本發(fā)明涉及低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試領(lǐng)域，具體為一種金屬材料低溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及其使用方法，適用于直流電位降(DCPD)法測(cè)量金屬材料的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值。

背景技術(shù)：

金屬材料的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境和測(cè)量疲勞裂紋長(zhǎng)度。目前國(guó)內(nèi)外發(fā)表的文章表明，低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)采取液氮制冷，盡管這種方法降溫迅速，但是液氮使用后不可回收，造成試驗(yàn)成本的增加。另外，液氮降溫過(guò)程不穩(wěn)定，可控性差，液氮的膨脹比較高，蒸發(fā)溫度低，在使用過(guò)程中容易發(fā)生因操作不當(dāng)而引發(fā)爆炸、物料凝固堵塞管道等事故。已有報(bào)道采用壓縮機(jī)制冷方式實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，但是采用的單級(jí)壓縮機(jī)難以實(shí)現(xiàn)-60℃的低溫，這是因?yàn)橹评湎到y(tǒng)的冷凝溫度(或冷凝壓力)決定于冷卻劑(或環(huán)境)的溫度，而蒸發(fā)溫度(或蒸發(fā)壓力)取決于制冷要求。因此，在很多制冷實(shí)際應(yīng)用中，壓縮機(jī)要在高壓端壓力(冷凝壓力)對(duì)低壓端壓力(蒸發(fā)壓力)的比值(即壓縮比)很高的條件下進(jìn)行工作。由理想氣體的狀態(tài)方程PV/T＝C可知，此時(shí)若采用單級(jí)壓縮制冷循環(huán)，則壓縮終了過(guò)熱蒸汽的溫度必然會(huì)很高(V一定，P↑→T↑)，會(huì)造成壓縮機(jī)的單位制冷量和單位容積制冷量都大為降低以及壓縮機(jī)的功耗增加，制冷系數(shù)下降。還有的報(bào)道采用了雙級(jí)壓縮機(jī)制冷，且采用氨氣作為冷媒，存在泄露的風(fēng)險(xiǎn)，易造成事故。這些制冷方式通常利用在大型冷庫(kù)和冷凍設(shè)備，無(wú)法直接應(yīng)用于試驗(yàn)室研究。

疲勞裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量通常采用顯微鏡觀測(cè)法、柔度法和DCPD法，但觀測(cè)法自動(dòng)化程度低，需要耗費(fèi)較大的人力，并且觀測(cè)法還需要考慮低溫環(huán)境的保溫問(wèn)題，以及觀測(cè)窗口結(jié)霜的問(wèn)題。柔度法也是一種常用的裂紋擴(kuò)展測(cè)試方法，但該方法在進(jìn)行低溫疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)需要考慮低溫環(huán)境對(duì)引申計(jì)精度的影響。目前國(guó)際上常用直流電位降法(DCPD)測(cè)量極端環(huán)境下(高溫、高壓、腐蝕溶液) 金屬材料的裂紋擴(kuò)展速率，DCPD技術(shù)的物理原理清晰：通恒電流，隨著裂紋擴(kuò)展金屬材料的有效截面減小導(dǎo)致電阻增大，因此電壓值增高，電場(chǎng)是試樣幾何形狀的函數(shù)?；跀?shù)值分析和有限元模擬可以得到不同形狀裂紋體試樣的裂紋長(zhǎng)度和電位關(guān)系的封閉解。GB/T 6398《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》已給出了緊湊拉伸(CT)試樣裂紋歸一化長(zhǎng)度a/W與電位之間的關(guān)系如下式：

a/W＝C0+C1(V/Vr)1+C2(V/Vr)2+C3(V/Vr)3

其中，a為裂紋長(zhǎng)度；W為CT試樣寬度；V為實(shí)測(cè)端電壓；Vr為參考端電壓；C0＝-0.5051，C1＝0.8857，C2＝-0.1398；C3＝0.0002398。

DCPD測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)還需要考慮導(dǎo)線(xiàn)與試樣的連接問(wèn)題，通常采用焊接的方式將導(dǎo)線(xiàn)與試樣連接在一起，但是由于鋁合金潤(rùn)濕度較低，導(dǎo)線(xiàn)難以焊接在鋁合金試樣表面，給DCPD測(cè)量裂紋長(zhǎng)度帶來(lái)一定的困難。

