一种低温疲劳裂纹扩展速率试验装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及低温疲劳裂纹扩展速率测试领域，具体为一种金属材料低温疲劳裂纹扩展试验装置及其使用方法，适用于直流电位降法测量金属材料的低温疲劳裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值。本发明专利技术装置包括低温制冷系统、温度控制系统和裂纹测量系统，采用双级压缩机制冷方式实现低温环境，可以实现从室温至-60℃的低温，温度控制准确，操作简便，充入的R23环保型氟利昂冷媒属于HFC类物质，对臭氧层无损害，可节约能源。本发明专利技术适用于低温空气环境下DCPD法计算材料的疲劳裂纹扩展速率及门槛值，温度控制准确，裂纹长度测量可靠性高，适合在实验室中推广使用，在钢铁、有色等大规模工业生产、检测分析等领域也可广泛应用。

Low temperature fatigue crack propagation rate test device and its using method

The invention relates to a low temperature fatigue crack growth rate test field, in particular to a metal material low temperature fatigue crack propagation test device and method of use, suitable for low temperature fatigue crack in the DC potential drop method to measure metal material growth rate and threshold of fatigue crack growth. The device of the invention comprises a low temperature refrigeration system, temperature control system and crack measurement system, double stage compressor refrigeration to achieve low temperature environment, can be achieved from room temperature to -60 low temperature, accurate temperature control, simple operation, environmentally-friendly R23 refrigerant Freon filled belongs to a HFC material, no damage to the ozone layer. Can save energy. The invention is suitable for low temperature air environment DCPD method for calculating fatigue crack growth rate and threshold value of materials, accurate temperature control, crack length measurement of high reliability, suitable for use in the laboratory, in the iron and steel, nonferrous metals and other large-scale industrial production, analysis and other fields can also be widely used.

【技术实现步骤摘要】
一种低温疲劳裂纹扩展速率试验装置及其使用方法
本专利技术涉及低温疲劳裂纹扩展速率测试领域，具体为一种金属材料低温疲劳裂纹扩展试验装置及其使用方法，适用于直流电位降(DCPD)法测量金属材料的低温疲劳裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值。
技术介绍
