專利名稱：金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗的裝置以及試驗方法，屬于大 氣侵蝕、腐蝕或防腐測量中的電化學測量技術領域。
背景技術：
在使用環境中，機械系統和部件通常會被施加一定的應力，因此應力腐蝕損傷是 腐蝕損傷中較為常見的，材料的耐蝕性(腐蝕穩定性)是決定系統和部件工作壽命的重要參 數之一。通過應力腐蝕試驗可對應力腐蝕進行初步的研究確定機理、如何選擇適宜的材 料、進一步發展耐應力腐蝕的新合金、探討材料抗應力腐蝕的防護方法。金屬預裂紋試樣應 力腐蝕試驗是一種重要的研究材料應力腐蝕損傷的應力腐蝕試驗方法之一。金屬預裂紋試 樣應力腐蝕試驗的國家標準(例如GB 12445. 3-90《高強度合金楔形張開加載(WOL)預裂 紋試樣應力腐蝕試驗方法》)中對金屬預裂紋試樣的應力腐蝕試驗作了相關規定。但其中尚 有不足，它采用的預裂紋試樣裂紋尖端必須滿足平面應變狀態，因此其規定預裂紋試樣需 具有較大的厚度，而實際中薄板試樣應用也較為廣泛，但是根據現有的WOL型試樣即滿足 平面應變狀態的預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法對薄板進行預裂紋試樣應力腐蝕試驗缺乏 針對性，會導致試驗結果過于保守偏安全，缺乏工程應用價值。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種金屬薄板預裂紋試樣應力 腐蝕試驗方法。本發明的另一個目的在于提供一種金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置。為了實現上述的發明目的，本發明是通過以下的技術方案實現的
金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置，其特征在于包括安裝在承力墻上的固定掛 鉤、垂直于承力墻的底板、固定在底板上的擋板，擋板與承力墻平行設置，在擋板朝向固定 掛鉤的一側水平安裝上下夾板，在上下夾板上垂直開孔，螺栓穿過該孔壓緊夾板將金屬薄 板試樣一端固定，試樣的另一端通過固定掛鉤固定在承力墻上，在擋板上開孔，加載部件安 裝載荷測量裝置后穿過該孔，且通過與上下夾板之間的內螺紋與上下夾板緊固，加載部件、 上下夾板、試樣、固定掛鉤的中心軸重合。前述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置，其特征在于所述的加載部件是加 載螺釘。金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于包括以下的步驟
(1)、將金屬薄板試樣的一端通過固定掛鉤固定于承力墻，另一端經上下夾板夾持后用 螺栓固定；試樣的試驗段由腐蝕環境試驗盒夾持；
(2)、根據同類金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因子預估應力試驗初始施加的應 力場強度因子，使得預估的應力場強度因子大于金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因 子；⑶、通過加載部件對金屬薄板試樣加載應力，應力的大小由載荷測量裝置測出，測量薄板試樣
的裂紋長度，根據公式 K1 = Fa-J^ ,算出裂紋應力場強度因子，當裂紋的應力場強度因子
等于預估的應力場強度因子時，停止加載應力，式中^為形狀函數、&為裂紋應力場強度因 子、Il為裂紋長度、圓為加載應力；
(4)、向腐蝕環境試驗盒中充入腐蝕介質； (5 )、間隔一定時間，測量預裂紋試樣尖端裂紋長度；
(6)、裂紋應力場強度因子達到穩定后，測量裂紋長度Ii和加載應力O",代入公式 K1=Fa^.,得到應力腐蝕裂紋擴展的門檻應力場強度因子。前述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于所述的腐蝕環境試驗 盒為可分離式結構，分離面設有密封材料，分離面的外圍包裹防滲漏材料。前述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于所述步驟(3)中間隔 一定時間是2小時。前述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于步驟(6)中根據夾板 的應變變化判斷裂紋應力場強度因子是否達到穩定，夾板的應變保持恒定時，裂紋應力場 強度因子達到穩定。與現有技術相比較，本發明具有以下優點