DCPD法的另一難點(diǎn)在于，測(cè)量得到的電壓信號(hào)的分辨率以及數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要采集大量的電壓信號(hào)，并將這些數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)上進(jìn)行處理，由主機(jī)根據(jù)這些處理的結(jié)果，將控制信號(hào)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。在數(shù)據(jù)采集及處理行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。國(guó)外各種數(shù)據(jù)采集器的先后問(wèn)世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個(gè)全新的時(shí)代。如果單片機(jī)本身帶數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D)功能，則不必進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。目前，得益于計(jì)算機(jī)和電子行業(yè)的快速發(fā)展，高精度電壓表(納伏表)已經(jīng)能夠穩(wěn)定的測(cè)量納伏級(jí)的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)的采集和存儲(chǔ)也可以通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)采集卡(National instrument)和與之配套的商業(yè)軟件(LabView)實(shí)現(xiàn)。

低溫下使用的機(jī)器設(shè)備和結(jié)構(gòu)，其可靠性在眼大程度上取決于溫度條件。從S-N曲線(xiàn)上發(fā)現(xiàn)低溫的有利影響是與溫度降低時(shí)材料的強(qiáng)度提高有關(guān)。但是降低溫度同時(shí)，也會(huì)引起材料的塑性韌性降低，當(dāng)溫度低于其韌脆轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致冷脆。因此，對(duì)于低溫下使用的金屬材料，僅按S-N曲線(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)是不夠的。合理測(cè)定鋁合金低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率，是進(jìn)行高寒動(dòng)車(chē)材料疲勞損傷容限設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)工作之一。

截止到目前，鮮有報(bào)道使用雙級(jí)壓縮機(jī)制冷方式的結(jié)合DCPD方法測(cè)量金屬材料尤其是鋁合金的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明主要目的在于提供一種低溫疲勞裂紋擴(kuò) 展試驗(yàn)裝置及其使用方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中制冷劑不經(jīng)濟(jì)、不環(huán)保，溫度控制不準(zhǔn)確，導(dǎo)線(xiàn)與低潤(rùn)濕性金屬試樣的連接不牢固等問(wèn)題，該裝置可以準(zhǔn)確測(cè)量金屬材料的低溫疲勞裂紋長(zhǎng)度。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)裝置，該裝置包括低溫制冷系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和裂紋測(cè)量系統(tǒng)，其中：

低溫制冷系統(tǒng)設(shè)有一級(jí)壓縮機(jī)、壓力開(kāi)關(guān)Ⅰ、壓力表Ⅰ、冷凝器Ⅰ、儲(chǔ)液罐Ⅰ、電磁閥Ⅰ、膨脹閥Ⅰ、壓力表Ⅱ、中間冷卻器、二級(jí)壓縮機(jī)、壓力開(kāi)關(guān)Ⅱ、壓力表Ⅲ、冷凝器Ⅱ、油水分離器、儲(chǔ)液罐Ⅱ、電磁閥Ⅱ、膨脹閥Ⅱ、壓力表Ⅳ、截止閥Ⅰ、截止閥Ⅱ、蒸發(fā)器、冷卻水進(jìn)口、冷卻水出口；一級(jí)壓縮機(jī)一方面通過(guò)管路與冷凝器Ⅰ連通，在所述管路上設(shè)置壓力開(kāi)關(guān)Ⅰ和壓力表Ⅰ；冷凝器Ⅰ通過(guò)管路與儲(chǔ)液罐Ⅰ連通，冷凝器Ⅰ上設(shè)有冷卻水進(jìn)口；儲(chǔ)液罐Ⅰ通過(guò)管路與中間冷卻器連通，在所述管路上設(shè)置電磁閥Ⅰ、膨脹閥Ⅰ；一級(jí)壓縮機(jī)另一方面通過(guò)管路與中間冷卻器連通，所述管路上設(shè)置壓力表Ⅱ；二級(jí)壓縮機(jī)一方面通過(guò)管路與冷凝器Ⅱ連通，在所述管路上設(shè)置壓力開(kāi)關(guān)Ⅱ和壓力表Ⅲ；冷凝器Ⅱ上設(shè)有冷卻水出口，冷凝器Ⅱ通過(guò)管路與油水分離器連通；儲(chǔ)液罐Ⅱ通過(guò)管路與二級(jí)壓縮機(jī)頂部連通，油水分離器頂部與儲(chǔ)液罐Ⅱ和二級(jí)壓縮機(jī)之間的管路連通，油水分離器底部通過(guò)管路與中間冷卻器連通；二級(jí)壓縮機(jī)另一方面通過(guò)管路與蒸發(fā)器連通，在所述管路上設(shè)置壓力表Ⅳ、截止閥Ⅱ；蒸發(fā)器通過(guò)管路與中間冷卻器連通，在所述管路上設(shè)置電磁閥Ⅱ、膨脹閥Ⅱ、截止閥Ⅰ；

