂紋擴(kuò)展是蠕變損傷的宏觀表現(xiàn)形式，宏觀裂紋的擴(kuò)展過(guò)程占蠕變斷裂壽命的很大部分。蠕變裂紋擴(kuò)展是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)行為，蠕變裂紋擴(kuò)展曲線由裂紋長(zhǎng)度a和時(shí)間t的關(guān)系來(lái)描述。對(duì)于低延性合金，裂紋擴(kuò)展行為可以由裂紋擴(kuò)展速率da/dt和應(yīng)力強(qiáng)度因子K1來(lái)描述。通常蠕變裂紋擴(kuò)展分為三個(gè)階段:第一階段，da/dt隨K1值升高而快速增加，該階段的起始點(diǎn)通常稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，記為Kth ;第二階段，da/dt隨K1值升高而穩(wěn)定增加；第三階段，da/dt隨K1值升高急劇增加，此時(shí)的K1接近斷裂臨界值。有研究指出，當(dāng)溫度處于熔點(diǎn)溫度的1/3到2/3之間時(shí)，許多合金在低外加應(yīng)力下會(huì)由于晶界空穴而發(fā)生蠕變變形；也有研究指出，當(dāng)溫度低于0.4倍熔點(diǎn)溫度時(shí)，材料的疲勞性能與常溫相似，當(dāng)溫度處于0.5-0.6倍熔點(diǎn)溫度之間時(shí)，材料的疲勞性能將受高溫環(huán)境影響；也有研究者利用高溫蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的方法，經(jīng)過(guò)大量的蠕變-疲勞試驗(yàn)，提出材料發(fā)生顯著蠕變裂紋擴(kuò)展的臨界溫度。參見(jiàn)文獻(xiàn)[I]S.Suresh著，王中光等譯.材料的疲勞，國(guó)防工業(yè)出版社，1999和文獻(xiàn)[2]唐立強(qiáng)等.亞臨界溫度條件下轉(zhuǎn)子鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).2000，21(4): 73-78，文獻(xiàn)[3]楊洪琴.粉末冶金高溫合金的亞臨界疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究[D]，北京航空航天大學(xué)，2011。根據(jù)目前的方法，工程從簡(jiǎn)單應(yīng)用角度出發(fā)通常認(rèn)為材料蠕變損傷效應(yīng)的臨界溫度為0.5倍熔點(diǎn)溫度而不進(jìn)行相關(guān)的蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)來(lái)確定，文獻(xiàn)[3]中通過(guò)幾個(gè)溫度下的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)給出了一個(gè)具有理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)的發(fā)生顯著蠕變裂紋擴(kuò)展的臨界溫度值。據(jù)此可以看出，工程中所采用的近似取值方法沒(méi)有試驗(yàn)和理論為支持基礎(chǔ)；文獻(xiàn)中的方法需要在載荷試驗(yàn)機(jī)上裝配高溫爐后，再配備測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的設(shè)備進(jìn)行，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求高，每次只能進(jìn)行一個(gè)試件的試驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，只需要在高溫爐中進(jìn)行蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，來(lái)確定蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度，不需要載荷試驗(yàn)機(jī)；且一次可進(jìn)行多個(gè)試件的試驗(yàn)，使得試驗(yàn)時(shí)間大幅縮減，試驗(yàn)成本大幅降低。
本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，所述測(cè)試方法需要的試驗(yàn)設(shè)備包括材料疲勞性能試驗(yàn)機(jī)，電阻絲加熱高溫爐，工具顯微鏡，試驗(yàn)試件1、楔形塊2，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:第一步,加工試件對(duì)某種具體材料按照蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)要求，加工不少于6件的標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試件1，試件寬度為20臟，厚度為10mm。