技术领域
[0001] 本
发明涉及研究金属(包括
合金，也可用于其他材料)
应力腐蚀行为的试验方法和装置技术领域，具体涉及一种弯曲横梁应力腐蚀试验的装置和方法，适用于
流体环境下的应力腐蚀行为研究。
背景技术
[0002] 应力腐蚀，是近现代工业中最常见的环境失效形式之一，常常会引起重大的事故。而
应力腐蚀开裂是由敏感的材料结构、应力和腐蚀性介质的共同
加速作用下的腐蚀行为造成的一个由局部
缺陷萌生到缓慢稳态扩展的过程。其影响因素离不开三个重要条件，即敏感的材料结构和性能、复杂应力和腐蚀环境。
[0003] 目前公知的关于应力腐蚀敏感性的评价，系列GB/T 15970“金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验”记载了多种试验方法，如：弯梁试验、U型弯曲试验、单轴加载拉伸试验、C型环试验、慢拉伸试验等。而这些试验均有各自的缺点。在有的试验中，比如弯梁试验和U形弯曲试验，由高强材料制成的弯梁试样会快速破断，碎
块以高速飞出，极其危险，安装和检测试样的人员必须采取相应保护措施免受伤害。另外，弯梁试验，其不同次试验的
稳定性难以保证，而且
变形量一般只能在样品材料的弹性范围内，超出弹性变形，其试验结果难以控制。U形弯曲试验，虽然比较简单，但其变形大，试验不稳定，试样成型后极有可能出现裂纹，从而对后来的应力腐蚀试验造成误导，而且U形弯曲试验也不能控制不同次试验间的稳定性，这些因素导致其评价应力腐蚀敏感性能力受限。单轴加载拉伸试验，虽然可以定量的研究应力腐蚀，但每次试验只能进行一个样品，试验麻烦而且效率低下。
发明内容
[0004] 为减少现有应力腐蚀试验的危险性，减少前期操作的误导作用，克服不同样品之间施加应变的不稳定性问题，对样品施加固定的应变，增加试验简便性，提高试验效率，提高应力腐蚀敏感性评价能力，本发明提供一种弯曲横梁应力腐蚀试验的装置和方法，即一种带缝隙的弯梁试验，可有效评估材料的应力腐蚀敏感性，包括样品成分、微观组织、应力状态或腐蚀环境等因素的变化对应力腐蚀敏感性的影响。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 一种弯曲横梁应力腐蚀试验的装置，该装置包括制样夹具和试验夹具，制样夹具用于制备应力腐蚀试验所需试样，试验夹具用于应力腐蚀试验，其中：
[0007] 所述制样夹具是由至少一个凹形夹具Ⅰ、至少一个凸形夹具Ⅰ和两个加载
螺栓组成；所述凹形夹具Ⅰ的凹面与凸形夹具Ⅰ的凸面都为弧形面，凹形夹具Ⅰ和凸形夹具Ⅰ配合使用时其弧形面的圆心重合，并在弧形面之间形成弧形空隙，相配合的两个弧形面的半径差值与样品厚度一致；所述凹形夹具Ⅰ与凸形夹具Ⅰ通过所述加载螺栓相配合使用，具体为：所述凹形夹具Ⅰ与凸形夹具Ⅰ的两侧分别设置螺栓孔，螺栓孔的中
心轴重合且大小相同，通过螺栓孔与所述加载螺栓的连接使凹形夹具Ⅰ与凸形夹具Ⅰ配合使用。
[0008] 所述试验夹具是由至少一个凹形夹具Ⅱ、至少一个凸形夹具Ⅱ和两个加载螺栓组成；所述凹形夹具Ⅱ的凹面与凸形夹具Ⅱ的凸面都为弧形面，凹形夹具Ⅱ和凸形夹具Ⅱ配合使用时其弧形面的圆心重合，并在弧形面之间形成弧形空隙；相配合的两个弧形面的半径差值与样品厚度一致；所述凹形夹具Ⅱ的弧形面中间
位置设有凹槽，凹槽距该凹形夹具Ⅱ弧形面的最小距离为5mm。所述凹形夹具Ⅱ与凸形夹具Ⅱ通过所述加载螺栓相配合使用，具体为：所述凹形夹具Ⅱ与凸形夹具Ⅱ的两侧分别设置螺栓孔，螺栓孔的中心轴重合且大小相同，通过螺栓孔与所述加载螺栓的连接使凹形夹具Ⅱ与凸形夹具Ⅱ配合使用。
[0009] 所述试验夹具其凸形夹具Ⅱ的弧形面上能够同时并排放置多个试验样品。
