CN102564870A - 裂纹扩展试验方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本专利涉及一种裂纹扩展试验方法及装置,首先预制一个截面积连续变化的试件,然后在所述试件上的不同截面处预置裂纹,对所述试件施加循环载荷,同时测定裂纹处的载荷大小,设定每次实验的循环步长,并测量每个循环步长后所述试件表面的裂纹长度,本发明通过调整裂纹的初始长度与位置、配重的大小、加载的方式、激振频率的大小、激振力的大小来研究裂纹初始长度与位置、载荷的大小、加载的方式、振动频率与应力比对试件裂纹扩展特性的影响。本发明方法简单、操作方便、适应性强、精度高、能源消耗小、可有效提高裂纹扩展试验的效率,降低试验成本。

Description

裂纹扩展试验方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种试验方法及装置,特别是一种裂纹扩展试验方法及装置。 背景技术
[0002] 材料与试件的裂纹扩展特性对结构的疲劳寿命和承载能力起着至关重要的作用。 机械结试件在制备的过程中难免会出现各种各样的缺陷和微裂纹,这些缺陷和微裂纹在交变应力作用下会扩展,甚至断裂,造成重大损失。为了更清楚的了解试件裂纹的扩展特性, 优化结构设计并在出现裂纹后及时进行止裂设计,进行试件裂纹扩展试验具有重要意义。
[0003] 目前的试件裂纹扩展试验多采用疲劳拉伸机的实验方法,即通过液压系统对试件施加循环载荷,由于液压系统本身固有的缺陷,能够施加的载荷类型少,实验的频率低。这种试件裂纹扩展试验方法制造成本较高,结构庞大、笨重,能源损耗大,能够模拟的载荷类型很少,裂纹扩展试验效率很低。
[0004] 而且传统的裂纹扩展实验方法是制作多个相同的试件,每个试件上分别施加不同的载荷,然后研究各个试件在其对应载荷下的裂纹扩展规律,因此每研究一个载荷下裂纹的扩展规律就需要一个试件和一次实验,这样试验效率很低,成本高。
[0005] 技术内容
[0006] 本发明的目的是解决现有技术的不足而提供一种操作方便、适应性强、精度高、能源消耗小、可有效提高裂纹扩展试验效率,降低试验成本的裂纹扩展试验方法。
[0007] —种裂纹扩展试验方法,包括如下步骤:首先预制一个截面积连续变化的试件,然后在所述试件上的不同截面处预置裂纹,对所述试件施加循环载荷,同时测定裂纹处的载荷大小,每隔一定的循环次数以后测量所述试件表面的裂纹长度。
[0008] 本方法中,所述方法通过调整配重的大小改变载荷的大小,通过信号发生器与功率放大器调整激振仪的振幅和频率,实现对循环载荷频率调整。
[0009] 本方法中,所述测定裂纹处的载荷大小采用X射线仪以及动态应变仪直接测定。
[0010] 本方法中,所述测量工件表面的裂纹长度采用工业扫描仪来测量。
[0011] 本方法中,所述方法中的激振仪可以是电磁式激振仪也可以是偏心块式激振仪。
[0012] 一种裂纹扩展试验装置,所述支架安装在所述底座上,所述支架上安装有夹装试件的第一夹具,所述底座上设有滑槽,所述滑槽内安装有滑动块,所述底座上设有与所述滑动块对应的固定块,所述滑动块中部设有螺孔,所述螺孔内安装有端部顶压在所述固定块上的所述旋转螺杆,所述滑动块和所述固定块上设有第二夹具。
[0013] 采用上述方案,本方法与装置具有如下优点:
