專利名稱：：一種高溫斷裂參數測試方法及其裝置的制作方法
技術領域：
：本發明屬于機械工程、材料、力學和實驗技術的交叉領域，具體涉及一種高溫斷裂參數測試方法及其裝置。
背景技術：
：先進斷裂力學的發展，使得機械結構的可靠性和安全評定成為可能。實施高溫環境下的結構防斷設計和壽命評定，掌握高溫蠕變裂紋的擴展規律是必要條件，離不開對高溫裂變擴展的精確測量，因而進行金屬高溫蠕變裂紋擴展試驗十分必要。測量裂紋擴展的方法很多，如早期傳統的采用顯微鏡目測裂紋長度的方法，申請號為89106103.7的中國發明專利所公開的自動測量表面裂紋擴展參數的方法，申請號為200610051602.5的中國發明專利申請公開的利用諧振加載原理的裂紋擴展測試方法等。但目前這些方法的使用局限于常溫環境，還未見用于高溫蠕變裂紋擴展測量的探討，而且往往具有較大的局限。基于柔度理論的柔度法雖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展長度；這種方法的缺點是結果精確度受到儀器的限制，且影響因素較多，數據結果分散性大。第二種方法是引伸計方法，該方法用于金屬蠕變開裂擴展速率測量，需要通過將引伸計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，進而確定金屬材料的裂紋擴展長度，精度較高，其缺點是對引伸計的要求較高，且價格昂貴，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學會標準E1457—00。
發明內容本發明的目的就在于提供一種用于高溫斷裂參數測試的裝置，該裝置基于非接觸光學測量原理，能夠較好地獲取高溫環境下金屬材料的蠕變裂紋擴展長度和斷裂參數。本發明的另一個目的在于提供一種基于所述裝置的高溫斷裂參數測試方法。本發明的高溫蠕變斷裂參數測試裝置包括加載機構，用于對試樣進行加載，其內部設有高溫加熱爐，高溫加熱爐上設有開孔，并在開孔內安裝耐高溫玻璃；白熾光源，用于透過耐高溫玻璃照射試樣以產生視頻信號；CCD(電荷耦合器件)攝像機，用于攝取高溫環境下試樣表面開口不同時刻的視頻信號(圖像)，并將視頻信號傳輸至數據采集卡，CCD攝像機并帶有三維移動三角支架，用于調整CCD攝像機的定位；數據采集卡，將來自CCD攝像機的視頻信號轉換成數字信號并存儲于計算機上；和電子計算機，用于存儲數字信號。本發明的基于上述裝置的高溫斷裂參數測試方法包括以下步驟A、將試樣安裝到加載機構上，打開加載機構的控制系統、高溫加熱爐以及溫度控制系統，設定試驗參數，啟動高溫加熱爐；B、打開白熾光源，讓白光照射到試樣表面，調整CCD攝像機的位置，使其能夠捕捉透過耐高溫玻璃反射回來的光線；C、啟動加載機構對試樣進行加載，待穩定后，通過CCD攝像機定時采集試樣表面的視頻信號(圖像)，并將信號傳輸至數據釆集卡，再由數據采集卡將視頻信號轉換成數字信號，然后存儲于計算機上；D、根據采集得到的數字信號，計算不同時間t,時裂紋嘴上下兩端的距離Si，獲取數據序列"，Sjli=1.23}，運用相似三角形法得到裂紋擴展長度a,與裂紋嘴上下兩端的距離Si之間的幾何關系；E、試驗結束后，在低溫下將試樣端口打開，實測裂紋擴展長度，與計算所得的裂紋擴展長度進行比較，以比例系數//對裂紋擴展長度",進行修正；F、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴展長度與其對應的時間進行擬合，得到裂紋嘴張開位移隨時間變化的函數表達式《=5(0以及裂紋擴展長度隨時間變化的函數表達式a,分別對其求導，得到裂紋嘴張開速率^和蠕變裂紋擴展速率；，修正裂紋嘴張開速率，由此得到高溫斷裂參數c'(o的函數表達式。本發明的高溫斷裂參數測試方法及其裝置可以實現高溫條件下的測量，精度高，可達微米級，能夠實現斷裂參量的長時測量和準確計算，從而為機械結構的安全設計與定量壽命評估提供基礎數據。圖1為本發明的高溫斷裂參數測試裝置的示意圖。圖2為本發明的高溫斷裂參數測試方法的操作流程圖。圖3為相似三角形法求裂紋擴展長度的示意圖。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為試樣的實圖。圖7為試樣的結構簡圖。圖8為利用本發明的高溫斷裂參數測試方法獲得的裂紋擴展長度一時間曲線圖。具體實施方式以下結合附圖，以具體實施例對本發明的高溫斷裂參數測試裝置及方法作進一步詳細說明。應理解，以下實施例僅用于說明本發明而非用于限定本發明的范圍。如圖1所示為本發明的高溫斷裂參數測試裝置的示意圖，該裝置包括加載機構l，用于對試樣9進行加載，其內部設有高溫加熱爐2，高溫加熱爐2上設有開孔16，并在開孔16內安裝耐高溫玻璃3;白熾光源8，用于透過耐高溫玻璃3照射試樣以產生視頻信號(圖像)；CCD攝像機4，用于攝取高溫環境下試樣表面開口不同時刻的視頻信號(圖像)，并將視頻信號傳輸至數據采集卡5，CCD攝像機4并帶有三維移動三角支架7，用于調整CCD攝像機4的定位；數據采集卡5，將來自CCD攝像機4的視頻信號轉換成數字信號并存儲于計算機6上；和電子計算機6，用于存儲數字信號。其中，所述加載機構1及高溫加熱爐2可基于常規商業蠕變試驗機。如圖4和5所示，所述高溫加熱爐2的開孔16外側設有擋圈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，以保證爐內溫度的穩定。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(半導體發光二極管)光源，以增強試樣表面的反射光強度。本實施例中，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準《金屬拉伸蠕變試驗方法》的要求制作，試樣的尺寸為蠕變測量長度100mm，標距內直徑10mm，試樣的實圖及結構簡圖分別如圖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)試樣進行高溫蠕變裂紋擴展長度測量試驗，具體如下第一步、將CT試樣安裝到加載機構1上，打開加載機構1的控制系統、高溫加熱爐2以及溫度控制系統，設定試驗參數，啟動高溫加熱爐2。