材料抗断裂性测试装置和方法

技术领域

本申请实施例涉及材料性能检测技术领域，尤其涉及一种材料抗断裂性测试装置和一种材料抗断裂性测试方法。

背景技术

美国材料测试协会(ASTM)已经建立了多种测定金属和陶瓷材料断裂韧性值的方法，这些标准方法得到了技术界广泛认可，并通过这些方法获得了大量测试数据，评估了许多类型材料的断裂韧性值。尽管遵循了这些标准方法，但在同一材料类型中，所获得的测试数据仍然可能分散和不一致。试样大小的差异、试样材料的不均匀性以及其他未标准化的固有试样因素，可能会导致这种不一致，从而使判定断裂韧性方面存在困难。

评估焊接时，确定断裂韧性存在额外困难，焊接本身包括三个不同的相区：焊缝、热影响和基础材料。每一个区域都可能表现出不同的微观结构和机械适当的联系。众所周知，由于缺乏金属氧化试验方法，位于固化焊缝水坑和热影响区之间的融合线的断裂行为仍未被探索。

当评估这些材料在高压氢环境中使用的断裂韧性时，这些困难都变得更加复杂。这些信息对于许多能源开发项目来说是非常重要的，然而氢气对焊接件的原位裂纹行为的影响实际上是未知的。前面提到的标准化或常规测试方案在物理上或不适合极高压氢环境中的现场测试。ASTM推荐的致密张力(CT)样品及其变化通常在开放空间进行测试，不适合在空间有限的受控环境中进行原位测试。小而薄的CT试样不能提供可靠的数据，也不能有效地用于研究焊接件的断裂韧性或断裂开裂行为。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一方面提供了一种材料抗断裂性测试装置。

本发明的第二方面提供了一种材料抗断裂性测试方法。

有鉴于此，根据本申请实施例的第一方面提出了一种材料抗断裂性测试装置，包括：

载体件，所述载体件内形成有容纳空间，所述载体件的一端形成有第一固定部，所述容纳空间用于容纳待测试件，所述第一固定部用于固定所述待测试件的一端；

端盖，可转动地连接于所述载体件的另一端，所述端盖上形成有第二固定部，所述第二固定部用于固定所述待测试件的另一端；

第一抵接件，设置在所述载体件的另一端；

第二抵接件，设置在所述端盖上，在所述端盖相对于所述载体件转动的情况下，所述第二抵接件抵接在所述第一抵接件上。

在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：

径向定位件，连接于所述载体件和所述载体件；

轴向定位件，连接于所述载体件和所述端盖。

在一种可行的实施方式中，所述第一抵接件和所述第二抵接件中的一者开设有凹槽，另一者开设有定位孔，所述径向定位件穿过所述定位孔插接在所述凹槽内。

在一种可行的实施方式中，所述第一抵接件上开设有第一环形槽，所述第二抵接件上开设有第二环形槽，所述轴向定位件设置在所述第一环形槽和所述第二环形槽内。

在一种可行的实施方式中，所述第一抵接件和所述第二抵接件为楔形块，所述第一抵接件和所述第二抵接件为多个，多个所述第一抵接件均匀分布在所述载体件的端面，多个所述第二抵接件均匀分布在所述端盖的端面。

