一种高通量微型四点弯曲应力腐蚀萌生试验装置及方法

本发明涉及应力腐蚀开裂试验装置及方法技术领域，具体涉及一种高通量微型四点弯曲应力腐蚀萌生试验装置及方法。

背景技术：

应力腐蚀是现代工程实践中材料的主要失效形式之一。其开裂无明显征兆，因此常常导致严重的事故。应力腐蚀是腐蚀介质、敏感的材料结构、应力三者之间的协同作用而产生的滞后开裂现象。

在石油天然气、核电等诸多工业领域，通常采用堆焊镍基合金或不锈钢对低合金钢或碳钢进行保护，在一些特殊情况下，例如堆焊层破坏、特殊设计等，接头会与腐蚀介质直接接触。除此之外，焊缝通常存在较大的焊接残余应力，导致焊接接头更容易发生应力腐蚀破坏。

根据我国“gbt/15970金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验”可知，用于研究应力腐蚀的试验方法较多。传统的四点弯曲试验一般采用恒载荷加载，而在裂纹萌生和扩展的过程中，动态塑性应变是关键因素，因此，慢动态应变的应用对于恒定总应变或恒载荷试验是重要的。对于焊接接头应力腐蚀的研究均是对其进行整体评估，采用的试样一般为相对较大的长条状试样，然而裂纹的萌生和扩展一般是发生在只有微米级尺度的焊接熔合界面，一般的试验方法难以准确获得裂纹萌生应力，而且试验效率较为低下。因此，本专利提供一种慢应变速率加载条件下的高通量微型四点弯曲应力腐蚀试验装置及方法，实现对焊接接头微区应力腐蚀开裂裂纹萌生行为的研究。

技术实现要素：

本发明提供一种慢动态应变加载下的高通量微型四点弯曲应力腐蚀萌生试验装置及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种高通量微型四点弯曲应力腐蚀萌生试验装置，该装置包括试验夹具和连接装置，试验夹具主要进行应力腐蚀试验，连接装置主要进行试验夹具与慢拉伸机夹具的连接，以及试验夹具之间的相互连接，实现拉压转换，其中：

所述试验夹具是由至少一个加载夹具和一个凹形夹具以及两个用于定位及固定试样的螺栓，四根定位销钉组成；其中加载夹具的突出部位是一个加载压头，提供两个圆弧状的支点，两支点之间采用圆弧过渡；槽型凹形夹具用于放置试样以及承载，其上通过楔入的四根销钉实现试样的定位；螺栓从凹形夹具两侧拧入，通过控制旋转周次调节样品对中性。此外，两个夹具都有四个对角相等的导向孔，与导向杆配合使用。

所述连接装置是由两个长宽与试验夹具相等的连接夹具、四根两两相等的导向杆以及相应的锁紧螺母组成；连接夹具分为上连接夹具与下连接夹具，两个夹具完全相同，在装配上略有差异，其上开有连接孔、销钉孔以及对角的两个导向孔。导向杆两端螺纹直径比杆身直径稍小。

所述试验夹具可以通过导向杆进行多个串联，从而实现多个样品同时进行试验，但是串连在中间的试验夹具四个导向孔均需与导向杆直径相配合。

所述试验夹具和连接装置材质最好与试验样品相同，如果试验夹具和连接装置与试验样品材质不同时需要采取相应的隔绝措施，或者设置对比试验，排除试验夹具和连接装置对应力腐蚀结果的影响。

所述试验装置对夹具的具体尺寸无限制，可根据自己的试验目的以及样品大小进行适当调整。

所述试验装置实现应力加载的方法如下：两根导向杆穿过上连接夹具、加载夹具、凹形夹具左前及右后两个导向孔进行连接；两根导向杆穿过加载夹具、凹形夹具、下连接夹具左后及右前两个导向孔进行连接，导向杆两端均用锁紧螺母将夹具固定；连接夹具通过连接孔和销钉分别与拉伸机上下夹具相连，拉伸加载过程中，加载夹具和凹形夹具相互挤压，使样品始终处于压应力状态。

一种高通量微型四点弯曲应力腐蚀萌生试验方法，该装置结合拉伸机实现微型四点弯曲应力腐蚀实验，其实现步骤如下：

步骤一、实验样品采用线切割制备，切割完成后，将试样进行机械打磨和抛光。随后，用丙酮或酒精对试样进行清洗。试样大小根据所用夹具尺寸确定，对于焊接接头微区应力腐蚀裂纹萌生行为的研究来说，一般为厚度小于1mm的薄片状试样。

步骤二、使用该装置进行应力腐蚀萌生试验时，依据试样几何形状和材料性能结合有限元数值模拟，可获得试样表面应力分布与外加载荷的对应关系，从而精确控制应力腐蚀萌生应力。

步骤三、将销钉楔入相应的孔中，放入试样，然后将凹形夹具两侧的螺栓拧入进行样品的对中固定，将试验夹具用导向杆串连，然后用销钉和连接夹具将试验夹具和拉伸机夹具相连。试验时将夹具整体放入容器中，通过拉伸机进行进行预加载，使压头压在试样表面，拧出凹形夹具两侧的螺栓。根据材料实际的腐蚀环境向容器中加入相应的腐蚀介质。根据材料属性设置加载速率，一般为10^-5s^-1～10^-8s^-1，当实验环境稳定后，开始应力腐蚀试验，当材料所受载荷达到设定值后，结束实验，对拉伸机进行卸载，取出样品。