第二步、打開白熾光源8，讓白光照射到CT試樣表面，通過調節三維三腳移動支架7來調整CCD攝像機4的位置，使CCD攝像機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、啟動加載機構1對CT試樣進行加載，待穩定后，通過CCD攝像機4每隔一定時間采集CT試樣表面的圖像，并將信號傳輸至數據采集卡5，再由數據采集卡5將圖像信號轉換成數字信號，然后存儲于計算機6上。第四步、根據采集得到的數字信號，計算不同時間ti時裂紋嘴上下兩端的距離S,，獲取數據序列(ti，5,1i=1.2.3}，如以下表l所示-表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>運用相似三角形法(如圖3)得到裂紋擴展長度fl,與裂紋嘴上下兩端的距離Si之間的幾何關系如下—("0+0.25『)(《—式中a1為t1時刻的裂紋擴展長度；a。為初始裂紋長度；δi為tt時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、經過126.5小時的蠕變拉伸試驗后，在低溫下將CT試樣斷口打開，實測裂紋擴展長度，與計算所得的裂紋擴展長度進行比較，得到比例系數/7為0.834,利用7對裂紋擴展長度a,進行修正；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由此得到如圖8所示的裂紋擴展長度隨時間的曲線圖。第六步、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴展長度與其對應的時間進行擬合，得到裂紋嘴張開位移隨時間變化的函數表達式δi=δ(t)以及裂紋擴展長度隨時間變化的函數表達式at=f(t)，分別對其求導，得到裂紋嘴張開速率δ和蠕變裂紋擴展速率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為平面應力，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>,E為彈性模量，v為泊松比，K為應力強度因子<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>在這里，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>,B為試樣厚度。則高溫斷裂參數C*(t)的表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>n為最小蠕變速率和施加應力的蠕變指數，可試驗獲取或從文獻中得到。權利要求1、一種高溫斷裂參數測試裝置，其特征在于包括加載機構，用于對試樣進行加載，其內部設有高溫加熱爐，高溫加熱爐上設有開孔，并在開孔內安裝耐高溫玻璃；白熾光源，用于透過耐高溫玻璃照射試樣以產生視頻信號；CCD攝像機，用于攝取高溫環境下試樣表面開口不同時刻的視頻信號，并將視頻信號傳輸至數據采集卡，CCD攝像機并帶有三維移動三角支架，用于調整CCD攝像機的定位；數據采集卡，將來自CCD攝像機的視頻信號轉換成數字信號并存儲于計算機上；和電子計算機，用于存儲數字信號。2、如權利要求l所述的裝置，其特征在于，在所述高溫加熱爐的開孔外側設有擋圈，擋圈與耐高溫玻璃之間以耐高溫石棉密封。3、如權利要求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、一種基于權利要求1一5中任一項所述的裝置的高溫裂變參數測試方法，其特征在于包括以下步驟A、將試樣安裝到加載機構上，打開加載機構的控制系統、高溫加熱爐以及溫度控制系統，設定試驗參數，啟動高溫加熱爐；B、打開白熾光源，讓白光照射到試樣表面，調整CCD攝像機的位置，使其能夠捕捉透過耐高溫玻璃反射回來的光線；C、啟動加載機構對試樣進行加載，待穩定后，通過CCD攝像機定時采集試樣表面的視頻信號，并將信號傳輸至數據采集卡，再由數據采集卡將視頻信號轉換成數字信號，然后存儲于計算機上；D、根據采集得到的數字信號，計算不同時間tj時裂紋嘴上下兩端的距離&獲取數據序列U,，Sili=1,2。3}，運用相似三角形法得到裂紋擴展長度fl,與裂紋嘴上下兩端的距離Si之間的幾何關系；E、試驗結束后，在低溫下將試樣端口打開，實測裂紋擴展長度，與計算所得的裂紋擴展長度進行比較，以比例系數//對裂紋擴展長度進行修正；F、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴展長度與其對應的時間進行擬合，可得到裂紋嘴張開位移隨時間變化的函數表達式《=^>)以及裂紋擴展長度隨時間變化的函數表達式a,=/(0，分別對其求導，可得到裂紋嘴張開速率^和蠕變裂紋擴展速率；，修正裂紋嘴張開速率，由此得到高溫斷裂參數C'(,)的函數表達式。7、如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述調整CCD攝像機的位置是使CCD攝像機的軸線與被測試件的法向垂直。全文摘要本發明公開了一種高溫斷裂參數測試裝置，包括加載機構，加載機構內部所設的高溫加熱爐，白熾光源，CCD攝像機，數據采集卡，以及電子計算機。本發明還公開了基于所述裝置的高溫斷裂參數測試方法。本發明的高溫斷裂參數測試方法及其裝置可以實現高溫條件下的測量，精度高，可達微米級，能夠實現斷裂參量的長時測量和準確計算，從而為機械結構的安全設計與定量壽命評估提供基礎數據。文檔編號G01N21/95GK101144785SQ20071004447公開日2008年3月19日申請日期2007年8月1日優先權日2007年8月1日發明者張宏宇,涂善東,軒福貞申請人:華東理工大學