[0010] 所述试验夹具中的凸形夹具Ⅱ可与制样夹具中的凸形夹具Ⅰ相同，也可单独设计。
[0011] 所述样品厚度是指样品实际厚度或者样品实际厚度与实验用辅助材料的总厚度；所述辅助材料是指为防止原
电池效应而使用的电绝缘材料或者为防止表面破坏而选用的保护表面材料或者其他用途材料。
[0012] 所述试验夹具的材质可与实验样品材质相同；如果试验夹具的材质与实验样品材质不同时需选取电绝缘措施，或者在实验中设有对比试验，以排除夹具对试验结果的影响。
[0013] 所述制样夹具和试验夹具的弧形面半径根据实验时所选取的材料应变量确定，具体是通过有限元方法或估
算法计算得出；所述制样夹具和试验夹具的尺寸(弧形面的长度、夹具整体长宽高、螺栓的尺寸)根据实验时样品尺寸确定。
[0014] 本发明夹具设计并不局限于上述外部特征，也可以多个样品同时在一套夹具上使用。
[0015] 本发明利用上述装置进行弯曲横梁应力腐蚀试验的方法，包括如下步骤：
[0016] (1)实验样品准备：
[0017] 进行实验前应根据材料的实际情况，选取合适的表面应变量，确定样品尺寸；本发明试验样品尺寸为长×宽×高＝(30-40)mm×(8-12)mm×2mm，优先选择的应变量为1％、2％或3％。
[0018] 所述的样品准备是指将条状样品制取成弯曲状样品，具体为：将条状样品置于制样夹具的凹形夹具Ⅰ和凸形夹具Ⅰ之间的弧形空隙中，然后将加载螺栓安装到凹形夹具Ⅰ和凸形夹具Ⅰ两侧的螺栓孔上，两侧同步拧紧加载螺栓，这样施加的力可以从制样夹具上传递到样品上，使条状样品按照制样夹具上的弧形空隙的形状产生均匀变形，保持30s-5min后，卸载加载螺栓取出样品。
[0019] (2)应力腐蚀实验：
[0020] 将弯曲状样品放到试验夹具上的弧形空隙中，同步拧紧试验夹具上的加载螺栓，在加载螺栓
压实后，整体放入腐蚀环境中，进行应力腐蚀试验，试验结束后，卸载加载螺栓，取出样品。
[0021] (3)应力腐蚀性能评价：
[0022] 通过对样品上的腐蚀位置进行表面形貌观察和横截面观察，得出样品的应力腐蚀开裂萌生及扩展情况，从而判断出样品的应力腐蚀性能。
[0023] 本发明原理如下：
[0024] 1、本发明提供实现应力加载的方法如下：首先根据材料的实际情况，选取合适的表面应变量，计算试验时所需要的圆弧半径。然后通过加载螺栓施加力使样品表面产生均匀变形，施加力时应注意保持左右两边的螺栓同步进行，保持一段时间后，卸载加载螺栓。然后将样品放到应力腐蚀实验夹具上，压实加载螺栓后，可以保持整个试验过程中样品表面一直处于拉应力状态。
[0025] 2、本发明提供实现腐蚀环境的方法如下：在试验夹具的凹形夹具上设有凹槽，这样整体放入腐蚀环境中时，腐蚀介质可以进入凹槽中，可以与样品表面充分作用。
[0026] 3、本发明提供的应力腐蚀敏感性评判如下：通过对样品表面形貌观察和横截面分析等，得出样品的应力腐蚀开裂萌生及扩展情况，从而判断出样品的应力腐蚀性能。
[0027] 本发明的有益效果是：
[0028] 1、本发明所用的样品至始至终被夹具包围，不会因材料发生崩裂而造成事故，减少目前已有应力腐蚀试验的危险性。
[0029] 2、本发明可以在实验前通过设定适当的变形量，防止样品制备过程中，因变形而导致裂纹出现，可有效减少前期操作的误导作用。
[0030] 3、本发明所提供的试验方法和装置，可以在同一个夹具上进行多个样品的试验，提高了试验效率。
[0031] 4、本发明所提供的试验方法和装置，通过提前设定好应变值，可以保证每次每个样品在整个试验过程中保持相同的应变，这种方法可以非常有效地增加试验稳定性和简便性，提高试验效率，提高应力腐蚀敏感性评价能力。
