防试样起气泡的化学应力腐蚀拉伸系统及应变测量方法
阅读说明：本技术 防试样起气泡的化学应力腐蚀拉伸系统及应变测量方法 (Chemical stress corrosion stretching system for preventing sample from bubbling and strain measurement method ) 是由 陈金龙 王浩森 林祥龙 冯晓卫 孙翠茹 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：一种防试样起气泡的化学应力腐蚀拉伸系统及应变测量方法,系统包括水平原位拉伸装置、PC拉伸控制器、水浴箱、DIC系统、去泡装置；水平原位拉伸装置包括底座、左、右两半夹具、使两半夹具实相向移动的拉伸驱动机构；设在底座上的拉伸装置控制接口与PC拉伸控制器电连接；水浴箱置于底座上方,两半夹具的内侧立边部伸入到水浴箱内,使试件浸入腐蚀液中；在水浴箱前侧壁上设有玻璃窗口；水浴箱侧壁上还设有进液孔和回液孔；DIC系统设置于水浴箱前侧壁外且其摄像头对准玻璃窗口；去泡装置包通过管路连接的溶液泵、溶液罐、喷洒头组件和单向阀；喷洒头组件固定于进液孔位置,喷洒头出液方向朝向试件前侧成像面。本发明扩展了拉伸试验的应用。(A chemical stress corrosion stretching system for preventing a sample from bubbling and a strain measurement method are disclosed, wherein the system comprises a horizontal in-situ stretching device, a PC stretching controller, a water bath tank, a DIC system and a defoaming device; the horizontal in-situ stretching device comprises a base, a left clamp half, a right clamp half and a stretching driving mechanism which enables the clamp halves to move in opposite directions; the stretching device control interface arranged on the base is electrically connected with the PC stretching controller; the water bath tank is arranged above the base, and the vertical edge parts of the inner sides of the two halves of the clamps extend into the water bath tank to immerse the test piece into the corrosive liquid; a glass window is arranged on the front side wall of the water bath box; the side wall of the water bath tank is also provided with a liquid inlet hole and a liquid return hole; the DIC system is arranged outside the front side wall of the water bath box, and a camera of the DIC system is aligned with the glass window; the defoaming device comprises a solution pump, a solution tank, a spraying head assembly and a one-way valve which are connected through pipelines; the spraying head assembly is fixed at the position of the liquid inlet hole, and the liquid outlet direction of the spraying head faces to the front side imaging surface of the test piece. The invention extends the application of tensile testing.)