試件的初始切口的長(zhǎng)度3為0.45倍試件寬度，即9mm，初始切口高度為2mm，應(yīng)滿足楔形塊2楔入之后能在加載線位置產(chǎn)生一定位移；第二步，預(yù)制裂紋將加工好的不少于6件的試件I在疲勞性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行裂紋預(yù)制，預(yù)制后的裂紋長(zhǎng)度4為0.5倍試件寬度，即IOmm ;所述不少于6件的試件I具有相同長(zhǎng)度預(yù)制裂紋；第三步，裝配試件將楔形塊楔入試件I初始切口之內(nèi)，使楔形塊2的平直部分最前端5處于加載線6的位置，為加載線提供位移，在試件裂紋尖端形成以應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表征的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，為蠕變裂紋擴(kuò)展提供驅(qū)動(dòng)力；加入不同厚度的楔形塊2，使得加載線6的位移不同，試件裂紋尖端具有不同的應(yīng)力強(qiáng)度因子；第四步，安裝試件將第三步裝配好的試件以切口端朝上置于電阻絲加熱高溫爐中間部位，保證試件在高溫環(huán)境下受熱均勻；高溫爐溫度范圍為300-1000°C ；第五步，升溫及保溫采用電阻絲高溫爐加熱試件，使試件在60分鐘內(nèi)加熱升溫到指定溫度(如6500C )，然后保溫30分鐘后開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)試件的各個(gè)部位受熱已均勻；保溫過(guò)程中電阻絲高溫爐溫度波動(dòng)不超過(guò)±2°C ；第六步，裂紋擴(kuò)展從計(jì)時(shí)開(kāi)始保溫20小時(shí)后將試件從電阻絲高溫爐中取出，采取空氣冷卻的方式，待試件溫度冷卻至室溫后在工具顯微鏡下測(cè)量裂紋長(zhǎng)度；測(cè)量完所有試件的裂紋長(zhǎng)度后，根據(jù)裂紋擴(kuò)展情況選擇下一步的升溫或降溫試驗(yàn)；第七步，升溫試驗(yàn)和降溫試驗(yàn)升溫試驗(yàn):如果在某給定的溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率均小于IX 10_6m/h，則升高溫度進(jìn)行重復(fù)的相似的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，直到有試件的裂紋擴(kuò)展速率大于lX10_6m/h為止，此時(shí)認(rèn)為裂紋擴(kuò)展速率均不大于lX10_6m/h的最高的試驗(yàn)溫度為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度；降溫試驗(yàn):如果在給定溫度下由于發(fā)生蠕變效應(yīng)導(dǎo)致在一定的時(shí)間后裂紋發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率大于I X 10_6m/h，此時(shí)需要將發(fā)生裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)件取出降低溫度進(jìn)行重復(fù)的相似的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，直到某溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率均不大于IXlO-Vh為止，此時(shí)的溫度即為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度。所述第五步中，升溫過(guò)程裂紋擴(kuò)展區(qū)前后表面溫度差不大于2°C。所述第二步中，預(yù)制的裂紋在前后表面上長(zhǎng)度差應(yīng)小于0.1倍試件厚度。所述第三步中，加載線6處位移以及加載線到試件裂紋尖端的距離均通過(guò)工具顯微鏡測(cè)量，針對(duì)每個(gè)試件的實(shí)際加載線6的位置及位移，利用有限元軟件Abaqus計(jì)算每個(gè)試件的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明相對(duì)于工程中采用的0.5倍熔點(diǎn)溫度為蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法以及文獻(xiàn)[3]所給出的測(cè)試材料蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的試驗(yàn)方法，本發(fā)明提出一種測(cè)試材料蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的新方法，該方法創(chuàng)新之處在于給初始預(yù)制裂紋長(zhǎng)度相同的一組(6件以上)試件通過(guò)施加不同的加載線位移來(lái)在試件裂紋尖端處形成以應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表征的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)是在配置高溫爐的載荷試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每次只能進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)件的試驗(yàn)，因此要測(cè)得臨界溫度耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。本發(fā)明只需要在高溫爐中進(jìn)行，不需要載荷試驗(yàn)機(jī)；且一次可進(jìn)行多個(gè)試件的試驗(yàn)，使得試驗(yàn)時(shí)間大幅縮減，試驗(yàn)成本大幅降低。


圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)流程圖；圖2為已裝配試驗(yàn)試件示意圖；圖3為材料蠕變裂紋擴(kuò)展的臨界溫度值確定示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下:一、加工試件:針對(duì)所研究的具體材料，按照蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)要求，加工一批(至少6件)標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸(CT)試件，初始切口高度為2mm ;初始切口長(zhǎng)度為0.45倍試件寬度；在試件表面用先用300目粗砂紙、后用2000目細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，使得表面粗糙度和光潔度盡可能高，以便于觀察裂紋擴(kuò)展路徑。加工一批(至少6件)不同厚度的楔形塊，楔形塊厚度從2.1mm開(kāi)始，楔形塊之間厚度差為0.05mm，楔形塊寬度與試件寬度一致，楔形塊平直段長(zhǎng)度比加載線到試件左側(cè)距離大2mm。二、預(yù)制裂紋:針對(duì)如前所述加工好的試件，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制長(zhǎng)度相同的裂紋，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為0.5倍試件寬度。由于試件較厚，預(yù)制的裂紋在前后表面上長(zhǎng)度差應(yīng)小于0.1倍試件厚度。三、裝配試件:針對(duì)如前所述具有相同初始裂紋長(zhǎng)度的試件，在切口處楔入不同厚度的楔形塊，以達(dá)到在加載線處施加不同加載位移的目的，使得裂紋尖端具有不同的以應(yīng)力強(qiáng)度因子表征的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。加載線位移以及加載線到裂尖距離均通過(guò)工具顯微鏡測(cè)量，針對(duì)每個(gè)試件的實(shí)際加載線位置及位移，利用有限元軟件Abaqus計(jì)算每個(gè)試件的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。四、安裝試件:將如三所述裝配好的試件以切口端朝上置于電阻絲加熱高溫爐中間部位，保證試件在高溫環(huán)境下受熱均勻。五、升溫及保溫:采用電阻絲高溫爐加熱試件，使試件在60分鐘內(nèi)加熱升溫到指定溫度(如6500C )，然后保溫30分鐘后開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)試件的各個(gè)部位受熱已均勻。保溫過(guò)程中高溫爐溫度波動(dòng)不超過(guò)±2°C。六、裂紋擴(kuò)展:保溫20小時(shí)后將試件從高溫爐中取出，采取空氣冷卻的方式，待試件溫度冷卻至室溫后在工具顯微鏡下測(cè)量裂紋長(zhǎng)度。測(cè)量完所有試件的裂紋長(zhǎng)度后，根據(jù)裂紋擴(kuò)展情況選擇下一步的升溫或降溫試驗(yàn)。七、升溫試驗(yàn)和降溫試驗(yàn)
升溫試驗(yàn):如果在某給定的溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率均小于IX 10_6m/h，則升高溫度進(jìn)行重復(fù)的相似的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，直到有試件的裂紋擴(kuò)展速率大于lX10_6m/h為止，此時(shí)認(rèn)為裂紋擴(kuò)展速率均不大于lX10_6m/h的最高的試驗(yàn)溫度為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度。降溫試驗(yàn):如果在給定溫度下由于發(fā)生蠕變效應(yīng)導(dǎo)致在一定的時(shí)間后裂紋發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率大于I X 10_6m/h，此時(shí)需要將發(fā)生裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)件取出降低溫度進(jìn)行重復(fù)的相似的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，直到某溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率均不大于IXlO-Vh為止，此時(shí)的溫度即為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度。附圖3所示的Tl溫度時(shí)幾個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子下的裂紋擴(kuò)展速率均小于lX10_6m/h，此時(shí)Tl即為材料蠕變裂紋擴(kuò)展的臨界溫度。試驗(yàn)結(jié)果處理方法見(jiàn)圖3，圖3中橫坐標(biāo)表示試驗(yàn)溫度，單位為。C ;縱坐標(biāo)表示蠕變裂紋擴(kuò)展速率，單位為m/h ;圖3中的K1、K2、K3表示不同的應(yīng)力強(qiáng)度因子，單位為MPa.m1/2，其中的 K1>K2>K3。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下: 第一步，加工試件 對(duì)某種具體材料按照蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)要求，加工不少于6件的標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試件(1)，試件寬度為20mm，厚度為10mm，試件的初始切口的長(zhǎng)度(3)為0.45倍試件寬度，即9mm,初始切口高度為2mm，滿足楔形塊(2 )楔入之后能在加載線(6 )位置產(chǎn)生垂直裂紋面的一定的位移； 第二步，預(yù)制裂紋 將加工好的不少于6件的試件(I)在疲勞性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行裂紋預(yù)制，預(yù)制后的裂紋長(zhǎng)度(4)為0.5倍試件寬度，即IOmm ;所述不少于6件的試件(I)具有相同長(zhǎng)度預(yù)制裂紋；第三步，裝配試件 