本發明解決了現有技術要求試樣為厚板的問題，采用薄板做試樣，節省材料，所需的外 加載荷相對較小，因此其對試驗機的要求較低，且試驗所得數據更接近真實情況。本發明提出了一種測量和計算裂紋應力場強度因子的方法，即通過測量加載螺釘
的預緊力U和裂紋長度￡|，根據公式K1 = Fa^計算尖端裂紋應力場強度因子I，解決
了采用薄板試樣進行預裂紋試樣無法測量和計算裂紋應力場強度因子的問題，取代了現有 WOL型試樣通過千分表測量試樣開口處張開位移來計算尖端裂紋應力場強度因子的方法， 并且本方法可對裂紋的應力場強度因子進行實時測量。本發明提出了一種判定尖端裂紋擴展是否達到穩定的方法，即通過測量試樣拉伸 方向的應變判斷尖端裂紋擴展是否達到穩定，當試樣拉伸方向的應變恒定時就判斷尖端裂 紋應力場強度因子達到穩定，相比較現有技術通過目測法對裂紋長度進行實時測量判斷尖 端裂紋擴展是否達到穩定狀態，精度更高、操作更方便；可有效縮短試驗時間，可在短時間 內判定尖端裂紋擴展是否達到穩定。
圖1金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置結構示意圖； 圖2為圖1沿中心軸的剖視圖。附圖中主要標記的說明1、底板；2、加載螺釘；3、擋板；4、夾板；5、螺栓；6、腐蝕 環境試驗盒；7、薄板試樣；8、固定掛鉤；9、承力墻。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法及裝置做進一 步說明
圖1是金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置結構示意圖。圖2為圖1沿中心軸的剖 視圖。參照圖1-2所示，金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置，其中，固定掛鉤8安裝在 承力墻9上、上下夾板4水平地安裝在擋板3朝向固定掛鉤的一側，在夾板上開三個呈三角 形的孔，螺栓穿過該孔壓緊夾板將試樣固定，在擋板3上對應上下夾板中間的位置開孔，加 載螺釘2的螺桿先套裝壓力傳感器后穿過該孔、上下夾板之間的內螺紋與夾板緊固。加載 螺釘2、上下夾板之間的螺紋(處于夾板的中軸線上，其中兩個螺栓對稱地分布在該軸線兩 側)、試樣、固定掛鉤的軸線在同一條線上，擋板固定在底板1上。金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，過程如下
(1 )、將薄板試樣7的一端通過固定掛鉤8固定于承力墻9，另一端經夾板4夾持后用螺 栓5固定；試樣7的試驗段由腐蝕環境試驗盒6夾持。(2)、根據同類金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因子預估試驗初始施加的應 力場強度因子，使得預估的應力場強度因子大于金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因 子；本發明實施例采用的試樣為7B04鋁合金，根據同類7系列鋁合金的裂紋擴展門檻值 25Mpa-m1/2預估7B04鋁合金試驗初始施加的應力場強度因子為30Mpa*mV2。(3)、擰緊加載螺釘2對試樣加載，加載應力(H的大小通過壓力傳感器測得，因為 擋板、固定掛鉤均固定，加載螺釘通過夾板對試樣加載時試樣受到朝向擋板方向的加載應 力，試樣所受的應力與加載螺釘加載的應力相等；通過讀數顯微鏡測量薄板試樣的裂紋長
度fl,代入公式K! = fct^計算裂紋應力場強度因子(&)，式中,形狀函數，當裂紋應
力場強度因子(K1)等于預估的應力場強度因子30Mpa時，停止加載。(4)、向腐蝕環境試驗盒6中充入濃度為3. 5%的鹽霧，腐蝕環境試驗盒6為可分離 式設計；試驗時，腐蝕試驗盒6分離面涂上硅膠，分離面外圍包裹一層防滲漏膠帶，防止鹽 霧泄露。(5)、每隔2小時使用讀數顯微鏡測量預裂紋試樣裂紋長度fl。(6)、使用動態應變測量儀，通過在夾板上粘貼的應變片的應變變化判斷尖端裂 紋應力場強度因子是否達到穩定，當夾板的應變在M小時內保持恒定時就判斷尖端裂 紋應力場強度因子達到穩定，此時，測量預裂紋試樣裂紋長度。為跡加載應力
