测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及试验方法

摘要

一种测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及试验方法，在其试样远离裂纹扩展面的上侧采用整体设计的方法设置有电子引伸计的装卡刀口；根据试验机控制系统采集到的大量的试验数据，求解出所设计试样的柔度系数，建立归一化裂纹长度和柔度系数之间的函数关系，实现在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时裂纹长度的检测自动化，据此所建立的试验方法，为该类试验的顺利进行提供了保证。与目前国内大多单位在腐蚀液中测量疲劳裂纹扩展速率(da/dN)用目测法检测裂纹长度相比，明显提高了测量裂纹长度的精度，同时也大大降低了劳动强度。利用试验结果，能够更准确地对服役在腐蚀介质中的船舶进行安全设计和寿命评估。

说明书

技术领域：

本发明涉及金属材料腐蚀试验测试方法技术领域，一种测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及试验方法。

背景技术：

目前在我国的GB/T6398-2000(金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法)中规定的标准紧凑拉伸C(T)试样的引伸计装卡刀口在关于裂纹扩展面对称的两侧，在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时，疲劳裂纹长度用柔度法测量的情形只限于在卧式疲劳试验机上进行；如果在立式疲劳试验机上进行这种试验，价格昂贵的引伸计(进口的约5000美金，国产的也要上千元人民币)往往会因受到腐蚀液的侵蚀而降低其线性度、灵敏度或彻底损坏；而国内绝大多数疲劳试验机都是立式的，因此，在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时，用柔度法测量疲劳裂纹长度几乎是不可能的。鉴于这种情况，国内大多数单位进行这类试验时，一般不用引伸计通过柔度技术测量疲劳裂纹长度，而是借助光学显微镜用目测法来观察裂纹的扩展情况。但是，金属材料的疲劳裂纹往往比较细，尤其是铜合金、钛合金等材料的疲劳裂纹，在空气中已经很不容易观察清楚，并且由于腐蚀液常常会因为悬浮其中的金属材料试样的腐蚀产物而变得混浊不清，这使得用目测法观察疲劳裂纹长度更为困难，因此很难保证目测法观察疲劳裂纹长度的精度，劳动强度也很大。

目前，国内涉及在试验测试领域测量疲劳裂纹长度的文献很少，特别是对柔度技术的研究和利用柔度技术进行腐蚀环境下裂纹长度自动检测方面的研究尚未见到。

发明内容：

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及试验方法，这种试样可以使价格昂贵的电子引伸计远离腐蚀液面，避免因受到腐蚀液侵蚀而损坏，最终使试验失败的难题；相对目测法测量疲劳裂纹长度而言，该方法可明显提高测量疲劳裂纹长度的精度，同时也大大降低劳动强度。

本发明是采用如下技术方案实现的：

所述的测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样，在其试样远离裂纹扩展面的上侧采用整体设计的方法设置有电子引伸计的装卡刀口；根据试验机控制系统采集到的大量的试验数据，利用进口设备的多项试验测试软件，求解出所设计试样的柔度系数如下：

柔度系数符号  C₀     C₁      C₂     C₃      C₄     C₅

柔度系数数值  0.9927  -4.8803  17.031  -189.39  781.63  -821.74

同时，建立归一化裂纹长度和柔度系数之间的函数关系，实现在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时裂纹长度的检测自动化。

