專利名稱：測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣及試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料腐蝕試驗測試方法技術(shù)領(lǐng)域，一種測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣及試驗方法。
背景技術(shù)：
目前在我國的GB/T6398-2000(金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法)中規(guī)定的標準緊湊拉伸C(T)試樣的引伸計裝卡刀口在關(guān)于裂紋擴展面對稱的兩側(cè)，在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時，疲勞裂紋長度用柔度法測量的情形只限于在臥式疲勞試驗機上進行；如果在立式疲勞試驗機上進行這種試驗，價格昂貴的引伸計(進口的約5000美金，國產(chǎn)的也要上千元人民幣)往往會因受到腐蝕液的侵蝕而降低其線性度、靈敏度或徹底損壞；而國內(nèi)絕大多數(shù)疲勞試驗機都是立式的，因此，在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時，用柔度法測量疲勞裂紋長度幾乎是不可能的。鑒于這種情況，國內(nèi)大多數(shù)單位進行這類試驗時，一般不用引伸計通過柔度技術(shù)測量疲勞裂紋長度，而是借助光學(xué)顯微鏡用目測法來觀察裂紋的擴展情況。但是，金屬材料的疲勞裂紋往往比較細，尤其是銅合金、鈦合金等材料的疲勞裂紋，在空氣中已經(jīng)很不容易觀察清楚，并且由于腐蝕液常常會因為懸浮其中的金屬材料試樣的腐蝕產(chǎn)物而變得混濁不清，這使得用目測法觀察疲勞裂紋長度更為困難，因此很難保證目測法觀察疲勞裂紋長度的精度，勞動強度也很大。
目前，國內(nèi)涉及在試驗測試領(lǐng)域測量疲勞裂紋長度的文獻很少，特別是對柔度技術(shù)的研究和利用柔度技術(shù)進行腐蝕環(huán)境下裂紋長度自動檢測方面的研究尚未見到。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述存在的問題，本發(fā)明提供一種測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣及試驗方法，這種試樣可以使價格昂貴的電子引伸計遠離腐蝕液面，避免因受到腐蝕液侵蝕而損壞，最終使試驗失敗的難題；相對目測法測量疲勞裂紋長度而言，該方法可明顯提高測量疲勞裂紋長度的精度，同時也大大降低勞動強度。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的所述的測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣，在其試樣遠離裂紋擴展面的上側(cè)采用整體設(shè)計的方法設(shè)置有電子引伸計的裝卡刀口；根據(jù)試驗機控制系統(tǒng)采集到的大量的試驗數(shù)據(jù)，利用進口設(shè)備的多項試驗測試軟件，求解出所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)如下柔度系數(shù)符號 C0C1C2C3C4C5柔度系數(shù)數(shù)值 0.9927 -4.8803 17.031 -189.39 781.63 -821.74同時，建立歸一化裂紋長度和柔度系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時裂紋長度的檢測自動化。
實施所述的測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣的試驗方法按照下列步驟進行(1)采用電火花線切割的方式引發(fā)試樣的初始裂紋；(2)將求解出的所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)輸入到事先編好的試驗程序中；(3)測量試樣厚度、寬度參數(shù)，并輸入到事先編好的程序中；(4)將腐蝕循環(huán)系統(tǒng)、相關(guān)的試樣卡具及試樣與立式疲勞試驗機相連接；(5)將腐蝕液加入循環(huán)系統(tǒng)和裝有試樣的腐蝕盒中，循環(huán)系統(tǒng)中的腐蝕液要足夠多，腐蝕盒中的腐蝕液要保證時時浸泡住裂紋擴展面；(6)將電子引伸計裝卡在試樣上側(cè)的刀口處；(7)設(shè)置好預(yù)制疲勞裂紋的各個參數(shù)，包括應(yīng)