CN101694436A

CN101694436A - 一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法

Info

Publication number: CN101694436A
Application number: CN200910210025A
Authority: CN
Inventors: 张亚军; 梁健; 张欣耀
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2029-11-03
Also published as: CN101694436B

Abstract

本发明介绍了一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，特征在于在原试样上设计COD规整体型装卡刀口，通过预先标定建立COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，根据这种对应关系，以COD规装卡刀口处应变来替代电阻应变计测量的试样表面裂纹前缘的应变，将相应的COD规装卡刀口处应变输入计算机，从而实现悬臂弯曲加载低周疲劳试验的应变控制。本发明可提高试验测试精度，增加数据可靠性，节约成本，降低劳动强度；解决了电阻应变计应变粘贴方法中，电阻应变计易疲劳损坏使试验机突然失稳，试样报废的技术难题。

Description

一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法

技术领域

本发明涉及一种试验技术，特别是一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法。

背景技术

低周疲劳，指的是循环应力较高(一般超过试验材料的屈服强度)、循环次数较短(一般低于10⁵)的疲劳，又叫塑性疲劳或应变疲劳。低周疲劳试验，是一种一般在应变模式控制下，采用一定的应变比及较低的试验频率(一般为0.1Hz～1.0Hz)，通过试验机模拟工况进行循环加载测试，以达到获得试验材料低周疲劳性能参数的目的，从而为工程设计提供试验依据的试验。从实质上说，低周疲劳发生的塑性变形比弹性变形要高很多，因此，为了符合实际，也为了保证控制的精度，在低周疲劳试验过程中，通常采用应变来作为控制参数，而一般不用载荷或位移来控制试验。而试验中力的加载方式，根据试验材料在工程应用中所受到的受力方式，可以选用轴向受力、悬臂弯曲受力、旋转弯曲受力、三点弯曲受力、四点弯曲受力等多种形式。

为了测试金属材料在悬臂弯曲加载方式下的低周疲劳表面裂纹扩展性能，需要采用低周疲劳试验的方法。悬臂弯曲加载方式下的低周疲劳，指的是在悬臂弯曲加载方式下，试验材料所表现出的低周疲劳性能。悬臂弯曲加载低周疲劳试验，可以通过COD规控制应变进行该种控制模式下的试验，达到获得悬臂弯曲加载方式下试验材料的低周疲劳性能参数的目的。所述的COD规，也称为裂纹张开位移规，英文为crack opening displacement gage，是一种间接测量裂纹尖端张开位移的量具，由于其测量精度高、稳定性好，一般常用来精确测量标距内的位移变化量。根据应变的定义，COD规测量的位移变化量除以标距，就是该标距范围内的应变。因此，COD规可以精确测量位移，也可以精确测量应变。

对于低周疲劳试验，所施加载荷的峰值往往达到或超过材料的屈服极限而使材料发生塑性变形，因此，为了保证试验控制的精度，低周疲劳试验大都采用应变控制。对于轴向加载的低周疲劳试验，采用应变引伸计控制应变的技术已经比较成熟。然而，对于悬臂弯曲加载的低周疲劳表面裂纹扩展试验，鉴于加载方式的特殊，以及采用大尺寸板状试样，目前常用控制应变的方法有两种：一种是通过粘贴在表面裂纹前缘的电阻应变计来监测应变，通过试验程序不断调整试验载荷或试验机作动器位移来保证应变的近似恒定，这种方法虽然实现了表面裂纹前缘应变的近似恒定，但控制精度较低，电阻应变计在反复疲劳过程中还极易损坏，重新粘贴会使应变零点发生偏移，从而使试验结果的可靠性大打折扣，同时由于需要专人不断调整试验机程序，自动化程度不高，劳动强度较大；另一种方法是将电阻应变计的信号接入计算机，直接采用电阻应变计控制表面裂纹前缘的应变，应该说，选择合适的胶粘剂和正确的电阻应变计粘贴方法，可以保证短时间表面裂纹前缘的应变控制，然而，试验证明这种方法往往会因电阻应变计在长时间的疲劳过程中发生疲劳损坏或脱胶而使试验机突然失稳，最终使加工难度大、费用高的试样被迫报废，无疑增加了试验成本。因此，对于悬臂弯曲加载的低周疲劳表面裂纹扩展试验，目前实现表面裂纹前缘的应变控制还存在一定困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，克服采用不断调整载荷或试验机作动器位移来实现低周疲劳表面裂纹前缘应变近似恒定精度不高的困难，以及解决直接用电阻应变计控制表面裂纹前缘应变极易使试验机失控从而导致试样报废的难题。本发明通过在原试样上设计COD规整体型装卡刀口，通过标定建立COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，从而实现悬臂弯曲加载低周疲劳表面裂纹扩展试验中的应变控制。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提出的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，特征在于在原试样上设计COD规整体型装卡刀口，预先标定建立COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，根据这种对应关系，以COD规装卡刀口处应变来替代电阻应变计测量的试样表面裂纹前缘的应变，将相应的COD规装卡刀口处应变输入计算机，从而实现悬臂弯曲加载低周疲劳试验的应变控制。

