一种应力腐蚀裂纹尖端监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于应力腐蚀检测技术领域，具体涉及一种应力腐蚀裂纹尖端开裂原位监测装置，该检测装置采用数字图像相关、声发射以及电化学技术。包括应力腐蚀加载系统、数字图像相关（DIC）测试系统、电化学测试系统、声发射测试系统；应力腐蚀加载系统包括拉压试验机、试样固定夹具、夹持底座和腐蚀液池；数字图像相关测试系统包括高速相机、图像采集系统；电化学测试系统包括加载试样、自制铱电极、参比电极、辅助电极和电化学工作站；声发射测试系统包括声发射探头、放大器和声发射卡。本发明专利技术解决了应力腐蚀裂纹萌生与扩展过程中单一监测方法的弊端，通过对应力腐蚀裂纹尖端萌生、裂纹扩展过程监测，对应力腐蚀现象进行深入研究。对应力腐蚀现象进行深入研究。对应力腐蚀现象进行深入研究。

【技术实现步骤摘要】
一种应力腐蚀裂纹尖端监测装置


[0001]本专利技术属于应力腐蚀检测
，具体涉及一种应力腐蚀裂纹尖端开裂原位监测装置，该检测装置采用数字图像相关、声发射以及电化学技术。

技术介绍

[0002]应力腐蚀（SCC）开裂是介质和应力交互作用导致的腐蚀失效行为，广泛发生于船舶、化工、海洋工程。金属表面的钝化膜在应力作用下局部破坏，局部破坏裂纹沿着与应力垂直方向向基体方向纵深发展，当材料在复杂环境中服役时，就会在低应力下发生断裂，并且应力能使腐蚀速率升高。应力腐蚀是没有预兆的破坏方式，能够导致材料脆化，一旦产生，裂纹扩展速率快，造成破坏的应力远小于屈服应力。对于金属材料的应力腐蚀裂纹尖端开裂的监测，研究一种原位监测系统，实现力学、光学(图像)、声学、电化学等多种信息的同步监测，研究材料裂纹萌生与扩展的规律，对于应力腐蚀的研究，以及设备极端环境下服役寿命研究具有重要意义。
[0003]针对材料应力腐蚀开裂行为，现有的测试方法以电化学测试居多，尽管电化学原位测试方法可以从电化学角度分析材料在应力腐蚀过程中的腐蚀与开裂行为，但是单一的电化学信息无法全面有效地描述应力腐蚀发生时的全部信息。单一方法的原位监测装置限制了对材料应力腐蚀开裂行为的进一步认识，迫切需要研发多功能联用的原位监测装置。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提供一种应力腐蚀裂纹尖端开裂原位监测装置，该检测装置采用数字图像相关、声发射以及电化学技术。具有设计结构简单、操作使用灵活、试样尺寸可合理调整、加载速率可控制、可更换腐蚀介质等特点，解决了应力腐蚀裂纹萌生与扩展过程中单一监测方法的弊端，通过对应力腐蚀裂纹尖端萌生、裂纹扩展过程监测，对应力腐蚀现象进行深入研究。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，所述原位监测系统采用数字图像相关、声发射、电化学三种技术；所述原位监测系统包括应力腐蚀加载系统、数字图像相关测试系统、电化学测试系统、声发射测试系统；将应力腐蚀试样作为所述电化学测试系统的工作电极，所述电化学测试系统用于监测应力腐蚀加载过程中应力腐蚀试样裂纹尖端区域溶液环境变化的电化学信号；所述应力腐蚀加载系统用于对所述应力腐蚀试样在腐蚀环境下进行慢应变速率压载荷试验，并记录载荷施加过程中应力腐蚀试样的位移
‑
载荷曲线；所述数字图像相关测试系统用于在应力腐蚀加载过程中，原位实时连续采集应力腐蚀试样表面形貌以及裂纹扩展变化图像，并利用常规技术进行分析比对处理；所述声发射测试系统用于获取应力腐蚀加载过程中应力腐蚀试样因内部组织变形以及裂纹萌生与扩展时产生能量而出现的声发射信号，并对时间
‑
振铃计数曲线，时间
‑
幅值曲线进行分析，通过曲线斜率的变化分析试样所处变化阶段；所述应力腐蚀加载系统、所述数字图像相关测试系统、所述电化学测试系统和所述声发射测试系统同步监测实验过程中应力腐蚀试样裂纹萌生与扩展时的各类数据信息，实现力学、光学、声学、电化学信号的原位同步监测。