实施所述的测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样的试验方法按照下列步骤进行：

(1)采用电火花线切割的方式引发试样的初始裂纹；

(2)将求解出的所设计试样的柔度系数输入到事先编好的试验程序中；

(3)测量试样厚度、宽度参数，并输入到事先编好的程序中；

(4)将腐蚀循环系统、相关的试样卡具及试样与立式疲劳试验机相连接；

(5)将腐蚀液加入循环系统和装有试样的腐蚀盒中，循环系统中的腐蚀液要足够多，腐蚀盒中的腐蚀液要保证时时浸泡住裂纹扩展面；

(6)将电子引伸计装卡在试样上侧的刀口处；

(7)设置好预制疲劳裂纹的各个参数，包括应力强度因子范围ΔK、控制方式、采用频率、波形及预制疲劳裂纹的长度；

(8)启动试验机，开始预制疲劳裂纹，时时观测当前的裂纹扩展长度，注意整个腐蚀循环系统，以防腐蚀液渗漏而侵蚀试验机；

(9)预制完成疲劳裂纹后，根据当前的结果，设定试验时所需要的载荷范围、应力比、频率的参数；

(10)再次启动试验机，开始正式试验；

(11)试验结束后，根据所采集到的试验数据，按照帕里斯(Paris)经验方程的表达形式拟合出试验材料的疲劳裂纹扩展速率曲线及其方程，最后出具相应的试验报告。

所述的测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样，该试样柔度系数的求解步骤如下：

(1)测量所设计试样的厚度B、宽度W及采用任何方法所引发的有效裂纹长度a，并事先测试出试验材料的弹性模量E；

(2)将所设计的试样采用电火花线切割的方法引发裂纹，每隔a/W＝0.025引发一次，并重新测量引发的裂纹长度a，作为所用的实际值；

(3)将引发裂纹后的试样装在试验机上，并将电子引伸计装卡在试样的刀口处，清零；

(4)对引发裂纹后的试样在弹性范围内缓慢拉伸，此时需要以较高的采点速率采集作用在试样上的载荷P、引伸计的变形量V；

(5)按照公式Ux＝1/[(BEV_x/P)^1/2+1]求解出试样的无量纲柔度值Ux；

(6)每次引发裂纹后，都要求解出一个归一化裂纹长度a/W值；

(7)当归一化裂纹长度a/W＝0.75时，试验可以停止；

(8)对所求得的数据组(a/W，Ux)进行一元五次递增多项式回归，其回归系数便可以作为该试样的柔度系数；

(9)对多块试样按如上步骤进行，可分别得到各个试样的六个柔度系数；

(10)对多块试样的柔度系数进行均值化处理，就得到了最终所求解的六个柔度系数C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下积极效果：

本发明设计出的在腐蚀液(海水、盐水、江水等)中测量疲劳裂纹扩展速率(da/dN)的试样，将电子引伸计的装卡刀口提到了远离裂纹扩展面的上侧，解决了在立式疲劳试验机上用柔度法测量疲劳裂纹长度时、价格昂贵的引伸计常因腐蚀液侵蚀而损坏、从而导致试验失败的难题。该试样也可以用在卧式疲劳试验机上。

利用求解出的试样柔度系数，建立起了归一化裂纹长度和柔度系数的函数方程，从理论上为通过柔度技术测量疲劳裂纹长度奠定了基础，从而使得在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时裂纹长度的检测实现了自动化，与目前国内大多单位在腐蚀液中测量疲劳裂纹扩展速率(da/dN)用目测法检测裂纹长度相比，明显提高了测量裂纹长度的精度，同时也大大降低了劳动强度。

在腐蚀液中测量疲劳裂纹扩展速率试样的设计成功、柔度系数的正确求得及据此所建立的试验方法，为该类试验的顺利进行提供了保证。利用试验结果，能够更准确地对服役在腐蚀介质中的船舶进行安全设计和寿命评估。

