一種建立梯度型溫度場使用的低溫裝置的制作方法

本實用新型涉及一種建立梯度型溫度場使用的低溫裝置，屬于金屬材料抗斷性能測試技術領域。

背景技術：

進入二十一世紀以來，為提高效益、降低運營成本，集裝箱船的發展日益趨向大型化和超大型化，目前，19000箱級集裝箱船已投入運營，20000箱級集裝箱船已進入實船建造階段。隨著結構的大型化和超大型化，為滿足剛度和強度要求，船體結構所用鋼板的強度等級和板厚規格也不斷增大，最高強度水平已達460MPa，最大板厚規格趨近100mm。隨著強度的升高和板厚規格的增大，鋼板的抗斷性能下降，安全可靠性問題突出。為保證結構的安全，要求大型集裝箱船關鍵部位用高強度厚鋼板必須具有止裂性能，即結構中一旦產生脆性裂紋，鋼板能夠將其止住，從而避免災難性破壞。為正確評價鋼板的止裂性能，需建立有效的評價試驗方法。

針對集裝箱船用高強度厚鋼板止裂性能評價方法，國際船級社協會（IACS）在其統一要求《超厚板使用要求》（編號：UR S33）中規定，止裂性能可采用梯度溫度型（以下簡稱“梯溫型”）ESSO試驗進行評價。

梯溫型ESSO試驗示意圖如圖1所示。在試驗過程中，首先在試樣中建立梯度型溫度場，待溫度場穩定后，對試樣施加預定應力水平的主拉伸載荷，然后采用沖擊裝置沖擊冷卻至低溫的預制V型缺口，缺口根部在沖擊載荷作用下產生一道脆性裂紋，裂紋隨后擴展進入試樣，通過觀察裂紋在試樣中的擴展和止裂行為評價試樣的止裂性能。

試驗中，為使脆性裂紋從缺口根部順利啟裂，需對缺口部位進行低溫冷卻，同時為建立滿足要求的梯度型溫度場，也需對試樣帶有缺口的一端進行冷卻，這就需要使用合理的低溫槽。而針對ESSO試驗測量船用高強度厚鋼板止裂性能的低溫槽設計，目前還未有公開的報道，也未有相應的專利發布。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本實用新型提供一種建立梯度型溫度場使用的低溫裝置，能夠滿足缺口部位脆性裂紋的順利啟裂及梯度型溫度場的建立需求，為實現對止裂性能的有效測試打下基礎。

為實現上述技術目的，所采用的技術方案是：一種建立梯度型溫度場使用的低溫裝置，對長方形試樣長度方向的一端預制V型缺口，V型缺口的V型端口與長度中心線處于一條直線上，低溫裝置由兩個相同的低溫塊、與試樣寬度一致的頂塊、以及緊固機構組成，頂塊設置在兩個低溫塊之間，兩個低溫塊對稱設置在V型缺口處，并通過緊固機構夾緊頂塊貼合試樣的兩側表面設置，低溫塊貼合試樣的一側表面開設有呈“凹”型的低溫槽，低溫槽與試樣表面圍成用于注入冷卻介質的冷卻空腔，冷卻空腔的中心對應試樣長度中心線設置，在低溫塊的頂面上開設兩個冷卻介質進口，其中一個冷卻介質進口通過低溫槽與另一個冷卻介質進口連通，低溫槽向下凹陷的水平平面為上邊緣面，低溫槽的底面為下邊緣面，上邊緣面與試樣的頂面平齊，上邊緣面與下邊緣面之間的距離大于V型缺口的高度。

本實用新型所述的緊固機構由緊固螺母和螺桿組成。

本實用新型有益效果是：

采用本實用新型的低溫槽，能夠實現ESSO試驗中對試樣表面的冷卻過程；同時可實現對試樣兩側表面的同時低溫冷卻，有效保證試樣兩側表面梯度型溫度場的一致性；通過調整頂塊厚度和螺桿長度，可以方便地實現不同厚度試樣的低溫冷卻過程。本實用新型的ESSO試驗低溫槽可為梯度溫度型ESSO試驗測量船用高強度厚鋼板止裂性能提供有效的保證。

（1）能夠實現表面降溫。將低溫槽固定于試樣表面，在槽與試樣表面之間形成密閉空間，通過向槽中加入冷卻介質即可實現表面降溫。

（2）能夠實現同步降溫。采用兩個尺寸相同的保溫槽對試樣兩側表面同時進行低溫冷卻，能夠避免試樣兩側表面溫度場因降溫不同步導致的溫度差異，保證兩側表面溫度場的一致性，進而保證試驗結果的有效性。

（3）固定方式簡單可靠。試驗時，保溫槽采用螺桿連接的方式緊固于試樣表面，能夠保證低溫槽與試樣表面連接的密閉性。

（4）形式簡單，使用成本低。低溫槽形式簡單，原材料可選用市場上現有的3mm薄鋼板，加工方便。同時，對于不同厚度規格的試樣，只需采用相應長度的螺桿及與試樣厚度相同的頂塊即可，不必更換低溫槽，使用成本較低。

