直流电位差法测量316L管道疲劳裂纹扩展的研究

许新军

(上海宏予测试仪器有限公司，上海 200120)

在工程机械、电气系统中所用的不锈钢材料在服役过程中长期承受疲劳载荷的作用，管壁、焊接接头以及变截面部位会产生应力集中。由于受到疲劳损伤积累而萌生疲劳裂纹，在一定循环次数后形成宏观裂纹，裂纹再进一步扩展可能导致零部件或者金属材料的断裂，不仅会造成巨大经济损失、还可能导致人员伤亡[1]。

电气主管道采用固溶处理的316L不锈钢制作，其疲劳裂纹扩展速率的高低直接决定着电气管道的服役寿命，因此需要通过疲劳试验进行测试。而疲劳裂纹扩展速率的测试通常采用涡流法和电位法，涡流法对于裂纹扩展的定量测量比较困难，提离效应难以排除，只有采用电位法最适于裂纹扩展速率的测量。

1 试验材料

电气主管道材料用316LN不锈钢，经固溶处理。从管道上割取试样材料，按照ASTM E399标准加工成0.5T CT试样。由于直流电压降方法对裂纹的分支很敏感，当裂纹尖端平直度较差时，测量到的裂纹长度非常接近最短的裂纹。因此为了保证裂纹尽量沿着垂直于加载的方向扩展，同时尽量避免产生裂纹的分支造成测量的错误，我们在试样两侧切深度为试样厚度5%的侧槽引导裂纹沿着开口方向扩展。管道和试样的形状如图1，试样的切槽沿管道半径方向，F面平行于管道横截面方向。试样尺寸见表1。

图1 主管道尺寸和试验用CT试样Fig.1 CT specimens for main pipeline dimensions and tests

表1 CT试样尺寸

2 DCPD裂纹扩展测量系统

2.1 DCPD裂纹扩展测量系统的原理

电位法又称电位差法或电导法，其物理原理是基于金属的导电性。当电流从构件的被检测部位通过时，会产生一定的电流和电位场。当构件上出现裂纹时，电流和电位场也会随之发生变化，并且通过电位U的改变体现出来。裂纹的位置、形状和尺寸不同，它对被检测部位电流和电位场的印象也不同。因此，电位差可以当作表征裂纹的位置与尺寸参数的函数，通过测量和分析电位差信号，即可对构件表面疲劳裂纹的产生和扩展进行监测[2-3]。

图2中电极A和电极B称为电流电极或电流探针，一个给定的直流电流通过该对电极，在工件上产生电流场分布以及一个与材料的组成和结构特性有关的电位分布。通过另一对电极C和D可以检测检测某两点的电位差，并在电压表上显示。在工件表面产生疲劳裂纹前后，分别以相同的电流加在工件的表面上，那么电位差是一个裂纹长度的函数。从图中可看出，裂纹的存在破坏了材料的连续性，并引起电流和电位场的变化，此变化随着裂纹位置与长度的不同而有所不同。因此，可通过电位的变化来判断裂纹的产生和扩展情况[4]。

2.2 DCPD裂纹扩展测量系统

图3是DCPD裂纹扩展系统的结构示意图，其中各个单元模块分表采用以下仪表及功能卡：

1)Agilent 34970A 数据采集开关单元，配插入式Agilent 34901A 20通道衔铁继电器多路转换器模块插入34970A后面板#100槽；

2)Agilent 34420A 纳伏微欧表，用以采集微电压，前面板#1通道接入电位信号；

3)Agilent 6611C 恒流源，前面板接出电流；

4)NI PCI-GPIB 488.2计算机控制卡，插在计算机PCI槽中，驱动程序NI 488.2 V3.0.2电流换向模块，计算机控制并口IO。其中，图4是GPIB接线图。

(a)无裂纹；(b)有裂纹图2 DCPD裂纹测量系统原理图(a) without crack; (b) with crackFig.2 Principle diagram of DCPD crack measurement system

图3 DCPD裂纹扩展采集系统结构示意图Fig.3 Structural schematic diagram of DCPD crack propagation acquisition system

图4 GPIB接线图Fig.4 GPIB wiring diagram

2.3 电位测量流程

DCPD裂纹扩展测量系统进行电位测量的基本流程见图5所示。

3 疲劳试验及分析

3.1 实验条件

在室温的空气中做疲劳试验，载荷比R=0.3，频率f=1 Hz，通过改变K的大小。试验目的是得到材料在在不同K值下的疲劳裂纹扩展速率。

图5 电位测量的基本流程Fig.5 Basic Flow of Potential Measurement

3.2 实验结果

首先做了升K然后降K的试验，采用了两个试样以便作对比，提高数据的可信性。首先对1033进行试验，发现降K和升K的裂纹扩展速率差别较大。从曲线图6上可以观察到，在升K阶段不同K下的裂纹扩展曲线都表现出凹状。这是因为疲劳试验时材料裂纹尖端会产生塑性区域，K值越大则塑性区域尺寸越大。因此在降K试验时前一阶段较大的塑性区域会影响到后一阶段的裂纹扩展(裂纹在该区域的扩展速率相对较慢)，只有当裂纹穿过塑性区域后才能认为此时才是该阶段K下真正的裂纹扩展速率。然而对于升K的实验则不会出现这种情况。

为了保证升K试验时后一阶段裂纹扩展不受前一阶段的影响，在1030进行试验时提高了每个阶段的Δa/W。

图6 316LN-1033时间-裂纹长度曲线Fig.6 The curve of time and crack length for 316LN-1033

图7 316LN-1030时间-裂纹长度曲线Fig.7 The curve of time and crack length for 316LN-1030

表疲劳裂纹扩展速率(mm/s)

对比1033和1030的实验结果并将裂纹扩展速率总结在表2中，发现无论是升K还是降K试验，1030的裂纹扩展速率都比1033要高，如图8所示。

图8 316LN裂纹扩展速率对照Fig.8 Contrast of crack growth rate of 316LN

产生这种现象的原因分析如下，对比图9、图10可以发现1030在升K阶段试验时间很短而且力值变化迅速，1033在升K阶段虽然时间相较于降K阶段不足够长，但是比1030的时间要长。因此1030在升K的实验是非常不稳定的，数据可信度低。对于1033来说降K阶段的实验，由于设定的每个阶段Δa/W较小，在还没有完全或者刚穿过前阶段实验产生的塑形区域时该阶段的实验就结束了，这样得到的结果就会较真实的裂纹扩展速率小[5]。

图9 316LN-1033 K/P随时间的变化曲线Fig.9 Curve of K/P with time of 316LN-1033

图10 316LN-1030 K/P随时间的变化曲线Fig.10 Curve of K/P with time of 316LN-1030

这样因为1030的降K实验每个阶段都穿过了前阶段造成的塑性区域，所以这阶段的数据结果有很高的可信度。1033的升K阶段持续时间稍长，力值变化不是很迅速，因此这阶段的数据有很高的可信度。这样我们可以认为1030的降K实验和1033的升K实验结果应该很接近，图8的曲线也证实了这种结论。但是在K=40时升K的裂纹扩展速率还是比降K的结果要大，这可能是因为升K时力变化太迅速。

4 结论

利用CT试样做降K试验时一定要保证后一阶段的裂纹扩展完全穿过前阶段造成的塑性区域。当裂纹长度表征值a/W>0.55时如果K>30 MPa/m疲劳开裂可能偏离试样的平面应变准则较大，因此测量到的裂纹扩展速率会有较大误差。1030的降K实验结果和1033的升K实验结果是试样的真正的疲劳裂纹扩展速率。