溫度控制系統(tǒng)設(shè)有環(huán)境溫度控制箱，環(huán)境溫度控制箱四周側(cè)壁內(nèi)填充加熱電阻絲和保溫石棉，熱電偶通過(guò)環(huán)境溫度控制箱上端口插入環(huán)境溫度控制箱內(nèi)部，熱電偶與溫度控制器連接；在環(huán)境溫度控制箱內(nèi)部安裝均溫器，環(huán)境溫度控制箱上下面分別設(shè)有CT試樣夾具穿入口；環(huán)境溫度控制箱側(cè)面設(shè)有CT試樣導(dǎo)線(xiàn)引出口；

裂紋測(cè)量系統(tǒng)設(shè)有緊湊拉伸CT試樣，CT試樣的開(kāi)口側(cè)上下設(shè)置工作電壓測(cè)量正極、工作電壓測(cè)量負(fù)極，CT試樣的另一側(cè)設(shè)置參考電壓測(cè)量正極、參考電壓測(cè)量負(fù)極；導(dǎo)線(xiàn)與CT試樣通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ和導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ連接。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)裝置，還包括電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有恒流源、反向電流模塊、納伏表、數(shù)據(jù)采集卡、電腦，恒流源通過(guò)導(dǎo)線(xiàn) 連接模塊Ⅰ和導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ向CT試樣輸入穩(wěn)定的直流電源；納伏表精確測(cè)量CT試樣的工作電壓測(cè)量正極、工作電壓測(cè)量負(fù)極、參考電壓測(cè)量正極和參考電壓測(cè)量負(fù)極的電壓信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡從納伏表采集數(shù)據(jù)并輸出到電腦保存記錄；在恒流源的輸出端與CT試樣連接前加入反相電流模塊，通過(guò)反相電流模塊反轉(zhuǎn)電流。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)裝置，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ的一端插裝導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ的另一端設(shè)置外螺紋，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ通過(guò)外螺紋與CT試樣連接，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ的側(cè)面開(kāi)設(shè)導(dǎo)線(xiàn)連接柱，導(dǎo)線(xiàn)伸至導(dǎo)線(xiàn)連接柱中，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)旋緊螺栓與導(dǎo)線(xiàn)連接柱螺紋連接壓緊導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ與導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ結(jié)構(gòu)相同。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)裝置，導(dǎo)線(xiàn)旋緊螺栓和導(dǎo)線(xiàn)連接柱選用與CT試樣相同的材料加工而成。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)裝置，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊針對(duì)于電阻率小的鋁合金CT試樣，選用電阻率無(wú)氧銅作為導(dǎo)線(xiàn)，采用側(cè)面旋緊方式將銅導(dǎo)線(xiàn)與鋁合金試樣連接在一起。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)裝置，一級(jí)壓縮機(jī)內(nèi)充R404氟利昂，將溫度降至-30℃；二級(jí)壓縮機(jī)內(nèi)充R23氟利昂，將溫度降至-60℃。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，二級(jí)壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器被安裝于環(huán)境溫度控制箱內(nèi)部，當(dāng)二級(jí)壓縮機(jī)工作時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)器吸收環(huán)境溫度控制箱內(nèi)部空氣的熱量，實(shí)現(xiàn)溫度降低，達(dá)到制冷的目的；當(dāng)一級(jí)壓縮機(jī)啟動(dòng)后，二級(jí)壓縮機(jī)始終處于持續(xù)工作狀態(tài)，環(huán)境溫度控制箱內(nèi)二級(jí)壓縮機(jī)的蒸發(fā)器不斷吸收箱內(nèi)空氣溫度，持續(xù)制冷，箱內(nèi)溫度不斷降低，極限溫度可達(dá)-70℃。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，環(huán)境溫度控制箱內(nèi)壁帶有電阻絲加熱，與溫度控制表連接，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)溫度的恒定控制，實(shí)現(xiàn)溫度范圍：-60℃～150℃。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，CT試樣通過(guò)包裹陶瓷管的銷(xiāo)釘與U型夾具連接，避免試樣與夾具導(dǎo)通，起到絕緣作用。

所述的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置的使用方法，一級(jí)壓縮機(jī)將低溫低壓氣體壓縮成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體經(jīng)過(guò)冷凝器Ⅰ，在冷凝器Ⅰ中冷凝成低溫高壓液體，低溫高壓液體經(jīng)過(guò)儲(chǔ)液罐Ⅰ平緩冷凝器Ⅰ的負(fù)荷，調(diào)節(jié)和保證系統(tǒng)運(yùn)行所需制冷劑的循環(huán)量，保證流到膨脹閥Ⅰ是液體，再經(jīng)膨脹閥Ⅰ節(jié)流后進(jìn)入中間 冷卻器；

