一種緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置及方法與流程

2023-12-10 11:01:02 1

本發明涉及一種緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置及方法，可應用於緊湊拉伸試樣疲勞裂紋擴展、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等實驗的連續高精度測量。

背景技術：

在裂紋擴展研究中，柔度法和電位法是兩種常用的裂紋擴展速率測量方法。柔度法不適用於高溫環境中測量，其解析度也較低。電位法彌補柔度法的不足，並且可實現計算機控制的自動測量。電位法根據所採用電源的類型可分為直流電位法和交流電位法，傳統的直流電位法與交流電位法相比，具有設備簡單，易於實現的特點，但其在抗幹擾和熱幹擾性能方面劣於交流電位法。環境溫度的變化導致材料本身電阻率變化，例如：對於通入3a直流電不鏽鋼緊湊拉伸試樣，如環境溫度變化1℃，傳統直流電位法測得裂紋面電位降波動可達3～5μv。而且，電位測量引線與試樣的接觸電阻也隨溫度的變化而變化，這使得傳統直流電位法的測量穩定性及精度大大降低。

技術實現要素：

針對傳統直流電位法存在的不足，本發明的目的在於提供一種緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置及方法，採用硬體與軟體結合實現直流電流方向反轉，並增加參比電位，改進電極引線，通過計算機軟體自動測量、採集並處理電位數據，克服溫度波動、幹擾電勢降低測量精度的問題，實現多個緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率的精確測量。

本發明的技術解決方案是：

一種緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置，該裝置的硬體部分包括：計算機、gpib卡、多路大功率繼電器卡、高精度納伏微歐表、數據切換單元、高穩定性直流電源、屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲，gpib卡和多路大功率繼電器卡插入計算機的pci總線插槽，gpib卡通過gpib線纜依次與高精度納伏微歐表、數據切換單元、高穩定性直流電源相連接；多路大功率繼電器卡分別通過屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲與高穩定性直流電源、緊湊拉伸試樣連接，數據切換單元分別通過屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲與緊湊拉伸試樣連接。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置，該裝置的軟體部分包括：直流電位降裂紋擴展速率測量軟體及其用戶界面。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置，繼電器卡具有四個繼電器，分別為：繼電器一、繼電器二、繼電器三、繼電器四，每個繼電器各有兩個接線端，分別為接線端a和接線端b；高穩定直流電源的電流輸出端正極連接至繼電器一的接線端a，負極連接至繼電器二的接線端a，線纜採用雙絞線；繼電器三的接線端a與繼電器一的接線端a相連，繼電器四的接線端a與繼電器二的接線端a相連，繼電器三的接線端b與繼電器二的接線端b相連，繼電器四的接線端b與繼電器一的接線端b相連接，屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲分別從繼電器一的接線端b和繼電器二的接線端b引出，並分別點焊至緊湊拉伸試樣的上表面和下表面；當繼電器一和繼電器二閉合，繼電器三和繼電器四打開時，電流由緊湊拉伸試樣的上表面流入、下表面流出；當繼電器三和繼電器四閉合，繼電器一和繼電器二打開時，電流由緊湊拉伸試樣的下表面流入、上表面流出；從而，通過直流電位降裂紋擴展速率測量軟體控制繼電器一、繼電器二、繼電器三和繼電器四的開閉，實現流經試樣直流電方向的反轉。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置，數據切換單元的電壓信號輸入端通過兩組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲與緊湊拉伸試樣點焊連接，其中一組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲點焊至緊湊拉伸試樣左側面切口的對角線位置，另一組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲點焊至緊湊拉伸試樣的右側面。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置，數據切換單元帶通道多路復用器，具備四個以上電壓切換通道。

一種緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量方法，該裝置結合直流電位降裂紋擴展速率測量軟體實現緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率的精確測量，其實現步驟如下：

步驟一、通過直流電位降裂紋擴展速率測量軟體設定高穩定性直流電源輸出恆定電流值、高精度納伏微歐表電位測量速率和獲取每個平均裂紋長度所需測量次數n0，裂紋初始長度a(t0)；

步驟二、通過直流電位降裂紋擴展速率測量軟體控制繼電器一和繼電器二閉合，繼電器三和繼電器四開啟，控制高精度納伏微歐表和數據切換單元測量一組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲之間電壓降v1與另一組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲之間電壓降v2；然後繼電器一和繼電器二開啟，繼電器三和繼電器四閉合，再次測量電流方向反轉後的一組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲之間電壓降v1'與另一組屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲之間電壓降v2'；最後由直流電位降裂紋擴展速率測量軟體求得電壓值va＝|v1-v1'|/2，vb＝|v2-v2'|/2；

