CN102023120A

CN102023120A - 膜基界面疲劳试验机

Info

Publication number: CN102023120A
Application number: CN2009101775124A
Authority: CN
Inventors: 路民旭; 张雷; 许立宁; 张颖怀; 蒋鹏飞; 王金光
Original assignee: ANKE PIPING ENGINEERING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: ANKE PIPING ENGINEERING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: CN102023120B

Abstract

本发明提供了一种膜基界面疲劳试验机，包括：试验机机体；提供旋转动能的驱动装置；与驱动装置的输出轴相连的运动转化机构，包括旋转运动部分和直线运动部分；弹性力产生部分，产生周期性的弹性力；设置在试验机体上的试样固定装置，夹持带有膜基界面的试样，所述弹性力施加在试样固定装置上，所述试样的膜基界面与所述弹性力的施加方向在一条直线上，从而使得所述试样的膜基界面受到周期性的剪切应力。采用本发明的膜基界面试验机的结构简单，可以实现低频、低载荷、单向纯剪切加载，并且可以通过调节弹簧的弹性模量来调节施加在试样上的疲劳载荷，有效地解决了现有技术中存在的问题。

Description

膜基界面疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验机，特别是一种膜基界面的疲劳试验机。

背景技术

疲劳是导致材料服役性能退化和构件失效的主要原因之一，对于金属材料的耐疲劳性能测试技术已十分成熟。但在许多情况下，薄膜材料或材料表面附着的膜层本身、薄膜/基体的界面(以下简称膜基界面)均会在外加载荷作用下产生疲劳，导致薄膜断裂或膜/基结合力降低，造成体系失效。这种类型的疲劳发生于膜/基结合强度明显弱于基体本身强度、且遭受来自环境或构件交变载荷的薄膜体系。例如，胶粘剂在连接界面形成的薄膜层、流体输送管道的内防腐涂层、钢铁表面在流动腐蚀介质中产生的具有一定保护能力的腐蚀产物膜等。

胶粘剂目前广泛用于金属材料的连接、修复和防腐工程，是保障非金属涂层或复合材料与金属基体有效连接并发挥效能的关键。在服役过程中，胶粘剂膜层经常由于热胀冷缩、构件或管道弯曲变形等原因遭受剪切应力的作用，剪切应力循环往复的加载形成疲劳载荷，导致胶粘剂与金属的界面脱粘失效。特别是在腐蚀介质中，这种界面脱粘情况更为严重。因而，测定胶粘剂的抗拉伸剪切疲劳性能对于评价胶粘剂/金属界面粘接性能显得非常必要。

此外，在石油、电力、化工等领域，腐蚀问题严重影响安全生产，特别是管道输送含腐蚀性气体(如CO₂、H₂S)的油气介质时，流体的冲刷和腐蚀往往同时进行，使管道内壁减薄或穿孔，导致泄露甚至爆炸等事故发生。金属材料在高温高压CO₂、H₂S多相介质中腐蚀时，表面往往形成具有一定保护作用的腐蚀产物膜，一方面完整致密的腐蚀产物膜可以阻碍腐蚀，另一方面腐蚀产物膜在流体反复冲刷和剪切作用下的局部剥落则会加剧局部腐蚀。大量研究表明，腐蚀产物膜的破裂和剥落主要是由于流体壁面剪切力往复冲刷对膜造成的疲劳效应引起。当管道使用内涂层时，情况也类似。因此确定膜层/金属之间的剪切疲劳程度，对于明确各种腐蚀体系的危害、正确选材和采用防护措施，延长构件或管道的服役期限等均有重要意义。

综上所述，薄膜层一旦发生膜或界面的疲劳，将造成薄膜的破裂或剥落，从而引起连接失效、腐蚀加剧，并诱发更严重的安全事故。而现有试验装置测得的构件、管材等金属材料的疲劳性能不能反映这种膜基界面的抗疲劳能力。目前，常用的疲劳试验机都是以测试金属的疲劳强度为主，其载荷大(一般高于5T)、频率较高(一般大于10Hz)，很难实现单向纯剪切加载，不适合膜层/金属拉伸剪切疲劳性能的测试。并且，传统的疲劳试验机一般由液压机构加载，而液压机构的结构较复杂，费用昂贵且不便于调节。因此有必要针对这种薄膜及膜基界面疲劳开发相应的结构简单且易于操作的试验装置，表征膜基界面真实的性能。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的拉伸剪切疲劳试验机不能实现低频、低载荷、单向纯剪切加载的问题，提供一种结构简单、便于调节的膜基界面的疲劳试验机。