技术领域
本发明属于材料力学拉伸测试以及光测实验力学领域，具体涉及一种防试样起气泡的化学应力腐蚀拉伸系统及应变测量方法。
背景技术
在材料测试和力学实验领域，拉伸测试试验是研究材料机械性能最基本、应用最广泛的实验，被广泛应用于表征金属以及非金属的力学响应，评估不同试件的功能差异，绘制材料的拉伸曲线，探究材料的本构关系。
应力腐蚀是金属材料在腐蚀性介质和拉伸应力的共同作用下产生的一种破坏形式。金属发生应力腐蚀时，腐蚀和应力这两个因素是相互促进的。因此应力腐蚀相对于原位拉伸，会对试样的力学表征和实际应用产生更大的影响，对材料的强度、刚度、寿命等性能影响也非常大，甚至影响材料的可靠性。由此产生对试样应变测量的更高要求，需要将试样置于化学溶液水浴中进行力学表征。
但是在传统的力学拉伸测试中，由于装置的结构和数据采集角度的局限，材料往往只能进行无水浴的拉伸试验，无法测得材料经应力腐蚀后的力学性能，无法得到材料经应力腐蚀后实时的力学响应。所以需要对传统的拉伸测试进行改进，使其具备在应力腐蚀下进行拉伸测试的功能，以测量材料在化学溶液水浴条件下的力学性能参数。
应力腐蚀拉伸实验有两个突出问题要解决，第一就是应力应变场的测量问题。传统的拉伸装置一般在试件表面上方进行数据采集，但独立的DIC(数字图像相关)测试系统镜头表面为纵向，因此无法在试件表面朝上的情况下进行测量。因此在实验中，需要在试样表面平行于DIC系统镜片表面的情况下进行测量，即试样由原来的表面朝上变成朝向侧面。此外传统的拉伸装置拉伸的试样时经过应力腐蚀后的，需要对应力腐蚀条件下对试样进行拉伸并实时测量其应力应变。
化学腐蚀试验中第二个要解决的问题就是试样表面起气泡的问题。当水浴箱中进行对试样化学应力腐蚀拉伸实验时，试件表面由于化学腐蚀会出现气泡，出现的气泡会对DIC成像造成影响。因此需要在试样表面出现气泡时及时利用溶液冲洗试样，以减少气泡对成像的影响。
因此，需要一种化学应力腐蚀条件下防试样起气泡的非接触式拉伸装置及全场测量系统，来快速、便捷、准确地评估材料的力学性能
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种应力腐蚀条件下防试样起气泡的拉伸系统及应变测量方法，使其能够实现材料在化学环境下拉伸加载，并防止试样表面产生气泡进行全场应变实时测量，用于扩展拉伸试验的应用。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现:
一种应力腐蚀条件下防试样起气泡的拉伸系统，其特征在于：包括水平原位拉伸装置、PC拉伸控制器、盛装腐蚀液的水浴箱、DIC系统、去泡装置；
所述水平原位拉伸装置包括底座、呈左右相对设置的左半夹具和右半夹具、使两半夹具实现沿左右方向相向移动的拉伸驱动机构；在底座上设置有拉伸装置控制接口，用于与PC拉伸控制器电连接；左、右两半夹具均由外侧立边部、内侧立边部和连接内外侧立边部的上横边部构成，左、右两半夹具的外侧立边部与底座上端导向配合，左、右两半夹具的内侧立边部之间形成试样夹持空间；
所述水浴箱置于底座上方且位于左、右两半夹具之间，左、右两半夹具的内侧立边部伸入到水浴箱内，使被夹持的试件浸入到腐蚀液中；在水浴箱的前侧壁上设置玻璃窗口；在水浴箱的侧壁上还设置有进液孔和回液孔；
所述DIC系统设置于水浴箱前侧壁外且DIC系统的摄像头对准玻璃窗口；
所述去泡装置包括溶液泵、溶液罐、喷洒头组件和单向阀；所述单向阀、溶液罐和溶液泵设置于水浴箱外部且通过管路依次串联连接；所述喷洒头组件设置于水浴箱内部，由喷洒头和导管构成，导管一端与喷洒头固定连接，导管另一端固定于进液口位置，喷洒头出液方向朝向试件前侧成像面；所述溶液泵通过溶液输入管道与导管的另一端连接，所述单向阀通过溶液回流管道与水浴箱上的回液孔位置连接。
进一步的：在水浴箱的前侧壁上靠近上端的位置设置有溢流孔。
