直流電位差法測量316L管道疲勞裂紋擴展的研究

許新軍

(上海宏予測試儀器有限公司，上海 200120)

在工程機械、電氣系統(tǒng)中所用的不銹鋼材料在服役過程中長期承受疲勞載荷的作用，管壁、焊接接頭以及變截面部位會產生應力集中。由于受到疲勞損傷積累而萌生疲勞裂紋，在一定循環(huán)次數后形成宏觀裂紋，裂紋再進一步擴展可能導致零部件或者金屬材料的斷裂，不僅會造成巨大經濟損失、還可能導致人員傷亡[1]。

電氣主管道采用固溶處理的316L不銹鋼制作，其疲勞裂紋擴展速率的高低直接決定著電氣管道的服役壽命，因此需要通過疲勞試驗進行測試。而疲勞裂紋擴展速率的測試通常采用渦流法和電位法，渦流法對于裂紋擴展的定量測量比較困難，提離效應難以排除，只有采用電位法最適于裂紋擴展速率的測量。

1 試驗材料

電氣主管道材料用316LN不銹鋼，經固溶處理。從管道上割取試樣材料，按照ASTM E399標準加工成0.5T CT試樣。由于直流電壓降方法對裂紋的分支很敏感，當裂紋尖端平直度較差時，測量到的裂紋長度非常接近最短的裂紋。因此為了保證裂紋盡量沿著垂直于加載的方向擴展，同時盡量避免產生裂紋的分支造成測量的錯誤，我們在試樣兩側切深度為試樣厚度5%的側槽引導裂紋沿著開口方向擴展。管道和試樣的形狀如圖1，試樣的切槽沿管道半徑方向，F面平行于管道橫截面方向。試樣尺寸見表1。

圖1 主管道尺寸和試驗用CT試樣Fig.1 CT specimens for main pipeline dimensions and tests

表1 CT試樣尺寸

2 DCPD裂紋擴展測量系統(tǒng)

2.1 DCPD裂紋擴展測量系統(tǒng)的原理

電位法又稱電位差法或電導法，其物理原理是基于金屬的導電性。當電流從構件的被檢測部位通過時，會產生一定的電流和電位場。當構件上出現裂紋時，電流和電位場也會隨之發(fā)生變化，并且通過電位U的改變體現出來。裂紋的位置、形狀和尺寸不同，它對被檢測部位電流和電位場的印象也不同。因此，電位差可以當作表征裂紋的位置與尺寸參數的函數，通過測量和分析電位差信號，即可對構件表面疲勞裂紋的產生和擴展進行監(jiān)測[2-3]。

圖2中電極A和電極B稱為電流電極或電流探針，一個給定的直流電流通過該對電極，在工件上產生電流場分布以及一個與材料的組成和結構特性有關的電位分布。通過另一對電極C和D可以檢測檢測某兩點的電位差，并在電壓表上顯示。在工件表面產生疲勞裂紋前后，分別以相同的電流加在工件的表面上，那么電位差是一個裂紋長度的函數。從圖中可看出，裂紋的存在破壞了材料的連續(xù)性，并引起電流和電位場的變化，此變化隨著裂紋位置與長度的不同而有所不同。因此，可通過電位的變化來判斷裂紋的產生和擴展情況[4]。

2.2 DCPD裂紋擴展測量系統(tǒng)

圖3是DCPD裂紋擴展系統(tǒng)的結構示意圖，其中各個單元模塊分表采用以下儀表及功能卡：

1)Agilent 34970A 數據采集開關單元，配插入式Agilent 34901A 20通道銜鐵繼電器多路轉換器模塊插入34970A后面板#100槽；

2)Agilent 34420A 納伏微歐表，用以采集微電壓，前面板#1通道接入電位信號；

3)Agilent 6611C 恒流源，前面板接出電流；

4)NI PCI-GPIB 488.2計算機控制卡，插在計算機PCI槽中，驅動程序NI 488.2 V3.0.2電流換向模塊，計算機控制并口IO。其中，圖4是GPIB接線圖。