本发明的膜基界面试验机包括：试验机机体；设置在试验机机体上并提供旋转动能的驱动装置；与驱动电装置的输出轴相连的运动转化机构，包括旋转运动部分和直线运动部分，将驱动电机的输出轴的旋转运动转化为直线运动部分的直线运动；弹性力产生部分，随着旋转运动部分的转动，位于弹性力产生部分和旋转运动部分之间的直线运动部分周期性地压迫弹性力产生部分，产生周期性的弹性力；设置在试验机体上的试样固定装置，夹持带有膜基界面的试样，弹性力施加在试样固定装置上，试样的膜基界面与弹性力的施加方向在一条直线上，从而使得试样的膜基界面受到周期性的拉-拉剪应力。

在一个实施例中，试样呈片状，包括第一试片和第二试片，其中第一试片的表面带有膜层而具有膜基界面，第一试片和第二试片部分叠加粘结在一起。试样固定装置包括：试验基座，固定在试验机机体上；环形试验槽，可动地设置在试验基座上，弹性力产生部分形成的弹性力施加在环形试验槽的第一侧，在与第一侧相对的环形槽第二侧形成第一固定台，第二固定台固定地设置在试验基座上并位于环形试验槽内，试样的两端被夹持在第一固定台和第二固定台上。

在又一个实施例中，试样为凸块状，包括第一试块和第二试块，其中第一试块的表面带有膜层而具有膜基界面，第一试块与第二试块叠加粘结在一起。试样固定装置包括试块限位装置，只限定一个试块的位置，试样定位在弹性力产生部分和试块限位装置之间。

在本发明的膜基界面试验机中，弹性力产生部分包括压缩弹簧。

采用本发明的膜基界面试验机的结构简单，可以实现低频、低载荷、单向纯剪切加载，并且可以通过调节弹簧的弹性模量来调节施加在试样上的疲劳载荷，有效地解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

下面的详细说明将参照以下附图进行：

图1为本发明膜基界面试验机第一实施例的示意图；

图2为本发明膜基界面试验机第二实施例的示意图；

图3为本发明膜基界面试验机第三实施例的示意图；

图4为图3所示实施例中试样限位装置的示意图；

图5为本发明膜基界面试验机第四实施例的示意图；

图6为用于本发明膜基界面试验机的一种试样的示意图；

图7为用于本发明膜基界面试验机的另一种试样的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的膜基界面疲劳试验机包括机体11。机体11构成膜基界面疲劳试验机1的外壳。膜基界面疲劳试验机1的驱动设备(图中未示出)为提供旋转动能的电机或液动马达。为了便于调节加载频率，可以选用变频电机(频率可以低于10Hz)。在图1-5中所示的实施例中示出了驱动设备的输出轴12。圆形的凸轮13偏心安装在驱动设备的输出轴12上，由驱动设备带动旋转。本领域的普通技术人员应该了解，凸轮13的形状并不限于圆形。滚轴14安装在导向槽15中。滚轴14的作用在于在凸轮13的推动下沿导向槽15内产生直线的位移，尽管在该实施例中选用了滚轴，本领域的普通技术人员应该明了，可以采用其他适合在导向槽内产生直线位移的结构。在导向槽15的一侧设置有位于试验基座20上的环形试验槽21。环形试验槽21可以在固定的试验基座20上滑动。在环形试验槽21和滚轴14之间安装压缩弹簧17，滚轴14在图中向右的方向运动时压缩弹簧17，弹簧17产生的弹性力沿水平方向施加在环形试验槽21的第一侧上。在与环形试验槽21的第一侧相对的环形试验槽21第二侧的侧壁上形成第一固定台22。在试验基座20上形成有固定的第二固定台23，第二固定台23位于环形试验槽21的内部。

图6所示的片状试样25由两片长条形试片251和252构成。试片251表面带有预先制备的腐蚀产物膜、沉积层、涂镀层或胶黏剂层等膜层，膜层与试块基体之间形成膜基界面。试片251和252对应的一个端部粘结在一起，位于试片251和252之间的膜基界面用标号26来表示。片状试样25的两端分别夹持在第一固定台22和第二固定台23上。第一固定台22和第二固定台23的高度设计成使得片状试样25的膜基界面26与弹簧17形成的弹性力的施加方向在一条直线上。