金属材料的低温疲劳裂纹扩展速率测试技术的关键在于实现低温环境和测量疲劳裂纹长度。目前国内外发表的文章表明，低温环境的实现是通过采取液氮制冷，尽管这种方法降温迅速，但是液氮使用后不可回收，造成试验成本的增加。另外，液氮降温过程不稳定，可控性差，液氮的膨胀比较高，蒸发温度低，在使用过程中容易发生因操作不当而引发爆炸、物料凝固堵塞管道等事故。已有报道采用压缩机制冷方式实现低温环境，但是采用的单级压缩机难以实现-60℃的低温，这是因为制冷系统的冷凝温度(或冷凝压力)决定于冷却剂(或环境)的温度，而蒸发温度(或蒸发压力)取决于制冷要求。因此，在很多制冷实际应用中，压缩机要在高压端压力(冷凝压力)对低压端压力(蒸发压力)的比值(即压缩比)很高的条件下进行工作。由理想气体的状态方程PV/T＝C可知，此时若采用单级压缩制冷循环，则压缩终了过热蒸汽的温度必然会很高(V一定，P↑→T↑)，会造成压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降低以及压缩机的功耗增加，制冷系数下降。还有的报道采用了双级压缩机制冷，且采用氨气作为冷媒，存在泄露的风险，易造成事故。这些制冷方式通常利用在大型冷库和冷冻设备，无法直接应用于试验室研究。疲劳裂纹长度的测量通常采用显微镜观测法、柔度法和DCPD法，但观测法自动化程度低，需要耗费较大的人力，并且观测法还需要考虑低温环境的保温问题，以及观测窗口结霜的问题。柔度法也是一种常用的裂纹扩展测试方法，但该方法在进行低温疲劳裂纹长度测量时需要考虑低温环境对引申计精度的影响。目前国际上常用直流电位降法(DCPD)测量极端环境下(高温、高压、腐蚀溶液)金属材料的裂纹扩展速率，DCPD技术的物理原理清晰：通恒电流，随着裂纹扩展金属材料的有效截面减小导致电阻增大，因此电压值增高，电场是试样几何形状的函数。基于数值分析和有限元模拟可以得到不同形状裂纹体试样的裂纹长度和电位关系的封闭解。GB/T6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》已给出了紧凑拉伸(CT)试样裂纹归一化长度a/W与电位之间的关系如下式：a/W＝C0+C1(V/Vr)1+C2(V/Vr)2+C3(V/Vr)3其中，a为裂纹长度；W为CT试样宽度；V为实测端电压；Vr为参考端电压；C0＝-0.5051，C1＝0.8857，C2＝-0.1398；C3＝0.0002398。DCPD测量裂纹长度时还需要考虑导线与试样的连接问题，通常采用焊接的方式将导线与试样连接在一起，但是由于铝合金润湿度较低，导线难以焊接在铝合金试样表面，给DCPD测量裂纹长度带来一定的困难。DCPD法的另一难点在于，测量得到的电压信号的分辨率以及数据的采集与存储。在实际应用中，常常需要采集大量的电压信号，并将这些数据采集模块采集的数据传输到主机上进行处理，由主机根据这些处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作。在数据采集及处理行业快速发展的今天，数据采集已经广泛应用于各个领域。国外各种数据采集器的先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。如果单片机本身带数模转换(A/D)功能，则不必进行系统扩展。目前，得益于计算机和电子行业的快速发展，高精度电压表(纳伏表)已经能够稳定的测量纳伏级的电压信号。电压信号的采集和存储也可以通过高精度的数据采集卡(Nationalinstrument)和与之配套的商业软件(LabView)实现。低温下使用的机器设备和结构，其可靠性在眼大程度上取决于温度条件。从S-N曲线上发现低温的有利影响是与温度降低时材料的强度提高有关。但是降低温度同时，也会引起材料的塑性韧性降低，当温度低于其韧脆转化温度时，将会导致冷脆。因此，对于低温下使用的金属材料，仅按S-N曲线的结果进行设计是不够的。合理测定铝合金低温疲劳裂纹扩展速率，是进行高寒动车材料疲劳损伤容限设计与安全评价的重要基础工作之一。截止到目前，鲜有报道使用双级压缩机制冷方式的结合DCPD方法测量金属材料尤其是铝合金的低温疲劳裂纹扩展速率方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术主要目的在于提供一种低温疲劳裂纹扩展试验装置及其使用方法，解决现有技术中制冷剂不经济、不环保，温度控制不准确，导线与低润湿性金属试样的连接不牢固等问题，该装置可以准确测量金属材料的低温疲劳裂纹长度。