专利名称：一种测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法
技术领域：
本发明涉及的是材料一种蠕变力学性能参数的测量方法，具体是指利用高温预应力蠕变裂纹扩展试验确定蠕变裂纹扩展临界温度的试验方法。
背景技术：
蠕变是指材料在高于和低于材料宏观屈服极限的应力下发生的缓慢的塑性变形。在发生晶界损伤的应力范围内，在较高应力下形成楔形裂纹导致局部晶界分离，裂纹相互作用并连接导致最终断裂；在较低应力下，蠕变损伤表现为晶界空洞的形核、长大与合并，进而断裂。蠕变裂纹扩展是蠕变损伤的宏观表现形式，宏观裂纹的扩展过程占蠕变断裂寿命的很大部分。蠕变裂纹扩展是一个非常复杂的力学行为，蠕变裂纹扩展曲线由裂纹长度a和时间t的关系来描述。对于低延性合金，裂纹扩展行为可以由裂纹扩展速率da/dt和应力强度因子K1来描述。通常蠕变裂纹扩展分为三个阶段:第一阶段，da/dt随K1值升高而快速增加，该阶段的起始点通常称为应力强度因子门槛值，记为Kth ;第二阶段，da/dt随K1值升高而稳定增加；第三阶段，da/dt随K1值升高急剧增加，此时的K1接近断裂临界值。有研究指出，当温度处于熔点温度的1/3到2/3之间时，许多合金在低外加应力下会由于晶界空穴而发生蠕变变形；也有研究指出，当温度低于0.4倍熔点温度时，材料的疲劳性能与常温相似，当温度处于0.5-0.6倍熔点温度之间时，材料的疲劳性能将受高温环境影响；也有研究者利用高温蠕变-疲劳裂纹扩展试验的方法，经过大量的蠕变-疲劳试验，提出材料发生显著蠕变裂纹扩展的临界温度。参见文献[I]S.Suresh著，王中光等译.材料的疲劳，国防工业出版社，1999和文献[2]唐立强等.亚临界温度条件下转子钢疲劳裂纹扩展速率，哈尔滨工程大学学报.2000，21(4): 73-78，文献[3]杨洪琴.粉末冶金高温合金的亚临界疲劳裂纹扩展行为研究[D]，北京航空航天大学，2011。根据目前的方法，工程从简单应用角度出发通常认为材料蠕变损伤效应的临界温度为0.5倍熔点温度而不进行相关的蠕变裂纹扩展试验来确定，文献[3]中通过几个温度下的蠕变-疲劳裂纹扩展试验给出了一个具有理论和试验基础的发生显著蠕变裂纹扩展的临界温度值。据此可以看出，工程中所采用的近似取值方法没有试验和理论为支持基础；文献中的方法需要在载荷试验机上装配高温炉后，再配备测量裂纹长度的设备进行，对试验设备要求高，每次只能进行一个试件的试验。
发明内容
本发明技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，只需要在高温炉中进行蠕变裂纹扩展试验，来确定蠕变裂纹扩展临界温度，不需要载荷试验机；且一次可进行多个试件的试验，使得试验时间大幅缩减，试验成本大幅降低。
本发明技术解决方案:一种测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，所述测试方法需要的试验设备包括材料疲劳性能试验机，电阻丝加热高温炉，工具显微镜，试验试件1、楔形块2，具体实现步骤如下:第一步,加工试件对某种具体材料按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工不少于6件的标准紧凑拉伸试件1，试件宽度为20臟，厚度为10mm。试件的初始切口的长度3为0.45倍试件宽度，即9mm，初始切口高度为2mm，应满足楔形块2楔入之后能在加载线位置产生一定位移；第二步，预制裂纹将加工好的不少于6件的试件I在疲劳性能试验机上进行裂纹预制，预制后的裂纹长度4为0.5倍试件宽度，即IOmm ;所述不少于6件的试件I具有相同长度预制裂纹；第三步，装配试件将楔形块楔入试件I初始切口之内，使楔形块2的平直部分最前端5处于加载线6的位置，为加载线提供位移，在试件裂纹尖端形成以应力强度因子来表征的应力应变场，为蠕变裂纹扩展提供驱动力；加入不同厚度的楔形块2，使得加载线6的位移不同，试件裂纹尖端具有不同的应力强度因子；第四步，安装试件将第三步装配好的试件以切口端朝上置于电阻丝加热高温炉中间部位，保证试件在高温环境下受热均匀；高温炉温度范围为300-1000°C ；第五步，升温及保温采用电阻丝高温炉加热试件，使试件在60分钟内加热升温到指定温度(如6500C )，然后保温30分钟后开始计时，此时试件的各个部位受热已均匀；保温过程中电阻丝高温炉温度波动不超过±2°C ；第六步，裂纹扩展从计时开始保温20小时后将试件从电阻丝高温炉中取出，采取空气冷却的方式，待试件温度冷却至室温后在工具显微镜下测量裂纹长度；测量完所有试件的裂纹长度后，根据裂纹扩展情况选择下一步的升温或降温试验；第七步，升温试验和降温试验升温试验:如果在某给定的温度下所有试件的裂纹扩展速率均小于IX 