蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法，該裝置包括加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)，測量采集系統(tǒng)包括載荷線位移量測系統(tǒng)和裂紋長度量測系統(tǒng)，試樣的上下兩端分別與上夾具和下夾具固定連接，高溫爐與控溫系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)連接，試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載；本發(fā)明還涉及相應(yīng)的測試方法。本發(fā)明中的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便；試驗(yàn)裝置采用了絕緣夾頭，絕緣頭確保通入試樣恒流電流穩(wěn)定性；針對蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的試樣，進(jìn)行了夾具的設(shè)計(jì)和加工，由于爐內(nèi)溫度較高，采用高溫夾式引伸計(jì)將載荷線位移引出加熱爐外測量；該測試方法操作簡便，用電位法測量裂紋長度，可長時(shí)間無間斷試驗(yàn)。
【專利說明】蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測量設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)電設(shè)備、石油化工和航空航天高溫部件常在高溫下承受周期性載荷，在運(yùn)行過程中其材料或結(jié)構(gòu)受到蠕變-疲勞交互作用。這些設(shè)備經(jīng)常處于反復(fù)啟動(dòng)-停車和載荷波動(dòng)的狀態(tài)，長期服役情況下這些載荷不可避免導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生，而且一定穩(wěn)態(tài)溫度下工作易導(dǎo)致蠕變裂紋萌生和擴(kuò)展。即便是新近服役的設(shè)備，由于冶金和制造技術(shù)的限制，也不可能完全避免異物夾雜、道具劃痕等缺陷。這些缺陷或裂紋在疲勞、蠕變交互作用下發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)很快導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)斷裂而失效。故而，必須通過試驗(yàn)了解掌握材料在蠕變-疲勞交互作用下的裂紋擴(kuò)展行為。
[0003]目前國內(nèi)外研究蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法如下:林富生、孫康等人的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無缺陷試樣的蠕變-疲勞試驗(yàn)，及長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司的持久蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)，均無法實(shí)現(xiàn)高溫裂紋擴(kuò)展測試?！?16L鋼高溫疲勞蠕變共同作用下裂紋擴(kuò)展速率研究》中介紹了柔度法測量裂紋長度，但柔度法計(jì)算公式中設(shè)計(jì)到的變量較多，他們的誤差將直接影響到柔度法的測量精度?！秳?dòng)力工程學(xué)報(bào)》2011年第六期介紹了離位直讀法測量蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展速率，但是該方法不能持續(xù)的進(jìn)行蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，需要中途停止試驗(yàn)，操作復(fù)雜。聶宏、湯劍飛等人提出了一種基于電位法的疲勞裂紋擴(kuò)展速率測量方法，但是要進(jìn)行蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)需要不同的試驗(yàn)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、可長時(shí)間無間斷測試的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法采用以下技術(shù)方案:
[0006]該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其主要特點(diǎn)是，包括加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)，所述的測量采集系統(tǒng)包括載荷線位移量測系統(tǒng)和裂紋長度量測系統(tǒng)，所述的加載系統(tǒng)包括夾具、連桿裝置、力傳感器和絕緣頭，所述的夾具包括上夾具和下夾具，試樣的上下兩端分別與所述的上夾具和所述的下夾具固定連接，所述的夾具的一端與所述的試樣連接，所述的夾具的另一端與所述的連桿裝置固定連接，所述的連桿裝置與絕緣頭固定連接，所述的絕緣頭包括上絕緣頭和下絕緣頭，所述的下絕緣頭的底部設(shè)置有力傳感器，所述的試樣位于高溫爐內(nèi)，所述的高溫爐與所述的控溫系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)連接，所述的試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載。
