液体腐蚀介质下裂纹扩展速率试验装置及其试验方法开发教材

液体腐蚀介质下裂纹扩展速率试验装置及其试验方法开发

技术中心duguqiurao问题的提出

随着包钢产品在石油、船舶、输送管线、容器等方面的应用，现有的空气环境下的常规试验数据已经不能满足产品认证和设计部门的迫切需要。为了正确地获得产品在腐蚀使用环境下的力学性能，例如船舶在海水条件下、结构钢、管线和容器等在腐蚀液体介质条件下，确定裂纹传播速率da/dN，为断裂力学分析,安全设计和寿命估算提供实验依据。在腐蚀介质下的疲劳裂纹传播速率da/dN试验，要必须具备以下条件：1、研制腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置，2、确定腐蚀介质下裂纹扩展速率da/dN的试验方法

目的

本课题根据GB/T6398腐蚀液体介质下的疲劳裂纹扩展速率试验要求，以包钢现生产的某产品为例，采用柔度法在MTS810上，模拟人造海水等状态下，进行腐蚀液体介质下疲劳裂纹扩展速率da/dN的试验。国内研究现状腐蚀液体介质下疲劳裂纹扩展速率试验，只有国家钢铁材料测试中心等一些机构具备腐蚀液体介质下疲劳裂纹扩展速率试验的能力。腐蚀液体介质试验装置主要分两类：1．国家钢铁材料测试中心在MTS上加装腐蚀液体介质装置实现。2.中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院专利装置：它是由两组腐蚀环境盒构成，两组腐蚀环境盒形状对称，中间为加注腐蚀液的腔体，环境盒呈前端窄后端宽的楔形，分别安装在试样的两侧面，并采用螺栓通过前端安装孔和后端安装孔夹紧，环境盒上设置有腐蚀液输入\出管，环境盒前端在试样的加载孔的内侧。实验方法与发展方向1、实验方法：腐蚀液体介质下疲劳裂纹扩展速率试验基本是加装腐蚀装置后，利用目测法、电位法、柔度法试验三类。2、发展方向：由于目测法、电位法精度不好，国外多采用柔度法测定疲劳裂纹扩展速率da/dN。柔度法测定疲劳裂纹扩展速率是发展方向。试验装置1、腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置框图自主开发，腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置。包括恒温装置、循环系统、三点弯曲夹具、介质盛装装置等。装置系统图：试验装置外观装置系统（图1）

高温恒温系统装置最高试验温度为200℃，温度误差±2℃。其中升温采用三段炉丝，分别控制的特制加热炉，最大功率为10kw。智能仪表控制温度，控制原理如图。低温恒温系统最低试验温度为-100C。温度误差±2℃。其中低温环境箱采用液氮制冷，智能仪表控制温度。控制原理如图恒温箱设计图腐蚀液体介质盛装装置

制作耐腐蚀的不锈钢容器；为了保证容器的刚性（因为该容器承受腐蚀液体介质，还要承受动态负荷），不锈钢容器的底部为双层复底。内部全部涂上防腐涂层材料，防止腐蚀介质与不锈钢容器接触。三点弯曲夹具设计针对三点弯曲SE(B)试样，腐蚀液体介质下的疲劳裂纹扩展试验装置，设计一套耐腐蚀不锈钢三点弯曲夹具(SE(B）试样的加载装置)。三点弯曲加载装置的要求：加力线和支承线的圆柱直径取W/8，跨距S取4W，圆柱与试样的接触应设计得使摩擦减至最小。并且热处理，达到GB/T6398对夹具的强度、硬度等指标要求，将室温三点弯曲夹具（下半部分）倒装，再在不锈钢腐蚀槽上做上入水口和出水口，全部涂上防腐涂层材料，防止腐蚀介质与三点弯曲夹具、应变规、入水口和出水口接触。柔度法原理根据断裂力学原理，可以推导出标准试样的柔度与无量纲裂纹长度的关系。这种关系除了用解析方法计算求出外，还可以通过试验来建立特定类型试样的柔度与无量纲裂纹之间长度的关系。

测定裂纹的柔度法SE(B)试样柔度表达式:式中，E为弹性模量；B为试样厚度；W为试样宽度；P为载荷；S为跨距；Ux为裂纹张开位移。SE(B)试样的柔度系数试样与预制裂纹采用标准SE(B)试样。

试样切口可通过线切割加工而成。切口长度a应大于或等于0.1W，小于或等于0.15w。预制疲劳裂纹采用三点弯曲试样SE(B)单试样法，由MTS程序自动完成的，该程序采用降△K控制，即在预制疲劳裂过程中随着裂纹长度的增加匀速的降低应力强度因子K，确保裂纹前缘的锐化。配置试验人造海水溶液：

试样与试验设备连接图

MTS三种试验方法1、逐级降载法：每级载荷下降率不超过10%，取R=0.05~0.1，但载荷比R保持不变。2、恒力P控制的K梯度法：在试验过程中K梯度C值保持为常数。3、恒K控制的K梯度法：在试验过程中K梯度C值保持为常数，门槛值KΔth疲劳裂纹扩展速率近于零或裂纹停止扩展时所对应的尖端应力强度因子范围，通常认为：扩展速率等于10-7mm/cycle所对应的应力强度因子为KΔth

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疲劳裂纹扩展试验

疲劳裂纹扩展试验采用恒力P控制的K梯度法，计算机程序自动记录裂纹扩展速率da/dN与K的对应关系。对数据采用最小二乘法进行拟合，得到该材料在腐蚀液体介质下的疲劳裂纹扩展速率。测试数据测试数据测试结果

结论

通过材料的试验，可以证明三点弯曲SE(B)试样腐蚀介质下的疲劳裂纹