σ:談卻知，此時的形狀函數f ！ 代入公式K1 = Fa^翻應力腐蝕裂紋擴
展的門檻應力場強度因子Srsffi=&。上述具體實施方式
不以任何形式限制本發明的技術方案，凡是采用等同替換或等 效變換的方式所獲得的技術方案均落在本發明的保護范圍。
權利要求
1.金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置，其特征在于包括安裝在承力墻上的固定 掛鉤、垂直于承力墻的底板、固定在底板上的擋板，擋板與承力墻平行設置，在擋板朝向固 定掛鉤的一側水平安裝上下夾板，在上下夾板上垂直開孔，螺栓穿過該孔壓緊夾板將金屬 薄板試樣一端固定，試樣的另一端通過固定掛鉤固定在承力墻上，在擋板上開孔，加載部件 安裝載荷測量裝置后穿過該孔，且通過與上下夾板之間的內螺紋與上下夾板緊固，加載部 件、上下夾板、試樣、固定掛鉤的中心軸重合。
2.根據權利要求1所述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗裝置，其特征在于所述的 加載部件是加載螺釘。
3.一種基于權利要求1的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于包括以 下的步驟(1)、將金屬薄板試樣的一端通過固定掛鉤固定于承力墻，另一端經上下夾板夾持后用 螺栓固定；試樣的試驗段由腐蝕環境試驗盒夾持；(2)、根據同類金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因子預估試驗初始施加的應力場 強度因子，使得預估的應力場強度因子大于金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因子；(3)、通過加載部件對金屬薄板試樣加載應力，應力的大 小由載荷測量裝置測出，測量薄板試樣的裂紋長度，根據公式K1 Fa-J^，算出裂紋應力場強度因子，當裂紋的應力場強度因子等于預估的應力場強度因子時，停止加載應力，式中F為形狀函數、&為裂紋應力場強度因子、a為裂紋長度、Or 為加載應力；(4)、向腐蝕環境試驗盒中充入腐蝕介質；(5 )、間隔一定時間，測量預裂紋試樣尖端裂紋長度；(6)、裂紋應力場強度因子達到穩定后，測量裂紋長度fl和加載應力CF,代入公式 K1=Fa^，得到應力腐蝕裂紋擴展的門檻應力場強度因子。
4.根據權利要求3所述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于所述 的腐蝕環境試驗盒為可分離式結構，分離面設有密封材料，分離面的外圍包裹防滲漏材料。
5.根據權利要求3所述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于所述步 驟(3 )中間隔一定時間是2小時。
6.根據權利要求3所述的金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法，其特征在于步驟 (6)中根據夾板的應變變化判斷裂紋應力場強度因子是否達到穩定，夾板的應變恒定時，裂 紋應力場強度因子達到穩定。
全文摘要
本發明公開了一種金屬薄板預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法及其裝置，方法將試樣的一端固定于承力墻，另一端經上下夾板夾持后固定；試樣的試驗段由腐蝕環境試驗盒夾持；根據同類金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因子預估初始施加的應力場強度因子，預估值大于金屬材料裂紋擴展的門檻應力場強度因子；對金屬薄板試樣加載應力，測量薄板試樣的裂紋長度，得到裂紋應力場強度因子，當裂紋應力場強度因子等于預估值時，停止加載應力；向腐蝕環境試驗盒中充入腐蝕介質；間隔一定時間，測量預裂紋試樣尖端裂紋長度；裂紋應力場強度因子達到穩定后，測量裂紋長度和加載應力，得到應力腐蝕裂紋擴展的門檻應力場強度因子。本發明操作方便，測量精度高。
文檔編號G01N17/02GK102103063SQ201110029878
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者劉冰, 張俊苗, 林鴻志, 聶宏, 蔣文濤, 薛彩軍, 薛秀麗 申請人:南京航空航天大學