中間冷卻器應(yīng)用于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的一級(jí)壓縮機(jī)與二級(jí)壓縮機(jī)之間，從一級(jí)壓縮機(jī)集成于中間冷卻器內(nèi)的蒸發(fā)器出來(lái)的蒸汽被一級(jí)壓縮機(jī)吸入，壓縮到中間壓力并與中間冷卻器出來(lái)的干飽和蒸汽在管路中進(jìn)行混合，使從一級(jí)壓縮機(jī)排出的過(guò)熱蒸汽被冷卻后再進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)，經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)壓縮到冷凝壓力并進(jìn)入冷凝器Ⅱ；經(jīng)冷凝器Ⅰ冷凝后的低溫高壓液體進(jìn)入中間冷卻器集成于中間冷卻器內(nèi)的蛇形盤(pán)管進(jìn)行再冷卻，然后與從一級(jí)壓縮機(jī)的蒸發(fā)器出來(lái)的低溫低壓蒸汽進(jìn)行熱交換，使從中間冷卻器中出來(lái)的過(guò)冷液體再一次得到冷卻，最后經(jīng)膨脹閥Ⅱ進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為高溫低壓的蒸汽，從而完成制冷循環(huán)。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1.制冷方式，為了實(shí)現(xiàn)-50℃低溫環(huán)境，采用了帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮機(jī)制冷方式；其中一級(jí)壓縮機(jī)充入R404氟利昂作為冷媒，可實(shí)現(xiàn)-20℃的低溫，二級(jí)壓縮機(jī)充入R23環(huán)保型氟利昂(屬于HFC類(lèi)物質(zhì)，氫氟碳族，完全不破壞臭氧層)，在一級(jí)壓縮機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)一步制冷，實(shí)現(xiàn)了-50℃的低溫。選用環(huán)保型氟利昂作為冷媒，環(huán)境污染小，可往復(fù)循環(huán)使用。

2.低溫環(huán)境箱，低溫環(huán)境箱帶有均溫裝置、加熱裝置和溫度控制器，可以準(zhǔn)確控制從150℃至-50℃之間的任意溫度。

3.導(dǎo)線(xiàn)與鋁合金試樣的連接，由于鋁合金的潤(rùn)濕性低并且電阻率小，因此選用電阻率更低的無(wú)氧銅作為導(dǎo)線(xiàn)，采用側(cè)面旋緊方式將銅導(dǎo)線(xiàn)與鋁合金試樣連接在一起，連接緊固、不宜脫落，并且有效降低信號(hào)損失率。

4.電壓信號(hào)采集及存儲(chǔ)，采用Keithley-6221恒流源提供穩(wěn)定的直流電源，采用Keithley-2182A納伏表精準(zhǔn)采集電壓信號(hào)，采用National Instruments公司的數(shù)據(jù)采集卡，從納伏表采集數(shù)據(jù)，選用National Instruments公司的LabView軟件保存采集到的電壓值，軟件與硬件匹配性好。同時(shí)可選擇利用該軟件想采集卡發(fā)送指令控制恒流源的電流和電壓輸出值，自動(dòng)化程度高。

5.熱電勢(shì)的消除，由于DCPD法收到有溫度變化引起的熱電勢(shì)的影響，通過(guò)在恒流源輸出端加入反相電流模塊反轉(zhuǎn)電流，可有效消除溫度對(duì)電壓型號(hào)的影響。

6.絕緣性，CT試樣與U型夾具通過(guò)銷(xiāo)釘連接，在銷(xiāo)釘外套有氧化鋯陶瓷管，可有效解決絕緣問(wèn)題造成的電信號(hào)失準(zhǔn)。

7.結(jié)果有效性判斷，按照GB/T 6398提供的裂紋歸一化長(zhǎng)度a/W與電壓之間 的函數(shù)關(guān)系：a/W＝C0+C1(V/Vr)1+C2(V/Vr)2+C3(V/Vr)3，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)束后在斷口上直接測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的方式，對(duì)公式中的系數(shù)進(jìn)行修正。

