專利名稱：：一種高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于機(jī)械工程、材料、力學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法及其裝置。
背景技術(shù)：
：先進(jìn)斷裂力學(xué)的發(fā)展，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性和安全評定成為可能。實(shí)施高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)防斷設(shè)計(jì)和壽命評定，掌握高溫蠕變裂紋的擴(kuò)展規(guī)律是必要條件，離不開對高溫裂變擴(kuò)展的精確測量，因而進(jìn)行金屬高溫蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)十分必要。測量裂紋擴(kuò)展的方法很多，如早期傳統(tǒng)的采用顯微鏡目測裂紋長度的方法，申請?zhí)枮?9106103.7的中國發(fā)明專利所公開的自動(dòng)測量表面裂紋擴(kuò)展參數(shù)的方法，申請?zhí)枮?00610051602.5的中國發(fā)明專利申請公開的利用諧振加載原理的裂紋擴(kuò)展測試方法等。但目前這些方法的使用局限于常溫環(huán)境，還未見用于高溫蠕變裂紋擴(kuò)展測量的探討，而且往往具有較大的局限?；谌岫壤碚摰娜岫确m然能夠用于較高溫度的蠕變裂紋長度測量，然而其精度不很理想，且由于引伸計(jì)不易用于過高溫度使得在高溫裂紋測量中受到局限。目前可用于高溫裂變測試的方法主要有兩種第一種方法為電位法，主要是利用在試樣兩端施加恒定電流，通過測定裂紋面兩端的電位差來間接獲取裂紋擴(kuò)展長度；這種方法的缺點(diǎn)是結(jié)果精確度受到儀器的限制，且影響因素較多，數(shù)據(jù)結(jié)果分散性大。第二種方法是引伸計(jì)方法，該方法用于金屬蠕變開裂擴(kuò)展速率測量，需要通過將引伸計(jì)伸至試樣開口處加載線上下兩端的凹槽，來獲得試樣的加載線位移，進(jìn)而確定金屬材料的裂紋擴(kuò)展長度，精度較高，其缺點(diǎn)是對引伸計(jì)的要求較高，且價(jià)格昂貴，因而難以廣泛使用。目前上述兩種方法已納入美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)E1457—00。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就在于提供一種用于高溫?cái)嗔褏?shù)測試的裝置，該裝置基于非接觸光學(xué)測量原理，能夠較好地獲取高溫環(huán)境下金屬材料的蠕變裂紋擴(kuò)展長度和斷裂參數(shù)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于所述裝置的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法。本發(fā)明的高溫蠕變斷裂參數(shù)測試裝置包括加載機(jī)構(gòu)，用于對試樣進(jìn)行加載，其內(nèi)部設(shè)有高溫加熱爐，高溫加熱爐上設(shè)有開孔，并在開孔內(nèi)安裝耐高溫玻璃；白熾光源，用于透過耐高溫玻璃照射試樣以產(chǎn)生視頻信號；CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)，用于攝取高溫環(huán)境下試樣表面開口不同時(shí)刻的視頻信號(圖像)，并將視頻信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，CCD攝像機(jī)并帶有三維移動(dòng)三角支架，用于調(diào)整CCD攝像機(jī)的定位；數(shù)據(jù)采集卡，將來自CCD攝像機(jī)的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)上；和電子計(jì)算機(jī)，用于存儲(chǔ)數(shù)字信號。本發(fā)明的基于上述裝置的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法包括以下步驟A、將試樣安裝到加載機(jī)構(gòu)上，打開加載機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)、高溫加熱爐以及溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，啟動(dòng)高溫加熱爐；B、打開白熾光源，讓白光照射到試樣表面，調(diào)整CCD攝像機(jī)的位置，使其能夠捕捉透過耐高溫玻璃反射回來的光線；C、啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)對試樣進(jìn)行加載，待穩(wěn)定后，通過CCD攝像機(jī)定時(shí)采集試樣表面的視頻信號(圖像)，并將信號傳輸至數(shù)據(jù)釆集卡，再由數(shù)據(jù)采集卡將視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)上；D、根據(jù)采集得到的數(shù)字信號，計(jì)算不同時(shí)間t,時(shí)裂紋嘴上下兩端的距離Si，獲取數(shù)據(jù)序列"，Sjli=1.23}，運(yùn)用相似三角形法得到裂紋擴(kuò)展長度a,與裂紋嘴上下兩端的距離Si之間的幾何關(guān)系；E、試驗(yàn)結(jié)束后，在低溫下將試樣端口打開，實(shí)測裂紋擴(kuò)展長度，與計(jì)算所得的裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行比較，以比例系數(shù)//對裂紋擴(kuò)展長度",進(jìn)行修正；F、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴(kuò)展長度與其對應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行擬合，得到裂紋嘴張開位移隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式《=5(0以及裂紋擴(kuò)展長度隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式a,分別對其求導(dǎo)，得到裂紋嘴張開速率^和蠕變裂紋擴(kuò)展速率；，修正裂紋嘴張開速率，由此得到高溫?cái)嗔褏?shù)c'(o的函數(shù)表達(dá)式。本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法及其裝置可以實(shí)現(xiàn)高溫條件下的測量，精度高，可達(dá)微米級，能夠?qū)崿F(xiàn)斷裂參量的長時(shí)測量和準(zhǔn)確計(jì)算，從而為機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)與定量壽命評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖1為本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法的操作流程圖。