力強度因子范圍ΔK、控制方式、采用頻率、波形及預(yù)制疲勞裂紋的長度；(8)啟動試驗機，開始預(yù)制疲勞裂紋，時時觀測當前的裂紋擴展長度，注意整個腐蝕循環(huán)系統(tǒng)，以防腐蝕液滲漏而侵蝕試驗機；(9)預(yù)制完成疲勞裂紋后，根據(jù)當前的結(jié)果，設(shè)定試驗時所需要的載荷范圍、應(yīng)力比、頻率的參數(shù)；(10)再次啟動試驗機，開始正式試驗；(11)試驗結(jié)束后，根據(jù)所采集到的試驗數(shù)據(jù)，按照帕里斯(Paris)經(jīng)驗方程的表達形式擬合出試驗材料的疲勞裂紋擴展速率曲線及其方程，最后出具相應(yīng)的試驗報告。
所述的測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣，該試樣柔度系數(shù)的求解步驟如下(1)測量所設(shè)計試樣的厚度B、寬度W及采用任何方法所引發(fā)的有效裂紋長度a，并事先測試出試驗材料的彈性模量E；(2)將所設(shè)計的試樣采用電火花線切割的方法引發(fā)裂紋，每隔a/W＝0.025引發(fā)一次，并重新測量引發(fā)的裂紋長度a，作為所用的實際值；(3)將引發(fā)裂紋后的試樣裝在試驗機上，并將電子引伸計裝卡在試樣的刀口處，清零；(4)對引發(fā)裂紋后的試樣在彈性范圍內(nèi)緩慢拉伸，此時需要以較高的采點速率采集作用在試樣上的載荷P、引伸計的變形量V；(5)按照公式Ux＝1/[(BEVx/P)1/2+1]求解出試樣的無量綱柔度值Ux；(6)每次引發(fā)裂紋后，都要求解出一個歸一化裂紋長度a/W值；
(7)當歸一化裂紋長度a/W＝0.75時，試驗可以停止；(8)對所求得的數(shù)據(jù)組(a/W，Ux)進行一元五次遞增多項式回歸，其回歸系數(shù)便可以作為該試樣的柔度系數(shù)；(9)對多塊試樣按如上步驟進行，可分別得到各個試樣的六個柔度系數(shù)；(10)對多塊試樣的柔度系數(shù)進行均值化處理，就得到了最終所求解的六個柔度系數(shù)C0、C1、C2、C3、C4、C5。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下積極效果本發(fā)明設(shè)計出的在腐蝕液(海水、鹽水、江水等)中測量疲勞裂紋擴展速率(da/dN)的試樣，將電子引伸計的裝卡刀口提到了遠離裂紋擴展面的上側(cè)，解決了在立式疲勞試驗機上用柔度法測量疲勞裂紋長度時、價格昂貴的引伸計常因腐蝕液侵蝕而損壞、從而導(dǎo)致試驗失敗的難題。該試樣也可以用在臥式疲勞試驗機上。
利用求解出的試樣柔度系數(shù)，建立起了歸一化裂紋長度和柔度系數(shù)的函數(shù)方程，從理論上為通過柔度技術(shù)測量疲勞裂紋長度奠定了基礎(chǔ)，從而使得在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時裂紋長度的檢測實現(xiàn)了自動化，與目前國內(nèi)大多單位在腐蝕液中測量疲勞裂紋擴展速率(da/dN)用目測法檢測裂紋長度相比，明顯提高了測量裂紋長度的精度，同時也大大降低了勞動強度。
在腐蝕液中測量疲勞裂紋擴展速率試樣的設(shè)計成功、柔度系數(shù)的正確求得及據(jù)此所建立的試驗方法，為該類試驗的順利進行提供了保證。利用試驗結(jié)果，能夠更準確地對服役在腐蝕介質(zhì)中的船舶進行安全設(shè)計和壽命評估。


圖1是標準的緊湊拉伸C(T)試樣圖；
圖2是測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣及試驗方法中所設(shè)計的試樣圖；圖3是標準的緊湊拉伸C(T)試樣的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)-ΔK曲線圖；圖4是測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)-ΔK曲線圖。
具體實施例方式1、測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率(da/dN)的試樣形式在腐蝕液中用標準的緊湊拉伸C(T)試樣進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗，用目測法觀測疲勞裂紋長度，一方面通過光學(xué)顯微鏡讀到的裂紋長度的精度不能保證，另一方面勞動強度也相當大。如圖1中所示，該試樣的引伸計裝卡刀口(①處)在關(guān)于裂紋擴展面對稱的兩側(cè)。在立式疲勞試驗機上測量腐蝕液(②處為腐蝕液面)中的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)時，價格昂貴的引伸計往往會受到腐蝕液的侵蝕。如果將引伸計的裝卡刀口移動到裂紋擴展面的上側(cè)，首先便可以保證價格昂貴的引伸計不被侵蝕。另外，如果能夠求解出這種試樣的柔度系數(shù)，就可以采用柔度技術(shù)來測量腐蝕液中的疲勞裂紋長度，這樣就可以保證裂紋長度測量的精度，同時也會大大降低用目測法測量時所付出的大量辛勤勞動。