[0032] 5、本发明所提供的带缝隙的弯曲横梁试验以用于应力腐蚀试验，增加了评价材料应力腐蚀性能的途径。
附图说明
[0033] 图1是本发明
实施例1中的制样夹具在制取样品前结构示意图；其中：(a)正侧图；(b)侧视图；(c)俯视图。
[0034] 图2是本发明实施例1中设计夹具圆弧半径时的参考图。
[0035] 图3是本发明中实施例1中试验夹具结构示意图。
[0036] 图4是本发明中实施例1中制样夹具在制取样品时结构示意图。
[0037] 图5是本发明中实施例2中试验夹具结构示意图。
[0038] 图6是本发明中实施例3中试验夹具结构示意图。
[0039] 图7是本发明中实施例4中试验夹具结构示意图。
[0040] 图8是本发明实施例1中应力腐蚀实验后样品SEM表面形貌。
[0041] 图9是本发明实施例1中应力腐蚀实验后样品横截面观察。
[0042] 图中：1-凹形夹具Ⅰ；2-凸形夹具Ⅰ；3-加载螺栓；4-实验样品；5-凹形夹具Ⅱ；6-凸形夹具Ⅱ；7-凹槽；R1-制样夹具的凹形夹具的凹形弧面半径；R2-制样夹具的凸形夹具的凸形弧面半径。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图及实施例，对本发明作详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用作解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044] 本发明弯曲横梁应力腐蚀试验装置和方法主要包括：夹具设计、样品准备、应力腐蚀试验、应力腐蚀性能评价，夹具设计包括两套夹具，一套是制样夹具，另一套是试验夹具。试验前应根据材料的实际情况，选取合适的表面应变量，确定样品尺寸，然后根据所选取的应变量计算试验时所需要夹具的圆弧半径。根据样品尺寸确定夹具凹凸形面的长度、夹具整体长宽高、螺栓的尺寸。进而设计出两套夹具的具体尺寸。
[0045] 本发明试验样品尺寸优选为(30-40)mm×(8-12)mm×2mm(长×宽×高)，应变量优选1％、2％或3％。
[0046] 计算试验所需要的夹具凹凸形面的圆弧半径(夹具弧形面的半径)，可以用有限元方法模拟得到需要的圆弧半径，或者用简单的估计法得出圆弧半径值，采用估算法计算样品表面变形量的过程如下：
[0047] 设样品原始长度为L0，厚度为h，设计夹具凹形面圆弧半径为R1，试样变形后在凹形面的弧长为L1，凸形面圆弧半径为R2，试样变形后在凸形面的弧长为L2,弯曲后未变形带半径为R3。(R1>R3>R2)
[0048] 由弧长公式L＝Rα，其中L为弧长，R为半径，α为圆心
角，得α＝L/R，即有：
[0049] α1＝L1/R1，α2＝L2/R2，α3＝L0/R3；
[0050] 假设条件一：弯曲变形后，样品厚度h不变，即h＝R1-R2；
[0051] 假设条件二：弯曲变形后，样品上表面至下表面的圆心角相等，即α1＝α2＝α3；
[0052] 假设条件三：弯曲后未变形带位于样品的正中间位置，即R3＝(R1+R2)/2；
[0053] 则由α1＝α3，得：L0/R3＝L1/R1即，L1＝(R1/R3)·L0；
[0054] 则样品上表面变形量t＝(L1-L0)/L0
[0055] ＝(R1-R3)/R3
[0056] ＝(R1-(R1+R2)/2)/((R1+R2)/2)
[0057] ＝(R1-R2)/(R1+R2)
[0058] 假设所需要变形量为1％，样品厚度h＝2mm，则：
[0059] R1-R2＝2 (1)
[0060] (R1-R2)/(R1+R2)＝1％ (2)
[0061] 解由(1)(2)组成的方程组得：R1＝101mm，R2＝99mm；