將楔形塊楔入試件(I)初始切口之內(nèi)，使楔形塊(2 )的平直部分最前端(5 )處于加載線(6)的位置，為加載線處提供位移，在試件裂紋尖端形成以應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表征的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，為蠕變裂紋擴(kuò)展提供驅(qū)動(dòng)力；加入不同厚度的楔形塊(2)，使得加載線(6)處的位移不同，試件裂紋尖端具有不同的應(yīng)力強(qiáng)度因子； 第四步，安裝試件 將第三步裝配好的試件以切口端朝上置于電阻絲加熱高溫爐中間部位，保證試件在高溫環(huán)境下受熱均勻；高溫爐溫度范圍為300-1000°C ； 第五步，升溫及保溫 采用電阻絲高溫爐加熱試件 ，使試件在60分鐘內(nèi)加熱升溫到指定溫度(如650°C)，然后保溫30分鐘后開(kāi)始計(jì)時(shí) ， 此時(shí)試件的各個(gè)部位受熱已均勻；保溫過(guò)程中電阻絲高溫爐溫度波動(dòng)不超過(guò)±2°C ； 第六步，裂紋擴(kuò)展 從計(jì)時(shí)開(kāi)始保溫20小時(shí)后將試件從電阻絲高溫爐中取出，待試件溫度冷卻至室溫后在工具顯微鏡下測(cè)量裂紋長(zhǎng)度；測(cè)量完所有試件的裂紋長(zhǎng)度后，根據(jù)裂紋擴(kuò)展情況選擇下一步的升溫或降溫試驗(yàn)； 第七步，升溫試驗(yàn)和降溫試驗(yàn) 升溫試驗(yàn):如果在某給定的溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率均小于lX10_6m/h，則升高溫度進(jìn)行重復(fù)的相似的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，直到有試件的裂紋擴(kuò)展速率大于lX10_6m/h為止，此時(shí)認(rèn)為裂紋擴(kuò)展速率均不大于lX10_6m/h的最高的試驗(yàn)溫度為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度；降溫試驗(yàn):如果在給定溫度下由于發(fā)生蠕變效應(yīng)導(dǎo)致在一定的時(shí)間后裂紋發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率大于I X 10_6m/h，此時(shí)需要將發(fā)生裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)件取出降低溫度進(jìn)行重復(fù)的相似的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，直到某溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率均不大于IXlO-Vh為止，此時(shí)的溫度即為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，其特征在于:所述第五步中，升溫過(guò)程裂紋擴(kuò)展區(qū)前后表面溫度差不大于2V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，其特征在于:所述第二步中，預(yù)制的裂紋在前后表面上長(zhǎng)度差應(yīng)小于0.1倍試件厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，其特征在于:所述第三步中，加載線位移以及加載線到試件裂紋尖端的距離均通過(guò)工具顯微鏡測(cè)量，針對(duì)每個(gè)試件的實(shí)際加載線 (6)的位置及位移，利用有限元軟件Abaqus計(jì)算每個(gè)試件的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。
全文摘要
一種測(cè)量材料高溫蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度的方法，步驟為對(duì)某種具體材料按照蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)要求，加工不少于6件的標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試件，將加工好的不少于6件的試件在疲勞性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行裂紋預(yù)制，預(yù)制后的裂紋長(zhǎng)度為0.5倍試件寬度；將楔形塊楔入試件初始切口之內(nèi)，使楔形塊的平直部分最前端處于加載線的位置，為加載線提供位移，在試件裂紋尖端處形成以應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表征的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，為蠕變裂紋擴(kuò)展提供驅(qū)動(dòng)力；將裝配好的試件置于電阻絲加熱高溫爐中進(jìn)行升溫試驗(yàn)或降溫試驗(yàn)，直到某溫度下所有試件的裂紋擴(kuò)展速率不大于1×10-6m/h為止，此時(shí)的溫度即為材料的蠕變裂紋擴(kuò)展臨界溫度。本發(fā)明一次可進(jìn)行多個(gè)試件的試驗(yàn)，使得試驗(yàn)成本大大降低。
文檔編號(hào)G01N25/00GK103196939SQ20131011164
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者鮑蕊, 劉浩, 張建宇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)