于是，在標準的緊湊拉伸C(T)試樣的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計出了測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率(da/dN)的試樣，如圖2中所示，電子引伸計的裝卡刀口(③處)采用整體設(shè)計的方法設(shè)計在了遠離裂紋擴展面的上側(cè)，這樣，一方面解決了價格昂貴的電子引伸計遭受腐蝕液(④為腐蝕液面)侵蝕的難題，另一方面也為用柔度技術(shù)測量疲勞裂紋長度打下了基礎(chǔ)。我們根據(jù)試驗機控制系統(tǒng)采集到的歸一化裂紋長度、試樣的無量綱柔度、未知參數(shù)柔度系數(shù)等大量的試驗數(shù)據(jù)，在嚴密推理與實踐的基礎(chǔ)上，充分利用進口設(shè)備的多項試驗測試軟件的功能特點，求解出了所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)。所設(shè)計試樣的典型特征是將用來間接測量疲勞裂紋長度的電子引伸計裝卡刀口采用整體性設(shè)計的方法設(shè)計在了遠離裂紋擴展面的上側(cè)，這樣在試驗過程中一方面可以保證價格昂貴的引伸計遠離腐蝕液面，避免在測量疲勞裂紋長度的過程中因受到腐蝕液侵蝕而降低其線性度、靈敏度或徹底損壞的可能，另一方面也能夠較好地保證在整個試驗過程中引伸計不會因脫落而使試驗失敗，同時也便于裝卸操作。該試樣的設(shè)計成功，為在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時自動檢測裂紋長度提供了可能。
2、所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)經(jīng)過大量的推理與試驗驗證，所求解試樣的柔度系數(shù)精度高、可靠性強、具有廣泛的實用性可以應(yīng)用于不同的金屬材料、不同試樣尺寸的所有和所設(shè)計試樣形式相同、大小成比例的試樣。利用所求解出的六個試樣柔度系數(shù)，建立起了歸一化裂紋長度和柔度系數(shù)的函數(shù)方程，從理論上為用柔度技術(shù)測量疲勞裂紋長度奠定了基礎(chǔ)，從而為在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時疲勞裂紋長度的自動測量提供了可能。將試驗機的控制系統(tǒng)采集到作用在試樣上的載荷、引伸計張開位移等必要的數(shù)據(jù)應(yīng)用于通過所求理論公式編寫的計算機程序，就能隨時自動計算出試樣當前裂紋的擴展長度，并可時時顯示在計算機桌面上。最后經(jīng)過計算和處理，就可以得到試驗材料在腐蝕液中的疲勞裂紋擴展速率。所設(shè)計試樣柔度系數(shù)的求得，使得在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時裂紋長度的檢測實現(xiàn)了自動化的同時，也明顯提高了裂紋長度的測量精度，大大降低了勞動強度。
發(fā)明設(shè)計試樣的柔度系數(shù)如下柔度系數(shù)符號 C0C1C2C3C4C5柔度系數(shù)數(shù)值 0.9927 -4.8803 17.031 -189.39 781.63 -821.743、所設(shè)計試樣柔度系數(shù)的求解步驟(1)測量所設(shè)計試樣的厚度B、寬度W及采用任何方法所引發(fā)的有效裂紋長度a，并事先測試出試驗材料的彈性模量E；(2)將所設(shè)計的試樣采用電火花線切割的方法引發(fā)裂紋，每隔a/W＝0.025引發(fā)一次，并重新測量引發(fā)的裂紋長度a，作為所用的實際值；(3)將引發(fā)裂紋后的試樣裝在試驗機上，并將電子引伸計裝卡在試樣的刀口處，清零；(4)對引發(fā)裂紋后的試樣在彈性范圍內(nèi)緩慢拉伸，此時需要以較高的采點速率(比如100數(shù)據(jù)點/sec)采集作用在試樣上的載荷P、引伸計的變形量V；(5)按照公式Ux＝1/[(BEVVx/P)1/2+1]求解出試樣的無量綱柔度值Ux；(6)每次引發(fā)裂紋后，都要求解出一個歸一化裂紋長度a/W值；(7)當歸一化裂紋長度a/W＝0.75時(正式試驗時該值一般不會超過0.70)，試驗可以停止；(8)對所求得的數(shù)據(jù)組(a/W，Ux)進行一元五次遞增多項式回歸，其回歸系數(shù)便可以作為該試樣的柔度系數(shù)；(9)對多塊試樣按如上步驟進行，可以分別得到各個試樣的六個柔度系數(shù)；(10)對多塊試樣的柔度系數(shù)進行均值化處理，就得到了最終所求解的六個柔度系數(shù)C0、C1、C2、C3、C4、C5。