在一种可行的实施方式中，所述待测试件包括：

检测段，所述检测段的外壁上开设有V形槽；

连接段，位于所述检测段的两侧；

其中，所述检测段与所述连接段为一体式结构，所述第一固定部和所述第二固定部为方形孔，所述连接段为方形，用于插接在所述第一固定部和所述第二固定部内。

在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：

排气孔，开设在所述载体件上。

在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：

防氢脆涂层，设置在所述载体件的内壁。

在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：

检测组件，设置在所述载体件或所述待测试件上。

根据本申请实施例的第二方面提出了一种材料抗断裂性测试方法，应用于上述任一技术方案所述的材料抗断裂性测试装置，所述材料抗断裂性测试方法包括：

提供待测试件；

将所述待测试件设置在所述载体件内，将所述待测试件连接于所述第一固定部；

将所述端盖设置在所述载体件的一端，将所述待测试件连接于所述第二固定部；

带动所述端盖相对于所述载体件转动，为所述待测试件施加扭转力；

在经过预设时间后，获取所述待测试件的抗断裂性能。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置包括了载体件和端盖，在适用过程中，将待检测件设置在容纳空间之内，将待检测件的一端连接到载体件端部的第一固定部上，而后将端盖连接到载体件之上，将待检测件的另一端连接到端盖的第二固定部上。通过转动端盖，端盖与载体件之间出现转动，端盖和载体件即可为设置在载体件之内的待检测件施加扭转力，测量施加在载体件之上的扭转力即可获知施加到待检测件上的扭转力，当扭转力施加到实验预期值之后，可以将材料抗断裂性测试装置设置在待检测的环境之内，模拟材料的使用场景，在经过实验时长之后取出待测试件，即可获知待测试件在预期的扭转力、预期的环境和预期的实验室时长条件下的抗断裂性能。尤其是需要在流体中检测材料的抗断裂性能时，如需要检测材料在高压氢能内的抗断裂性能时，通过本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置能够快速、简便地完成材料抗断裂性能的检测，且利于缩小材料抗断裂性测试装置的体积，便于实验的进行，同时能够降低成本。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的待测试件的示意性结构图；

图2为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的待测试件的另一个角度的示意性结构图；

图3为图1中C-C方向的截面示意图；

图4为图1中B处的局部放大示意图；

图5为图4中B-B方向的截面示意图；

图6为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的载体件的示意性结构图；

图7为图6中D处的局部放大示意图；

图8为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的载体件的另一个角度示意性结构图；

图9为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的载体件的又一个角度的示意性结构图；

图10为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的端盖的示意性结构图；

图11为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的端盖的一个角度示意性结构图；

图12为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的端盖的另一个角度示意性结构图；

图13为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的示意性结构图；

图14为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试装置的检测组件的示意性结构图；

图15为本申请提供的一种实施例的材料抗断裂性测试方法的示意性步骤流程图。

其中，图1至图15中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

110载体件、120端盖、130第一抵接件、140第二抵接件、150径向定位件、160凹槽、170待检测件、180排气孔、190检测组件；

111第一固定部、112平行面、121第二固定部、131第一环形槽、141第二环形槽、171检测段、172V形槽、173连接段。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请实施例技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1至图14所示，根据本申请实施例的第一方面提出了一种材料抗断裂性测试装置，包括：载体件110，载体件110内形成有容纳空间，载体件110的一端形成有第一固定部111，容纳空间用于容纳待测试件，第一固定部111用于固定待测试件的一端；端盖120，可转动地连接于载体件110的另一端，端盖120上形成有第二固定部121，第二固定部121用于固定待测试件的另一端；第一抵接件130，设置在载体件110的另一端；第二抵接件140，设置在端盖120上，在端盖相对于载体件110转动的情况下，第二抵接件140抵接在第一抵接件130上。

本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置包括了载体件110和端盖120，在适用过程中，将待检测件170设置在容纳空间之内，将待检测件170的一端连接到载体件110端部的第一固定部111上，而后将端盖120连接到载体件110之上，将待检测件170的另一端连接到端盖120的第二固定部121上。通过转动端盖120，端盖120与载体件110之间出现转动，端盖120和载体件110即可为设置在载体件110之内的待检测件170施加扭转力，测量施加在载体件110之上的扭转力即可获知施加到待检测件170上的扭转力，当扭转力施加到实验预期值之后，可以将材料抗断裂性测试装置设置在待检测的环境之内，模拟材料的使用场景，在经过实验时长之后取出待测试件，即可获知待测试件在预期的扭转力、预期的环境和预期的实验室时长条件下的抗断裂性能。尤其是需要在流体中检测材料的抗断裂性能时，如需要检测材料在高压氢能内的抗断裂性能时，通过本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置能够快速、简便地完成材料抗断裂性能的检测，且利于缩小材料抗断裂性测试装置的体积，便于实验的进行，同时能够降低成本。

可以理解的是，载体件110可以为管状或框架状。

通过本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置，以需要检测焊接材料在高压氢能内的抗断裂性能时，可以将焊接材料作为待检测件170，将待检测件170设置在材料抗断裂性测试装置，通过转动端盖120为焊接材料施加扭转力，模拟焊接材料的实际应用场景。

可以理解的是，在载体件110远离于端盖120的一端可以形成有固定面，固定面用于在转动端盖时与其他装置、建筑物或实验台进行固定连接，以使转动端盖120所产生的应力施加在位于载体件110的待测试件上。

本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置，通过第一抵接件130和第二抵接件140的设置，在端盖120相对于载体件110进行转动时，第二抵接件140抵接在第一抵接件130之上，端盖120在为待检测件170施加应力的同时也为载体件110施加应力，因此检测载体件110所承受的应力即可等效获知到施加在待检测件170之上的应力，便于施加应力的调节，便于抗断裂性测试的进行。

如图9所示，在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：径向定位件150，连接于载体件110和载体件110；轴向定位件，连接于载体件110和端盖120。

