一种液态铅铋合金中金属材料疲劳裂纹扩展速率测试方法
阅读说明：本技术 一种液态铅铋合金中金属材料疲劳裂纹扩展速率测试方法 (Method for testing fatigue crack propagation rate of metal material in liquid lead-bismuth alloy ) 是由 何西扣 李骥 杨钢 赵吉庆 包汉生 许斌 方才顺 吴冰洁 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：一种液态铅铋合金中金属材料疲劳裂纹扩展速率测试方法,属于核材料的性能测试技术领域。以倒置式疲劳试验机为基础,利用金属反应釜和陶瓷坩埚盛装高温铅铋合金液提供了实验环境,并利用覆盖进行密封,通过反力架、试样结构夹具,装夹三点弯曲断裂韧性试样,将测试部分整体浸入高温铅铋共晶合金液中,利用卧式三点弯曲试样,开口方向向上,在施加载荷过程中,通过高温引伸计测量裂纹扩展速率,从而判断材料在液态金属中的裂纹扩展情况,进而实现在苛刻的高温铅铋环境下测量材料韧性性能,为铅铋快中子反应堆结构材料的选则提供支持。优点在于,避免了引伸计受到腐蚀,降低了实验成本,延长使用寿命。(A method for testing the fatigue crack propagation rate of a metal material in a liquid lead-bismuth alloy belongs to the technical field of performance test of nuclear materials. Based on an inverted fatigue testing machine, an experimental environment is provided by utilizing a metal reaction kettle and a ceramic crucible to contain high-temperature lead-bismuth alloy liquid, the high-temperature lead-bismuth alloy liquid is sealed by utilizing a cover, a three-point bending fracture toughness sample is clamped by a reaction frame and a sample structure clamp, a testing part is wholly immersed into the high-temperature lead-bismuth eutectic alloy liquid, a horizontal three-point bending sample is utilized, the opening direction is upward, and in the loading process, the crack propagation rate is measured by a high-temperature extensometer, so that the crack propagation condition of the material in liquid metal is judged, the toughness performance of the material is measured under the harsh high-temperature lead-bismuth environment, and support is provided for selection of the lead-bismuth fast neutron reactor structural material. The advantages are that the corrosion of the extensometer is avoided, the experiment cost is reduced, and the service life is prolonged.)
技术领域
本发明属于核材料的性能测试
技术领域
，特别涉及一种堆用结构材料的裂纹扩展及断裂韧性测试方法。背景技术
铅铋堆是以液态铅铋共晶合金(LBE)作为冷却剂的反应堆,采用闭式燃料循环方式，是未来第四代核能系统中六种主要堆型之一。“第四代核能系统国际论坛组织GIF”最新发布的第四代核能系统技术路线图显示，铅铋堆有望率先成为实现工业示范和商业应用的第四代核能系统。LBE具有良好的中子学性能，较低的化学活性、良好的传热特性和固有安全性，是铅基堆冷却剂的首要候选材料。尽管LBE具有诸多优势，但是在反应堆运行工况下，结构材料经过高温、高流速LBE的不断冲刷，将发生溶解、氧化、冲蚀和微动磨损等不同类型的腐蚀，进而导致结构材料脆化，使服役材料失效。液态金属与应力的协同作用会导致结构材料发生LME(液态金属脆化)风险会大大提升，LME断裂失效过程包括裂纹的形核和长大，首先是在固－液润湿表面上形成裂纹核心，随后扩展成长裂纹，直至断裂失效。当材料发生腐蚀时，材料成分、介质氧浓度、温度、流速等都会对材料腐蚀产生重要影响。因此研究材料在铅铋环境下裂纹扩展情况以及如何降低裂纹扩展速率，提高材料阻碍裂纹扩展的能力对推动铅铋堆发展有至关重要的意义。
近十年来，有关LME效应对结构材料力学性能影响的研究已逐渐成为国际研究热点。为了评估结构材料在LBE服役环境中的致脆性，国内外相关机构对各自装备进行了改造，在高温铅铋环境下采用慢应变速率拉伸、恒载荷拉伸等应力腐蚀方法研究介质环境因素对结构材料在LBE环境中力学性能的影响。此类方法通过拉伸试样延伸率数值侧面反映LME对材料塑性的影响，但不能直观反映材料的韧性指标，对于材料在高温铅铋环境下裂纹扩展速率和断裂韧性的研究鲜有报道。少数关于断裂韧性的研究工作先采用LBE预浸润方式，之后在Ar气环境下进行实验，其试验环境与材料实际服役的环境差别较大。目前国内外尚无满足高温铅铋环境下进行断裂韧性及裂纹扩展速率的实验条件，由于液态铅铋导电性，以至于不可采用LVDT方式测量电阻方式来测量裂纹扩展量。同时液态铅铋对引伸计的腐蚀导致无法有效测量相对位移量。