[0007]該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置中的裝置還包括主機(jī)框架，所述的交流伺服電機(jī)及控制器與該主機(jī)框架固定連接，所述的主機(jī)框架包括上橫梁、中橫梁、底座和立柱，所述的交流伺服電機(jī)及控制器固定設(shè)置于所述的底座的上表面，兩根所述的立柱的底端固定于所述的底座，所述的上橫梁的兩端分別與所述的立柱的上端固定連接，所述的中橫梁的兩端分別與所述的立柱的中間部位固定連接。
[0008]該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置中的每個(gè)所述的絕緣頭均包括外套和螺釘，螺釘套設(shè)于所述的外套內(nèi)，墊環(huán)與所述的外套的內(nèi)壁固定連接，所述的螺釘通過所述的墊環(huán)固定連接于所述的外套，所述的螺釘和所述的墊環(huán)之間設(shè)置有墊片，且所述的墊片緊密抵靠所述的螺釘和所述的墊環(huán)，所述的上絕緣頭的螺釘與所述的上橫梁固定連接。
[0009]該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置中的載荷線位移量測系統(tǒng)包括載荷線位移采集裝置、夾式引伸計(jì)和距離傳感器，所述的夾式引伸計(jì)分別與所述的上夾具和所述的下夾具連接，所述的夾式引伸計(jì)與所述的距離傳感器連接，該距離傳感器連接于所述的載荷線位移采集裝置，且所述的距離傳感器設(shè)置于所述的高溫爐的外部。
[0010]該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置中的裂紋長度量測系統(tǒng)包括電位采集儀和直流電源，所述的電位采集儀和所述的直流電源均通過導(dǎo)線與所述的試樣連接。
[0011]該蠕變-疲勞的測試方法包括以下步驟:
[0012](I)測量所述的試樣的尺寸；
[0013](2)所述的試樣進(jìn)行疲勞裂紋的預(yù)制；
[0014](3)所述的試樣與所述的裂紋長度量測系統(tǒng)進(jìn)行連接；
[0015](4)所述的試樣與熱電偶進(jìn)行連接；
[0016](5)所述的試樣與所述的夾具進(jìn)行固定連接；
[0017](6)所述的試樣與所述的載荷線位移量測系統(tǒng)進(jìn)行連接；
[0018](7)通過所述的高溫爐對所述的試樣進(jìn)行加熱；
[0019](8)試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載。
[0020]所述的測量所述的試樣的尺寸包括以下步驟:
[0021](1-1)通過量具對所述的試樣的韌帶區(qū)域的三點(diǎn)處測量厚度，并計(jì)算厚度平均值；
[0022](1-2)用量具在所述的試樣的裂紋所在截面處測量寬度。
[0023]所述的試樣與熱電偶進(jìn)行連接包括以下步驟:
[0024](4-1)所述的熱電偶固定于所述的試樣的無裂紋輪廓區(qū)；
[0025](4-2)將云母片設(shè)置于所述的熱電偶和所述的試樣之間。
[0026]所述的試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載包括以下步驟:
[0027](8-1)所述的試樣加載三角形波的試驗(yàn)力進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展測試；或者所述的試樣加載梯形波的試驗(yàn)力進(jìn)行蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展測試。
[0028]采用了該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試方法，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便；采用電位法測量裂紋長度，可長時(shí)間無間斷試驗(yàn)；試驗(yàn)裝置采用了絕緣夾頭，絕緣頭起到試樣與加載系統(tǒng)絕緣的作用，確保通入試樣恒流電流穩(wěn)定性；針對蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的CT試樣，進(jìn)行了夾具的設(shè)計(jì)和加工，由于爐內(nèi)溫度較高，采用高溫夾式引伸計(jì)將載荷線位移引出加熱爐外測量；該測試方法操作簡便，可長時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0029]圖1為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明的加載系統(tǒng)的示意圖。
[0031]圖3為本發(fā)明的絕緣頭的示意圖。
[0032]圖4為本發(fā)明的夾具的示意圖。
[0033]圖5為本發(fā)明的載荷線位移量測系統(tǒng)。
[0034]圖6為本發(fā)明的裂紋長度量測系統(tǒng)。
[0035]圖7為高溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)測到的電位與時(shí)間的關(guān)系圖，表明本試驗(yàn)中的試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法可以較好的得到穩(wěn)定的電位。