圖3為相似三角形法求裂紋擴(kuò)展長度的示意圖。圖4為高溫加熱爐的開孔示意圖。圖5為圖4沿A-A的局部剖視圖。圖6為試樣的實(shí)圖。圖7為試樣的結(jié)構(gòu)簡圖。圖8為利用本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法獲得的裂紋擴(kuò)展長度一時(shí)間曲線圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖，以具體實(shí)施例對本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試裝置及方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖1所示為本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試裝置的示意圖，該裝置包括加載機(jī)構(gòu)l，用于對試樣9進(jìn)行加載，其內(nèi)部設(shè)有高溫加熱爐2，高溫加熱爐2上設(shè)有開孔16，并在開孔16內(nèi)安裝耐高溫玻璃3;白熾光源8，用于透過耐高溫玻璃3照射試樣以產(chǎn)生視頻信號(圖像)；CCD攝像機(jī)4，用于攝取高溫環(huán)境下試樣表面開口不同時(shí)刻的視頻信號(圖像)，并將視頻信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡5，CCD攝像機(jī)4并帶有三維移動(dòng)三角支架7，用于調(diào)整CCD攝像機(jī)4的定位；數(shù)據(jù)采集卡5，將來自CCD攝像機(jī)4的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)6上；和電子計(jì)算機(jī)6，用于存儲(chǔ)數(shù)字信號。其中，所述加載機(jī)構(gòu)1及高溫加熱爐2可基于常規(guī)商業(yè)蠕變試驗(yàn)機(jī)。如圖4和5所示，所述高溫加熱爐2的開孔16外側(cè)設(shè)有擋圈15，通過固定件13(例如六角螺栓)與高溫加熱爐2連接固定；且在耐高溫玻璃3與擋圈15之間采用耐高溫石棉14密封，以保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定。耐高溫玻璃3上鍍一層抗反射膜，以減少光線反射。白熾光源8釆用長壽命LEG(半導(dǎo)體發(fā)光二極管)光源，以增強(qiáng)試樣表面的反射光強(qiáng)度。本實(shí)施例中，選用的材料為316L不銹鋼，原材料為鍛制鋼板，920'C+2h空冷處理后再進(jìn)行735"C+3h空冷的回火熱處理；所選用的焊接材料為焊絲TIG-R40，0>2.5mm;焊條R407,0(3.24.0)。焊后熱處理為700°C+3h空冷。蠕變拉伸試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬拉伸蠕變試驗(yàn)方法》的要求制作，試樣的尺寸為蠕變測量長度100mm，標(biāo)距內(nèi)直徑10mm，試樣的實(shí)圖及結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖6和圖7所示。在溫度為55(TC、拉伸力為8KN的條件下，按照圖2所示的步驟對緊湊拉伸(CT)試樣進(jìn)行高溫蠕變裂紋擴(kuò)展長度測量試驗(yàn)，具體如下第一步、將CT試樣安裝到加載機(jī)構(gòu)1上，打開加載機(jī)構(gòu)1的控制系統(tǒng)、高溫加熱爐2以及溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，啟動(dòng)高溫加熱爐2。第二步、打開白熾光源8，讓白光照射到CT試樣表面，通過調(diào)節(jié)三維三腳移動(dòng)支架7來調(diào)整CCD攝像機(jī)4的位置，使CCD攝像機(jī)4的軸線與CT試樣的法向垂直，以便更好地捕捉透過耐高溫玻璃反射回來的光線。第三步、啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)1對CT試樣進(jìn)行加載，待穩(wěn)定后，通過CCD攝像機(jī)4每隔一定時(shí)間采集CT試樣表面的圖像，并將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡5，再由數(shù)據(jù)采集卡5將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)6上。第四步、根據(jù)采集得到的數(shù)字信號，計(jì)算不同時(shí)間ti時(shí)裂紋嘴上下兩端的距離S,，獲取數(shù)據(jù)序列(ti，5,1i=1.2.3}，如以下表l所示-表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>運(yùn)用相似三角形法(如圖3)得到裂紋擴(kuò)展長度fl,與裂紋嘴上下兩端的距離Si之間的幾何關(guān)系如下—("0+0.25『)(《—式中a1為t1時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展長度；a。為初始裂紋長度；δi為tt時(shí)刻試樣表面開口上下兩端距離；δo為剛施加載荷后試樣表面開口上下兩端距離；W為CT試樣寬度。第五步、經(jīng)過126.5小時(shí)的蠕變拉伸試驗(yàn)后，在低溫下將CT試樣斷口打開，實(shí)測裂紋擴(kuò)展長度，與計(jì)算所得的裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行比較，得到比例系數(shù)/7為0.834,利用7對裂紋擴(kuò)展長度a,進(jìn)行修正；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由此得到如圖8所示的裂紋擴(kuò)展長度隨時(shí)間的曲線圖。