为了使弹簧17形成的弹性力方向以及对环形试验槽的施力点保持稳定，在如图1所示的优选实施例中，弹簧可以安装在推力轴16上，推力轴的一端具有推块19，弹簧17被压缩时推动推块19，将推力施加在环形试验槽21的第一侧。

如图1所示，为保证推力轴16的稳定性，推力轴17的另一端由滑动体18支撑。滑动体18可动地安装在推力轴16上。

下面结合图1的实施例描述本发明膜基界面疲劳试验机1的工作过程。首先，驱动设备的输出轴12带动凸轮13转动。凸轮13在转动过程中，相对于滚轴14的运动包括两个阶段，即接近滚轴的凸轮轮廓曲线上的点距转动中心的距离逐渐增大的第一阶段和接近滚轴的凸轮轮廓曲线上的点距转动中心的距离逐渐减小的第二阶段。

在第一阶段，凸轮13轮廓曲线上的点逐渐与滚轴14进入接触并推动滚轴14在图面中向右的方向水平运动，滚轴14在向右运动过程中与滑动体18进入接触并推动滑动体18。滑动体18沿推力轴16滑动，压迫弹簧17。弹簧17产生弹性力推动推块19。推块19将力施加在环行试验槽21的第一侧。该推力通过第一固定台22，作用在试样25上，使得膜基界面26从不受剪应力到受到逐渐增大的拉-拉剪应力。

在第二阶段，凸轮13轮廓曲线上的点逐渐与滚轴14脱离接触，弹簧17收到的压迫力逐渐减小直至消除，使得膜基界面26从受到逐渐减小的拉-拉剪应力到不受剪应力。

通过设计凸轮的形状，选择弹簧的弹性模量，可以控制膜基界面26受到的剪应力。在实践中，为方便操作，通常保持疲劳测试机的内部结构不变，只通过选择弹性模量不同的弹簧来改变疲劳载荷。

在又一优选实施例中，可以在推块19上设置压敏传感器27，压敏传感器27与显示器28电连接，将弹簧产生的弹性力的数值显示在显示器28上。忽略环形试验槽21与试验基座20之间的静摩擦力，在显示器28上显示的数值大约相当于膜基界面26所受的拉-拉剪力。另外，所述的显示器还可以显示弹性力施加的次数，从而通过实验得出在某一疲劳载荷下的寿命。在整个实验过程中，膜基界面26只受到周期性的拉-拉剪应力。

在如图1所示的实施例中，也可以将滑动体18加长，而省略滚轴14，利用凸轮13直接带动滑动体18而将输出轴12的旋转运动转化为滑动体18的直线运动，从而推动压缩弹簧17。

图2示出了本发明的又一个实施例，其中在图中用于将旋转运动转化为直线运动的凸轮13和滚轴14被转盘43，连杆44和滑块45所代替。其中转盘43为与驱动设备的输出轴12同心的转盘。连杆44的一端铰接在转盘43上，另一端铰接在滑块45上。滑块45设置在导向槽15中。该实施例的其它部分与前述的实施例一样。转盘43的转动带动滑块45往复地直线运动，从而使弹簧17受压，而对试样上的模拟膜基界面产生周期性的拉-拉剪应力。

在图2所示的实施例中，也可以将连杆44直接铰接在滑动体18上，而省略滑块45。

图3所示的另一优选实施例中，该实施例与图1所示实施例的区别在于试样固定装置不同。本实施例采用图7所示的凸块状试样35，由两块试块351和352叠加粘结而成，试块351的表面带有预先制备的的腐蚀产物膜、沉积层、涂镀层或胶黏剂层等膜层，膜层与试块基体之间形成膜基界面。试块351和352之间的膜基界面用标号26表示。其中试块351为短试块，试块352为长试块，两者以对应端部平齐的方式叠加粘结而使得试块352的另一端部突出出来而形成凸块部分。

在该实施例中，试样固定装置包括试块限位装置38。如图4所示，试块限位装置38具有与试样35形状互补的空腔39，空腔39具有向外的开口，允许两个试块中的一个外露，而另一个试块被限位。图中所示为试块351被限位。当然，也可以设计成试块352被限位。当试样35放置在试块限位装置38上时，试样35的平齐端应从试块限位装置38中伸出。膜基界面26与图中所示弹簧17的轴心位于一条直线上，即与弹簧施加的弹性力在一条直线上。在推块19因弹簧17产生的周期性弹性力推动试样35时，试块351由于被限位而没有移动的趋势，试块352则有向图中向右的方向移动的趋势，从而使膜基界面36受到周期性的拉-拉剪应力。