10_6m/h，则升高温度进行重复的相似的裂纹扩展试验，直到有试件的裂纹扩展速率大于lX10_6m/h为止，此时认为裂纹扩展速率均不大于lX10_6m/h的最高的试验温度为材料的蠕变裂纹扩展临界温度；降温试验:如果在给定温度下由于发生蠕变效应导致在一定的时间后裂纹发生扩展，导致裂纹扩展速率大于I X 10_6m/h，此时需要将发生裂纹扩展的试验件取出降低温度进行重复的相似的裂纹扩展试验，直到某温度下所有试件的裂纹扩展速率均不大于IXlO-Vh为止，此时的温度即为材料的蠕变裂纹扩展临界温度。所述第五步中，升温过程裂纹扩展区前后表面温度差不大于2°C。所述第二步中，预制的裂纹在前后表面上长度差应小于0.1倍试件厚度。所述第三步中，加载线6处位移以及加载线到试件裂纹尖端的距离均通过工具显微镜测量，针对每个试件的实际加载线6的位置及位移，利用有限元软件Abaqus计算每个试件的裂尖应力强度因子。
本发明与现有技术相比的优点:本发明相对于工程中采用的0.5倍熔点温度为蠕变裂纹扩展临界温度的方法以及文献[3]所给出的测试材料蠕变裂纹扩展临界温度的试验方法，本发明提出一种测试材料蠕变裂纹扩展临界温度的新方法，该方法创新之处在于给初始预制裂纹长度相同的一组(6件以上)试件通过施加不同的加载线位移来在试件裂纹尖端处形成以应力强度因子来表征的应力应变场。文献[3]中试验是在配置高温炉的载荷试验机上进行，每次只能进行一个试验件的试验，因此要测得临界温度耗时长、成本高。本发明只需要在高温炉中进行，不需要载荷试验机；且一次可进行多个试件的试验，使得试验时间大幅缩减，试验成本大幅降低。
图1为本发明实现流程图；图2为已装配试验试件示意图；图3为材料蠕变裂纹扩展的临界温度值确定示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明具体实施步骤如下:一、加工试件:针对所研究的具体材料，按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工一批(至少6件)标准紧凑拉伸(CT)试件，初始切口高度为2mm ;初始切口长度为0.45倍试件宽度；在试件表面用先用300目粗砂纸、后用2000目细砂纸进行打磨，使得表面粗糙度和光洁度尽可能高，以便于观察裂纹扩展路径。加工一批(至少6件)不同厚度的楔形块，楔形块厚度从2.1mm开始，楔形块之间厚度差为0.05mm，楔形块宽度与试件宽度一致，楔形块平直段长度比加载线到试件左侧距离大2mm。二、预制裂纹:针对如前所述加工好的试件，在疲劳试验机上预制长度相同的裂纹，预制裂纹长度为0.5倍试件宽度。由于试件较厚，预制的裂纹在前后表面上长度差应小于0.1倍试件厚度。三、装配试件:针对如前所述具有相同初始裂纹长度的试件，在切口处楔入不同厚度的楔形块，以达到在加载线处施加不同加载位移的目的，使得裂纹尖端具有不同的以应力强度因子表征的应力应变场。加载线位移以及加载线到裂尖距离均通过工具显微镜测量，针对每个试件的实际加载线位置及位移，利用有限元软件Abaqus计算每个试件的裂尖应力强度因子。四、安装试件:将如三所述装配好的试件以切口端朝上置于电阻丝加热高温炉中间部位，保证试件在高温环境下受热均匀。五、升温及保温:采用电阻丝高温炉加热试件，使试件在60分钟内加热升温到指定温度(如6500C )，然后保温30分钟后开始计时，此时试件的各个部位受热已均匀。保温过程中高温炉温度波动不超过±2°C。六、裂纹扩展:保温20小时后将试件从高温炉中取出，采取空气冷却的方式，待试件温度冷却至室温后在工具显微镜下测量裂纹长度。测量完所有试件的裂纹长度后，根据裂纹扩展情况选择下一步的升温或降温试验。七、升温试验和降温试验
升温试验:如果在某给定的温度下所有试件的裂纹扩展速率均小于IX 10_6m/h，则升高温度进行重复的相似的裂纹扩展试验，直到有试件的裂纹扩展速率大于lX10_6m/h为止，此时认为裂纹扩展速率均不大于lX10_6m/h的最高的试验温度为材料的蠕变裂纹扩展临界温度。降温试验:如果在给定温度下由于发生蠕变效应导致在一定的时间后裂纹发生扩展，导致裂纹扩展速率大于I X 10_6m/h，此时需要将发生裂纹扩展的试验件取出降低温度进行重复的相似的裂纹扩展试验，直到某温度下所有试件的裂纹扩展速率均不大于IXlO-Vh为止，此时的温度即为材料的蠕变裂纹扩展临界温度。附图3所示的Tl温度时几个应力强度因子下的裂纹扩展速率均小于lX10_6m/h，此时Tl即为材料蠕变裂纹扩展的临界温度。