[0062] 同理，在样品厚度都为2mm条件下，需要变形量为2％时，R1＝51mm，R2＝49mm；需要变形量为3％时，R1＝103/3≈34.3mm，R2＝97/3≈32.3mm。
[0063] 本发明所提供的弯曲横梁应力腐蚀试验的装置包括制样夹具和试验夹具，制样夹具用于制备应力腐蚀试验所需试样，试验夹具用于应力腐蚀试验，其中：
[0064] 所述制样夹具是由至少一个凹形夹具Ⅰ1、至少一个凸形夹具Ⅰ2和两个加载螺栓3组成；所述凹形夹具Ⅰ1的凹面与凸形夹具Ⅰ2的凸面都为弧形面，凹形夹具Ⅰ1和凸形夹具Ⅰ2配合使用时其弧形面的圆心重合，即弧形面(凹面或凸面)所对应的圆的圆心重合，并在弧形面之间形成弧形空隙，相配合的两个弧形面的半径差值与实验样品4厚度一致，所述弧形面的半径是指其相应的圆的半径；所述凹形夹具Ⅰ1与凸形夹具Ⅰ2的两侧分别设置螺栓孔，螺栓孔的中心轴重合且大小相同，通过螺栓孔与所述加载螺栓3的连接使凹形夹具Ⅰ1与凸形夹具Ⅰ2配合使用；所述的加载螺栓3其强度应能保证施力及试验过程的顺利完成，保证不对试验结果产生影响。所述的加载螺栓直径略小于所述螺栓孔的直径，且其长度应能保证样品顺利实现加载过程。
[0065] 所述试验夹具是由至少一个凹形夹具Ⅱ5、至少一个凸形夹具Ⅱ6和两个加载螺栓3组成；所述凹形夹具Ⅱ5的凹面与凸形夹具Ⅱ6的凸面都为弧形面，凹形夹具Ⅱ5和凸形夹具Ⅱ6配合使用时其弧形面的圆心(相应圆的圆心)重合，并在弧形面之间形成弧形空隙；相配合的两个弧形面的半径差值与实验样品4厚度一致；所述凹形夹具Ⅱ5的弧形面中间位置设有凹槽7，凹槽7距该凹形夹具Ⅱ弧形面的最小距离为5mm；所述凹形夹具Ⅱ中的凹槽7应足够深，保证不会产生缝隙腐蚀，其长度应适度，保证不改变样品的受力状态，优选长度为10mm。
[0066] 所述凹形夹具Ⅱ5与凸形夹具Ⅱ6的两侧分别设置螺栓孔，螺栓孔的中心轴重合且大小相同，通过螺栓孔与所述加载螺栓3的连接使凹形夹具Ⅱ5与凸形夹具Ⅱ6配合使用。所述的试验夹具其宽度可比两个样品宽度略大，可在一个试验面中同时并排放置两个样品。
[0067] 实施例1
[0068] 本实施例带缝隙的弯曲横梁试验包括如下内容：
[0069] 本发明中夹具的设计。实验样品4所采用材料为316L不锈
钢和
焊接用308L
不锈钢，属于面心立方结构，具有较好的塑形，因此选取表面应变量为3％。样品尺寸选取为35mm×10mm×2mm。采用所述的简单估计法，计算得出试验时需要的圆弧半径分别是：凹形夹具的凹形面圆弧半径为34.3mm，凸形夹具的凸形面圆弧半径为32.3mm。夹具材料选用
316L不锈钢。为保证样品在夹具中处于合适的位置，选取凸形面弧长为40mm，计算出对应凹形面弧长为47.8mm。夹具宽度选取为10mm，长度选取为80mm，这样两个样品可以并排放置同时进行试验。选用M8螺栓。本发明中制样夹具的制取样品前结构示意三视图为图1，主要包括凹形夹具Ⅰ1、凸形夹具Ⅰ2、两个加载螺栓3。样品4所放置位置也标注在图1中。所述的凹形夹具Ⅰ1与凸形夹具Ⅰ2其弧形面的圆心重合，即半径为34.3mm和半径为
32.3mm的两个圆为同心圆，其差值为2mm，与样品厚度一致，如图2所示。在凹形夹具Ⅰ1和凸形夹具Ⅰ2的两边分别留有直径为8.5mm的螺栓孔，孔的中心轴重合。本发明中试验夹具结构示意图为图3，由一个带凹槽7的凹形夹具Ⅱ5、一个凸形夹具Ⅱ6以及两个加载螺栓3组成。试验夹具中的凸形夹具Ⅱ6可与制样夹具中的凸形夹具Ⅰ2相同。带凹槽7的凹形夹具Ⅱ5和凸形夹具Ⅱ6的弧形面的圆心重合，其半径应与制样夹具的尺寸一致，即
34.3mm和32.3mm。在试验夹具的凹形夹具Ⅱ5和凸形夹具Ⅱ6的两边分别留有直径8.5mm的螺栓孔，孔的中心轴重合且大小相同，采用M8螺栓。带凹槽7的凹形夹具Ⅱ5中的凹槽