本专利技术的技术方案如下：一种低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，该装置包括低温制冷系统、温度控制系统和裂纹测量系统，其中：低温制冷系统设有一级压缩机、压力开关Ⅰ、压力表Ⅰ、冷凝器Ⅰ、储液罐Ⅰ、电磁阀Ⅰ、膨胀阀Ⅰ、压力表Ⅱ、中间冷却器、二级压缩机、压力开关Ⅱ、压力表Ⅲ、冷凝器Ⅱ、油水分离器、储液罐Ⅱ、电磁阀Ⅱ、膨胀阀Ⅱ、压力表Ⅳ、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ、蒸发器、冷却水进口、冷却水出口；一级压缩机一方面通过管路与冷凝器Ⅰ连通，在所述管路上设置压力开关Ⅰ和压力表Ⅰ；冷凝器Ⅰ通过管路与储液罐Ⅰ连通，冷凝器Ⅰ上设有冷却水进口；储液罐Ⅰ通过管路与中间冷却器连通，在所述管路上设置电磁阀Ⅰ、膨胀阀Ⅰ；一级压缩机另一方面通过管路与中间冷却器连通，所述管路上设置压力表Ⅱ；二级压缩机一方面通过管路与冷凝器Ⅱ连通，在所述管路上设置压力开关Ⅱ和压力表Ⅲ；冷凝器Ⅱ上设有冷却水出口，冷凝器Ⅱ通过管路与油水分离器连通；储液罐Ⅱ通过管路与二级压缩机顶部连通，油水分离器顶部与储液罐Ⅱ和二级压缩机之间的管路连通，油水分离器底部通过管路与中间冷却器连通；二级压缩机另一方面通过管路与蒸发器连通，在所述管路上设置压力表Ⅳ、截止阀Ⅱ；蒸发器通过管路与中间冷却器连通，在所述管路上设置电磁阀Ⅱ、膨胀阀Ⅱ、截止阀Ⅰ；温度控制系统设有环境温度控制箱，环境温度控制箱四周侧壁内填充加热电阻丝和保温石棉，热电偶通过环境温度控制箱上端口插入环境温度控制箱内部，热电偶与温度控制器连接；在环境温度控制箱内部安装均温器，环境温度控制箱上下面分别设有CT试样夹具穿入口；环境温度控制箱侧面设有CT试样导线引出口；裂纹测量系统设有紧凑拉伸CT试样，CT试样的开口侧上下设置工作电压测量正极、工作电压测量负极，CT试样的另一侧设置参考电压测量正极、参考电压测量负极；导线与CT试样通过导线连接模块Ⅰ和导线连接模块Ⅱ连接。所述的低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，还包括电压信号数据采集系统，该系统设有恒流源、反向电流模块、纳伏表、数据采集卡、电脑，恒流源通过导线连接模块Ⅰ和导线连接模块Ⅱ向CT试样输入稳定的直流电源；纳伏表精确测量CT试样的工作电压测量正极、工作电压测量负极、参考电压测量正极和参考电压测量负极的电压信号；数据采集卡从纳伏表采集数据并输出到电脑保存记录；在恒流源的输出端与CT试样连接前加入反相电流模块，通过反相电流模块反转电流。所述的低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，导线连接模块Ⅰ的一端插装导线，导线连接模块Ⅰ的另一端设置外螺纹，导线连接模块Ⅰ通过外螺纹与CT试样连接，导线连接模块Ⅰ的侧面开设导线连接柱，导线伸至导线连接柱中，通过导线旋紧螺栓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于，该装置包括低温制冷系统、温度控制系统和裂纹测量系统，其中：低温制冷系统设有一级压缩机、压力开关Ⅰ、压力表Ⅰ、冷凝器Ⅰ、储液罐Ⅰ、电磁阀Ⅰ、膨胀阀Ⅰ、压力表Ⅱ、中间冷却器、二级压缩机、压力开关Ⅱ、压力表Ⅲ、冷凝器Ⅱ、油水分离器、储液罐Ⅱ、电磁阀Ⅱ、膨胀阀Ⅱ、压力表Ⅳ、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ、蒸发器、冷却水进口、冷却水出口；一级压缩机一方面通过管路与冷凝器Ⅰ连通，在所述管路上设置压力开关Ⅰ和压力表Ⅰ；冷凝器Ⅰ通过管路与储液罐Ⅰ连通，冷凝器Ⅰ上设有冷却水进口；储液罐Ⅰ通过管路与中间冷却器连通，在所述管路上设置电磁阀Ⅰ、膨胀阀Ⅰ；一级压缩机另一方面通过管路与中间冷却器连通，所述管路上设置压力表Ⅱ；二级压缩机一方面通过管路与冷凝器Ⅱ连通，在所述管路上设置压力开关Ⅱ和压力表Ⅲ；冷凝器Ⅱ上设有冷却水出口，冷凝器Ⅱ通过管路与油水分离器连通；储液罐Ⅱ通过管路与二级压缩机顶部连通，油水分离器顶部与储液罐Ⅱ和二级压缩机之间的管路连通，油水分离器底部通过管路与中间冷却器连通；二级压缩机另一方面通过管路与蒸发器连通，在所述管路上设置压力表Ⅳ、截止阀Ⅱ；蒸发器通过管路与中间冷却器连通，在所述管路上设置电磁阀Ⅱ、膨胀阀Ⅱ、截止阀Ⅰ；温度控制系统设有环境温度控制箱，环境温度控制箱四周侧壁内填充加热电阻丝和保温石棉，热电偶通过环境温度控制箱上端口插入环境温度控制箱内部，热电偶与温度控制器连接；在环境温度控制箱内部安装均温器，环境温度控制箱上下面分别设有CT试样夹具穿入口；环境温度控制箱侧面设有CT试样导线引出口；裂纹测量系统设有紧凑拉伸CT试样，CT试样的开口侧上下设置工作电压测量正极、工作电压测量负极，CT试样的另一侧设置参考电压测量正极、参考电压测量负极；导线与CT试样通过导线连接模块Ⅰ和导线连接模块Ⅱ连接。...

