小試樣高通量蠕變及蠕變裂紋擴展試驗裝置設計

李思寬，談建平，張 坤，史 浩，劉利強，莊法坤，涂善東

(1.華東理工大學機械與動力工程學院 承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237;2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

電力、煉化、冶金以及航空等領域的設備呈現出更高溫度、更長服役時間的發展趨勢，以符合節能降耗、高效環保的要求。工作溫度升高和服役壽命的延長，使得設備的蠕變失效與預防控制問題更加凸顯。因此，研究高溫工況下材料的蠕變及裂紋擴展性能，對于保證高溫設備的安全和穩定運行有著重要意義[1-2]。同時研發新一代的高溫材料，按照材料基因工程的要求，快速高效測試材料的高溫性能已成為十分急迫的要求[3]。

目前對于高溫工況下材料的蠕變及裂紋擴展性能研究，主要是使用圓棒或板狀蠕變拉伸、緊湊拉伸、單邊缺口等標準試樣，進行高溫單軸蠕變及裂紋擴展試驗，已經形成一套完善的測試設備及標準。但是，由于標準中規定的試樣體積較大，在某些取樣限制的場合如在役構件、薄壁件、焊接接頭、功能性梯度結構[4]，無法開展傳統的單軸蠕變試驗。為此，小試樣試驗技術逐漸發展起來[5]。理論分析及試驗研究結果均表明，小試樣方法在一定范圍內可用于測試材料的蠕變性能。

關凱書等[6]開發出了可完成單個試樣測試的小沖桿試驗機。李豐等[7]開發出了多頭蠕變試驗機。涂善東等[8]設計了多頭小試樣蠕變試驗裝置。然而，高溫下小試樣的表面氧化對測試結果影響較大[9]，現有的試驗設備均無法有效實現高溫下試樣的氧化防護。另外，現有的蠕變裂紋擴展試驗設備[10]，由于設備框架大、傳感器量程大等原因無法完成小試樣的蠕變裂紋擴展試驗。同時，現有的蠕變裂紋擴展設備僅能完成單個標準試樣的測試，試驗效率偏低。本文參考GB/T 2039-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》[11]和HB 7623-1998《金屬材料蠕變裂紋擴展速率試驗方法》[12]，研制了一種能夠在真空環境下同時完成多個不同類型小試樣蠕變及蠕變裂紋擴展試驗的裝置。該裝置能夠有效防止試樣氧化，完成小沖桿、固支直桿、懸臂梁和三點彎小試樣蠕變試驗，以及圓形緊湊拉伸試樣和小型緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴展試驗。

1 小試樣高溫力學性能測試原理概述

1.1 小試樣蠕變測試原理

小試樣蠕變試驗與標準蠕變試驗[11]相似，通過加載桿對試樣施加豎直向下的恒定載荷，在試驗溫度下保持載荷不變，記錄小試樣的變形量隨時間的變化關系。通過高精度的位移傳感器及引伸裝置，測量小試樣的變形量。工控機及配套軟件用于記錄位移隨時間的變化。

蠕變小試樣測試難點在于如何實現小試樣蠕變數據同單軸數據的關聯。該關聯方法與試樣形式相關。對于彎曲類蠕變小試樣使用較多的形式有小沖桿試樣、三點彎試樣、懸臂梁試樣、固支直桿試樣[13-19]。經過多年研究，歐盟標準化委員會制定了小沖桿蠕變試驗方法導則[13]。Xu等[14]等采用彎曲試驗測試材料的蠕變性能，試樣形式類似于懸臂梁，采用加載點位移速率結合數值分析的方法反演得到材料的蠕變參數。王玥[15]和馬淵睿[16]建立了三點彎小試樣測試材料蠕變性能的方法。莊法坤[17]基于梁變形理論和連續損傷力學方法建立了三點彎、懸臂梁和固支直桿彎曲試樣的穩態蠕變位移速率和蠕變斷裂時間的解析模型，可以將小試樣試驗的載荷轉換為等效單軸應力、蠕變位移速率轉換為等效應變速率，實現了小試樣蠕變數據同單軸數據的關聯。各種小試樣的等效應力和等效蠕變應變速率計算方法見表1。