7槽底距样品4表面最小距离为5mm，长度为10mm。
[0070] 本发明中样品的准备。将实验样品4置于制样夹具的凹形夹具Ⅰ1和凸形夹具Ⅰ2之间，将加载螺栓3安装到凹形夹具Ⅰ1和凸形夹具Ⅰ2两边的通孔上，左右同步拧紧加载螺栓3，这样施加的力可以从凹形夹具Ⅰ1和凸形夹具Ⅰ2上传递到样品上，使长片状样品按照凹形夹具Ⅰ1和凸形夹具Ⅰ2之间的弧形空隙产生均匀变形，见图4。保持1分钟后，卸载加载螺栓3取出实验样品4。
[0071] 本发明中腐蚀试验的进行。取出样品后，将样品放到凹形夹具Ⅱ5和凸形夹具Ⅱ6之间的位置，尽量对称放置。同步拧紧加载螺栓7，整体如图3所示，确认加载螺栓7压实后，整体放入13MPa、320℃的模拟压
水堆核电站一回路水环境中，进行500小时的应力腐蚀试验。
[0072] 本发明中应力腐蚀性能的评价。试验结束后，卸载加载螺栓7，小心取出实验样品4，通过对实验样品4中处于空隙中的位置进行扫描电镜SEM表面形貌观察和横截面观察，在316L不锈钢表面未观察到裂纹，而在焊接用308L不锈钢表面上出现了明显的应力腐蚀现象，其结果见图8和图9，可以看出在样品表面上的裂纹深度约30微米。这样可以得出结论，在目前的腐蚀环境中，焊接用308L不锈钢比316L不锈钢具有较差的抗应力腐蚀能力，在实际使用过程中极有可能会发生应力腐蚀现象。
[0073] 实施例2
[0074] 本发明实施例2与实施例1的主要区别在于试验夹具，其他内容可参考实施例1。
[0075] 本发明的试验夹具结构示意图为图5，由两个带7凹槽的凹形夹具Ⅱ5、一个凸形夹具Ⅱ6以及两个加载螺栓3组成。试验夹具中的凸形夹具Ⅱ6包括两个凸面。每个凸面对应一个带凹槽7的凹形夹具Ⅱ5，且与其弧形面的圆心重合，其半径都与制样夹具的尺寸一致，即34.3mm和32.3mm。在试验夹具的凹形夹具Ⅱ5和凸形夹具Ⅱ6两边分别都留有直径8.5的螺栓孔，孔的中心轴重合且大小相同，采用M8螺栓。两个带凹槽的凹形夹具Ⅱ5中的凹槽7槽底距样品表面最小距离为5mm，长度为10mm。
[0076] 实施例3
[0077] 本发明实施例3与实施例1的主要区别在于试验夹具，其他内容可参考实施例1。
[0078] 本发明的试验夹具结构示意图为图6，由一个带双凹槽7的凹形夹具Ⅱ5、一个凸形夹具Ⅱ6以及两个加载螺栓3组成。试验夹具中的凸形夹具Ⅱ6可与实施例1中的制样夹具的凸形夹具Ⅰ2相同。凸形夹具Ⅱ6与带双凹槽7的凹形夹具Ⅱ5的弧形面的圆心重合，其半径与制样夹具的尺寸一致，即34.3mm和32.3mm。在试验夹具的凹形夹具Ⅱ5和凸形夹具Ⅱ6两边分别留有直径8.5的螺栓孔，孔的中心轴重合且大小相同，采用M8螺栓。带双凹槽7的凹形夹具Ⅱ5中的每个凹槽7槽底距样品表面最小距离为5mm，宽度为8mm，两凹槽7间距为4mm。
[0079] 实施例4
[0080] 本发明实施例4与实施例1的主要区别在于试验夹具，其他内容可参考实施例1。
[0081] 本发明的试验夹具结构示意图为图7，由一个带凹槽7的凹形夹具Ⅱ5、一个带凹槽7的凸形夹具Ⅱ6、一个不带凹槽的凸形夹具Ⅱ6以及两个加载螺栓3组成。试验夹具中的不带凹槽的凸形夹具Ⅱ6可与实施例1中的制样夹具的凸形夹具Ⅰ2相同。带凹槽7的凸形夹具Ⅱ6的凸形面与带凹槽的凹形夹具Ⅱ5的凹形面的圆心重合，不带凹槽的凸形夹具Ⅱ6的凸形面与带凹槽的凸形夹具Ⅱ6的凹形面的圆心重合，其所有半径与制样夹具的尺寸对应一致，即34.3mm和32.3mm。在试验夹具的两边分别都留有直径8.5的螺栓孔，孔的中心轴重合且大小相同，采用M8螺栓。所有凹槽7槽底距样品表面最小距离为5mm，长度为10mm。