本发明的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，所述的在原试样上设计的COD规整体型装卡刀口，其刀口角度不大于COD规两弹性臂末端的角度；刀口间距为COD规的标距长度。所述的在原试样上设计的COD规整体型装卡刀口，其更具体的刀口角度为45度(COD规两弹性臂末端的角度为60度)，刀口间距为10mm。所述的在原试样上设计的COD规整体型装卡刀口，其加工方法可以为能满足试验要求的任何方法。优选的加工方法是首先进行线切割、再通过铣床铣的方法加工。

本发明的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，所述的建立COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，其具体的技术方案是：1)用砂纸打磨粘贴电阻应变计部分的试样表面，并打出与贴方向呈45°角的交叉条纹，然后用浸有丙酮的脱脂棉球清洗干净；2)选择合适的胶粘剂粘贴好电阻应变计，之后电阻应变计表面放一层聚四氟乙烯薄膜、硅橡胶板，再加压，使电阻应变计固化；3)将电阻应变计连接至动态应变仪中，然后通过动态应变仪连接至计算机中；4)将COD规通过连接到计算机中；5)将试样装卡在试验机上，选择不同的应变级别，采用电阻应变计短时控制应变，进行试验标定，建立COD规装卡刀口位置处应变幅值与电阻应变计测量应变幅值的数学关系。上述的具体的技术方案，所述的砂纸可以采用粒度为220～400#的砂纸；所述的浸有丙酮的脱脂棉球也可以采用其他同样具有清污脱脂的效果易挥发的有机溶剂脱脂棉球。

本发明的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，其技术构思在于：针对背景技术所述的大应变下，电阻应变计往往会很快疲劳损坏或脱胶而使试验机突然失稳，最终造成试样报废的情况，设计像轴向加载的低周疲劳试验一样，采用高精度和高稳定性的应变引伸计来实现应变的控制。由于加载方式的特殊，直接采用应变引伸计控制裂纹前缘的应变有一定难度，如果采用具有同样精度和稳定性级别的测量局部位移或应变的COD规，特别是在试样的某个位置可以装卡COD规，而且这个位置在试验条件下所产生的位移或应变在COD规的有效行程内，则通过标定COD规装卡位置处的应变与裂纹前缘电阻应变计测量应变的关系，就可以实现用COD规来控制表面裂纹前缘的应变。

本发明的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，在试样加工时就将COD规整体刀口加工在试样上，然后将COD规装卡在试样上的刀口处，根据标定出的COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，将应变转换至COD规，通过低周疲劳表面裂纹扩展试验的专用软件，设置不同的应变级别，即实现低周疲劳表面裂纹扩展的应变控制。这样就无须再粘贴电阻应变计，达到了同样的效果。