4、試驗方法利用所設(shè)計出的試樣及其柔度系數(shù)，按照下列步驟就可以完成在腐蝕液中進行的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗(1)采用電火花線切割的方式引發(fā)試樣的初始裂紋；(2)將求解出的所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)輸入到事先編好的試驗程序中；(3)測量試樣厚度、寬度等參數(shù)，并輸入到事先編好的程序中；(4)將腐蝕循環(huán)系統(tǒng)、相關(guān)的試樣卡具及試樣與立式疲勞試驗機相連接；(5)將腐蝕液加入循環(huán)系統(tǒng)和裝有試樣的腐蝕盒中，循環(huán)系統(tǒng)中的腐蝕液要足夠多，腐蝕盒中的腐蝕液要保證時時浸泡住裂紋擴展面；(6)將電子引伸計裝卡在試樣上側(cè)的刀口處；(7)設(shè)置好預(yù)制疲勞裂紋的各個參數(shù)，包括應(yīng)力強度因子范圍ΔK、控制方式、采用頻率、波形及預(yù)制疲勞裂紋的長度等；(8)啟動試驗機，開始預(yù)制疲勞裂紋，時時觀測當前的裂紋擴展長度，注意整個腐蝕循環(huán)系統(tǒng)，以防腐蝕液滲漏而侵蝕試驗機；(9)預(yù)制完成疲勞裂紋后，根據(jù)當前的結(jié)果，設(shè)定試驗時所需要的載荷范圍、應(yīng)力比、頻率等參數(shù)；(10)再次啟動試驗機，開始正式試驗；(11)試驗結(jié)束后，根據(jù)所采集到的試驗數(shù)據(jù)，按照帕里斯(Paris)經(jīng)驗方程的表達形式擬合出試驗材料的疲勞裂紋擴展速率曲線及其方程，最后出具相應(yīng)的試驗報告。
從我們發(fā)明設(shè)計的試樣形式可以看到，該試樣可以無庸置疑地用在腐蝕液中的疲勞試驗而保證電子引伸計不被腐蝕液所侵蝕。為了驗證所設(shè)計試樣柔度系數(shù)及試驗方法的正確性與可行性，我們選擇了一種結(jié)構(gòu)鋼材料，加工成了一組標準的緊湊拉伸試樣和一組我們發(fā)明設(shè)計的試樣。由于在立式試驗機上標準的緊湊拉伸試樣在腐蝕液中無法測量試驗材料的疲勞裂紋擴展速率，而金屬材料在空氣中和在腐蝕液中的疲勞裂紋擴展速率又往往相差很大。因此，我們認為，如果用標準的緊湊拉伸試樣用柔度技術(shù)在空氣中測試了試驗材料的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)，然后再用我們發(fā)明設(shè)計的試樣及其柔度系數(shù)采用同樣的試驗條件進行測試，由于試驗材料是一樣的，如果測試結(jié)果的一致性很好，就能夠表明我們所發(fā)明的試樣及試驗方法是正確的。
試驗設(shè)備為立式的MTS810電液伺服疲勞試驗機。
采用上述試驗方法步驟進行試驗。
采用的試驗條件如下試驗載荷范圍ΔP＝12.0KN，應(yīng)力比R＝0.1，波形為正弦波，頻率f＝10Hz，室溫空氣中試驗。
試驗結(jié)果(包括da/dN-ΔK曲線圖及其方程)如圖3和圖4中所示，從圖3和圖4可見，兩種試樣的數(shù)據(jù)組(da/dN，ΔK)的分布完全一樣?？紤]到試驗材料的組織均勻性及每塊試樣的加工誤差，得到的試驗材料在兩種不同試樣形式下(對應(yīng)不同的柔度系數(shù))的裂紋擴展速率是一致的。這充分表明，我們所設(shè)計發(fā)明的測量腐蝕液中金屬材料的疲勞裂紋擴展速率的試樣是實用的，柔度系數(shù)是可靠的，所建立起來的試驗方法具有可靠性和可行性。
權(quán)利要求
1.一種測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣，其特征在于所述的試樣，在其試樣遠離裂紋擴展面的上側(cè)采用整體設(shè)計的方法設(shè)置有電子引伸計的裝卡刀口；根據(jù)試驗機控制系統(tǒng)采集到的大量的試驗數(shù)據(jù)，利用進口設(shè)備的多項試驗測試軟件，求解出所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)如下柔度系數(shù)符號 C0C1C2C3C4C5柔度系數(shù)數(shù)值 0.9927 -4.8803 17.031 -189.39 781.63 -821.74同時，建立歸一化裂紋長度和柔度系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時裂紋長度的檢測自動化。