[0014] 1)利用试件截面的变化使得试件在同一载荷的作用下不同的截面处产生不同的应力。由于试件截面积是连续变化的,因此各截面上的应力也是沿着截面的法向连续分布的,利用一个试件并在试件上的不同截面处预置裂纹,一次试验就可以实现试件在其上最小应力与最大应力之间多个应力载荷作用下裂纹扩展的规律,可以极大的提高裂纹扩展试验效率。[0015] 2)所述试验方法利用X射线仪以及动态应变仪直接测定裂纹处的载荷大小,比传统的通过拉伸力或者位移来间接表征裂纹处的应力更加准确;
[0016] 3)所述试验方法利用工业扫描仪不但可以准确的测量工件表面的裂纹长度,而且可以准确的描绘工件内部裂纹的形貌与长度,比传统的利用相机、千分尺以及磁粉来测量裂纹长度的方法更加精确。
[0017] 4)所述试验方法也可利用本装置第一夹具来模拟垂直载荷的变化,只需将试件垂直夹装在第一夹具上,利用配重和激振仪对试件施加循环载荷,来模拟裂纹载荷的变化;
[0018] 5)所述试验方法也可利用本装置第一夹具来模拟弯曲载荷的变化,只需将试件水平夹装在第一夹具上,利用配重和激振仪对试件施加循环载荷,来模拟裂纹载荷的变化;
[0019] 5)所述试验方法也可利用本装置第二夹具来承受拉弯组合载荷的变化,只需将试件水平夹装在滑动块和固定块之间第二夹具上,利用配重和激振仪对试件施加循环载荷, 来模拟裂纹载荷的变化;
[0020] 综上所述,本方法及装置简单方便,可对试件实现弯、拉、压等多种形式载荷的加载;该方法及装置可一次测试多条裂纹在不同载荷下的扩展规律,也可一次性研究多个试件的裂纹扩展规律,能够在很大程度上减少实验次数和成本,效率极高;在本发明中,通过调整裂纹的初始长度与位置、配重的大小、加载的方式、激振频率的大小、激振力的大小来研究裂纹初始长度与位置、载荷的大小、加载的方式、振动频率与应力比对试件裂纹扩展特性的影响。本发明方法简单、操作方便、适应性强、精度高、能源消耗小、可有效裂纹扩展试验的效率,降低试验成本。
附图说明
[0021] 图1 (a)本发明试件受力图;
[0022] 图1 (b)本发明试件受力图;
[0023] 图1 (c)本发明试件受力图;
[0024] 图2本发明竖直固定试件的结构示意图;
[0025] 图3本发明水平固定试件的结构示意图;
具体实施方式
[0026] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0027] 实施例:
[0028] 本实验的装置包括底座和支架,所述支架2安装在所述底座1上,所述支架2上安装有夹装试件的第一夹具3,所述第一夹具包括固定悬臂梁试件的夹头和竖直放置的试件的夹头;所述底座1上设有滑槽7,所述滑槽7内安装有滑动块5,所述底座1上设有与所述滑动块5对应的固定块6,所述滑动块6中部设有螺孔,所述螺孔内安装有端部顶压在所述固定块6上的所述旋转螺杆8,所述滑动块5和所述固定块6上设有第二夹具4,用于固定做拉弯实验的试件。
[0029] 本装置中,所述方法中的激振仪可以是电磁式激振仪也可以是偏心块式激振仪, 振动频率、振幅与激振力可调。
[0030] 本方法所述试验方法包括下述步骤:
4[0031] 第一步:利用数控加工制作多个截面积连续变化的试件(一般为3到7个),该试件表面要求研磨平整光滑,截面要关于截面中心对称;
[0032] 第二步:利用电火花或者纳米划痕仪在试件上预置裂纹;
[0033] 第三步:根据实验分析的需要选择试件的固定方式,可采用竖直固定或水平固定, 单端固定或者两端固定,并将试件固定在试验台上;