[0006]进一步地，所述应力腐蚀加载系统包括：慢应变拉压试验机、方形加载压头、楔形块、腐蚀溶液池、试样固定夹具以及底座；所述方形加载压头和所述底座分别设置在所述慢应变拉伸试验机的上部和下部；所述方形加载压头和用于加载的所述楔形块相接触；所述试样固定夹具用于固定所述应力腐蚀试样；所述腐蚀溶液池设置在所述方形加载压头和所述底座之间；所述腐蚀溶液池是由透明有机玻璃或者聚四氟乙烯材料制成，内部盛有腐蚀溶液；进一步地，所述电化学测试系统包括：作为工作电极的应力腐蚀试样、自制铱电极、参比电极、辅助电极和电化学工作站；应力腐蚀试样的预制裂纹部分、参比电极和辅助电极均处于腐蚀溶液环境中，所述自制铱电极放置在应力腐蚀试样预制裂纹部分的前端，并且所述应力腐蚀试样、自制铱电极、参比电极和辅助电极分别通过导线与电化学工作站相连。
[0007]进一步地，所述数字图像相关测试系统包括：高速相机和图像采集卡；所述高速相机固定在所述拉压试验机上，高速相机的镜头正对所述应力腐蚀试样的前表面，能够透过腐蚀溶液池的有机玻璃和腐蚀溶液拍摄应力腐蚀试样的表面图像；图像采集卡通过导线与所述高速相机相连。图像采集卡内嵌在所述计算机的内部。
[0008]进一步地，所述声发射测试系统包括声发射探头、放大器和声发射卡；声发射探头的数量为两个，两个声发射探头分别设置在应力腐蚀试样的前后两表面，两个声发射探头分别通过导线与一个所述放大器相连；所述声发射卡内嵌在声发射处理器内部，声发射卡通过导线与所述放大器相连。
[0009]进一步地，所述试样固定夹具是由不锈钢材料制成的两块对称的L型带缺口夹板，两对称夹板打孔用螺钉螺母固定；将试样固定在固定夹具中间，以确保载荷施加过程中液池以及样品处于稳定状态且方便粘贴固定声发射探头。
[0010]进一步地，所述应力腐蚀试样是将国标中紧凑拉伸(CT)试样的缺口的上部改为倒圆角形状。缺口的上部的倒圆角形状能够配合楔形块更加顺利楔进，以便试样产生裂纹。
[0011]进一步地，所述腐蚀溶液池是由透明有机玻璃或聚四氟乙烯制成，且设置用于防止腐蚀溶液挥发的液池上盖。
[0012]在实验时，将腐蚀溶液池与应力腐蚀试样的接触部分用硅胶密封，以防止实验时腐蚀溶液泄露，并将腐蚀溶液池的液池上盖放置于腐蚀溶液池的上部，防止腐蚀溶液挥发。
[0013]进一步地，所述腐蚀溶液池中的腐蚀溶液采用浓度为3.5%NaCl溶液。
[0014]进一步地，通过数字图像相关测试系统以固定的时间间隔采集裂纹视图；采集前期，即楔形块开始压入至使样品疲劳裂纹尖端达到应力腐蚀实验所需临界应力值的过程采集时间间隔为6h或8h；采集后期，即达到临界应力值后采集时间间隔为1s/1张照片原位实时连续采集。
[0015]一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测方法，采用上述一种应力腐蚀裂纹尖端开
裂的原位监测系统，所述方法包括：（1）制备应力腐蚀试样：将金属样品根据紧凑拉伸试样要求（标准 GB/T 15970.6
‑
2007/ISO 7539
‑
6:2003）进行加工改造，将试样的缺口的上部改为倒圆角形状，将缺口正前端用砂纸打磨并抛光处理，然后在打磨区域预制合适长度的疲劳裂纹；优选地，将缺口正前端用砂纸从400#打磨到2000#，打磨区域大小为2cm2正方形；（2）对应力腐蚀试样进行喷斑处理：在应力腐蚀试样的前表面喷涂一层哑光白底漆，随后喷涂一层哑光黑漆，形成黑白相间的随机散斑图像；喷斑的目的在于通过DIC系统获得试样应力腐蚀过程中裂纹尖端的应变状态。