步骤四、采用扫描电子显微镜对试样表面裂纹的数量、位置、尺寸、取向等信息进行统计观察，将试样沿厚度方向切开，样品进行镶嵌和磨抛后采用扫描电子显微镜对试样截面裂纹的萌生情况进行研究。

本发明的优势体现是：

1、本发明可以对加载过程进行有限元进行模拟计算，分析样品表面应力分布，在试验时可更好地对加载过程进行控制。

2、本发明可以将多个试验夹具串联，实现多个样品同时试验，增加试验效率。

3、本发明采用的试样很小，而且采取慢应变速率加载方式，对焊接接头微区应力腐蚀裂纹萌生行为研究具有优势，而且可提高加载的稳定性和试验的重现性，使试验更加简便效率。

4、本发明提供一种用于焊接接头微区应力腐蚀敏感性评估的装置及方法，为材料的应力腐蚀研究提供了新的途径和方法。

附图说明：

图1为装置的整体装配图

其中图中：锁紧螺母1、连接孔2、销钉孔3、上连接夹具4、导向杆5、6、12、13、加载夹具7、压头8、螺栓9、定位销钉10、凹形夹具11、下连接夹具14。

图2为上连接夹具4的俯视图

图3为加载夹具7的俯视图

图4为凹形夹具11的俯视图

图5为下连接夹具14的俯视图

图6为压头的局部放大图

图7为销钉位置的局部视图

图8为试样加载的剖视图

图9为夹具串联示意图

图10为试验24小时后试样表面形貌

图11为试验48小时后试样的表面形貌

图12为试验52小时后试样的断口形貌

实施例：

本实施例中的试验装置设计：本装置包括试验夹具和连接装置。本实施例中样品尺寸选取为8×4×1mm，样品为镍基625堆焊在x80钢的焊接接头，熔合线位于样品中间，因此装置的材料选择为镍基625合金。试验夹具由加载夹具、凹形夹具、螺栓、定位销钉组成。加载夹具的整体尺寸为25×20×8mm，压头尺寸为7×6×2.5mm。凹形夹具整体尺寸为25×20×10mm；呈二级台阶状槽形，螺栓规格为m3.5，长度为15mm，每个凹形夹具需两个螺栓；四根定位销钉楔入凹形夹具相应位置，在宽度方向上相距4mm。加载夹具四角位置均开有导向孔，对角相等，右前及左后两个孔直径为3.6mm，左前及右后两个孔直径为4.1mm；凹形夹具也开有四个导向孔，对角相等，右前及左后两个孔直径为4.1mm，左前及右后两个孔直径为3.6mm。为实现同时对多个样品进行试验，导向杆串联多个加载夹具及凹形夹具，但其所开的导向孔直径均为4.1mm。连接装置由连接夹具、导向杆、锁紧螺母组成。连接夹具整体尺寸为25×20×8mm，对角开有两个直径为3.6mm的导向孔，中间部位开有直径为13mm的连接孔，两侧开有直径为5.0mm的销钉孔，连接夹具的数量为2。导向杆两两相等，两端为螺纹，直径为3.6mm，较长导向杆螺纹长度一端为11mm，一端为12mm，较短导向杆螺纹长度一端为11mm，一端为13mm；杆身直径为4mm。锁紧螺母规格为m3.5，与导向杆配合使用。

本实施例中的样品准备：采用线切割方式将焊接接头切成尺寸为8.2×4.2×1.2mm，试样经砂纸打磨和金刚石悬浮液抛光后尺寸为8×4×1mm。

本实施例的应力腐蚀萌生试验的进行：①采用abaqus模拟软件，对试样进行有限元模拟计算，获得材料所受载荷与变形量之间的关系。②按顺序依次打开慢拉伸试验机主机电源、控制器电源、计算机电源，打开软件，点击腐蚀试验，新建测试，设置试样相关参数(原始标距，原始截面积、长度，宽度等)，控制方式为恒应变速率控制，速率为4×10^-6m/s，目标载荷值为300n，相当于给材料表面施加450mpa的弹性应力。③将样品安装在凹形夹具的相应位置，拧紧两侧螺栓将试样固定；用导向杆将连接夹具以及试验夹具连接，如图9所示。试验装置与慢拉伸夹具采用销钉连接，预加载，直至电脑负荷示值窗口刚出现示值时暂停，拧松两侧固定样品的螺栓。向容器内加入3.5％nacl溶液并通入二氧化碳模拟材料腐蚀环境，进行应力腐蚀试验。

本实施例的应力腐蚀萌生结果评价：应力腐蚀试验结束后，卸载，取出样品，对样品表面进行sem形貌观察，结果如图10、图11和图12所示，图10为试验24小时后试样的表面形貌，从图中可以看出，靠近熔合线的x80一侧以及熔合界面均有许多细小裂纹出现；图11为试验48小时后试样的表面形貌，可以观察到裂纹进一步向深处生长；当试验进行到52小时，试样发生断裂，断口形貌如图12所示，可以看出试样是沿着熔合界面发生断裂。因此，该实验装置可准确的定量评价焊接接头熔合界面的应力腐蚀性能。