图3所示实施例的其它方面可以和之前描述的各实施例完全相同。

图6和图7所示的试样的膜基界面既可能是本身不具有腐蚀产物膜或涂层的试片或试块与粘结剂膜层之间的膜基界面，也可能是试片或试块本身具有的腐蚀产物膜或涂层与试片或试块基体之间的膜基界面。在后一种情况下，粘结剂作为试验的辅助手段而不是直接构成膜基界面。

图5示出了本发明的又一个实施例，其实质相当于图1和图3所示实施例的叠加，但只采用同一个驱动设备，各组成部件选择如上各实施例所描述的那样。当然在其他的实施例中，也可以采用如图2所示的转盘-连杆-滑块机构替换图5中的凸轮和滚轴来带动如图5所示两套试验机构。

本领域的普通技术人员应该明白，在上述实施例描述中涉及不同机构的各种具体实施方案可以相互组合。

本发明的膜基界面试验机较传统的液压试验台结构简单。由于可以采用变频电机和弹簧加载并保证膜基界面与施加载荷在一条直线上可以实现低频、低载荷、单向纯剪切加载，并且可以通过调节弹簧的弹性模量来调节施加在试样上的疲劳载荷的强度，有效地解决了现有技术中存在的问题。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但本发明并不限于此，在不脱离本发明新型精神和实质的前提下，本领域的普通技术人员可以对本发明进行各种等效的变形和改动，而这些变形与改动都在本发明的涵盖范围内。

Claims

1.一种膜基界面疲劳试验机，包括：

试验机机体；

设置在所述试验机机体上并提供旋转动能的驱动装置；

与驱动装置的输出轴相连的运动转化机构，包括旋转运动部分和直线运动部分，将驱动电机的输出轴的旋转运动转化为直线运动部分的直线运动；

弹性力产生部分，随着旋转运动部分的转动，位于弹性力产生部分和旋转运动部分之间的所述直线运动部分周期性地压迫弹性力产生部分，产生周期性的弹性力；

设置在试验机体上的试样固定装置，夹持带有膜基界面的试样，所述弹性力施加在试样固定装置上，所述试样的膜基界面与所述弹性力的施加方向在一条直线上，从而使得所述试样的膜基界面受到周期性的剪切应力。

2.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述试样呈片状，包括第一试片和第二试片，其中第一试片的表面带有膜层而具有膜基界面，第一试片和第二试片部分叠加粘结在一起，

所述试样固定装置包括：

试验基座，固定在试验机机体上；

环形试验槽，可动地设置在试验基座上，所述弹性力产生部分形成的弹性力施加在环形试验槽的第一侧，在与所述第一侧相对的环形槽第二侧形成第一固定台，第二固定台固定地设置在试验基座上并位于环形试验槽内，所述试样的两端被夹持在第一固定台和第二固定台上。

3.如权利要求2所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述两个试片各自对应的一个端部叠加粘结，而对应的另一端部分别被夹持在第一固定台和第二固定台上。

4.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述试样为凸块状，包括第一试块和第二试块，其中第一试块的表面带有膜层而具有膜基界面，第一试块与第二试块叠加粘结在一起，

所述试样固定装置包括试块限位装置，只限定一个所述试块的位置，

所述试样定位在所述弹性力产生部分和所述试块限位装置之间。

5.如权利要求4所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述两块试块包括长试块和短试块，所述长试块和短试块对应端部平齐的方式叠加粘结而使得所述长试块的另一端部突出出来，

所述试块限位装置具有与所述试样的形状互补的空腔，以容纳所述试样。

6.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述弹性力产生部分包括压缩弹簧。

7.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述膜基界面疲劳试验机还包括显示器，与压敏传感器相连，显示所述弹性力大小，所述压敏传感器设置在所述弹性力产生部分或试样固定装置上。

8.如权利要求7所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述显示器还显示所述弹性力的施加次数。

9.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述旋转运动部分包括与驱动电机输出轴相连的凸轮，所述直线运动部分包括导向槽和滑块，凸轮在转动过程中推动滑块在导向槽中形成位移而压迫所述弹性力产生部分。

10.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述旋转运动部分包括与驱动电机输出轴相连的转盘，所述直线运动部分包括导向槽和滑块，所述滑块和转盘之间连接有连杆，从而将转盘的旋转运动经连杆转化为滑块在导向槽中的直线运动。

11.如权利要求1所述的膜基界面疲劳试验机，其中，所述驱动装置为变频电机。