[0016]（3）将腐蚀溶液池粘贴在喷斑处理后的应力腐蚀试样上，使预制裂纹处于腐蚀溶液环境中，将应力腐蚀试样作为所述电化学测试系统的工作电极，搭建所述应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，开始进行实验；（4）实验时，利用慢应变拉压试验机通过方形加载压头压下卡在应力腐蚀试样圆形倒角缺口处的楔形块，以对应力腐蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，其特征在于，所述原位监测系统采用数字图像相关、声发射、电化学三种技术；所述原位监测系统包括应力腐蚀加载系统、数字图像相关测试系统、电化学测试系统、声发射测试系统；将应力腐蚀试样（7）作为所述电化学测试系统的工作电极，所述电化学测试系统用于监测应力腐蚀加载过程中应力腐蚀试样（7）裂纹尖端区域溶液环境变化的电化学信号；所述应力腐蚀加载系统用于对所述应力腐蚀试样（7）在腐蚀环境下进行慢应变速率压载荷试验，并记录载荷施加过程中应力腐蚀试样（7）的位移
‑
载荷曲线；所述数字图像相关测试系统用于在应力腐蚀加载过程中，连续采集应力腐蚀试样（7）表面形貌以及裂纹扩展变化图像，并进行分析比对处理；所述声发射测试系统用于获取应力腐蚀加载过程中应力腐蚀试样（7）因内部组织变形以及裂纹萌生与扩展时产生能量而出现的声发射信号，并进行分析处理；所述应力腐蚀加载系统、所述数字图像相关测试系统、所述电化学测试系统和所述声发射测试系统同步监测实验过程中应力腐蚀试样（7）裂纹萌生与扩展时的各类数据信息，实现力学、光学、声学、电化学信号的原位同步监测。2.根据权利要求1所述一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，其特征在于，所述应力腐蚀加载系统包括：慢应变拉压试验机（1）、方形加载压头（5）、楔形块（6）、腐蚀溶液池（8）、试样固定夹具（10）以及底座（11）；所述方形加载压头（5）和所述底座（11）分别设置在所述慢应变拉伸试验机（1）的上部和下部；所述方形加载压头（5）和用于加载的所述楔形块 （6）相接触；所述试样固定夹具（10）用于固定所述应力腐蚀试样（7）；所述腐蚀溶液池（8）设置在所述方形加载压头（5）和所述底座（11）之间；所述腐蚀溶液池（8）是由透明有机玻璃或聚四氟乙烯材料制成，内部盛有腐蚀溶液。3.根据权利要求1所述一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，其特征在于，所述电化学测试系统包括：作为工作电极的应力腐蚀试样（7）、自制铱电极、参比电极、辅助电极和电化学工作站；应力腐蚀试样（7）的预制裂纹部分、参比电极和辅助电极均处于腐蚀溶液池（8）中，所述自制铱电极放置在应力腐蚀试样（7）预制裂纹部分的前端，并且所述应力腐蚀试样（7）、自制铱电极、参比电极和辅助电极分别通过导线与电化学工作站相连。4.根据权利要求2所述一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，其特征在于，所述数字图像相关测试系统包括：高速相机（12）和图像采集卡；所述高速相机（12）固定在所述慢应变拉压试验机上，高速相机（12）的镜头正对所述应力腐蚀试样（7）的前表面，能够透过腐蚀溶液池（8）的有机玻璃和腐蚀溶液拍摄应力腐蚀试样（7）的表面图像；图像采集卡通过导线与所述高速相机（12）相连。5.根据权利要求1所述一种应力腐蚀裂纹尖端开裂的原位监测系统，其特征在于，所述声发射测试系统包括声发射探头（9）、放大器（13）和声发射卡；声发射探头（9）的数量为两个，两个声发射探头分别设置在应力腐蚀试样（7）的前后两表面，两个声发射探头分别通过导线与一个所述放大器相连；所述声发射卡内嵌在声发射处理器内部，声发射卡通过导线与所述放大器...

【专利技术属性】
技术研发人员：常海，杨晨生，黄菲菲，文磊，金莹，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：