在该技术方案中，材料抗断裂性测试装置还包括了径向定位件150和轴向定位件，相对于将端盖120在载体件110的轴向和径向上进行定位，使得端盖120仅能够相对于载体件110进行转动，减少端盖120在其他方向上的自由度，能够使施加在待检测件170之上的扭转力更加稳定。

如图9至图11所示，在一种可行的实施方式中，第一抵接件130和第二抵接件140中的一者开设有凹槽160，另一者开设有定位孔，径向定位件150穿过定位孔插接在凹槽160内。

径向定位件150穿过定位孔插接在凹槽160之内，即可使径向定位件150同时连接第一抵接件130和第二抵接件140，即可对端盖120在载体件110的径向方向进行定位。

可以理解的是，径向定位件150可以为螺栓。

如图6、图7和图11所示，在一种可行的实施方式中，第一抵接件130上开设有第一环形槽131，第二抵接件140上开设有第二环形槽141，轴向定位件设置在第一环形槽131和第二环形槽141内。

轴向定位件设置在第一环形槽131和第二环形槽141内，通过轴向定位件将第一抵接件130和第二抵接件140连接，即可对端盖120在载体件110的轴向方向进行定位。

在一些示例中，轴向定位件可以为C形环。

在一种可行的实施方式中，第一抵接件130和第二抵接件140为楔形块，第一抵接件130和第二抵接件140为多个，多个第一抵接件130均匀分布在载体件110的端面，多个第二抵接件140均匀分布在端盖的端面。

第一抵接件130和第二抵接件140均为楔形块，一方面便于第一抵接件130和第二抵接件140的加工成型，另一方面在第一抵接件130与第二抵接件140抵接时可以具备更多的贴合面积，使得端盖120与载体件110的抵接更加可靠。

第一抵接件130和第二抵接件140可以为多个，多个第一抵接件130在载体件110的端面上间隔布置，而第二抵接件140在端盖120的端面上间隔布置，在将端盖120连接于载体件110时，每相邻的两个第一抵接件130之间可以设置有一个第二抵接件140，使得第一抵接件130与第二抵接件140的抵接更加可靠。

可以理解的是，在第一抵接件130和第二抵接件140为多个的情况下，轴向定位件和径向定位件150同样可以为多个。

如图1至图5所示，在一种可行的实施方式中，待测试件包括：检测段171，检测段171的外壁上开设有V形槽172；连接段173，位于检测段171的两侧；其中，检测段171与连接段173为一体式结构，第一固定部111和第二固定部121为方形孔，连接段173为方形，用于插接在第一固定部111和第二固定部121内。

待检测件170包括了一体成型的检测段171和连接段173，通过在检测段171的两端形成连接段173，便于将待检测件170连接于第一固定部111和第二固定部121，便于完成待检测件170的定位。

第一固定部111和第二固定部121为方形孔，而连接段173的形状适配于方形孔，在测试过程中，只需要将待检测件170两端的连接段173分别插接在第一固定孔和第二固定部121内即可完成待检测件170的定位，使得待检测件170的装配更加方便、快捷。

可以理解的是，方形孔仅为示例性的说明，第一固定部111和第二固定部121也可以为其他形状的通孔，只需要第一固定部111和第二固定部121能够对待检测件170进行限位即可。

检测段171的外壁上开设有V形槽172，通过V形槽172的设置能够对焊缝进行模拟，在经过预期的实验应力和实验时长之后，通过观测V形槽172的形变状态即可获知到材料的抗断裂性能。

为了更好地测试抗断裂性能，V形槽172可以以螺旋的方式盘设在检测段171的外壁。

如图6所示，在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：排气孔180，开设在载体件110上。

材料抗断裂性测试装置还包括了排气孔180，通过排气孔180的设置在材料抗断裂性测试装置设置在流通环境之内时，流体可以经由排气孔180进入到材料抗断裂性测试装置之内，能够更好地模拟待检测件170的实际使用场景。

在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：

防氢脆涂层，设置在载体件110的内壁。

如图13和图14所示，在一种可行的实施方式中，材料抗断裂性测试装置还包括：检测组件190，设置在载体件110或待测试件上。

材料抗断裂性测试装置还包括了检测组件190，通过检测组件190的设置可以获知载体件110或所承受的扭转力，便于抗断裂性测试的进行，便于在预期的应力下检测材料的抗断裂性能。

