具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于应力腐蚀开裂状态测定技术领域，具体涉及一种具有恒位移载荷的裂 尖应力腐蚀开裂状态测试系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会发展对能源需求的日益增多，核电在能源需求中所占的比重越来越大， 而核电安全是影响核电发展的重要原因之一。由于镍基合金和奥氏体不锈钢在高温高压水 环境中具有非常好的力学性能和抗高温耐腐蚀性能，所以在核电站的关键结构中大量选用 此类材料，而在核电站的高温高压水环境下，由于某些原因，特别是由于焊接接头的工艺特 点，使核电站关键结构存在各种类型的裂纹缺陷，这些裂纹缺陷会在应力腐蚀环境的作用 下产生开裂现象，这种应力腐蚀裂纹将随时间不断扩展，最终会导致核电站关键结构和设 备断裂或损坏；因此奥氏体不锈钢和镍基合金材料在高温高压水环境下的应力腐蚀开裂问 题是核电结构和设备长期安全服役的关键问题之一。
[0003] 目前，国内在高温高压水环境下做应力腐蚀开裂速率测定的试验为一个比较新的 方向，现有的一些类似技术，一般采用标准紧凑拉伸试样，尺寸较大，需要拉伸试验机进行 拉伸加载，材料应力腐蚀开裂速率测试受到试验设备限制，试验设备复杂且费用昂贵，试验 效率低，因此，需要开发一种简易的方便加载的小型紧凑拉伸试样及试验测试系统，用于测 试裂尖应力腐蚀开裂状态，为裂尖应力腐蚀开裂状态测试试验的普及以及核电站关键结构 剩余寿命评估提供新途径。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简 单、实现方便且成本低、试验方便、试验效率高、实用性强的具有恒位移载荷的裂尖应力腐 蚀开裂状态测试系统。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有恒位移载荷的裂尖应 力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：包括高压釜和放置在高压釜中的自带恒位移载荷 加载装置测试试样，以及用于给自带恒位移载荷加载装置测试试样施加初始载荷的定力矩 扳手和用于测试自带恒位移载荷加载装置测试试样的裂纹深度的直流电位降裂纹测深仪； 所述自带恒位移载荷加载装置测试试样包括长方体形状的试样本体和裂纹张开位移载荷 加载装置，以及夹装在试样本体与裂纹张开位移载荷加载装置之间的绝缘橡胶垫；所述试 样本体的顶部中间位置处设置有梯形缺口，所述试样本体上部设置有分别位于梯形缺口两 侧的两个预制疲劳裂纹制备加载孔，所述试样本体中部设置有与梯形缺口下底中间位置处 相连通且用于预制疲劳裂纹的疲劳裂纹预制缺口和位于疲劳裂纹预制缺口下部的预制疲 劳裂纹；所述裂纹张开位移载荷加载装置包括膨胀套筒和螺栓，所述膨胀套筒的上部为位 于梯形缺口上部的长方体连接块，所述长方体连接块上设置有U形连接孔，所述膨胀套筒 的下部由呈八字设置的左连接板和右连接板组成，所述膨胀套筒的下部卡合连接在梯形缺 口中，所述左连接板的底面和右连接板的底面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔的下切面在 同一个平面上，所述绝缘橡胶垫的数量为两块，其中一块绝缘橡胶垫设置在左连接板的外 壁与梯形缺口的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫设置在右连接板的外壁与梯形缺口的内壁之 间，所述螺栓由一体成型的梯形螺栓头、光杆和螺杆三部分组成，所述梯形螺栓头卡合连接 在膨胀套筒中，所述梯形螺栓头与光杆连接的一端端面与两个预制疲劳裂纹制备加载孔的 上切面在同一个平面上，所述光杆套装在U形连接孔中，所述光杆上套装有位于所述长方 体连接块上部的垫片，所述螺杆上螺纹连接有螺母，所述螺杆上套装有位于垫片与螺母之 间的弹簧垫圈。
[0006] 上述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于： 所述试样本体的长度为31. 25mm，所述试样本体的宽度为30mm，所述试样本体的厚度为 12. 5mm〇
[0007] 上述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：所 述梯形缺口的上底的长度为9_，所述梯形缺口的下底的长度为11. 6_，所述梯形缺口的 高为12. 175mm，所述梯形缺口、疲劳裂纹预制缺口和预制疲劳裂纹的总高度为16. 75mm。
[0008] 上述的一种具有恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态测试系统，其特征在于：两 个所述预制疲劳裂纹制备加载孔的半径均为3. 125mm ;两个所述预制疲劳裂纹制备加载孔 之间的中心距为19mm。
[0009] 本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、试验效率高、实用性强的利用上述 的测试系统进行裂尖应力腐蚀开裂状态测试的方法，其特征在于该方法包括以下步骤： [0010] 步骤一、装配自带恒位移载荷加载装置测试试样，具体过程为：