總之，現(xiàn)有的液氮制冷技術(shù)，液氮無(wú)法循環(huán)使用，降溫過(guò)程不穩(wěn)定，可控性差，液氮的膨脹比較高且蒸發(fā)溫度低，在使用過(guò)程中容易發(fā)生因操作不當(dāng)而引發(fā)的爆炸、物料凝固堵塞管道等事故。現(xiàn)有的單級(jí)壓縮機(jī)制冷技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)-60℃的低溫?，F(xiàn)有的雙級(jí)壓縮機(jī)制冷技術(shù)，采用氨氣作為冷媒，存在泄露的風(fēng)險(xiǎn)，也容易造成事故。這些制冷方式通常用于大型冷庫(kù)和冷凍設(shè)備，無(wú)法直接應(yīng)用于試驗(yàn)室研究。裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量通常采用顯微鏡觀測(cè)法、柔度法和DCPD法，但觀測(cè)法自動(dòng)化程度低，需要耗費(fèi)較大的人力，并且觀測(cè)法還需要考慮低溫環(huán)境的保溫問(wèn)題，以及觀測(cè)窗口結(jié)霜的問(wèn)題；柔度法在進(jìn)行低溫疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)需要考慮低溫環(huán)境對(duì)引申計(jì)精度的影響。DCPD法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)需要考慮導(dǎo)線(xiàn)與試樣的連接問(wèn)題，通常采用焊接的方式將導(dǎo)線(xiàn)與試樣連接在一起，但是對(duì)于鋁合金等潤(rùn)濕度較低，電導(dǎo)率較大的材料，導(dǎo)線(xiàn)難以焊接在鋁合金試樣表面，給DCPD測(cè)量裂紋長(zhǎng)度帶來(lái)一定的困難。本發(fā)明采用雙級(jí)壓縮機(jī)制冷方式實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)從室溫至-60℃的低溫，溫度控制準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)便，充入的R23環(huán)保型氟利昂冷媒屬于HFC類(lèi)物質(zhì)，對(duì)臭氧層無(wú)損害，可節(jié)約能源。

附圖說(shuō)明

圖1、圖2、圖3、圖4和圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中：

圖1為低溫制冷系統(tǒng)示意圖；

圖2為環(huán)境溫度控制箱示意圖；

圖3為CT試樣與導(dǎo)線(xiàn)連接示意圖；

圖4為導(dǎo)線(xiàn)連接模塊示意圖；

圖5為電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。

圖中，1一級(jí)壓縮機(jī)；2壓力開(kāi)關(guān)Ⅰ；3壓力表Ⅰ；4冷凝器Ⅰ；5儲(chǔ)液罐Ⅰ；6電磁閥Ⅰ；7膨脹閥Ⅰ；8壓力表Ⅱ；9中間冷卻器；10二級(jí)壓縮機(jī)；11壓力開(kāi)關(guān)Ⅱ；12壓力表Ⅲ；13冷凝器Ⅱ；14油水分離器；15儲(chǔ)液罐Ⅱ；16電磁閥Ⅱ；17膨脹閥Ⅱ；18壓力表Ⅳ；19截止閥Ⅰ；20截止閥Ⅱ；21蒸發(fā)器；22冷卻水進(jìn)口；23冷卻水出口；24環(huán)境溫度控制箱；25溫度控制器；26均溫器；27熱電偶；28夾具穿入口；29導(dǎo)線(xiàn)引出口；30-CT試樣；31導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ；32導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ；33工作電壓測(cè)量正極；34工作電壓測(cè)量負(fù)極；35參考電壓測(cè)量正極； 36參考電壓測(cè)量負(fù)極；37導(dǎo)線(xiàn)旋緊螺栓；38導(dǎo)線(xiàn)連接柱；39導(dǎo)線(xiàn)；40恒流源；41反相電流模塊；42納伏表；43數(shù)據(jù)采集卡；44電腦；45外螺紋。

圖6為使用本發(fā)明低溫環(huán)境系統(tǒng)測(cè)試的一種鋁合金低溫疲勞S-N曲線(xiàn)。圖中，橫坐標(biāo)fatigue life(cycles)代表疲勞壽命，縱坐標(biāo)stress range(MPa)代表疲勞強(qiáng)度。

圖7為使用本發(fā)明DCPD法測(cè)試的一種鋁合金低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍(ΔK)之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

實(shí)施例

如圖1至圖5所示，本實(shí)施例的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，主要包括低溫制冷系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和裂紋測(cè)量系統(tǒng)。CT試樣置于低溫環(huán)境箱24內(nèi)，通過(guò)U型夾具對(duì)CT試樣進(jìn)行加載，具體結(jié)構(gòu)和使用過(guò)程如下：