进一步的：所述拉伸驱动机构包括电机、传动丝杆；所述电机安装在底座上设置的电机安装槽内；所述传动丝杆为两端设置有旋向相反螺纹的丝杆结构，所述传动丝杆的两端通过螺纹配合分别与左、右两半夹具的外侧立边部驱动连接；所述传动丝杆在一端通过传动机构与电机驱动连接。
进一步的：在底座上沿左右方向设置有夹具安装槽，左、右两半夹具的外侧立边部的下端部嵌入到夹具安装槽内。
进一步的：所述水浴箱及左、右两半夹具的材质采用高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢或者超纯高铬铁素体钢。
进一步的：在左、右两半夹具的内侧立边部上相对固定有左侧夹持固定块和右侧夹持固定块，两侧夹持固定块分别通过螺栓连接有左侧夹持活动块和右侧夹持活动块。
一种应力腐蚀条件下防试样起气泡的应变测量方法，基于上述的拉伸系统，包括如下步骤：
步骤1、对整个实验系统进行检查，主要检查以下几方面：
(1)检查去泡装置是否连接完好，保证溶液罐、溶液泵和单向阀之间的管道、线路都连接完好；
(2)检查PC拉伸控制器是否与水平原位拉伸装置连接完好；
(3)开启并检查DIC系统是否良好，左、右两半夹具之间的试样安装位是否在DIC的成像范围内；
待一切检查完好，开始正式进入实验；
步骤2、将试件装夹在原位拉伸装置的左、右两半夹具之间，通过螺栓将试件和试件夹持活动块以及试件夹持固定块相连固定，试件位于夹持活动块与夹持固定块之间；
步骤3、根据实验要求，将水平原位拉伸装置上的溶液输入管道和溶液泵相连接，溶液回液管道与单向阀连接，一切就绪；
步骤4、正式进入测量环节，调节DIC系统摄像头，使其处于合适的角度和位置，让试件表面能够填满DIC系统成像视野；
步骤5、依次开启溶液罐、溶液泵，进行应力腐蚀，后续利用DIC系统对在试件表面进行应力腐蚀的过程中进行实时图像采集；
步骤6、开启PC拉伸控制器，调节好拉伸速率进行拉伸试验，同时用DIC系统每间隔预定好的一段时间后透过玻璃窗口对试件进行成像扫描，直至试验结束；在试验过程中试件在溶液中产生气泡，及时利用喷洒头对试件喷洒溶液，以排除气泡；在溶液过多时，由溢流孔及时排出，以保持液面高度；
步骤7、试验结束后按顺序关掉PC拉伸控制器、溶液泵和溶液罐；
步骤8、取下夹持在左右两半夹具上的试件，结束试验；
步骤9、最后在DIC系统中进行全场应变分析，得出实验结果。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明将夹具部分设计成了水浴式夹具，可以伸入水浴箱浸于化学溶液中实现应力腐蚀，并且夹具加持试件的方向也在原来基础上发生了变化。试件的观察面由平行于箱体底面变成了平行于箱体侧面，从而方便了搭载DIC系统进行成像。
2、本发明将水浴箱正面中心区域设计成透明玻璃，可以通过窗口观察到材料的应力腐蚀状态，DIC系统可以通过玻璃对试样进行图像采集。DIC系统作为成像分析装置，可以透过水浴侧面的透明玻璃对拉伸试件进行实时成像以及全场应变分析。
本发明可以实现集试样动态加载、应力腐蚀以及图像采集、应变分析为一体的多种功能；改变以往的拉伸夹具形式，试样浸于化学溶液，可用于分析应力腐蚀下试样的力学性能变化；同时搭载去泡装置，及时清除试样在成像过程中由于化学因素产生的气泡，提高了成像精度。
附图说明
图1为本发明拉伸系统的整体示意图；
图2是本发明水平原位拉伸装置和水浴箱配合的立体图；
图3是本发明水平原位拉伸装置和水浴箱配合的俯视图；
图4是本发明夹具与试样配合的示意图；
图5a是本发明喷洒头组件的俯视图；
图5b是本发明喷洒头组件的立体图；
图5c是本发明喷洒头组件的正视图；
图5d是本发明喷洒头组件的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
一种应力腐蚀条件下防试样起气泡的拉伸系统，请参见图1-5d，其发明点为：包括水平原位拉伸装置2、PC拉伸控制器1、盛装腐蚀液的水浴箱4、DIC系统3、去泡装置5。
