專利名稱：一種持續加載壓痕式應力腐蝕試驗機及試驗方法
技術領域：
本發明是研究材料裂紋滯后擴展及相關力學行為的實驗裝置，尤其適用于不同環境中長時間連續加載情況，還可觀測加載過程中隨著裂紋擴展樣品電化學參量的變化，進而反映材料的耐腐蝕性能。
背景技術：
在實際應用中韌性差限制了脆性材料(陶瓷、硬質薄膜)的應用，如表面膜層，特別是用來提高材料表面的硬度、耐磨性以及提供特殊功能的表面膜層體系，相對于基體材料來講多屬于脆性層。受制備工藝及使用、儲存環境(如溫度梯度、濕度、接觸和摩擦磨損等)的影響，往往會在表面產生微裂紋。微裂紋的存在會造成表面膜的失效，如磨損、開裂、界面剝離等，這些問題是人們常常關心和最希望解決的。除此之外表面膜層上微裂紋的存在還會對膜層/基體體系造成不利影響，如裂紋尖端應力場會造成基體材料在承受載荷作用時產生微區塑性變形，進而在交變載荷作用下產生疲勞裂紋，并最終導致基體材料的早期失效，影響材料應用。當前，人們對表面膜層在不同應力場和溫度場下磨損、斷裂和剝離等失效形式的研究已經比較深入。但在應力、溫度和濕度等多因素耦合下表面脆性膜層的失效形式和機理，缺乏明確的認識和定量的分析研究。這對表面膜層技術的研究和應用非常不利，不能準確地預測膜層體系的使用性能、使用壽命；不能采取有效的措施來避免或降低這種影響。深入系統研究力-環境耦合下表面膜層失效機理，是提高薄膜材料的服役安全及可靠性的基礎。對韌性材料來講，如金屬，在服役過程中經常受到力-環境多重影響因素，在較大載荷情況下，會在材料表面形成微裂紋，隨著裂紋擴展，材料會發生斷裂失效。現在研究金屬的應力腐蝕主要是材料在拉應力作用下進行的，既然拉應力可以使材料發生應力腐蝕開裂，在材料的服役過程中受到多種應力，在壓痕應力下是否也可以使材料發生應力腐蝕開裂呢？弄清在壓痕應力下材料的應力腐蝕問題迫在眉睫。上述問題引起了國內外科技界、產業界和政府部門的高度重視和廣泛關注。CN200410020516.9提出了一種連續加載維氏硬度計、CN201210240785.0提出了一種硬度計用高度可調夾具、CN201010161619.2提出了一種基于納米壓痕連續剛度曲線的薄膜和莫及界面的物理性質測試方法，但上述專利并不能在溫度、持續載荷、溶液介質等多重耦合因素下進行實驗，達不到我們所需實驗要求，所以急需一種能在不同環境下一種持續加載多功能壓痕式應力腐蝕試機。
發明內容
由于傳統儀器不能滿足實驗要求，本發明的目的就是提供一種能在不同環境中一種持續加載多功能壓痕式應力腐蝕試機。本發明一種持續加載壓痕式應力腐蝕試驗機，其特征在于:它包括一個帶有套筒的實驗支架平臺，套筒內有內螺紋；一通過粗調及微調控制的壓桿；一傳感器，其設置在壓桿正下方；一壓頭，其設置在傳感器底端；一可上下移動的載物臺，上面有溫度可控的溶液池。進一步的，粗調和微調通過軸承與壓桿相接，粗調可以使載荷快速變化至所需載荷附近，微調則可以緩慢調節來實現載荷連續變化；所述帶內螺紋的通孔和套筒，和壓桿相配，在轉動粗調、微調時可使壓桿上下動。進一步的，所述傳感器安裝在壓桿和壓頭中間。進一步的，所述壓頭為維氏壓頭或球形壓頭。進一步的，所述實驗支架底部有一通孔，內部包含一軸承，軸承與帶螺紋的絲杠相連接，旋轉旋轉鈕時絲杠在軸承的作用下依靠自身重力上下移動，絲杠上端與載物臺相接，在載物臺上有陶瓷溶液池，陶瓷池內安置有控溫電阻。一種持續加載壓痕式應力腐蝕試驗機的試驗方法，其特征在于，所述方法如下:(I)在一定載荷下，通過壓頭與試樣之間的相互接觸來確定脆性材料的斷裂韌性，并觀測在持續加載條件下環境對裂紋擴展的影響；(2)在一定環境條件下，通過產生一定長度的徑向裂紋確定脆性材料裂紋發生滯后擴展的門檻應力；(3)在溶液介質中，通過維氏壓痕研究韌性材料的裂紋擴展；(4)通過外連電化學工作站，觀測在裂紋擴展的過程中電化學參量的變化；具體操作如下:a將載荷、壓痕對角線長度，彈性模量、裂紋原始長度帶入脆性材料斷裂韌性Krc公式:人V=0.01其中:C(1:裂紋原始長度，d:壓痕對角線長度，P:載荷大小，Y:彈性模量保持載荷不變，控制環境變化，觀察裂紋擴展情況；b控制外界環境不變，不斷改變載荷大小直至產生徑向裂紋，持續加載并觀察裂紋是否擴展，若經過一段時間裂紋擴展則認為此時的應力為門檻應力；c控制外界環境，用試驗機對韌性材料持續加載，觀察在材料表面裂紋形核及擴展失效；d外連電化學工作站，用三電極法測量隨著裂紋擴展電化學參量的變化。