低溫制冷系統(tǒng)設(shè)有一級(jí)壓縮機(jī)1(內(nèi)充R404氟利昂)、壓力開(kāi)關(guān)Ⅰ2、壓力表Ⅰ3、冷凝器Ⅰ4、儲(chǔ)液罐Ⅰ5、電磁閥Ⅰ6、膨脹閥Ⅰ7、壓力表Ⅱ8、中間冷卻器9、二級(jí)壓縮機(jī)10(內(nèi)充R23氟利昂)、壓力開(kāi)關(guān)Ⅱ11、壓力表Ⅲ12、冷凝器Ⅱ13、油水分離器14、儲(chǔ)液罐Ⅱ15、電磁閥Ⅱ16、膨脹閥Ⅱ17、壓力表Ⅳ18、截止閥Ⅰ19、截止閥Ⅱ20、蒸發(fā)器21、冷卻水進(jìn)口22、冷卻水出口23等。

一級(jí)壓縮機(jī)1一方面通過(guò)管路與冷凝器Ⅰ4連通，在所述管路上設(shè)置壓力開(kāi)關(guān)Ⅰ2和壓力表Ⅰ3。冷凝器Ⅰ4通過(guò)管路與儲(chǔ)液罐Ⅰ5連通，冷凝器Ⅰ4上設(shè)有冷卻水進(jìn)口22。儲(chǔ)液罐Ⅰ5通過(guò)管路與中間冷卻器9連通，在所述管路上設(shè)置電磁閥Ⅰ6、膨脹閥Ⅰ7。一級(jí)壓縮機(jī)1另一方面通過(guò)管路與中間冷卻器9連通，所述管路上設(shè)置壓力表Ⅱ8，膨脹閥Ⅰ7位于儲(chǔ)液罐5和中間冷卻器9之間，膨脹閥Ⅰ7的感溫包捆綁在一級(jí)壓縮機(jī)1吸氣端的管子上，起到調(diào)節(jié)管路內(nèi)制冷劑流量的作用。需要指出的是，膨脹閥7內(nèi)充入的制冷劑必須與壓縮機(jī)1內(nèi)的制冷劑(R404氟利昂)一致，否則膨脹系數(shù)不同會(huì)造成膨脹閥無(wú)法正常工作，也可以采用毛細(xì)管的方式替代膨脹閥。

二級(jí)壓縮機(jī)10一方面通過(guò)管路與冷凝器Ⅱ13連通，在所述管路上設(shè)置壓力開(kāi)關(guān)Ⅱ11和壓力表Ⅲ12。冷凝器Ⅱ13上設(shè)有冷卻水出口23，冷凝器Ⅱ13通過(guò)管路與油水分離器14連通，冷凝器Ⅱ13通過(guò)管路與和冷凝器Ⅰ4通過(guò)管路連通，可 以實(shí)現(xiàn)其作用是：當(dāng)循環(huán)水從冷卻水入口22充入并從冷卻水出口23流出時(shí)，可以同時(shí)將冷凝器Ⅰ4和冷凝器Ⅱ13的熱量帶走。儲(chǔ)液罐Ⅱ15通過(guò)管路與二級(jí)壓縮機(jī)10頂部連通，油水分離器14頂部與儲(chǔ)液罐Ⅱ15和二級(jí)壓縮機(jī)10之間的管路連通，油水分離器14底部通過(guò)管路與中間冷卻器9連通。二級(jí)壓縮機(jī)10另一方面通過(guò)管路與蒸發(fā)器21連通，在所述管路上設(shè)置壓力表Ⅳ18、截止閥Ⅱ20。蒸發(fā)器21通過(guò)管路與中間冷卻器9連通，在所述管路上設(shè)置電磁閥Ⅱ16、膨脹閥Ⅱ17、截止閥Ⅰ19，膨脹閥Ⅱ17位于中間冷卻器9和蒸發(fā)器21之間，膨脹閥Ⅱ17的感溫包捆綁在二級(jí)壓縮機(jī)10吸氣端的管子上，使高溫高壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥Ⅱ17的節(jié)流后，成為低溫低壓的霧狀蒸汽，然后在低溫環(huán)境箱內(nèi)的蒸發(fā)器21中吸收周?chē)h(huán)境的熱量實(shí)現(xiàn)制冷的作用。需要指出的是，膨脹閥Ⅱ17內(nèi)充入的制冷劑必須與二級(jí)壓縮機(jī)10內(nèi)的制冷劑(R23氟利昂)一致，否則膨脹系數(shù)不同會(huì)造成膨脹閥無(wú)法正常工作，也可以采用毛細(xì)管的方式替代膨脹閥。

一級(jí)壓縮機(jī)1將低溫低壓氣體壓縮成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體經(jīng)過(guò)冷凝器Ⅰ4，在冷凝器Ⅰ4中冷凝成低溫高壓液體，低溫高壓液體經(jīng)過(guò)儲(chǔ)液罐Ⅰ5平緩冷凝器Ⅰ4的負(fù)荷，調(diào)節(jié)和保證系統(tǒng)運(yùn)行所需制冷劑的循環(huán)量，保證流到膨脹閥Ⅰ7是液體，再經(jīng)膨脹閥Ⅰ7節(jié)流后進(jìn)入中間冷卻器9。