液态铅铋环境下的裂纹扩展测量试验方法有较强的创新性，利用此方法可更直观测试材料的韧性性能和疲劳裂纹扩展速率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液态铅铋合金中金属材料疲劳裂纹扩展速率测试方法,能够实现不同实验条件下(温度、应变速率、应变量)的裂纹扩展速率和断裂韧性测量。
本发明以倒置式疲劳试验机(上座动缸)为基础，利用金属反应釜和陶瓷坩埚盛装高温铅铋合金液提供了实验环境，并利用覆盖进行密封，通过反力架、试样结构夹具，装夹三点弯曲断裂韧性试样，将测试部分整体浸入高温铅铋共晶合金液中，利用卧式三点弯曲试样，开口方向向上，在施加载荷过程中，通过高温引伸计测量裂纹扩展速率，从而判断材料在液态金属中的裂纹扩展情况，进而实现在苛刻的高温铅铋环境下测量材料韧性性能，为铅铋快中子反应堆结构材料的选则提供支持。具体测量步骤如下:
(1)在疲劳试验机横梁上安装反力架支柱4、反力架底座8、试样底座9，将试样底座9与试样7中点相接触；试样7应保持开口向上，加载杆5下面连接试样7的两端，形成三点弯曲的力偶。疲劳试验机的中心杆与加载杆5相连，形成一个闭合的施力体系；
(2)试样7开口与陶瓷棒6相连接，陶瓷棒另一端连接高温引伸计1脚部，组成了开口测量系统；
(3)将陶瓷坩埚11放入金属釜体12中，铅铋合金锭装入到试验用陶瓷坩埚11中，加热将其熔化；
(4)将步骤(1)中反力架支柱4、反力架底座8、试样底座9、试样7、加载杆5、陶瓷棒6浸入陶瓷坩埚中，利用釜盖3和密封圈2将金属釜体12密封；
(5)步骤(2)高温引伸计1下部分置于金属釜体12内，上部分置于釜盖3之外；
(6)步骤(1)中的铅铋合金液面应高于试样7上表面5mm；
(7)釜盖3与金属釜体12保持密封，在温度恒定之后，在疲劳试验机频率0-30HZ的范围内选定频率，采用正弦波的加载方式，应力比R＝0.1进行三点弯曲试验、通过高温引伸计1进行裂纹扩展速率的测量。
在加载后，通过加载杆与试样底座之间的作用力和反作用力，使得试样受到单向弯曲的反复作用力，使得开口不断变化，通过陶瓷棒和引伸计，将位移随载荷的变化记录下来，通过载荷和刃口张开计算裂纹扩展速率和应力强度因子，进而在高温铅铋环境下测量裂纹扩展的速度，分析材料在高温铅铋环境下的抵抗裂纹扩展的能力。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明可直接测量液态铅铋环境下材料的断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率，对分析试样的韧性性能有更直观的表征；
2.本发明通过加热装置、实现釜体内部不同介质环境；
3.本发明能够在低温或高温环境下达到良好密封效果，能够模拟特殊介质环境，同时密封避免了铅铋合金蒸汽挥发；
4.本发明由于引伸计与陶瓷连接，避免了引伸计受到腐蚀，降低了实验成本，延长使用寿命。
附图说明
图1是利用本发明方法测试疲劳裂纹扩展速率实验过程的示意图。
图2是式样部分放大图。
图中，高温引伸计1、密封圈2、釜盖3、反力架支柱4、加载杆5、陶瓷棒6、试样7、反力架底座8、试样底座9、铅铋合金液10、陶瓷坩埚11、金属釜体12、加热线圈13、保温棉14。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种液态铅铋合金中金属材料疲劳裂纹扩展速率测试方法，此测试方法首先需对疲劳试验机进行适当改进，在疲劳试验机横梁连接反力架支柱4，反力架支柱4的下端连接反力架底座8，将试样底座9安装在反力架底座8上，试样7中心位于试样底座中心凸台位置，试样7需保持开口向上，加载杆5两端与试样7两端接触，加载杆上端连接原疲劳试验机的中心主动轴。由于三点弯曲实验需要在铅铋中进行，测量裂纹扩展速率所采用的高温引伸计1仅耐高温，却不耐铅铋腐蚀，因此在高温引伸计1脚部连接陶瓷棒6，陶瓷棒6的另一端卡在试样7刃口位置，便于实时测量开口位移，同时高温引伸计1的上部分保持在反应釜密封圈之外。
在原疲劳试验机底座上安装金属釜体12，金属釜体外围包裹加热线圈13和保温棉14，内部嵌入陶瓷坩埚11。将铅铋合金锭装入陶瓷坩埚11，在加热后，铅铋合金液10呈融化状态，将反力架支柱4、加载杆5、陶瓷棒6、试样7、反力架底座8、试样底座9整体浸入铅铋合金液10中，之后将釜盖3与金属釜体12闭合，高温引伸计1、反力架支撑柱4和加载杆5需要密封圈2进行密封，釜内部形成一个密封的环境，尽量减少铅铋合金挥发的气体从釜盖3上方溢出。
所述加热线圈13在釜体外和底部缠绕，用于釜体加热，加热线圈外部用保温隔热作用的硅酸铝材质的保温棉14保温，以便于调整试验温度，进行不同温度的铅铋疲劳裂纹扩展测量实验。
实施例：测试350℃铅铋环境下疲劳裂纹扩展速率
将完成预制裂纹的试样7安装至试样底座9及加载杆5之间，试样7开口向上，开口处与陶瓷棒6相连接，陶瓷棒另一端连接高温引伸计1脚部。将铅铋共晶合金锭装入陶瓷坩埚11，陶瓷坩埚11装入金属釜体12，通过加热线圈13将铅铋合金锭加热熔化后直至350℃，得到铅铋合金液10，保温一段时间后，将反力架支柱4、加载杆5、陶瓷棒6、试样7、反力架底座8、试样底座9整体浸入铅铋合金液10中，铅铋合金液面应高于试样7上表面5mm，之后用釜盖3盖住，用密封圈2进行密封。待试样7与铅铋合金液10整体温度均匀，开始加载，通过加载杆5和试样底座9形成中心向上，两端向下的三点弯曲应力。加载频率为1HZ，加载方式采用正弦波，应力比R＝0.1进行加载，记录高温引伸计1读数和载荷，进而说明在该环境下裂纹扩展速率。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。