步驟三、重複步驟二進行兩次以上，由直流電位降裂紋擴展速率測量軟體獲取試樣初始平均電壓值va(t0)和vb(t0)；

步驟四、試樣中的裂紋在載荷作用下經過t秒擴展，進行步驟二，獲取va(t)和vb(t)當前值，並根據初始電壓值va(t0)、vb(t0)和裂紋長度a(t0)，由直流電位降裂紋擴展速率測量軟體計算出當前的裂紋長度a(t)；

步驟五、重複進行步驟四，直到測量n＝n0次，計算n0次裂紋長度a的平均值a'(t)；

步驟六、試樣中的裂紋繼續擴展，重複進行步驟五，得到裂紋隨時間變化曲線，繼而求得裂紋的擴展速率。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量方法，緊湊拉伸試樣上右側面增加一對參比電極，校正環境溫度波動引起的試樣裂紋面電位降的變化。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量方法，裝置結合直流電位降裂紋擴展速率測量軟體，實現兩個以上緊湊拉伸試樣裂紋擴展長度的連續高精度測量。

所述的緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量方法，直流電位降裂紋擴展速率測量軟體基於labview環境。

本發明與現有技術相比優點在於：

第一、本發明利用直流電位降裂紋擴展速率測量軟體(計算機軟體著作權登記號：2016sr314565，登記日期：2016年11月01日)控制繼電器開關實現直流電方向的反轉，解決引線與試樣接觸電阻及引線兩端溫差產生的電勢對測量精度與穩定性的幹擾問題。

第二，本發明在緊湊拉伸試樣上右側面增加一對參比電極，校正環境溫度波動引起的試樣裂紋面電位降的變化。

第三，本發明中所有測量引線均採用屏蔽導線或進行雙絞處理，有效減少外界信號幹擾。

第四，本發明上述裝置結合直流電位降裂紋擴展速率測量軟體，可實現多個緊湊拉伸試樣裂紋擴展長度的連續高精度測量，同時軟體用戶界面上會實時顯示試樣的裂紋長度，並繪製裂紋擴展曲線。

第五、本發明裝置適用範圍較廣，可實現常溫及高溫環境下疲勞裂紋擴展、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等實驗的連續高精度測量。

附圖說明

圖1是本發明緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率測量的裝置示意圖。

圖2是繼電器卡接線示意圖。

圖3是緊湊拉伸試樣接線示意圖。

圖4是直流電位降裂紋擴展速率測量軟體用戶界面示意圖。

圖5是實施例中軟體測量的裂紋長度隨時間變化曲線。

圖6是實施例中裂紋擴展試驗後試樣斷口觀察圖。

圖7是直流電位降裂紋擴展速率測量軟體流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例，對本發明進一步詳細的說明。

如圖1所示，硬體部分包括：計算機1、gpib卡2、多路大功率繼電器卡3(繼電器卡3至少具有四個大功率繼電器，每個繼電器的功率範圍為10～30w、高精度納伏微歐表4(精度範圍為1nv～10nv)、數據切換單元5(帶通道多路復用器，數據切換單元具備四個以上電壓切換通道)、高穩定性直流電源6(30v,5a)、屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲12等，gpib卡2和多路大功率繼電器卡3插入計算機1的pci總線插槽，gpib卡2通過gpib線纜依次與高精度納伏微歐表4、數據切換單元5、高穩定性直流電源6相連接；多路大功率繼電器卡3分別通過屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲12與高穩定性直流電源6、緊湊拉伸試樣13連接，數據切換單元5分別通過屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲12與緊湊拉伸試樣13連接。軟體部分包括：直流電位降裂紋擴展速率測量軟體及其用戶界面。

如圖2所示，繼電器卡3具有四個繼電器，分別為：繼電器8、繼電器9、繼電器10、繼電器11，每個繼電器各有兩個接線端，分別為接線端a和接線端b。高穩定直流電源6的電流輸出端正極連接至繼電器8的接線端a，負極連接至繼電器9的接線端a，線纜採用雙絞線。繼電器10的接線端a與繼電器8的接線端a相連，繼電器11的接線端a與繼電器9的接線端a相連，繼電器10的接線端b與繼電器9的接線端b相連，繼電器11的接線端b與繼電器8的接線端b相連接，屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲12分別從繼電器8的接線端b和繼電器9的接線端b引出，並分別點焊至緊湊拉伸試樣13的上表面14和下表面15。