第六步、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴(kuò)展長度與其對應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行擬合，得到裂紋嘴張開位移隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式δi=δ(t)以及裂紋擴(kuò)展長度隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式at=f(t)，分別對其求導(dǎo)，得到裂紋嘴張開速率δ和蠕變裂紋擴(kuò)展速率a，修正裂紋嘴張開速率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，P為施加載荷，BN為有效截面厚度，E為平面應(yīng)力，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>,E為彈性模量，v為泊松比，K為應(yīng)力強(qiáng)度因子<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>在這里，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>,B為試樣厚度。則高溫?cái)嗔褏?shù)C*(t)的表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>n為最小蠕變速率和施加應(yīng)力的蠕變指數(shù)，可試驗(yàn)獲取或從文獻(xiàn)中得到。權(quán)利要求1、一種高溫?cái)嗔褏?shù)測試裝置，其特征在于包括加載機(jī)構(gòu)，用于對試樣進(jìn)行加載，其內(nèi)部設(shè)有高溫加熱爐，高溫加熱爐上設(shè)有開孔，并在開孔內(nèi)安裝耐高溫玻璃；白熾光源，用于透過耐高溫玻璃照射試樣以產(chǎn)生視頻信號；CCD攝像機(jī)，用于攝取高溫環(huán)境下試樣表面開口不同時(shí)刻的視頻信號，并將視頻信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，CCD攝像機(jī)并帶有三維移動(dòng)三角支架，用于調(diào)整CCD攝像機(jī)的定位；數(shù)據(jù)采集卡，將來自CCD攝像機(jī)的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)上；和電子計(jì)算機(jī)，用于存儲(chǔ)數(shù)字信號。2、如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，在所述高溫加熱爐的開孔外側(cè)設(shè)有擋圈，擋圈與耐高溫玻璃之間以耐高溫石棉密封。3、如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述擋圈通過固定件與高溫加熱爐連接固定。_4、如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述耐高溫玻璃上鍍有一層抗反射膜。5、如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述白熾光源為長壽命LEG光源。6、一種基于權(quán)利要求1一5中任一項(xiàng)所述的裝置的高溫裂變參數(shù)測試方法，其特征在于包括以下步驟A、將試樣安裝到加載機(jī)構(gòu)上，打開加載機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)、高溫加熱爐以及溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，啟動(dòng)高溫加熱爐；B、打開白熾光源，讓白光照射到試樣表面，調(diào)整CCD攝像機(jī)的位置，使其能夠捕捉透過耐高溫玻璃反射回來的光線；C、啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)對試樣進(jìn)行加載，待穩(wěn)定后，通過CCD攝像機(jī)定時(shí)采集試樣表面的視頻信號，并將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，再由數(shù)據(jù)采集卡將視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)上；D、根據(jù)采集得到的數(shù)字信號，計(jì)算不同時(shí)間tj時(shí)裂紋嘴上下兩端的距離&獲取數(shù)據(jù)序列U,，Sili=1,2。3}，運(yùn)用相似三角形法得到裂紋擴(kuò)展長度fl,與裂紋嘴上下兩端的距離Si之間的幾何關(guān)系；E、試驗(yàn)結(jié)束后，在低溫下將試樣端口打開，實(shí)測裂紋擴(kuò)展長度，與計(jì)算所得的裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行比較，以比例系數(shù)//對裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行修正；F、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴(kuò)展長度與其對應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行擬合，可得到裂紋嘴張開位移隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式《=^>)以及裂紋擴(kuò)展長度隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式a,=/(0，分別對其求導(dǎo)，可得到裂紋嘴張開速率^和蠕變裂紋擴(kuò)展速率；，修正裂紋嘴張開速率，由此得到高溫?cái)嗔褏?shù)C'(,)的函數(shù)表達(dá)式。7、如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整CCD攝像機(jī)的位置是使CCD攝像機(jī)的軸線與被測試件的法向垂直。全文摘要本發(fā)明公開了一種高溫?cái)嗔褏?shù)測試裝置，包括加載機(jī)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)內(nèi)部所設(shè)的高溫加熱爐，白熾光源，CCD攝像機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡，以及電子計(jì)算機(jī)。本發(fā)明還公開了基于所述裝置的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法。本發(fā)明的高溫?cái)嗔褏?shù)測試方法及其裝置可以實(shí)現(xiàn)高溫條件下的測量，精度高，可達(dá)微米級，能夠?qū)崿F(xiàn)斷裂參量的長時(shí)測量和準(zhǔn)確計(jì)算，從而為機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)與定量壽命評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文檔編號G01N21/95GK101144785SQ20071004447公開日2008年3月19日申請日期2007年8月1日優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日發(fā)明者張宏宇,涂善東,軒福貞申請人:華東理工大學(xué)