一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法

技术领域

本发明属于金属材料物理与力学性能测试技术领域，具体涉及一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展和各国对环保的重视，使得天然气（LNG）需求量与日剧增，LNG国际贸易的主要运输方式为海上运输，随着全球对天然气需求量的增长，LNG船得以迅速发展。由于LNG的可燃性和超低温，为保证储罐具有较高的安全性，对处于超低温环境下使用的内罐结构材料的性能要求极高，不仅要具备较高的强度、塑性和抗裂能力，还要保证母材和焊接接头在一定应力水平下经受超低温-室温冷热交替疲劳时具有良好的组织和性能稳定性。高锰奥氏体低温钢为一种新研制的LNG储罐建造材料，与传统LNG储罐建造用镍系低温钢相比，其低温韧性、耐疲劳性、耐腐蚀性等性能与目前广泛应用的9%Ni钢相当，但其塑性远优于9Ni钢，而其价格显著低于9Ni钢，具有广阔的应用前景。

LNG储罐用高锰钢服役温度约为-165℃，在LNG罐装、运输和卸载过程中，高锰钢不仅承受一定的应力作用，还要长时间在-165℃超低温~室温冷热交替疲劳下服役，这就要求高锰钢在一定应力载荷下承受长时间超低温~室温冷热交替疲劳作用时具有良好的组织和性能稳定性。目前，不施加载荷的深冷试验已建立，但现有的深冷试验一般是将材料置于一定的低温(-100℃以下)环境下，低温处理所用的制冷剂主要是液氮，一种方法是直接将材料浸入液氮中，使材料在液氮温度下保温一定时间，另一种是使用低温氮气吸热进行制冷，通过调节低温氮气流速控制深冷温度、升降温速率以及保温时间。直接将材料放置在液氮中的深冷处理较易实现，通过控制低温氮气流速实现不同温度的短时间深冷处理相对较易实现，长时间的深冷处理较为困难。如何实现材料一定应力载荷下，承受-165℃超低温~室温冷热交替温度场作用的试验方法仍未建立，为了有效考核高锰钢一定应力载荷的-165℃超低温~室温冷热交替疲劳下的组织和性能稳定性，需建立一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法，能够满足试验要求的应力和冷热交替疲劳温度场的同时施加，为实现高锰钢实际服役环境下组织和性能稳定性研究提供技术基础。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法，包括如下步骤：

步骤一，制作试验用的试样，试样两端为夹持段，夹持段设置螺纹，用于和蠕变试验机的夹头连接，试样中部为试样段，试样段的横截面为矩形；

步骤二，采用保温材料制作保温槽，在保温槽内填充棉纱，保温槽的一侧设置液氮管，液氮管的一端插入棉纱中，另一端与保温槽外部的液氮装置连接；所制作的试样放置在保温槽中，蠕变试验机的夹头伸入保温槽与试样的夹持段螺纹连接；

步骤三，通过蠕变试验机对试样施加恒定的加载力；

步骤四，通过液氮装置向保温槽输入液氮，输入的液氮被棉纱所吸附，通过控制液氮的流量控制保温槽内温度的降低速度，当温度达到-165℃后，调整液氮流速，以保持-165℃温度场的稳定，保温到指定时间后，控制保温槽内温度上升，实现恒定载荷下的冷热交替疲劳试验。

上述方法还包括步骤五，对试验后的试样进行微观组织和力学性能分析，研究试样材料在恒定应力下承受冷热交替疲劳试验时的组织和力学性能稳定性。

在步骤二中，将保温槽的竖向空间分为上部、中部和下部，所述的液氮管具有三种长度规格，分别向保温槽的上部空间、中部空间和下部空间提供液氮。

进一步的，所述保温槽内设有上下两个分隔板，将保温槽分为上部空间、中部空间和下部空间，分隔板上设有供液氮管和试样穿过的孔。

更进一步的，所述液氮管的侧面设有多个开口。

在步骤四中，通过降低液氮的流量来控制保温槽内温度上升，或者打开保温槽使保温槽内的温度上升。

本发明的有益效果是：采用本发明的恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法，能够实现-165℃超低温~室温冷热交替疲劳温度场与恒定应力的同步施加、实现冷热交替疲劳试验后试样组织和性能稳定性的有效考核。

本发明能够实现超低温~室温温度场的稳定性。试验时，以液氮为冷却剂，以棉纱作为保温介质，保证了液氮气化吸热的均匀性，避免了由于热量吸收不均导致的温度场的波动，同时易于实现温度场的长期稳定。

本发明能够实现冷热交替温度场与应力场的同步加载。在现有蠕变试验机的基础上，通过添加保温槽作为降温和超低温保温装置，实现冷热交替疲劳温度场和恒定应力场的稳定同步施加，实现高锰钢受力状态下经受冷热交替疲劳时组织和性能稳定性的有效考核。

本发明形式简单，使用成本低。降温与保温装置结构简单，保温介质安全廉价，以棉纱作为保温介质，不仅安全，而且价格便宜，且可以重复利用，使用成本较低。

附图说明

图1为本发明保温槽的结构示意图；

图2为本发明试样在保温槽内加载的示意图；

图3为本发明所用试样的结构示意图；

图中标记：1、保温槽，2、分隔板，3、棉纱，4、液氮管，5、试样，6、夹头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法，需要考虑的是：（1）如何实现-165℃超低温~室温冷热交替疲劳温度场的建立；（2）如何实现恒定应力与-165℃超低温~室温冷热交替疲劳温度场的同步施加；（3）如何实现易于进行温度场和应力场同时加载及组织和性能稳定性考核的试样设计。

