一種用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船用金屬結(jié)構(gòu)件腐蝕疲勞裂紋損傷檢測(cè)領(lǐng)域，具體來說，是一種適用于船用結(jié)構(gòu)件在海洋環(huán)境中服役時(shí)發(fā)生腐蝕疲勞問題時(shí)測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]船用金屬結(jié)構(gòu)件服役過程中，在全壽命周期內(nèi)，都處于海水全浸的狀態(tài)，一方面遭受海水腐蝕介質(zhì)的侵蝕，一方面承受周期性的應(yīng)力加載，發(fā)生腐蝕疲勞斷裂失效。腐蝕疲勞是應(yīng)力腐蝕的一種，腐蝕造成的金屬缺陷可作為裂紋源進(jìn)而發(fā)生裂紋擴(kuò)展直至斷裂失效。船用金屬結(jié)構(gòu)件在腐蝕環(huán)境下使用時(shí)的疲勞斷裂問題已經(jīng)成為研宄重點(diǎn)，并相繼開展了大量的試驗(yàn)和理論研宄工作。研宄試樣在腐蝕環(huán)境下承受不間斷的疲勞加載狀況，關(guān)鍵問題是解決環(huán)境腐蝕裝置，對(duì)于腐蝕試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1997-94中規(guī)定，環(huán)境箱及其輔助設(shè)備應(yīng)采用抗腐蝕材料，不允許有介質(zhì)的滲漏。關(guān)于腐蝕疲勞試樣的形狀與尺寸，也做了詳細(xì)的規(guī)定。
[0003]試樣的裂紋檢測(cè)是研宄腐蝕疲勞的重點(diǎn)，裂紋擴(kuò)展速率與試樣疲勞壽命直接相關(guān)，GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》中詳細(xì)介紹了疲勞裂紋長度的各種測(cè)量方法，包括柔度法、電位法等以及裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)定方法，這些方法都是借助一定的物理基礎(chǔ)，通過公式計(jì)算，間接獲取疲勞裂紋長度的值，這就導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值之間在一定程度上存在誤差。若能通過直接觀測(cè)、量取疲勞裂紋長度值，則能更加真實(shí)的反應(yīng)材料件的疲勞裂紋擴(kuò)展情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)模擬船用結(jié)構(gòu)件在海洋環(huán)境中服役時(shí)發(fā)生的腐蝕疲勞問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種腐蝕環(huán)境裝置進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)，并采用長距離工作顯微鏡為輔助裝置，測(cè)量試樣疲勞裂紋的長度，并計(jì)算其裂紋擴(kuò)展速率。
[0005]本發(fā)明一種用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置，包括底座與腐蝕介質(zhì)盛裝容器。所述底座下表面設(shè)計(jì)有疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾件，用于疲勞試驗(yàn)機(jī)下夾頭的裝夾；底座上表面設(shè)計(jì)又試樣鎖定件，用于疲勞試樣下端的固定；疲勞試樣的上端通過疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上夾頭夾持。所述腐蝕介質(zhì)盛裝容器為筒狀結(jié)構(gòu)，底端固定安裝在底座中圓形臺(tái)面上表面；底座中的試樣鎖定件位于腐蝕介質(zhì)盛裝容器內(nèi)。
[0006]所述的一種用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置的測(cè)試方法，其特征在于:
[0007]步驟1:確定疲勞測(cè)試參數(shù)；
[0008]步驟2:去掉疲勞試樣表面雜質(zhì)；
[0009]步驟3:確保疲勞試樣表面光滑；同時(shí)確保腐蝕介質(zhì)盛裝容器不發(fā)生滲漏。
[0010]步驟4:將底座的疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾件由疲勞試驗(yàn)機(jī)下夾頭夾緊鎖定；
[0011]步驟5:將疲勞試樣一端安裝在底座的試樣裝夾件上，另一端通過疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上夾頭夾緊鎖定；隨后在腐蝕介質(zhì)盛裝容器內(nèi)加入腐蝕介質(zhì)，沒過疲勞試樣的工作段；
[0012]步驟6:架設(shè)顯微鏡，使顯微鏡鏡頭對(duì)準(zhǔn)疲勞試樣的工作段；
[0013]步驟7:在疲勞試驗(yàn)機(jī)中設(shè)置步驟I中確定的疲勞測(cè)試參數(shù)，開始測(cè)試；
[0014]步驟8:連續(xù)測(cè)試至預(yù)定的循環(huán)次數(shù)，暫停試驗(yàn)，顯微鏡拍照，繼續(xù)測(cè)試；
[0015]步驟9:重復(fù)步驟8，直至疲勞試樣的工作段斷裂；