附图说明：

图1是标准的紧凑拉伸C(T)试样图；

图2是测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及试验方法中所设计的试样图；

图3是标准的紧凑拉伸C(T)试样的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)-ΔK曲线图；

图4是测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)-ΔK曲线图。

具体实施方式：

1、测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率(da/dN)的试样形式

在腐蚀液中用标准的紧凑拉伸C(T)试样进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验，用目测法观测疲劳裂纹长度，一方面通过光学显微镜读到的裂纹长度的精度不能保证，另一方面劳动强度也相当大。如图1中所示，该试样的引伸计装卡刀口(①处)在关于裂纹扩展面对称的两侧。在立式疲劳试验机上测量腐蚀液(②处为腐蚀液面)中的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)时，价格昂贵的引伸计往往会受到腐蚀液的侵蚀。如果将引伸计的装卡刀口移动到裂纹扩展面的上侧，首先便可以保证价格昂贵的引伸计不被侵蚀。另外，如果能够求解出这种试样的柔度系数，就可以采用柔度技术来测量腐蚀液中的疲劳裂纹长度，这样就可以保证裂纹长度测量的精度，同时也会大大降低用目测法测量时所付出的大量辛勤劳动。

于是，在标准的紧凑拉伸C(T)试样的基础上，我们设计出了测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率(da/dN)的试样，如图2中所示，电子引伸计的装卡刀口(③处)采用整体设计的方法设计在了远离裂纹扩展面的上侧，这样，一方面解决了价格昂贵的电子引伸计遭受腐蚀液(④为腐蚀液面)侵蚀的难题，另一方面也为用柔度技术测量疲劳裂纹长度打下了基础。我们根据试验机控制系统采集到的归一化裂纹长度、试样的无量纲柔度、未知参数柔度系数等大量的试验数据，在严密推理与实践的基础上，充分利用进口设备的多项试验测试软件的功能特点，求解出了所设计试样的柔度系数。所设计试样的典型特征是：将用来间接测量疲劳裂纹长度的电子引伸计装卡刀口采用整体性设计的方法设计在了远离裂纹扩展面的上侧，这样在试验过程中一方面可以保证价格昂贵的引伸计远离腐蚀液面，避免在测量疲劳裂纹长度的过程中因受到腐蚀液侵蚀而降低其线性度、灵敏度或彻底损坏的可能，另一方面也能够较好地保证在整个试验过程中引伸计不会因脱落而使试验失败，同时也便于装卸操作。该试样的设计成功，为在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时自动检测裂纹长度提供了可能。

2、所设计试样的柔度系数

经过大量的推理与试验验证，所求解试样的柔度系数精度高、可靠性强、具有广泛的实用性：可以应用于不同的金属材料、不同试样尺寸的所有和所设计试样形式相同、大小成比例的试样。利用所求解出的六个试样柔度系数，建立起了归一化裂纹长度和柔度系数的函数方程，从理论上为用柔度技术测量疲劳裂纹长度奠定了基础，从而为在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时疲劳裂纹长度的自动测量提供了可能。将试验机的控制系统采集到作用在试样上的载荷、引伸计张开位移等必要的数据应用于通过所求理论公式编写的计算机程序，就能随时自动计算出试样当前裂纹的扩展长度，并可时时显示在计算机桌面上。最后经过计算和处理，就可以得到试验材料在腐蚀液中的疲劳裂纹扩展速率。所设计试样柔度系数的求得，使得在腐蚀液中进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验时裂纹长度的检测实现了自动化的同时，也明显提高了裂纹长度的测量精度，大大降低了劳动强度。