[0011] 步骤101、首先将所述螺栓的光杆对准U形连接孔插入到U形连接孔中，然后将所 述螺栓的梯形螺栓头卡合连接在膨胀套筒中，使所述螺栓与膨胀套筒连接为一个整体；
[0012] 步骤102、首先将绝缘橡胶垫装入梯形缺口中，然后将连接为一个整体的所述螺栓 和膨胀套筒装入梯形缺口中，并使其中一块绝缘橡胶垫夹装在左连接板的外壁与梯形缺口 的内壁之间，另一块绝缘橡胶垫夹装在在右连接板的外壁与梯形缺口的内壁之间；
[0013] 步骤103、将垫片和弹簧垫圈依次套装在所述螺栓上，并在所述螺栓的螺杆上螺纹 连接螺母；
[0014] 步骤二、根据实验要求的初始裂纹裂尖应力强度因子K1以及预先建立的初始拧紧 力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K 1的函数关系式，计算得到所需加载的初始拧紧力矩 M，采用定力矩扳手在螺母上加载初始拧紧力矩M ;
[0015] 步骤三、在所述试样本体的顶部位于梯形缺口两侧焊接两个钎焊接头，并将两个 钎焊接头分别连接到直流电位降裂纹测深仪的两个信号输入输出接线端上；
[0016] 步骤四、将自带恒位移载荷加载装置测试试样放入高压釜，并设置高压釜的工作 参数；所述工作参数包括高压釜内水的压力、温度和离子浓度；
[0017] 步骤五、开启直流电位降裂纹测深仪，所述直流电位降裂纹测深仪对自带恒位移 载荷加载装置测试试样的裂纹深度和裂纹扩展速率进行实时监测和记录。
[0018] 上述的方法，其特征在于：步骤二中预先建立初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应 力强度因子K 1的函数关系式的具体过程为：
[0019] 步骤201、采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载在试样本体的应力加载面 上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子K1的对应关系；
[0020] 步骤202、根据公式M = 4KPBDr/(Sin Θ *Cos Θ )，计算得到加载在试样本体的应 力加载面上的不同值的压强P对应的不同的初始拧紧力矩M ;其中，K为拧紧力系数且K = 0. 2, B为试样本体的厚度且B = 12. 5mm，D为所述螺栓的螺杆的直径且D = 6mm，r为预制 疲劳裂纹制备加载孔的半径且r = 3. 125mm，Θ为梯形缺口的底角且Θ =83.8° ;
[0021] 步骤203、根据步骤201中得到的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子!^ 的对应关系，以及步骤202中不同值的压强P与初始拧紧力矩M的对应关系，得到初始裂纹 裂尖应力强度因子&与初始拧紧力矩M的对应关系；
[0022] 步骤204、在计算机上采用Origin软件，以初始裂纹裂尖应力强度因子K1为横坐 标，初始拧紧力矩M为纵坐标，绘制出步骤203中得到的各个初始裂纹裂尖应力强度因子K 1 与初始拧紧力矩M对应的点，并拟合得到初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K1 的关系曲线；
[0023] 步骤205、首先，观察初始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子!^的关系曲线 的特点，确定拟合的函数关系式为一次函数；然后，采用最小二乘法对步骤204中得到的初 始拧紧力矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子K 1的关系曲线进行线性回归，得到初始拧紧力 矩M与初始裂纹裂尖应力强度因子&的函数关系式。
[0024] 上述的方法，其特征在于：步骤201中采用ABAQUS软件进行有限元计算，得到加载 在试样本体的应力加载面上的不同值的压强P与初始裂纹裂尖应力强度因子&的对应关 系的具体过程为：
[0025] 步骤2011、在Part模块中，建立试样本体的二维模型；
[0026] 步骤2012、在Property模块中，输入试样本体的二维模型材料参数，所述材料参 数包括材料类型、杨氏模量E和泊松比λ ;
[0027] 步骤2013、在Assembly模块中，装配试样本体的二维模型，并将试样本体的二维 模型设置为独立部件；
[0028] 步骤2014、在Step模块中，创建新分析步，所述新分析步与初始分析步构成两个 分析步；
[0029] 步骤2015、在Load模块中，仓Il建载荷，在所述试样本体二维模型预制疲劳裂纹制 备加载孔的两条水平切线位置处进行切割，得到应力加载面，并在该面加载压强P ;
[0030] 步骤2016、在Load模块中，创建约束，对预制疲劳裂纹的裂尖在试样本体二维模 型底边上的投影点进行全约束；
[0031] 步骤2017、在Mesh模块中，以预制