表1中σeq為單軸試樣等效應力，為單軸試樣等效穩態蠕變速率，為穩態位移速率，dss為穩態位移，P為實際載荷，Ksp為經驗關聯參數，R為下模孔半徑，r為球形壓頭半徑，h0為試樣厚度，b為試樣寬度，h為試樣厚度的一半，l為試樣加載點到懸臂梁根部的距離，m為雙對數坐標下穩態位移速率與載荷曲線的斜率。

表1 各類型小試樣的等效應力與等效蠕變應變速率計算方法

1.2 小試樣蠕變裂紋擴展測試原理

蠕變裂紋擴展試驗用小試樣形式為圓形緊湊拉伸試樣[20]及小型緊湊拉伸試樣[21]。對試樣施加恒定載荷并記錄載荷線位移及裂紋長度隨時間的變化關系。位移測量方法與蠕變試驗相同。由于直接測量裂紋長度難度較大，通常采用直流電位法測量。通過直流恒流電源給蠕變裂紋擴展小試樣的兩端提供1 A電流。當試樣中間的裂紋長度改變時，試樣上固定兩點的電壓將隨之變化。在電流不變的情況下利用數據采集儀記錄蠕變裂紋擴展小試樣裂紋面兩端的電位差。得到電壓值后，結合電壓與裂紋擴展長度之間的關系算出裂紋長度。

以圓形緊湊拉伸試樣[20]為例，導線與試樣連接位置見圖1，其裂紋長度和電壓值關系如下：

圖1 裂紋長度測量方法

式中：a——裂紋長度，mm；

W——試樣寬度，mm；

V——對應于裂紋長度a的輸出電壓，mV；

V0——初始裂紋長度的初始電壓，mV。

裂紋長度和電壓值關系與電流引入位置及電壓測點位置相關，當位置確定后，裂紋長度與輸出電壓和初始電壓的比值呈確定關系，與材料、測試溫度無關。測試過程中，不可避免會有溫度波動，造成測量電壓波動。根據實測結果分析，本裝置的爐溫波動僅造成±0.2%的電壓變化，換算成裂紋長度的偏差范圍為±0.3%。爐溫波動對裂紋長度測量的影響很小。亦可在測試過程中，串聯一塊參考試塊，測量參考試塊上的電壓值，以修正爐溫波動對測量結果的影響。

可由裂紋長度對時間求導得到裂紋擴展速率，裂紋擴展速率可采用斷裂參量C?關聯。圓型緊湊拉伸小試樣的參數C?由下式計算得到：

其中，n是冪律蠕變指數；是蠕變載荷線位移率，可由測試得到的載荷線位移率去除彈性及塑性分量獲得。

2 試驗裝置

2.1 試驗裝置的結構構成及其主要功能

該試驗裝置采用模塊化設計，共分6大模塊：加載模塊、加熱模塊、真空模塊、位移測量模塊、裂紋長度測量模塊以及機架，如圖2所示。試驗裝置的主要技術指標如表2所示。每個試樣的載荷均采用獨立的砝碼施加，最大載荷為500 N，精度為1 N；溫度范圍為300~1 200 ℃，測試過程中溫度波動不超過±2 ℃，各試樣溫差不超過3 ℃；測試時可抽真空，最大真空度不高于10-3Pa；位移傳感器量程為5 mm，精度±0.1 μm。

圖2 試驗機主機

表2 主要技術指標和性能參數

該試驗裝置可以完成小沖桿試樣、固支直桿試樣、懸臂梁試樣、三點彎試樣的蠕變試驗，及圓形緊湊拉伸試樣、小型緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴展試驗，試樣形狀如圖3所示。其特點在于，可同時進行至多6個同種類或不同種類小試樣的蠕變和蠕變裂紋擴展試驗，每個試樣的載荷均是獨立的。可在真空環境下進行試驗以防止試樣氧化影響測試結果。亦可通入各種純氣體或混合氣體以研究氣氛環境對蠕變及蠕變裂紋擴展性能的影響。測試過程中可連續記錄小試樣蠕變變形量隨時間的變化曲線，裂紋長度隨時間的變化曲線。

2.2 加載模塊

各類型試樣的裝夾見圖3，測試時根據小試樣類型選取相應的夾具。各夾具呈圓周均布在加載盤上，無高度差，可以有效減小試樣之間的溫差。采用螺栓固定懸臂梁試樣及固支直桿試樣，采用銷釘裝持圓形緊湊拉伸試樣及小型緊湊拉伸試樣，如圖4所示。