【技术特征摘要】
1.一种低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于，该装置包括低温制冷系统、温度控制系统和裂纹测量系统，其中：低温制冷系统设有一级压缩机、压力开关Ⅰ、压力表Ⅰ、冷凝器Ⅰ、储液罐Ⅰ、电磁阀Ⅰ、膨胀阀Ⅰ、压力表Ⅱ、中间冷却器、二级压缩机、压力开关Ⅱ、压力表Ⅲ、冷凝器Ⅱ、油水分离器、储液罐Ⅱ、电磁阀Ⅱ、膨胀阀Ⅱ、压力表Ⅳ、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ、蒸发器、冷却水进口、冷却水出口；一级压缩机一方面通过管路与冷凝器Ⅰ连通，在所述管路上设置压力开关Ⅰ和压力表Ⅰ；冷凝器Ⅰ通过管路与储液罐Ⅰ连通，冷凝器Ⅰ上设有冷却水进口；储液罐Ⅰ通过管路与中间冷却器连通，在所述管路上设置电磁阀Ⅰ、膨胀阀Ⅰ；一级压缩机另一方面通过管路与中间冷却器连通，所述管路上设置压力表Ⅱ；二级压缩机一方面通过管路与冷凝器Ⅱ连通，在所述管路上设置压力开关Ⅱ和压力表Ⅲ；冷凝器Ⅱ上设有冷却水出口，冷凝器Ⅱ通过管路与油水分离器连通；储液罐Ⅱ通过管路与二级压缩机顶部连通，油水分离器顶部与储液罐Ⅱ和二级压缩机之间的管路连通，油水分离器底部通过管路与中间冷却器连通；二级压缩机另一方面通过管路与蒸发器连通，在所述管路上设置压力表Ⅳ、截止阀Ⅱ；蒸发器通过管路与中间冷却器连通，在所述管路上设置电磁阀Ⅱ、膨胀阀Ⅱ、截止阀Ⅰ；温度控制系统设有环境温度控制箱，环境温度控制箱四周侧壁内填充加热电阻丝和保温石棉，热电偶通过环境温度控制箱上端口插入环境温度控制箱内部，热电偶与温度控制器连接；在环境温度控制箱内部安装均温器，环境温度控制箱上下面分别设有CT试样夹具穿入口；环境温度控制箱侧面设有CT试样导线引出口；裂纹测量系统设有紧凑拉伸CT试样，CT试样的开口侧上下设置工作电压测量正极、工作电压测量负极，CT试样的另一侧设置参考电压测量正极、参考电压测量负极；导线与CT试样通过导线连接模块Ⅰ和导线连接模块Ⅱ连接。2.按照权利要求1所述的低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于，还包括电压信号数据采集系统，该系统设有恒流源、反向电流模块、纳伏表、数据采集卡、电脑，恒流源通过导线连接模块Ⅰ和导线连接模块Ⅱ向CT试样输入稳定的直流电源；纳伏表精确测量CT试样的工作电压测量正极、工作电压测量负极、参考电压测量正极和参考电压测量负极的电压信号；数据采集卡从纳伏表采集数据并输出到电脑保存记录；在恒流源的输出端与CT试样连接前加入反相电流模块，通过反相电流模块反转电流。3.按照权利要求1所述的低温疲劳裂纹扩展速率试验装置，其特征在于，导线连接模块Ⅰ的一端插装导线，导线连接模块Ⅰ的另一端设置外螺纹，导线连接模块Ⅰ通过外螺纹与CT试样连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇，张波，赵东杨，王俭秋，柯伟，韩恩厚，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21