本发明针对恒定应力下的冷热交替疲劳试验过程中温度难以建立、常规试样难以同时实现温度场和应力场同步加载及试验后试样不易进行组织和性能有效考核、温度场与应力难以同步加载这三方面技术温度采取的解决方案如下。

（1）-165℃超低温~室温冷热交替温度场的建立

-165℃试验属于超低温试验，超低温试验所用的制冷剂主要是液氮，但液氮温度为-196℃，建立超低温温度场一是以凝固点低于-165℃的液态溶剂作为介质，通过液氮降温来实现，但目前并未找到易于获得而又安全的相应溶剂。二是通过低温氮气吸热进行制冷，但以低温氮气吸热制冷建立温度场需要专用的设备，且建立的超低温温度场难以保持长时间的稳定。本发明针对上述技术问题采取的解决方案是：针对超低温温度场难以建立这一问题，本发明采用棉纱作为试样的保温介质，以液氮作为制冷剂建立超低温温度场，由于棉纱吸附能力较强，能够吸附大量的液氮，且棉纱能够均匀地吸附液氮，保证试样不同位置液氮吸收热量的均匀性，通过棉纱吸附液氮的气化进行降温和维持温度场稳定，实现-165℃恒温温度场的建立，同时通过液氮流入速度调节实现-165℃温度场~室温冷热交替温度场的建立。

为了实现这一设计，需要将一定量的棉纱3填充在一个保温槽1中，并通过保温槽1的液氮管4向棉纱3提供液氮，因此液氮管4的内端插入棉纱3中，外端则与外部的液氮装置连接，由液氮装置控制液氮的流量和流速，进而实现温度场的建立和稳定，当切断液氮的供给后，保温槽1内液氮逐渐挥发，温度上升，或者将保温槽1打开一个开口，保温槽1内温度升至室温的速度将明显加快。

进一步的，为了便于控制保温槽1内的温度，利用两块分隔板2将保温槽1的竖向空间分隔成三部分：上部空间、中部空间和下部空间。相应的每个空间对应一根液氮管4，并且液氮管4的侧面还设有多个开口，以使液氮可以均匀分布。所述保温槽1的结构如图1所示。

（2）恒定应力场和超低温~室温冷热交替疲劳温度场的同步施加

蠕变试验是一种恒定温度、恒定载荷下材料性能测试方法，其试验原理是将试样加热至规定温度，沿试样轴线方向施加恒定拉伸力，将试样拉至规定变形量或者断裂。但蠕变试验一般为高温试验，难以建立稳定的超低温温度场。常规拉伸试验机和疲劳试验机一般为动载荷和循环载荷加载，难以实现长时间的恒定加载。本发明针对上述技术问题采取的解决方案是：针对恒定应力场和超低温温度场难以同步加载这一问题，本发明通过蠕变试验机施加拉伸载荷建立恒定应力场，设计上述的保温槽用于低温温度场的建立，采用上述建立的-165℃超低温~室温冷热交替疲劳温度场试验技术建立超低温~室温冷热交替温度场。试验过程为通过蠕变试验机将试样加载至指定应力水平并保持稳定，随后对试样进行降温处理，将温度降至-165℃后保持温度场稳定，保温指定时间后对试样进行升温处理直至室温。加载试验装置示意图见图2。

（3）恒定应力下的冷热交替疲劳试样设计

恒定应力下的冷热交替疲劳试样一是能够实现低温下拉伸载荷的加载，二是实现冷热交替疲劳试验后易于开展组织和性能稳定性研究。而目前国内主流的蠕变试验机吨位为30kN、50kN、100kN和200kN，加载力相对较小，而拉伸试验、疲劳试验、蠕变试验常用的试样形式为圆棒状或板状，板状试样一般试样尺寸较大，所需设备吨位较大，且低温下试样难以持久加持，圆棒状试样在加工冲击等性能稳定性考核试样时加工带来的影响难以去除。本发明针对上述技术问题采取的解决方案是：针对棒状试样所需设备吨位较大、圆棒试样试验后需要加工这一问题，本发明采用试样形式如图3所示，试样两端的试样加持段通过螺纹与试验机连接，中部的试样段截面为矩形。

因此，本发明所述的一种恒定应力下的冷热交替疲劳试验方法包括以下步骤：

步骤一，制作试验用的试样5，试样5两端为夹持段501，夹持段501设置螺纹，用于和蠕变试验机的夹头6连接，试样中部为试样段502，试样段502的横截面为矩形；

步骤二，采用保温材料制作保温槽1，在保温槽1内填充棉纱3，保温槽1的一侧设置液氮管4，液氮管4的一端插入3中，另一端与保温槽1外部的液氮装置连接；所制作的试样5放置在保温槽1中，蠕变试验机的夹头6伸入保温槽1与试样5的夹持段501螺纹连接；

步骤三，通过蠕变试验机对试样施加恒定的加载力；

步骤四，通过液氮装置向保温槽1输入液氮，输入的液氮被棉纱3所吸附，通过控制液氮的流量控制保温槽1内温度的降低速度，当温度达到-165℃后，调整液氮流速，以保持-165℃温度场的稳定，保温到指定时间后，控制保温槽1内温度上升，实现恒定载荷下的冷热交替疲劳试验；

步骤五，对试验后的试样5进行微观组织和力学性能分析，研究试样材料在恒定应力下承受冷热交替疲劳试验时的组织和力学性能稳定性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。