圖3 試樣形式及裝夾示意圖

圖4 試樣安裝方法示意圖

壓頭和加載桿采用一體化設計，加載桿穿過試樣加載盤，在小試樣上部施加載荷。加載桿下端通過銷釘和連接桿相連，連接桿和波紋管通過螺紋連接，波紋管通過法蘭和砝碼加載桿相連，通過調整砝碼的質量以實現對試樣加載。

砝碼加載桿下端為托承裝置，在未加載時，砝碼由托盤托起，托盤安裝在螺桿上，通過旋轉手輪以調節砝碼托盤的高度，實現載荷施加及卸除。

2.3 加熱模塊

加熱模塊采用的是對開式馬弗爐，見圖5。爐殼殼內為圓周分布的隔熱屏，可以減少由熱傳導和對流傳熱引起的熱量散失，隔熱屏內側則是多晶纖維筒可用于固定電爐絲，呈圓周分布的爐絲可更均勻給小試樣加熱，以保證各試樣上的溫度相同。為了提高保溫的效果，加熱爐的上部和下部均安裝有端座。端座內部裝有三層扇形隔熱片。端座、端蓋和爐體之間為螺釘連接。外爐殼上裝有卡扣，可在加熱爐閉合時，鎖止左右兩半加熱爐，提高密閉性。加熱爐為兩段式控溫，兩個控溫熱電偶分別布置在爐膛的上部和下部，溫控表通過移相觸發的方式控制可控硅的導通幅度，進而控制電爐絲兩端的電壓，達到調節試驗環境溫度的目的。爐內還布置有6個熱電偶與試樣接觸用于實時監測試樣溫度。

圖5 加熱模塊

2.4 真空模塊

真空室罩和底座內部均為中空的，外部安裝有水咀接頭，可由通水冷卻。真空室罩、底座、波紋管構成一個封閉的內腔，連接處均設有密封槽和密封環在壓力作用下可保證密封，波紋管和底座采用法蘭連接。通過波紋管的軸向伸縮可以保證在內部密封的情況下，實現加載桿的大行程的運動。

底座上設計有管口與真空設備相連，為降低震動對測量影響，管口與真空設備間設有波紋管。采用兩級抽真空裝置，低真空采用直聯式機械泵，高真空采用擴散泵。應用數顯式真空計測量爐內真空度。

為實現真空室罩上下運動方便，在真空室罩外殼上安裝有鋼絲繩，鋼絲繩繞過導輪與配重砝碼相連接，砝碼質量與真空室外殼相等。

2.5 位移測量模塊

位移測量模塊如圖6所示，砝碼加載桿上方安裝有托架，當試樣發生變形時，托架會隨著加載桿一起運動，因此托架的位移量即為小試樣蠕變的變形量。位移測量裝置采用側插懸掛式光柵位移傳感器，通過支架固定在主機架上，可以測量托架的豎直位移，即為小試樣的變形量。位移傳感器量程為5 mm，分辨率為0.1μm。6套位移測量模塊呈圓周均布在水冷下底座下方，與小試樣安裝位置對應。

2.6 裂紋長度測量模塊

采用直流電位法檢測裂紋長度。用于測量試樣電位變化的整套設備包括了置于爐外的高精度恒流電源、數據采集器以及設在底座上的接插件。接插件一端與試樣上的鉑金導線相連接，另一側連接電流源與數據采集器。高精度恒流電源給試樣供電，數據采集器采集試樣上的電壓。裂紋長度與電壓存在確定的函數關系，由測得的電壓計算得到裂紋長度。裂紋長度的測量結果與橫流電源輸出電流精度、數據采集儀的精度，以及加熱爐內溫度波動有關。根據實測結果，計算得到了本試驗裝置電位法的裂紋長度分辨力為0.01 mm。通過比較實際物理裂紋長度與電位法預測的裂紋長度發現，裂紋長度測量誤差小于15%。