[0016]步驟10:根據(jù)顯微鏡所拍攝的照片記錄裂紋的萌生-擴(kuò)展-斷裂過程，根據(jù)預(yù)定的循環(huán)次數(shù)N與裂紋的增長量△ a，可知疲勞試樣裂紋萌生后，裂紋擴(kuò)展速率da/dN的變化情況。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]1、本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了靜置狀態(tài)下，金屬材料在腐蝕介質(zhì)中腐蝕疲勞性能的測(cè)量；
[0019]2、本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置，設(shè)計(jì)有透明窗口，可方便觀察試驗(yàn)全過程的狀態(tài)；
[0020]3、在長工作距離顯微鏡的輔助下，本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置及方法，在測(cè)試金屬材料預(yù)制裂紋的擴(kuò)展速率方面有極大的優(yōu)勢(shì)，例如中心裂紋腐蝕疲勞試驗(yàn)與邊緣裂紋腐蝕疲勞試驗(yàn)；
[0021]4、本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置中，底座采用一體化設(shè)計(jì)，可避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，延長裝置的使用壽命；
[0022]5、本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置中，金屬片的設(shè)計(jì)可避免試驗(yàn)過程中疲勞試樣發(fā)生滑動(dòng)，同時(shí)也方便試樣的取換。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置中底座結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置中金屬片安裝方式示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置中試樣定位件運(yùn)動(dòng)限制示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置中腐蝕介質(zhì)盛裝容器窗口設(shè)計(jì)位置示意圖；
[0028]圖中:
[0029]1-底座2-試樣定位件3-腐蝕介質(zhì)盛裝容器
[0030]4-疲勞試樣5-窗口101-圓形臺(tái)面
[0031]102-疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾件103-試樣鎖定件104-通孔
[0032]105-螺釘106-金屬片107-凹槽
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0034]本發(fā)明用于測(cè)試金屬腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的裝置，包括底座1、試樣定位件2與腐蝕介質(zhì)盛裝容器3，如圖1所示。
[0035]所述底座I通過對(duì)耐腐蝕的316L不銹鋼圓柱體進(jìn)行一體化加工成形，一體化加工可避免試驗(yàn)過程中由于應(yīng)力集中出現(xiàn)滲漏故障。底座I具有圓形臺(tái)面101、疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾件102、試樣鎖定件103，如圖2所示。
[0036]其中，疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾件設(shè)置于圓形臺(tái)面101下表面中心位置，用于疲勞試驗(yàn)機(jī)下夾頭的裝夾，且疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾完畢后，圓形臺(tái)面101須呈水平狀態(tài)。試樣鎖定件103設(shè)置于圓形臺(tái)面101上表面，為兩個(gè)相互平行的裝夾面，兩個(gè)裝夾面間的間隙用來插裝試樣的一端。兩個(gè)裝夾面相對(duì)稱的位置開有通孔104，由此可在疲勞試樣4 一端開設(shè)與裝夾面上通孔104直徑相等的安裝孔，將疲勞試樣4插入兩個(gè)裝夾面之間的間隙，使疲勞試樣4上的安裝孔與兩個(gè)裝夾面上的通孔104位置對(duì)稱，隨后通過外徑與通孔直徑相等的定位件2穿過兩個(gè)裝夾面間的通孔104后，實(shí)現(xiàn)疲勞試樣4在底座I上定位。疲勞試樣4的另一端通過疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上夾頭夾持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)疲勞試樣4的夾緊及鎖定。通過上述結(jié)構(gòu)，疲勞試驗(yàn)機(jī)加載的交變載荷可通過疲勞試驗(yàn)機(jī)裝夾件102傳遞給試樣。
[0037]為了確保疲勞試驗(yàn)機(jī)在加載過程中定位件2脫出裝夾面上的通孔104，造成疲勞試樣滑落，本發(fā)明在兩個(gè)裝夾面中任意一個(gè)裝夾面的外側(cè)面上，位于通孔104兩側(cè)位置，以通孔104中心對(duì)稱開設(shè)有兩個(gè)盲孔，每個(gè)盲孔中同軸固定安裝螺釘105，如圖3所示；同時(shí)，在一個(gè)螺釘105上套有金屬片106，金屬片106可繞螺釘軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)；金屬片106在螺釘105軸向上得移動(dòng)通過螺釘105的螺帽限制。所述金屬片106上側(cè)邊處開設(shè)有貫通側(cè)邊的凹槽107，凹槽107的寬度與螺釘105得直