在一些示例中，检测组件190可以包括全扭转桥和电压表，电压表连接于全扭转桥，全扭转桥设置在载体件110或待测试件上即可获知到待测试件所承受的扭转力。

如图15所示，根据本申请实施例的第二方面提出了一种材料抗断裂性测试方法，应用于上述任一技术方案的材料抗断裂性测试装置，材料抗断裂性测试方法包括：

步骤201：提供待测试件。可以按照载体件内部容纳空间的形状制备待测试件，使得待测试件能够设置在容纳空间之内，使得待测试件能够连接于第一固定部和第二固定部。

步骤202：将待测试件设置在载体件内，将供待测试件连接于第一固定部。将待测试件的一端连接于第一固定件即可对待测试件的一端进行固定。

步骤203：将端盖设置在载体件的一端，将供待测试件连接于第二固定部。将待测试件的另一端连接到第二固定件之内即可对待测试件进行固定。

步骤204：带动端盖相对于载体件转动，为待测试件施加扭转力。通过端盖转动即可带动载体件和设置在载体件之内的待测试件进行转动，即可为待测试件施加扭转力。

步骤205：在经过预设时间后，获取待测试件的抗断裂性能。经过预设时间之后，对待测试件进行检测即可获知材料在预期的扭转力和作业时长之下的抗断裂性能。

实施例1

参考图1至图5示出了，本申请实施例提供的材料抗断裂性测试装置所使用的待检测件170的形状，预加的扭转力可以永久地用于本申请实施例的材料抗断裂性测试装置，在高压氢环境进行氢脆化试验。待测试件中间部分的检测段171均匀的形成螺旋V形槽172，以及用于对接的方形的连接段173。

参照图6至图12，材料抗断裂性测试装置包括了，固定待检测件170的载体件110和端盖120，载体件110为管状，端盖120相对于载体件110可旋转，可将扭转断裂力施加到待测试件上。载体件110主要功能是放置待测试件，在备选实施例中，也可以使用非管状的开口框架。

载体件110优选高等级不锈钢管制造，在一端形成同轴方孔作为第一固定部111。第一固定部111和连接段173对接，用于快速接收待测试件。待测试件纵向插入第一固定部111中，载体件110作为待测试件的转矩锚。载体件110外端削平行面112，平行于第一固定部111的方形孔，用于载体件110固定在面板或类似物中。载体件110的另一端形成三个65度弧角楔形部分作为第一抵接件130，中间有55度弧角空间。三个楔形部分中的每一个都有螺纹孔，用于通过径向定位件150锁定载体件110和端盖120相对位置。载体件110设置了排气口，允许气体进出载体件110可达到内外压力平衡。

端盖120采用和载体件110相同材质制造，一端有端盖120孔作为第二固定部121用于接收待测试件，和待测试件的连接段173连接，端盖120外部有平行面，平行于第二固定部121的方形孔。另一端成三个壳状楔形部分作为第二抵接件140，可和载体件110上的楔形部分结合。待测试件的一端安装在载体件110的方形孔中，另一端安装在端盖120的方形孔中，从而能够对待测试件施加旋转力。楔形部分和可以被认为是旋转锁，使待测试件承受旋转力同时防止端盖120和载体件110相对旋转运动。第一抵接件130上形成有第一环形槽131，第二抵接件140上形成有第二环形槽141，可以将C形环作为轴向定位件插入槽中防止端盖120和载体件110相对平移，将端盖120固定在载体件110上。每个阶梯状楔形部分都有球形凹槽160，径向定位件150第一抵接件130上的螺纹孔顶在凹槽160内锁紧载体件110和端盖120的相对旋转和平移。

通过使用安装在载体件110或待测试件上的应变表，监测施加在待测试件的扭转力的量。如图13和图14所示，材料抗断裂性测试装置的检测组件190可以包括四个电阻，即第一电阻由R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成的全扭转桥，在载体件110上使用。一旦载体件110上的桥被校准，后期同类测试试样无需重新校准，如测试试样改变，则需要对每个测试样品进行重新校准。四个活性应变计R1、R2、R3和R4在载体件110的扭转桥上排列，消除了对每个样品进行重新校准的必要强度。在运行中，电压计M的读数被校准为对应于施加在载体件110上的扭转力。在待测试件中，通过旋转端盖120对电压计M读数进行校准，达到待测试件上的应力和应变水平相对应的读数。待测试件和载体件110上的扭转力相同、方向相反。通过测试可以确定待测试件和载体件110上的任何一个或两者上的应力和应变。

通过转动端盖120，达到载体件110和端盖120之间的相对旋转位置，并将应力和应变设置在待测试件上。当径向定位件150旋转到接合凹槽160后继续转动端盖120，将扭转力施加到所需的扭转力，然后可以将整个材料抗断裂性测试装置放置在任何所需的环境中进行长期测试(如1000-10000psi高压氢)，在扭转应力应变条件下测试试样的抗断裂性，不需要昂贵的大空间测试设施。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。