圖6 位移測量模塊

3 試驗結果分析

3.1 懸臂梁試樣試驗結果分析

采用Inconel 625材料制成的懸臂梁小試樣在650 ℃下進行蠕變試驗，試樣形式見圖3(b)，試樣厚度h0為0.95 mm，試樣寬度b為0.95 mm，加載點到懸臂梁根部的距離l為16 mm。小試樣蠕變位移-時間曲線如圖7所示，曲線分為兩個階段，蠕變第一階段位移速率逐漸減小，試樣快速變形。蠕變第二階段位移速率保持不變，即穩態蠕變階段。

文獻[17]和文獻[22]采用23CrMoNiWV88材料分別得到了懸臂梁小試樣模擬和試驗的蠕變位移-時間曲線。Inconel 625材料的試驗結果與其具有相同的趨勢，曲線均具有蠕變第一階段和蠕變第二階段。

由圖7得到懸臂梁試樣的穩態位移速率，采用表1中的公式計算得到對應載荷下的等效單軸應力和等效穩態蠕變速率。所得懸臂梁測試結果與單軸蠕變試驗所獲得的穩態蠕變速率[23-24]如圖8所示。通常采用Norton方法描述穩態蠕變性能[25]：

式中：B——材料常數，h-1·MPa-n；

n——材料常數；

σ——等效單軸應力，MPa。

圖7 650 ℃下Inconel 625合金懸臂梁小試樣蠕變位移-時間曲線

圖8 650 ℃下Inconel 625合金懸臂梁小試樣與標準圓棒試樣的穩態蠕變速率比較

采用式（3）描述單軸試樣試驗結果，其均值為B=2.73×10-31h-1·MPa-9.99，n=9.99。在圖8中繪制單軸試樣蠕變速率的分散帶。發現懸臂梁試驗得到的蠕變速率均處于分散帶內。該結果表明本試驗裝置可較佳地測試得到材料的穩態蠕變數據。

3.2 圓形緊湊拉伸試樣試驗結果分析

采用Inconel 625材料制成的圓形緊湊拉伸試樣在650 ℃下進行蠕變裂紋擴展試驗，試樣形式見圖3(e)，試樣寬度W為15 mm，試樣厚度B為2 mm，初始裂紋長度為a0為7.5 mm，載荷為420 N。

試驗裝置記錄的圓形緊湊拉伸小試樣加載位移隨時間變化曲線、電壓隨時間變化曲線，分別見圖9和圖10。根據式（1）可得到試樣裂紋長度隨時間變化關系，對曲線求斜率得到裂紋擴展速率。利用式（2）可計算得到斷裂參量C?。

圖9 圓形緊湊拉伸小試樣載荷點位移-時間的曲線

圖10 圓形緊湊拉伸小試樣電壓-時間曲線

圓形緊湊拉伸小試樣測試獲得的蠕變裂紋擴展速率與標準緊湊拉伸試樣的測試結果[20]如圖11所示。蠕變裂紋擴展性能通常采用下式[26-27]描述：

圖11 650 ℃下Inconel 625合金圓形緊湊拉伸小試樣與標準緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴展速率比較

其中A和q為與材料和應力狀態相關的常數。

利用式（4）描述標準緊湊拉伸試樣的測試結果，其均值為A=7.70，q=0.997。在圖11中繪制標準緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴展速率分散帶[20]。可以看到，由圓形緊湊拉伸試樣得到的蠕變裂紋擴展速率均處于分散帶內。這表明通過小試樣測試獲得的蠕變裂紋擴展速率數據與標準試樣相近，該試驗裝置可用于小試樣蠕變裂紋擴展試驗。

4 結束語

設計了一臺高通量小試樣蠕變及蠕變裂紋擴展試驗裝置，可在單爐內同時進行多個同類或不同型小試樣的試驗，能夠抽真空防止試樣氧化，并能精確控制溫度，準確測量位移和裂紋長度。

1）該試驗裝置具有很好的通用性，可用于試驗的小試樣類型包括小沖桿試樣、固支直桿試樣、懸臂梁試樣、三點彎試樣、圓形緊湊拉伸試樣、小型緊湊拉伸試樣。解決了因試樣種類、數量不同而需要多臺設備同時工作的問題，極大程度減小了試驗所需的空間及能耗。

2）測試結果表明，該試驗裝置運行穩定，試驗獲得的數據準確可靠，能夠用于研究材料的蠕變及蠕變裂紋擴展性能。