所述水平原位拉伸装置实现对样件的水平拉伸，主要包括底座2.6、呈左右相对设置的左半夹具2.2和右半夹具2.4、使两半夹具实现沿左右方向相向移动的拉伸驱动机构。其中，左、右两半夹具及上述水浴箱材质采用高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢或者超纯高铬铁素体钢等耐腐蚀材料。拉伸驱动机构采用由电机驱动的丝杆传动机构，具体为：所述拉伸驱动机构包括电机2.1、传动丝杆2.5。所述电机安装在底座上设置的电机安装槽内。所述传动丝杆为两端设置有旋向相反螺纹的丝杆结构，所述传动丝杆的两端通过螺纹配合分别与左、右两半夹具的外侧立边部驱动连接。所述传动丝杆在一端通过传动机构与电机驱动连接，其中传动机构可采用常见的齿轮传动、带轮传动等，传动机构在附图中未示意图出。在底座上设置有拉伸装置控制接口2.3，用于与PC拉伸控制器电连接。左、右两半夹具均由外侧立边部、内侧立边部和连接内外侧立边部的上横边部构成。左、右两半夹具的外侧立边部与底座上端导向配合，具体的，可在底座上沿左右方向设置有夹具安装槽，左、右两半夹具的外侧立边部的下端部嵌入到夹具安装槽内。左、右两半夹具的内侧立边部之间形成试样夹持空间。具体的，可在左、右两半夹具的内侧立边部上相对固定有左侧夹持固定块2.7和右侧夹持固定块2.9，两侧夹持固定块分别通过螺栓连接有左侧夹持活动块2.8和右侧夹持活动块2.10，使试件的左端夹持固定于左侧夹持固定块和左侧夹持活动块之间，并使试件的右端夹持固定于右侧夹持固定块和右侧夹持活动块之间。所述水浴箱置于底座上方且位于左、右两半夹具之间，左、右两半夹具的内侧立边部伸入到水浴箱内，使被夹持的试件浸入到腐蚀液中，具体的，可在水浴箱的左侧壁上端中部和左侧壁上端中部分别设置凹槽，使两侧夹具的上横边部分别通过凹槽伸入到水浴箱内。在水浴箱的前侧壁上设置玻璃窗口4.2。在水浴箱的侧壁上还设置有进液孔4.3和回液孔。另外，在水浴箱的前侧壁上靠近上端的位置进一步设置有溢流孔4.1，在水浴箱内的溶液过多时，由溢流孔及时排出，以保持液面高度。
所述DIC系统设置于水浴箱前侧壁外且DIC系统的摄像头对准玻璃窗口；
所述去泡装置包括溶液泵、溶液罐、喷洒头组件和单向阀；所述单向阀、溶液罐和溶液泵设置于水浴箱外部且通过管路依次串联连接；所述喷洒头组件设置于水浴箱内部，由喷洒头和导管构成，导管一端与喷洒头固定连接，导管另一端固定于进液口位置，喷洒头出液方向朝向试件前侧成像面，所述溶液泵通过溶液输入管道与导管的另一端连接，所述单向阀通过溶液回流管道与水浴箱上的回液孔位置连接。采用本去泡装置当试件表面出现气泡时能及时通过导管和喷洒投抽入溶液(腐蚀液)喷洒于试件表面清除气泡，消除气泡对成像的影响。根据流体力学原理，同一根导管内流体的流量恒定，根据v＝q/A，v代表流速，q表示流量，A表示横截面积，所以可以通过调整导管和喷洒头的横截面积控制其内部溶液的流速，以达到去除气泡的最佳效果。
一种应力腐蚀条件下防试样起气泡的应变测量方法，基于上述的拉伸系统，包括如下步骤：
步骤1、对整个实验系统进行检查，主要检查以下几方面：
(1)检查去泡装置是否连接完好，保证溶液罐、溶液泵和单向阀之间的管道、线路都连接完好；
(2)检查PC拉伸控制器是否与水平原位拉伸装置连接完好；
(3)开启并检查DIC系统是否良好，左、右两半夹具之间的试样安装位是否在DIC的成像范围内；
待一切检查完好，开始正式进入实验；
步骤2、将试件装夹在原位拉伸装置的左、右两半夹具之间，通过螺栓将试件100和试件夹持活动块以及试件夹持固定块相连固定，试件位于夹持活动块与夹持固定块之间；
步骤3、根据实验要求，将水平原位拉伸装置上的溶液输入管道和溶液泵相连接，溶液回液管道与单向阀连接，一切就绪；
步骤4、正式进入测量环节，调节DIC系统摄像头，使其处于合适的角度和位置，让试件表面能够填满DIC系统成像视野；
步骤5、依次开启溶液罐、溶液泵，进行应力腐蚀，后续利用DIC系统对在试件表面进行应力腐蚀的过程中进行实时图像采集；
步骤6、开启PC拉伸控制器，调节好拉伸速率进行拉伸试验，同时用DIC系统每间隔预定好的一段时间后透过玻璃窗口对试件进行成像扫描，直至试验结束。在试验过程中试件在溶液中产生气泡，及时利用喷洒头对试件喷洒溶液，以排除气泡；在溶液过多时，由溢流孔及时排出，以保持液面高度；
步骤7、试验结束后按顺序关掉PC拉伸控制器、溶液泵和溶液罐；
步骤8、取下夹持在左右两半夹具上的试件，结束试验；
步骤9、最后在DIC系统中进行全场应变分析，得出实验结果。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
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