[0036]圖8為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，表明本試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法可以較好的得到服從Paris公式的裂紋擴(kuò)展速率。
[0037]圖9為蠕變-疲勞(保載IOmin)裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)得到的載荷線位移與時(shí)間的關(guān)系圖，表明本試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法可以較好的得到穩(wěn)定的載荷線位移。
[0038]圖10為蠕變-疲勞(保載IOmin)裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)得到的電位值與時(shí)間的關(guān)系圖，表明本試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法可以較好的得到穩(wěn)定的電位。
[0039]圖11為蠕變-疲勞(保載IOmin)裂紋擴(kuò)展速率，表明本試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法可以較好的得到穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展速率。
[0040]圖12為疲勞裂紋擴(kuò)展速率與蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展速率，該圖為數(shù)據(jù)處理的過程，表明蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率(位于上部的曲線)高于疲勞裂紋擴(kuò)展速率。
[0041]圖13為保載期間內(nèi)的裂紋擴(kuò)展速率，表明保載期間單位時(shí)間內(nèi)裂紋擴(kuò)展速率在雙對數(shù)坐標(biāo)下有較好的線性相關(guān)性。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為了能更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說明。
[0043]該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置包括加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)12和測量采集系統(tǒng)4，測量采集系統(tǒng)4包括載荷線位移量測系統(tǒng)和裂紋長度量測系統(tǒng)，加載系統(tǒng)包括夾具13-1，、13-2、連桿裝置7、力傳感器2和絕緣頭11-1、11-2，夾具包括上夾具13_1和下夾具13_2，試樣的上下兩端分別與上夾具13-1和下夾具13-2固定連接，上夾具13-1的一端與試樣14連接，上夾具13-1的另一端與連桿裝置7固定連接，位于上部的連桿裝置7與上絕緣頭11-1連接，位于下部的連桿裝置與下絕緣頭11-2連接，下絕緣頭13-2的底部設(shè)置有力傳感器2，試樣14位于高溫爐5內(nèi)，高溫爐5與控溫系統(tǒng)12和測量采集系統(tǒng)4連接，試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器I進(jìn)行加載。絕緣頭11-1、11_2確保試樣恒流電流穩(wěn)定性。試樣為CT試樣(緊湊拉伸試樣)。
[0044]該裝置還包括主機(jī)框架6，交流伺服電機(jī)及控制器I與該主機(jī)框架6固定連接，主機(jī)框架6包括上橫梁8、中橫梁3、底座9和立柱10，交流伺服電機(jī)及控制器I固定設(shè)置于底座9的上表面，兩根立柱10的底端固定于底座9，上橫梁8的兩端分別與立柱10的上端固定連接，中橫梁3的兩端分別與立柱10的中間部位固定連接。
[0045]每個(gè)絕緣頭11-1、11-2均包括外套16和螺釘18，螺釘18套設(shè)于外套16內(nèi)，墊環(huán)17與16外套的內(nèi)壁固定連接，螺釘18通過墊環(huán)17固定連接于外套16，螺釘18和墊環(huán)17之間設(shè)置有墊片15,且墊片15緊密抵靠螺釘18和墊環(huán)17,上絕緣頭11-1的螺釘18與上橫梁8固定連接。
[0046]載荷線位移量測系統(tǒng)包括載荷線位移采集裝置19、夾式引伸計(jì)20和距離傳感器21，夾式引伸計(jì)20分別與上夾具13-1和下夾具13-2連接，夾式引伸計(jì)20與距離傳感器21連接，該距離傳感器21連接于載荷線位移采集裝置19，由于爐內(nèi)溫度較高的原因，距離傳感器21設(shè)置于高溫爐5的外部。
[0047]裂紋長度量測系統(tǒng)包括電位采集儀23和直流電源24，電位采集儀23和直流電源24均通過導(dǎo)線22與試樣14連接。當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，垂直電流方向的橫截面積變小，電阻變大，導(dǎo)致電位升高，電位采集儀23記錄電位，并轉(zhuǎn)換成裂紋長度。