(a)無裂紋；(b)有裂紋圖2 DCPD裂紋測量系統(tǒng)原理圖(a) without crack; (b) with crackFig.2 Principle diagram of DCPD crack measurement system

圖3 DCPD裂紋擴展采集系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of DCPD crack propagation acquisition system

圖4 GPIB接線圖Fig.4 GPIB wiring diagram

2.3 電位測量流程

DCPD裂紋擴展測量系統(tǒng)進行電位測量的基本流程見圖5所示。

3 疲勞試驗及分析

3.1 實驗條件

在室溫的空氣中做疲勞試驗，載荷比R=0.3，頻率f=1 Hz，通過改變K的大小。試驗目的是得到材料在在不同K值下的疲勞裂紋擴展速率。

圖5 電位測量的基本流程Fig.5 Basic Flow of Potential Measurement

3.2 實驗結果

首先做了升K然后降K的試驗，采用了兩個試樣以便作對比，提高數據的可信性。首先對1033進行試驗，發(fā)現降K和升K的裂紋擴展速率差別較大。從曲線圖6上可以觀察到，在升K階段不同K下的裂紋擴展曲線都表現出凹狀。這是因為疲勞試驗時材料裂紋尖端會產生塑性區(qū)域，K值越大則塑性區(qū)域尺寸越大。因此在降K試驗時前一階段較大的塑性區(qū)域會影響到后一階段的裂紋擴展(裂紋在該區(qū)域的擴展速率相對較慢)，只有當裂紋穿過塑性區(qū)域后才能認為此時才是該階段K下真正的裂紋擴展速率。然而對于升K的實驗則不會出現這種情況。

為了保證升K試驗時后一階段裂紋擴展不受前一階段的影響，在1030進行試驗時提高了每個階段的Δa/W。

圖6 316LN-1033時間-裂紋長度曲線Fig.6 The curve of time and crack length for 316LN-1033

圖7 316LN-1030時間-裂紋長度曲線Fig.7 The curve of time and crack length for 316LN-1030

表疲勞裂紋擴展速率(mm/s)

對比1033和1030的實驗結果并將裂紋擴展速率總結在表2中，發(fā)現無論是升K還是降K試驗，1030的裂紋擴展速率都比1033要高，如圖8所示。

圖8 316LN裂紋擴展速率對照Fig.8 Contrast of crack growth rate of 316LN

產生這種現象的原因分析如下，對比圖9、圖10可以發(fā)現1030在升K階段試驗時間很短而且力值變化迅速，1033在升K階段雖然時間相較于降K階段不足夠長，但是比1030的時間要長。因此1030在升K的實驗是非常不穩(wěn)定的，數據可信度低。對于1033來說降K階段的實驗，由于設定的每個階段Δa/W較小，在還沒有完全或者剛穿過前階段實驗產生的塑形區(qū)域時該階段的實驗就結束了，這樣得到的結果就會較真實的裂紋擴展速率小[5]。

圖9 316LN-1033 K/P隨時間的變化曲線Fig.9 Curve of K/P with time of 316LN-1033

圖10 316LN-1030 K/P隨時間的變化曲線Fig.10 Curve of K/P with time of 316LN-1030

這樣因為1030的降K實驗每個階段都穿過了前階段造成的塑性區(qū)域，所以這階段的數據結果有很高的可信度。1033的升K階段持續(xù)時間稍長，力值變化不是很迅速，因此這階段的數據有很高的可信度。這樣我們可以認為1030的降K實驗和1033的升K實驗結果應該很接近，圖8的曲線也證實了這種結論。但是在K=40時升K的裂紋擴展速率還是比降K的結果要大，這可能是因為升K時力變化太迅速。

4 結論

利用CT試樣做降K試驗時一定要保證后一階段的裂紋擴展完全穿過前階段造成的塑性區(qū)域。當裂紋長度表征值a/W>0.55時如果K>30 MPa/m疲勞開裂可能偏離試樣的平面應變準則較大，因此測量到的裂紋擴展速率會有較大誤差。1030的降K實驗結果和1033的升K實驗結果是試樣的真正的疲勞裂紋擴展速率。