COD规在本专利中能够精确测量尺寸变化的原理在于：COD规的两个弹性臂的末端设计有60度的辅助夹持角度，大于本发明中设计的COD规装卡刀口处45度的角度，因而COD规可以稳定动态地卡持在试样上；设计的刀口间距正好等于COD规的标距长度。当试样在外载荷作用下上下往复运动时，由于刀口与试样一体，刀口间距也会变长或缩短，这个微小的变化就可以通过COD规精确测量出来。同样，COD规在本专利中作为控制用传感器，通过其在一定的应变范围内，促使试验机上下反复运动。所设计的COD规装卡刀口位于试样圆弧的一侧，刀口两侧的角度小于COD规两个弹性臂末端沟槽的角度，COD规装卡刀口间距正好为COD规的标距长度，用力紧捏COD规的两个弹性臂，使之小于刀口间距，然后将COD规两个弹性臂末端的60度沟槽置于45度的刀口沟槽之间，凭借其两个弹性臂的自身弹性，COD规就可以牢牢地固定在刀口上。COD规装卡在试样刀口处后，可以通过计算机应用软件，输入相应的应变幅值大小、应变比、试验频率等试验参数，运行试验机，就可以实现用COD规控制刀口处的应变，从而间接控制表面裂纹前缘的应变，进而可以进行COD规控制应变下的悬臂弯曲加载低周疲劳试验。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，实现了悬臂弯曲加载低周疲劳表面裂纹扩展试验的应变控制，和以前的方法相比，明显提高了试验测试精度，增加了试验数据的可靠性，同时节约了试验成本，降低了劳动强度；解决了采用电阻应变计控制表面裂纹前缘的应变粘贴方法中，电阻应变计在长时间的疲劳过程中易发生疲劳损坏或脱胶而使试验机突然失稳，使试样报废的技术难题。

附图说明

图1是悬臂弯曲加载低周疲劳试验需要测试的原试样形状。

图2是本发明的COD规装卡刀口在试样中的位置。

图3是本发明的COD规装卡刀口的形状。

图4是本发明的COD规与电阻应变计的相对位置关系图。

图5是本发明的COD规装卡刀口位置处应变幅值ε1与电阻应变计测量应变幅值ε2的标定关系图。

图中，1为试样的受约束部分，2为试样的上圆弧面，3为试样的下圆弧面，4为通过机加工方法与疲劳方法获得的表面裂纹，5为粘贴在试样上圆弧面距表面裂纹一定距离的电阻应变计，6为试样的力臂，用于传递试验机作用于表面裂纹尖端的力，7为施加给试样的循环载荷，8为COD规的装卡刀口，9为COD规，a为COD规装卡刀口的间距，等于COD规定标距长度10mm，θ为刀口角度，等于45度，b为电阻应变计沿长度方向中心线距离试样没有安装COD规装卡刀口一侧的距离，等于10mm。

具体实施方式

如图4所示，本发明提出的一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，其在原试样上设计的COD规装卡刀口8位于试样圆弧的一侧，刀口两侧的角度均为45度，小于COD规两个弹性臂末端沟槽的60度角，COD规9的两个弹性臂之间的距离约为20mm，刀口间距为10mm，为COD规的标距长度。用力紧捏COD规的两个弹性臂，使之小于10mm，然后将COD规两个弹性臂末端的60度沟槽卡在45度刀口沟槽之间，凭借两个弹性臂的自身弹性，COD规就固定在刀口上。

根据本发明中所述的COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系原理，测试了一套COD规装卡刀口位置处应变幅值ε₁与电阻应变计测量应变幅值ε₂的标定关系图，结果如图5所示。图中数据计算可得ε₁＝3.5825ε₂，相关系数为0.9952，表明二者具有良好的线性关系。根据此关系，就可以用精度高、稳定性好的COD规代替电阻应变计控制表面裂纹前缘的应变。