二級(jí)壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器被安裝于環(huán)境溫度控制箱內(nèi)部，當(dāng)二級(jí)壓縮機(jī)工作時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)器吸收環(huán)境溫度控制箱內(nèi)部空氣的熱量，實(shí)現(xiàn)溫度降低，達(dá)到制冷的目的；當(dāng)一級(jí)壓縮機(jī)啟動(dòng)后，二級(jí)壓縮機(jī)始終處于持續(xù)工作狀態(tài)，因此環(huán)境溫度控制箱內(nèi)二級(jí)壓縮機(jī)的蒸發(fā)器不斷吸收箱內(nèi)空氣溫度，持續(xù)制冷，箱內(nèi)溫度不斷降低，極限溫度可達(dá)-70℃。

中間冷卻器9應(yīng)用于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的第一級(jí)壓縮(一級(jí)壓縮機(jī)1)與第二級(jí)壓縮(二級(jí)壓縮機(jī)10)之間，從一級(jí)壓縮機(jī)1的蒸發(fā)器(集成于中間冷卻器9內(nèi))出來(lái)的蒸汽被一級(jí)壓縮機(jī)1吸入，壓縮到中間壓力并與中間冷卻器9出來(lái)的干飽和蒸汽在管路中進(jìn)行混合，使從一級(jí)壓縮機(jī)1排出的過(guò)熱蒸汽被冷卻后再進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)10，經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)10壓縮到冷凝壓力并進(jìn)入冷凝器Ⅱ13。經(jīng)冷凝器Ⅰ4冷凝后的低溫高壓液體進(jìn)入中間冷卻器9的蛇形盤(pán)管(集成于中間冷卻器9內(nèi))進(jìn)行再冷卻，然后與從一級(jí)壓縮機(jī)1的蒸發(fā)器出來(lái)的低溫低壓蒸汽進(jìn)行熱交換，使從中間冷卻器9中出來(lái)的過(guò)冷液體再一次得到冷卻，最后經(jīng)膨脹閥Ⅱ17進(jìn)入低溫環(huán)境箱中的蒸發(fā)器21，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為高溫低壓的蒸汽， 從而完成制冷循環(huán)。

其中，電磁閥Ⅰ6和電磁閥Ⅱ16用于控制流體的方向；壓力開(kāi)關(guān)Ⅰ2和壓力開(kāi)關(guān)Ⅱ11用于被測(cè)壓力超過(guò)額定值時(shí)，改變開(kāi)關(guān)元件的通斷狀態(tài)，進(jìn)而控制被測(cè)壓力；油水分離器14用于將管路內(nèi)氣體中無(wú)用或有害的液體分離出來(lái)；截止閥Ⅰ19和截止閥Ⅱ20用于調(diào)節(jié)管路內(nèi)流體的節(jié)流和全開(kāi)或全關(guān)；壓力表Ⅰ3和壓力表Ⅱ8為一級(jí)壓縮回路中顯示高壓和低壓數(shù)值；壓力表Ⅲ12和壓力表Ⅳ18為二級(jí)壓縮回路中顯示高壓和低壓數(shù)值；循環(huán)水從冷卻水進(jìn)口22充入，從冷卻水出口23流出，可以同時(shí)將冷凝器Ⅰ4和冷凝器Ⅱ13的熱量帶走。

如圖2所示，本發(fā)明溫度控制系統(tǒng)設(shè)有環(huán)境溫度控制箱24，環(huán)境溫度控制箱24四周側(cè)壁內(nèi)填充加熱電阻絲和保溫石棉，熱電偶27通過(guò)環(huán)境溫度控制箱24上端口插入環(huán)境溫度控制箱24內(nèi)部，熱電偶27與溫度控制器25連接，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制；均溫器26為一安裝在環(huán)境溫度控制箱24內(nèi)部的風(fēng)扇，用于循環(huán)環(huán)境溫度控制箱24內(nèi)部冷氣流，實(shí)現(xiàn)溫度均衡；環(huán)境溫度控制箱24上下面分別設(shè)有CT試樣夾具穿入口28；環(huán)境溫度控制箱24側(cè)面設(shè)有CT試樣導(dǎo)線(xiàn)引出口29。