试验结果处理方法见图3，图3中横坐标表示试验温度，单位为。C ;纵坐标表示蠕变裂纹扩展速率，单位为m/h ;图3中的K1、K2、K3表示不同的应力强度因子，单位为MPa.m1/2，其中的 K1>K2>K3。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，其特征在于实现步骤如下: 第一步，加工试件 对某种具体材料按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工不少于6件的标准紧凑拉伸试件(1)，试件宽度为20mm，厚度为10mm，试件的初始切口的长度(3)为0.45倍试件宽度，即9mm,初始切口高度为2mm，满足楔形块(2 )楔入之后能在加载线(6 )位置产生垂直裂纹面的一定的位移； 第二步，预制裂纹 将加工好的不少于6件的试件(I)在疲劳性能试验机上进行裂纹预制，预制后的裂纹长度(4)为0.5倍试件宽度，即IOmm ;所述不少于6件的试件(I)具有相同长度预制裂纹；第三步，装配试件 将楔形块楔入试件(I)初始切口之内，使楔形块(2 )的平直部分最前端(5 )处于加载线(6)的位置，为加载线处提供位移，在试件裂纹尖端形成以应力强度因子来表征的应力应变场，为蠕变裂纹扩展提供驱动力；加入不同厚度的楔形块(2)，使得加载线(6)处的位移不同，试件裂纹尖端具有不同的应力强度因子； 第四步，安装试件 将第三步装配好的试件以切口端朝上置于电阻丝加热高温炉中间部位，保证试件在高温环境下受热均匀；高温炉温度范围为300-1000°C ； 第五步，升温及保温 采用电阻丝高温炉加热试件 ，使试件在60分钟内加热升温到指定温度(如650°C)，然后保温30分钟后开始计时 ， 此时试件的各个部位受热已均匀；保温过程中电阻丝高温炉温度波动不超过±2°C ； 第六步，裂纹扩展 从计时开始保温20小时后将试件从电阻丝高温炉中取出，待试件温度冷却至室温后在工具显微镜下测量裂纹长度；测量完所有试件的裂纹长度后，根据裂纹扩展情况选择下一步的升温或降温试验； 第七步，升温试验和降温试验 升温试验:如果在某给定的温度下所有试件的裂纹扩展速率均小于lX10_6m/h，则升高温度进行重复的相似的裂纹扩展试验，直到有试件的裂纹扩展速率大于lX10_6m/h为止，此时认为裂纹扩展速率均不大于lX10_6m/h的最高的试验温度为材料的蠕变裂纹扩展临界温度；降温试验:如果在给定温度下由于发生蠕变效应导致在一定的时间后裂纹发生扩展，导致裂纹扩展速率大于I X 10_6m/h，此时需要将发生裂纹扩展的试验件取出降低温度进行重复的相似的裂纹扩展试验，直到某温度下所有试件的裂纹扩展速率均不大于IXlO-Vh为止，此时的温度即为材料的蠕变裂纹扩展临界温度。
2.根据权利要求1所述的测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，其特征在于:所述第五步中，升温过程裂纹扩展区前后表面温度差不大于2V。
3.根据权利要求1所述的测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，其特征在于:所述第二步中，预制的裂纹在前后表面上长度差应小于0.1倍试件厚度。
4.根据权利要求1所述的测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，其特征在于:所述第三步中，加载线位移以及加载线到试件裂纹尖端的距离均通过工具显微镜测量，针对每个试件的实际加载线 (6)的位置及位移，利用有限元软件Abaqus计算每个试件的裂尖应力强度因子。
全文摘要
一种测量材料高温蠕变裂纹扩展临界温度的方法，步骤为对某种具体材料按照蠕变裂纹扩展试验要求，加工不少于6件的标准紧凑拉伸试件，将加工好的不少于6件的试件在疲劳性能试验机进行裂纹预制，预制后的裂纹长度为0.5倍试件宽度；将楔形块楔入试件初始切口之内，使楔形块的平直部分最前端处于加载线的位置，为加载线提供位移，在试件裂纹尖端处形成以应力强度因子来表征的应力应变场，为蠕变裂纹扩展提供驱动力；将装配好的试件置于电阻丝加热高温炉中进行升温试验或降温试验，直到某温度下所有试件的裂纹扩展速率不大于1×10-6m/h为止，此时的温度即为材料的蠕变裂纹扩展临界温度。本发明一次可进行多个试件的试验，使得试验成本大大降低。
文档编号G01N25/00GK103196939SQ20131011164
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者鲍蕊, 刘浩, 张建宇 申请人:北京航空航天大学