2.實施權(quán)利要求1所述的測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣的試驗方法，其特征在于該試驗方法按照下列步驟進行(1)采用電火花線切割的方式引發(fā)試樣的初始裂紋；(2)將求解出的所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)輸入到事先編好的試驗程序中；(3)測量試樣厚度、寬度參數(shù)，并輸入到事先編好的程序中；(4)將腐蝕循環(huán)系統(tǒng)、相關(guān)的試樣卡具及試樣與立式疲勞試驗機相連接；(5)將腐蝕液加入循環(huán)系統(tǒng)和裝有試樣的腐蝕盒中，循環(huán)系統(tǒng)中的腐蝕液要足夠多，腐蝕盒中的腐蝕液要保證時時浸泡住裂紋擴展面；(6)將電子引伸計裝卡在試樣上側(cè)的刀口處；(7)設(shè)置好預(yù)制疲勞裂紋的各個參數(shù)，包括應(yīng)力強度因子范圍ΔK、控制方式、采用頻率、波形及預(yù)制疲勞裂紋的長度；(8)啟動試驗機，開始預(yù)制疲勞裂紋，時時觀測當前的裂紋擴展長度，注意整個腐蝕循環(huán)系統(tǒng)，以防腐蝕液滲漏而侵蝕試驗機；(9)預(yù)制完成疲勞裂紋后，根據(jù)當前的結(jié)果，設(shè)定試驗時所需要的載荷范圍、應(yīng)力比、頻率的參數(shù)；(10)再次啟動試驗機，開始正式試驗；(11)試驗結(jié)束后，根據(jù)所采集到的試驗數(shù)據(jù)，按照帕里斯(Paris)經(jīng)驗方程的表達形式擬合出試驗材料的疲勞裂紋擴展速率曲線及其方程，最后出具相應(yīng)的試驗報告。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣，其特征在于該試樣柔度系數(shù)的求解步驟如下(1)測量所設(shè)計試樣的厚度B、寬度W及采用任何方法所引發(fā)的有效裂紋長度a，并事先測試出試驗材料的彈性模量E；(2)將所設(shè)計的試樣采用電火花線切割的方法引發(fā)裂紋，每隔a/W＝0.025引發(fā)一次，并重新測量引發(fā)的裂紋長度a，作為所用的實際值；(3)將引發(fā)裂紋后的試樣裝在試驗機上，并將電子引伸計裝卡在試樣的刀口處，清零；(4)對引發(fā)裂紋后的試樣在彈性范圍內(nèi)緩慢拉伸，此時需要以較高的采點速率采集作用在試樣上的載荷P、引伸計的變形量V；(5)按照公式Ux＝1/[(BEVx/P)1/2+1]求解出試樣的無量綱柔度值Ux；(6)每次引發(fā)裂紋后，都要求解出一個歸一化裂紋長度a/W值；(7)當歸一化裂紋長度a/W＝0.75時，試驗可以停止；(8)對所求得的數(shù)據(jù)組(a/W，Ux)進行一元五次遞增多項式回歸，其回歸系數(shù)便可以作為該試樣的柔度系數(shù)；(9)對多塊試樣按如上步驟進行，可分別得到各個試樣的六個柔度系數(shù)；(10)對多塊試樣的柔度系數(shù)進行均值化處理，就得到了最終所求解的六個柔度系數(shù)C0、C1、C2、C3、C4、C5。
全文摘要
一種測量腐蝕液中疲勞裂紋擴展速率的試樣及試驗方法，在其試樣遠離裂紋擴展面的上側(cè)采用整體設(shè)計的方法設(shè)置有電子引伸計的裝卡刀口；根據(jù)試驗機控制系統(tǒng)采集到的大量的試驗數(shù)據(jù)，求解出所設(shè)計試樣的柔度系數(shù)，建立歸一化裂紋長度和柔度系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)在腐蝕液中進行疲勞裂紋擴展速率(da/dN)試驗時裂紋長度的檢測自動化，據(jù)此所建立的試驗方法，為該類試驗的順利進行提供了保證。與目前國內(nèi)大多單位在腐蝕液中測量疲勞裂紋擴展速率(da/dN)用目測法檢測裂紋長度相比，明顯提高了測量裂紋長度的精度，同時也大大降低了勞動強度。利用試驗結(jié)果，能夠更準確地對服役在腐蝕介質(zhì)中的船舶進行安全設(shè)計和壽命評估。
文檔編號G01N19/00GK1587988SQ200410060569
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者張亞軍, 梁健, 白杰 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所