當繼電器8和繼電器9閉合，繼電器10和繼電器11打開時，繼電器電流由緊湊拉伸試樣13的上表面14流入、下表面15流出；當繼電器10和繼電器11閉合，繼電器8和繼電器9打開時，電流由緊湊拉伸試樣13的下表面15流入、上表面14流出；從而，通過直流電位降裂紋擴展速率測量軟體控制繼電器8、繼電器9、繼電器10和繼電器11的開閉，實現流經試樣直流電方向的反轉。

緊湊拉伸試樣13符合astme399標準，材質為核級316l不鏽鋼，寬度w為25.4mm，厚度b為12.7mm，初始裂紋長度a為13.248mm。緊湊拉伸試樣上右側面增加一對參比電極，校正環境溫度波動引起的試樣裂紋面電位降的變化。

如圖3所示，數據切換單元5的電壓信號輸入端通過屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲與緊湊拉伸試樣13點焊連接，其中屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲16點焊至緊湊拉伸試樣13的左側面17切口的對角線位置，屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲18點焊至緊湊拉伸試樣13的右側面19。所述的緊湊拉伸試樣13及其加載銷釘通過陶瓷管或塗層與夾具絕緣連接，置於空氣中。

實施例

如圖1-圖4、圖7所示，本發明直流電位降裂紋擴展速率測量軟體基於labview環境，直流電位降裂紋擴展速率測量軟體用戶界面設有：功能選擇、開始測量、暫停測量、設置、測量結果、測量速度、初始長度、測量個數、儲存路徑以及裂紋擴展曲線等部分，程序流程包括：試驗參數輸入→程序開始運行→系統運行初始化子程序→採集次數為n時，系統運行連續測量子程序→結果正常時，繼續運行；結果不正常時，系統運行結果報警子程序，系統暫停運行，在故障排除後，恢復運行。緊湊拉伸試樣裂紋擴展速率的精確測量的步驟如下：

步驟一、通過直流電位降裂紋擴展速率測量軟體設定輸出4a恆定電流、高精度納伏微歐表4電位採集速率為0.4s/個和獲取單個平均裂紋長度所需測量次數n0為100，裂紋初始長度a(t0)為13.248mm。

步驟二、通過直流電位降裂紋擴展速率測量軟體控制繼電器8和繼電器9閉合，繼電器10和繼電器11開啟，控制高精度納伏微歐表4和數據切換單元5測量屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲16之間電壓降v1＝0.183697mv與雙絞絕緣鉑絲18之間電壓降v2＝0.101078mv；然後將繼電器8和繼電器9開啟，繼電器10和繼電器11閉合，再次測量電流反轉後屏蔽導線或雙絞絕緣鉑絲16之間電壓降v1'＝-0.167421mv與雙絞絕緣鉑絲18之間電壓降v2'＝-0.113718mv。最後直流電位降裂紋擴展速率測量軟體計算電壓值va＝|v1-v1'|/2＝0.175559mv，vb＝|v2-v2'|/2＝0.107398mv。

步驟三、軟體重複進行步驟二兩次以上，直流電位降裂紋擴展速率測量軟體獲取初始平均電壓值va(t0)＝0.175734mv和vb(t0)＝0.106921mv。

步驟四、試樣裂紋在載荷作用下經過t秒擴展，進行步驟二，測得va(t)和vb(t)分別為0.177152mv和0.107195mv，並根據初始電壓值va(t0)、vb(t0)和裂紋長度a(t0)，由直流電位降裂紋擴展速率測量軟體計算出當前的裂紋長度a(t)＝13.303mm。

步驟五、重複進行步驟四，直至測量n＝100次，計算100次裂紋長度a的平均值a'(t)＝13.971mm。

步驟六、試樣中的裂紋繼續擴展，重複進行步驟五，可得到裂紋隨時間變化曲線，繼而求得裂紋的擴展速率為9.6×10-5mm/s。

圖5為本發明記錄的裂紋長度隨時間變化曲線，試樣斷口觀察結果如圖6，通過測量該區域實際裂紋擴展長度為4.90mm，本發明測得裂紋擴展長度為4.752m，誤差僅為3.1％。