[0048]該高溫爐5為電阻爐，在空氣介質(zhì)大氣壓下加熱試樣，加熱爐的均熱帶應(yīng)不小于試樣工作部分的1.5倍。加熱裝置應(yīng)保證在整個(gè)試驗(yàn)過程中溫度在均熱帶范圍內(nèi)穩(wěn)定。溫度波動(dòng)及梯度應(yīng)符合表1的規(guī)定。
[0049]表1加熱裝置溫度波動(dòng)
[0050]
【權(quán)利要求】
1.一種蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)，所述的測量采集系統(tǒng)包括載荷線位移量測系統(tǒng)和裂紋長度量測系統(tǒng)，所述的加載系統(tǒng)包括夾具、連桿裝置、力傳感器和絕緣頭，所述的夾具包括上夾具和下夾具，試樣的上下兩端分別與所述的上夾具和所述的下夾具固定連接，所述的夾具的一端與所述的試樣連接，所述的夾具的另一端與所述的連桿裝置固定連接，所述的連桿裝置與絕緣頭固定連接，所述的絕緣頭包括上絕緣頭和下絕緣頭，所述的下絕緣頭的底部設(shè)置有力傳感器，所述的試樣位于高溫爐內(nèi)，所述的高溫爐與所述的控溫系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)連接，所述的試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的裝置還包括主機(jī)框架，所述的交流伺服電機(jī)及控制器與該主機(jī)框架固定連接，所述的主機(jī)框架包括上橫梁、中橫梁、底座和立柱，所述的交流伺服電機(jī)及控制器固定設(shè)置于所述的底座的上表面，兩根所述的立柱的底端固定于所述的底座，所述的上橫梁的兩端分別與所述的立柱的上端固定連接，所述的中橫梁的兩端分別與所述的立柱的中間部位固定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于，每個(gè)所述的絕緣頭均包括外套和螺釘，螺釘套設(shè)于所述的外套內(nèi)，墊環(huán)與所述的外套的內(nèi)壁固定連接，所述的螺釘通過所述的墊環(huán)固定連接于所述的外套，所述的螺釘和所述的墊環(huán)之間設(shè)置有墊片，且所述的墊片緊密抵靠所述的螺釘和所述的墊環(huán)，所述的上絕緣頭的螺釘與所述的上橫梁固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的載荷線位移量測系統(tǒng)包括載荷線位移采集裝置、夾式引伸計(jì)和距離傳感器，所述的夾式引伸計(jì)分別與所述的上夾具和所述的下夾具連接，所述的夾式引伸計(jì)與所述的距離傳感器連接，該距離傳感器連接于所述的載荷線位移采集裝置，且所述的距離傳感器設(shè)置于所述的高溫爐的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的裂紋長度量測系統(tǒng)包括電位采集儀和直流電源，所述的電位采集儀和所述的直流電源均通過導(dǎo)線與所述的試樣連接。
6.一種通過權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)所述的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置的蠕變-疲勞的測試方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: (1)測量所述的試樣的尺寸； (2)所述的試樣進(jìn)行疲勞裂紋的預(yù)制； (3)所述的試樣與所述的裂紋長度量測系統(tǒng)進(jìn)行連接； (4)所述的試樣與熱電偶進(jìn)行連接； (5)所述的試樣與所述的夾具進(jìn)行固定連接； (6)所述的試樣與所述的載荷線位移量測系統(tǒng)進(jìn)行連接； (7)通過所述的高溫爐對所述的試樣進(jìn)行加熱； (8)試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蠕變-疲勞的測試方法，其特征在于，所述的測量所述的試樣的尺寸包括以下步驟: (1-1)通過量具對所述的試樣的韌帶區(qū)域的三點(diǎn)處測量厚度，并計(jì)算厚度平均值；(1-2)用量具在所述的試樣的裂紋所在截面處測量寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蠕變-疲勞的測試方法，其特征在于，所述的試樣與熱電偶進(jìn)行連接包括以下步驟: (4-1)所述的熱電偶固定于所述的試樣的無裂紋輪廓區(qū)； (4-2)將云母片設(shè)置于所述的熱電偶和所述的試樣之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蠕變-疲勞的測試方法，其特征在于，所述的試樣通過交流伺服電機(jī)及控制器進(jìn)行加載包括以下步驟: (8-1)所述的試樣加載三角形波的試驗(yàn)力進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展測試；或者所述的試樣加載梯形波的試驗(yàn)力進(jìn)行蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展測試。
【文檔編號(hào)】G01N3/18GK103884603SQ201410134483
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】劉長軍, 秦敬芳, 孫亮, 軒福貞, 談建平 申請人:華東理工大學(xué)