如圖3-圖5所示，本發(fā)明裂紋測(cè)量系統(tǒng)設(shè)有緊湊拉伸CT試樣30，CT試樣30的開(kāi)口側(cè)上下設(shè)置工作電壓測(cè)量正極33、工作電壓測(cè)量負(fù)極34，CT試樣30的另一側(cè)設(shè)置參考電壓測(cè)量正極35、參考電壓測(cè)量負(fù)極36；導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31(電流輸入端)和導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ32(電流輸出端)，用來(lái)將導(dǎo)線(xiàn)39與CT試樣30連接在一起；恒流源40通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31和導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ32向CT試樣30輸入穩(wěn)定的直流電源；納伏表42用來(lái)精確測(cè)量CT試樣30的工作電壓測(cè)量正極33、工作電壓測(cè)量負(fù)極34、參考電壓測(cè)量正極35和參考電壓測(cè)量負(fù)極36的電壓信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡43從納伏表42采集數(shù)據(jù)并輸出到電腦44(計(jì)算機(jī))保存記錄；由于選用的是一款可編程操控的恒流源40，因此可通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡43將采集到的電流信號(hào)反饋到電腦44，進(jìn)而直接控制恒流源40的輸出電流大小，也可以直接在恒流源上設(shè)置輸出電流大小。在恒流源40的輸出端與CT試樣30連接前加入反相電流模塊41，通過(guò)反相電流模塊41反轉(zhuǎn)電流，消除溫度對(duì)電壓型號(hào)的影響。

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種新型的導(dǎo)線(xiàn)與試樣的連接方式，能夠牢固地將導(dǎo)線(xiàn)與鋁合金試樣連接在一起。如圖4所示，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31的一端插裝導(dǎo)線(xiàn)39，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31的另一端設(shè)置外螺紋45，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31通過(guò)外螺紋45與CT試樣 30連接；導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31的側(cè)面開(kāi)設(shè)導(dǎo)線(xiàn)連接柱38，導(dǎo)線(xiàn)39伸至導(dǎo)線(xiàn)連接柱38中，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)旋緊螺栓37與導(dǎo)線(xiàn)連接柱38螺紋連接壓緊導(dǎo)線(xiàn)39，導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ32與導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31結(jié)構(gòu)相同。導(dǎo)線(xiàn)旋緊螺栓37和導(dǎo)線(xiàn)連接柱38選用與CT試樣30相同的材料加工而成，避免電偶腐蝕，且體積不宜過(guò)大，直徑為3mm，避免因?qū)Ь€(xiàn)39與CT試樣30電壓信號(hào)測(cè)量端接觸面積過(guò)大造成的信號(hào)失真。導(dǎo)線(xiàn)連接模塊(導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅰ31和導(dǎo)線(xiàn)連接模塊Ⅱ32)是針對(duì)于鋁合金等潤(rùn)濕性低并且電阻率小的材料，選用電阻率更低的無(wú)氧銅作為導(dǎo)線(xiàn)，采用側(cè)面旋緊方式將銅導(dǎo)線(xiàn)與鋁合金試樣連接在一起，連接緊固、不宜脫落，并且有效降低信號(hào)損失率。

如圖6所示，從鋁合金低溫疲勞S-N曲線(xiàn)可以看出，采用本發(fā)明低溫環(huán)境溫度控制穩(wěn)定。

如圖7所示，從DCPD法測(cè)試的鋁合金低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍(ΔK)之間的關(guān)系曲線(xiàn)可以看出，采用本發(fā)明裂紋測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)量材料的低溫裂紋擴(kuò)展速率。

實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)-50℃的低溫疲勞S-N試驗(yàn)和低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)。使用的壓縮機(jī)雙級(jí)制冷方式安全可靠，穩(wěn)定性好，采用R23環(huán)保型氟利昂作為冷媒，可循環(huán)使用，無(wú)污染排放，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。從而，避免了液氮制冷技術(shù)中液氮無(wú)法循環(huán)使用，降溫過(guò)程不穩(wěn)定，膨脹比較高且蒸發(fā)溫度低等缺點(diǎn)，以及單級(jí)壓縮機(jī)制冷技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)-60℃的低溫的問(wèn)題。另外，本發(fā)明裝置DCPD法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度準(zhǔn)確性高，導(dǎo)線(xiàn)與試樣采用的螺栓式連接方式連接牢固，有效解決了低潤(rùn)濕性金屬難以與導(dǎo)線(xiàn)焊接的問(wèn)題。本發(fā)明適用于低溫空氣環(huán)境下DCPD法計(jì)算材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門(mén)檻值，溫度控制準(zhǔn)確，裂紋長(zhǎng)度測(cè)量可靠性高，適合在實(shí)驗(yàn)室中推廣使用，在鋼鐵、有色等大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)、檢測(cè)分析等領(lǐng)域也可廣泛應(yīng)用。