本發明由于采用以上方法，其具有以下優點:1、納米壓痕或硬度計只能局限于單一應力，空氣中短時間加載，而多功能壓痕式應力腐蝕試機可以在不同環境中實現連續長時間加載，為解決在應力、溫度和濕度三者耦合作用下材料失效問題提供了環境條件。2、本發明方法可以直接對試樣進行實驗，不需要標準樣，只需幾個平行樣即可，測試數據具有較好的穩定性，離散性較小，更接近真實材料服役環境。3、本發明載荷可連續變化、環境溫度、介質種類可控，可進行不同實驗。4、本裝置開創了運用壓痕裂紋研究金屬材料的應力腐蝕及硬質薄膜在力-環境耦合作用下裂紋擴展的先例。5、本裝置操作簡單、造價便宜，與傳統硬度計相比能節約更多的材料費用，并能真實模擬實驗環境。綜上所述優點，多功能壓痕式應力腐蝕試機對在應力、溫度和濕度三者耦合作用下材料失效問題的解決起著至關重要的作用，對國民經濟建設有著異常廣闊的應用前景。
圖1是本發明裝置結構示意2是圖1載物臺及絲杠剖視圖
具體實施例方式首先對本發明的理論基礎和研究結果進行詳細介紹。先分析卸載壓痕裂紋，壓痕裂紋卸載后存在殘余拉應力，殘余應力引起的應力因子&等于壓痕裂紋的斷裂韌性Krc:
權利要求
1.一種持續加載壓痕式應力腐蝕試驗機，其特征在于:它包括一個帶有套筒的實驗支架平臺，套筒內有內螺紋；一通過粗調及微調控制的壓桿；一傳感器，其設置在壓桿正下方；一壓頭，其設置在傳感器底端；一可上下移動的載物臺，上面有溫度可控的溶液池。
2.如權利要求1所述的一種持續加載多功能壓痕式應力腐蝕試驗機，其特征在于:粗調和微調通過軸承與壓桿相接，粗調可以使載荷快速變化至所需載荷附近，微調則可以緩慢調節來實現載荷連續變化；所述帶內螺紋的通孔和套筒，和壓桿相配，在轉動粗調、微調時可使壓桿上下動。
3.如權利要求1所述的一種持續加載多功能壓痕式應力腐蝕試驗機，其特征在于:所述傳感器安裝在壓桿和壓頭中間。
4.如權利要求1所述的一種持續加載多功能壓痕式應力腐蝕試驗機，其特征在于:所述壓頭為維氏壓頭或球形壓頭。
5.如權利要求1所述的一種持續加載多功能壓痕式應力腐蝕試驗機，其特征在于:所述實驗支架底部有一通孔，內部包含一軸承，軸承與帶螺紋的絲杠相連接，旋轉旋轉鈕時絲杠在軸承的作用下依靠自身重力上下移動，絲杠上端與載物臺相接，在載物臺上有陶瓷溶液池，陶瓷池內安置有控溫電阻。
6.根據權利要求1所述的試驗機的試驗方法，其特征在于，所述方法如下: (1)在一定載荷下，通過壓頭與試樣之間的相互接觸來確定脆性材料的斷裂韌性，并觀測在持續加載條件下環境對裂紋擴展的影響； (2)在一定環境條件下，通過產生一定長度的徑向裂紋確定脆性材料裂紋發生滯后擴展的門檻應力； (3)在溶液介質中，通過維氏壓痕研究韌性材料的裂紋擴展； (4)通過外連電化學工作站，觀測在裂紋擴展的過程中電化學參量的變化；具體操作如下: a將載荷、壓痕對角線長度，彈性模量、裂紋原始長度帶入脆性材料斷裂韌性Kk公式:
全文摘要
本發明是研究材料裂紋滯后擴展及相關力學行為的實驗裝置，研究不同應力、環境介質、溫度對裂紋形核及擴展的影響規律，清楚闡述應力-環境耦合下材料失效的規律和機理。①通過壓頭與試樣之間在一定載荷下相互接觸來確定脆性材料的斷裂韌性，并觀測在持續加載條件下環境對裂紋擴展的影響。②在一定環境條件下，通過產生一定長度的徑向裂紋來確定脆性材料裂紋發生滯后擴展的門檻應力。③在溶液介質中，通過壓痕研究韌性材料的裂紋擴展。④通過外連接電化學工作站，觀測在裂紋擴展的過程中電化學參量的變化。本發明裝置操作簡單，方便，實驗環境及載荷大小可控，特別適合不同環境下長時間加載，該壓痕儀構造簡單，操作方便，具有很大的應用推廣前景。
文檔編號G01N17/00GK103163035SQ20131007639
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者喬利杰, 龐曉露, 郭濤 申請人:北京科技大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