发明设计试样的柔度系数如下：

柔度系数符号  C₀     C₁      C₂     C₃      C₄     C₅

柔度系数数值  0.9927  -4.8803  17.031  -189.39  781.63  -821.74

3、所设计试样柔度系数的求解步骤

(1)测量所设计试样的厚度B、宽度W及采用任何方法所引发的有效裂纹长度a，并事先测试出试验材料的弹性模量E；

(2)将所设计的试样采用电火花线切割的方法引发裂纹，每隔a/W＝0.025引发一次，并重新测量引发的裂纹长度a，作为所用的实际值；

(3)将引发裂纹后的试样装在试验机上，并将电子引伸计装卡在试样的刀口处，清零；

(4)对引发裂纹后的试样在弹性范围内缓慢拉伸，此时需要以较高的采点速率(比如100数据点/sec)采集作用在试样上的载荷P、引伸计的变形量V；

(5)按照公式Ux＝1/[(BEVV_x/P)^1/2+1]求解出试样的无量纲柔度值Ux；

(6)每次引发裂纹后，都要求解出一个归一化裂纹长度a/W值；

(7)当归一化裂纹长度a/W＝0.75时(正式试验时该值一般不会超过0.70)，试验可以停止；

(8)对所求得的数据组(a/W，Ux)进行一元五次递增多项式回归，其回归系数便可以作为该试样的柔度系数；

(9)对多块试样按如上步骤进行，可以分别得到各个试样的六个柔度系数；

(10)对多块试样的柔度系数进行均值化处理，就得到了最终所求解的六个柔度系数C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅。

4、试验方法

利用所设计出的试样及其柔度系数，按照下列步骤就可以完成在腐蚀液中进行的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验：

(1)采用电火花线切割的方式引发试样的初始裂纹；

(2)将求解出的所设计试样的柔度系数输入到事先编好的试验程序中；

(3)测量试样厚度、宽度等参数，并输入到事先编好的程序中；

(4)将腐蚀循环系统、相关的试样卡具及试样与立式疲劳试验机相连接；

(5)将腐蚀液加入循环系统和装有试样的腐蚀盒中，循环系统中的腐蚀液要足够多，腐蚀盒中的腐蚀液要保证时时浸泡住裂纹扩展面；

(6)将电子引伸计装卡在试样上侧的刀口处；

(7)设置好预制疲劳裂纹的各个参数，包括应力强度因子范围ΔK、控制方式、采用频率、波形及预制疲劳裂纹的长度等；

(8)启动试验机，开始预制疲劳裂纹，时时观测当前的裂纹扩展长度，注意整个腐蚀循环系统，以防腐蚀液渗漏而侵蚀试验机；

(9)预制完成疲劳裂纹后，根据当前的结果，设定试验时所需要的载荷范围、应力比、频率等参数；

(10)再次启动试验机，开始正式试验；

(11)试验结束后，根据所采集到的试验数据，按照帕里斯(Paris)经验方程的表达形式拟合出试验材料的疲劳裂纹扩展速率曲线及其方程，最后出具相应的试验报告。

从我们发明设计的试样形式可以看到，该试样可以无庸置疑地用在腐蚀液中的疲劳试验而保证电子引伸计不被腐蚀液所侵蚀。为了验证所设计试样柔度系数及试验方法的正确性与可行性，我们选择了一种结构钢材料，加工成了一组标准的紧凑拉伸试样和一组我们发明设计的试样。由于在立式试验机上标准的紧凑拉伸试样在腐蚀液中无法测量试验材料的疲劳裂纹扩展速率，而金属材料在空气中和在腐蚀液中的疲劳裂纹扩展速率又往往相差很大。因此，我们认为，如果用标准的紧凑拉伸试样用柔度技术在空气中测试了试验材料的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)，然后再用我们发明设计的试样及其柔度系数采用同样的试验条件进行测试，由于试验材料是一样的，如果测试结果的一致性很好，就能够表明我们所发明的试样及试验方法是正确的。

试验设备为立式的MTS810电液伺服疲劳试验机。

采用上述试验方法步骤进行试验。

采用的试验条件如下：

试验载荷范围ΔP＝12.0KN，应力比R＝0.1，波形为正弦波，频率f＝10Hz，室温空气中试验。

试验结果(包括da/dN-ΔK曲线图及其方程)如图3和图4中所示，从图3和图4可见，两种试样的数据组(da/dN，ΔK)的分布完全一样。考虑到试验材料的组织均匀性及每块试样的加工误差，得到的试验材料在两种不同试样形式下(对应不同的柔度系数)的裂纹扩展速率是一致的。这充分表明，我们所设计发明的测量腐蚀液中金属材料的疲劳裂纹扩展速率的试样是实用的，柔度系数是可靠的，所建立起来的试验方法具有可靠性和可行性。