在原试样上设计了COD规的装卡刀口，并标定了COD规装卡刀口处应变与电阻应变计测量应变的关系后，即可以实现用COD规控制表面裂纹前缘应变的低周疲劳表面裂纹扩展试验。COD规装卡在试样刀口处后，通过计算机应用软件，输入相应的应变幅值大小、应变比、试验频率等试验参数，运行试验机，用COD规控制刀口处的应变，从而间接控制表面裂纹前缘的应变，进而可以进行COD规控制应变下的悬臂弯曲加载低周疲劳试验。试验条件为：应变比-1，试验频率0.5Hz，采用COD规控制表面裂纹前缘应变，应变幅为11000με(对应电阻应变计的测量应变幅为3070με)。根据以上数据，就可以获得2c-N的关系，从而获得COD规在11000με应变幅控制下的表面裂纹扩展速率d2c/dN。按照这种思路，也可以获得COD规控制其它应变级别下的表面裂纹扩展速率。试验数据见表1

表1COD规控制表面裂纹前缘应变的低周疲劳表面裂纹扩展试验数据表

N	2c/mm	N	2c/mm	N	2c/mm
N	2c/mm	N	2c/mm	N	2c/mm	0	12.09	5910	16.81	11720	22.33
700	12.31	6240	17.10	12340	23.22	0	12.09	5910	16.81	11720	22.33
700	12.31	6240	17.10	12340	23.22	1600	12.68	6830	17.54	12990	23.81
1750	13.12	7460	18.13	13750	24.25	1600	12.68	6830	17.54	12990	23.81
1750	13.12	7460	18.13	13750	24.25	2570	13.78	8080	18.72	14350	25.06
3200	14.37	8700	19.37	14960	25.80	2570	13.78	8080	18.72	14350	25.06
3200	14.37	8700	19.37	14960	25.80	3970	15.18	9300	19.75	15580	26.24

N	2c/mm	N	2c/mm	N	2c/mm
N	2c/mm	N	2c/mm	N	2c/mm	4020	15.48	9500	20.20	16210	26.83
5070	15.85	10150	20.86	16380	27.12	4020	15.48	9500	20.20	16210	26.83
5070	15.85	10150	20.86	16380	27.12	5830	16.36	10790	21.60	16900	27.71

通过试验，表明采用COD规控制应变，自始至终都比较稳定，证明了本发明方法的可靠性与实用性。

Claims

1.一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，其特征在于：在原试样上设计COD规整体型装卡刀口，预先标定建立COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，根据这种对应关系，采用高精度和高稳定性的COD规，以COD规装卡刀口处应变来替代电阻应变计来测量试样的应变，将相应的COD规装卡刀口处应变输入计算机，从而实现悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制。

2.根据权利要求1所述一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，其特征在于：所述的在原试样上设计的COD规整体型装卡刀口，其刀口角度小于COD规两弹性臂末端的沟槽角度；刀口间距为COD规的标距长度。

3.根据权利要求1所述一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，其特征在于：所述的在原试样上设计COD规整体型装卡刀口，其加工方法是首先进行线切割、再通过铣床铣的方法加工。

4.根据权利要求1所述一种悬臂弯曲加载低周疲劳试验应变控制的方法，其特征在于：所述的建立COD规装卡刀口处应变与表面裂纹前缘电阻应变计测量应变的一一对应关系，其具体的技术方案是1)用砂纸打磨粘贴电阻应变计部分的试样表面，并打出与贴片方向呈45°角的交叉条纹，然后用浸有丙酮的脱脂棉球清洗干净；2)选择合适的胶粘剂粘贴好电阻应变计，之后电阻应变计表面放一层聚四氟乙烯薄膜、硅橡胶板，再加压，使电阻应变计固化；3)将电阻应变计连接至动态应变仪中，然后通过动态应变仪连接至计算机中；4)将COD规通过连接到计算机中；5)将试样装卡在试验机上，选择不同的应变级别，采用电阻应变计短时控制应变，进行试验标定，建立COD规装卡刀口位置处应变幅值与电阻应变计测量应变幅值的标定关系。