附圖說明

圖1為ESSO試驗示意圖；

圖2為本實用新型梯度型溫度場建立示意圖；

圖3為本實用新型測溫位置示意圖；

圖4為本實用新型典型溫度場分布圖；

圖5為本實用新型低溫裝置使用示意圖；

圖6為本實用新型低溫塊的剖視結構示意圖；

圖7為本實用新型低溫塊的側視結構示意圖；

圖8為本實用新型低溫塊的俯視結構示意圖；

圖中：1、低溫裝置，2、低溫塊，201、低溫槽，203、冷卻空腔，204、上邊緣面，205、下邊緣面，3、頂塊，4、緊固機構，401、緊固螺栓，402、螺桿，5、試樣，6、V型缺口。

具體實施方式

在梯溫型ESSO試驗中，梯度型溫度場能否滿足標準規范的要求將直接關系到試驗的有效性，本實用新型主要基于這一要求設計梯度型溫度場的建立技術。

在梯溫型ESSO試驗過程中，為在試樣中形成梯度型溫度場，需要對試樣一端進行冷卻，同時對另一端進行加熱；為保證結果有效性，試樣兩側表面溫度場應相同；此外，還應實現對溫度場的有效測量。本實用新型針對上述三方面技術問題采取的解決方案是：對試樣缺口部位利用低溫槽和冷卻介質進行冷卻，除形成梯度型溫度場的冷端外，還能保證脆性裂紋的順利啟裂，同時對與缺口相對的另一端利用加熱槽進行加熱（圖2）；所用低溫槽和加熱槽能夠對試樣兩側表面同時冷卻和加熱，且兩側冷卻和加熱面積分別相同，從而保證試樣兩側溫度場的一致性；采用熱電偶+動態信號測試系統對溫度場進行測量，測溫方式為表面測溫，測溫位置如圖3所示，采用這一測溫方法既能不破壞試樣的完整性，又能實現對溫度場的有效測量。

利用本實用新型的工作過程：

本實用新型根據梯溫型ESSO試驗對梯度型溫度場的要求，設計了梯度型溫度場的建立技術，能夠滿足試驗板中心線距缺口端150mm～350mm范圍內溫度梯度為0.25℃/mm～0.35℃/mm的要求，進而保證試驗的有效性。

方法具體工作過程如下：

1、按尺寸要求加工帶有預制V型缺口的ESSO試樣；

2、在試樣表面按圖3中的位置焊接熱電偶；

3、按圖2所示在試樣缺口部位安裝低溫裝置，在另一端安裝加熱裝置（原理等同于低溫裝置結構）；

4、在低溫裝置的低溫槽中加入冷卻介質，對試樣進行冷卻；同時對加熱槽中介質進行加熱；

5、利用動態信號測試分析系統對熱電偶信號進行采集，獲得試樣各個測溫位置的溫度分布；

6、根據所測溫度值，調整冷卻和加熱時間，最終建立滿足要求的梯度型溫度場。

在梯溫型ESSO試驗中，缺口部位脆性裂紋能否順利啟裂及梯度型溫度場的建立是否滿足要求將直接關系到試驗的有效性，這兩方面均需通過對試樣進行低溫冷卻處理方能實現。合理的低溫槽是脆性裂紋順利啟裂及梯度型溫度場滿足要求的一項重要保證，本實用新型主要基于這兩方面的要求進行低溫槽設計。

在梯溫型ESSO試驗過程中，試樣尺寸較大（500mm×500mm），且試樣中的溫度場為梯度型溫度場，因此對試樣的降溫方式只能采取局部表面降溫方式；同時，為保證對缺口部位的均勻降溫及試樣兩側表面梯度型溫度場的一致性，需采用兩側表面同時降溫的方法。本實用新型針對上述兩方面技術問題采取的解決方案是：將低溫塊固定于試樣表面，低溫塊貼合試樣表面的一側開設凹型低溫槽，塊與試樣表面之間形成冷卻空腔，在低溫槽中加入冷卻介質后即可實現對試樣表面的降溫；將兩個尺寸完全相同的低溫塊平行相對稱固定于試樣兩側表面，通過向兩個低溫槽同時加入冷卻介質，可實現對試樣兩側表面的同時降溫（圖5）。此外，對于不同厚度的測試試樣，只需采用相應長度的螺桿及與試樣厚度相同的頂塊即可實現對試樣的低溫冷卻處理而不必更換低溫槽。低溫槽的具體結構如圖6所示。該裝置設計原理簡單方便，能夠滿足梯溫型ESSO試驗對脆性裂紋啟裂和梯度型溫度場的要求。

低溫裝置具體安裝工作過程如下：

1、按尺寸要求加工帶有預制V型缺口的ESSO試樣；

2、加工與試樣厚度相同的頂塊；

3、將兩個尺寸相同的低溫塊平行相對稱放于缺口部位兩側的試樣表面，低溫槽上邊緣面與試樣頂面平齊，低溫槽中心與試樣預制V型缺口中心對齊；

4、將螺桿穿過兩個低溫塊，將兩個緊固螺母套裝在螺桿的兩端；

5、將頂塊放入兩個低溫塊之間并使頂塊位于螺桿上方，擰緊螺母將低溫塊固定于試樣表面；

6、通其中一個冷卻介質進口向低溫槽中加入冷卻介質，對缺口部位進行冷卻并在試樣中建立梯度型溫度場。