[0034] 第四步:做悬臂梁与拉伸实验时利用配重和激振仪对试件施加循环载荷,并通过调整配重的大小改变载荷的大小,配重产生的载荷不应超过材料的弹性极限,根据实验需要通过信号发生器与功率放大器调整激振仪的振幅和频率。若一次性研究多试件的裂纹扩展,则需利用模态分析仪分析实验系统的固有频率,再利用信号发生器控制激振仪振动频率使实验系统产生共振。
[0035] 第五步:利用X射线仪以及动态应变仪直接测定裂纹处的载荷大小;
[0036] 第六步:通过信号发生器与功率放大器调整激振仪的振幅和频率,实现对循环载荷频率调整,当载荷循环达到设定的次数或者载荷变化达到设定的值以后,停止振动,并利用工业CT扫描仪记录裂纹长度与对应的循环次数。
[0037] 采用上述步骤,具体实验过程如下:
[0038] 首先制作一个侧面为等腰梯形板的试件(后简称梯形试件),将表面研磨光滑平整,并在梯形试件的两侧面上利用电火花线切割预置多条对称且间距相同长度一致的裂纹,(预制的裂纹在相邻两个裂纹互相不影响的情况下,间隔越小越好)如图1所示;
[0039] 在梯形试件的中心高线与每条裂纹的延长线上分别贴上主应变片,并在主应变片的两侧各贴一个副应变片以备用,同时利用与梯形试件相同的材料(形状不限)制作一温度补偿试件并在温度补偿试件上贴上应变片作为动态应变仪的温度补偿片,利用接线端子和信号线将应变片与动态应变仪连接好,并将动态应变仪与PC机连接好;将梯形试件的一端固定在第二夹具固定悬臂梁试件的夹头上,并用X射线仪对试件的应力-应变关系进行标定,并输入预先设定好的专用程序中(这个专用程序为控制激振器频率和振幅的程序); 在梯形试件的另一端固定配重对试件进行加载(载荷最好不要超过材料弹性极限的三分之一),并利用专用程序控制激振器对载荷和试件施加竖直方向上的振动,待显示器中信号稳定以后(显示器中信号稳定表示系统已经稳定,外界干扰小),记录载荷的峰值并开始实验;
[0040] 实验过程中PC机实时记录载荷的状况;按照实验的精度要求设定每一步载荷变化值(比如0. 05Mpa或者),当各裂纹处载荷的峰值比实验初始峰值增大0. 05Mpa(或者)时停止本次实验循环,记录载荷循环次数并利用CT扫描仪测量与记录裂纹的长度。 或者是设定每一步实验的载荷作用次数(例如5000次),具体的次数要根据实验者载荷和试件材料的特性来确定;
[0041] 记录好相应的数据以后,将本次载荷的峰值作为下一步实验的初始值,进行下一步实验,直到两相邻裂纹中,靠近梯形试件横截面大端的载荷达到或接近横截面小载荷,这时停止试验。为了提高实验精度,降低随机性,应做几个同样的试件,多做几次实验求平均值,最后分析实验数据,拟合不同载荷下裂纹的扩展曲线。
[0042] 本发明中,在拉伸或者压缩载荷的作用下的原理如附图1(b)所示;具体实施方法:首先将试件的两端在第二夹具4上固定,然后通过旋转螺杆8驱动夹装机构的一端沿着滑槽7运动,实现试件拉伸载荷的加载;弯曲载荷同样是通过配重和激振仪来进行施加和改变。
[0043] 本发明中,在研究多个试件不同裂纹长度的扩展特性时,首先将多个含裂纹试件的一端固定在实验台的顶部夹装位置,并根据研究需要可选择在试件的另一端添加配重。 然后利用激振仪将整个试验台振动起来,并通过配重与信号发生器调整实验系统的阻尼和激振仪的振动频率,使系统发生共振,从而一次性实现对多个试件进行加载。

Claims (7)

1. 一种裂纹扩展试验方法,其特征在于:首先预制一个截面积连续变化的试件,然后在所述试件上的不同截面处预置裂纹,对所述试件施加循环载荷,同时测定裂纹处的载荷大小,最后测量所述试件表面的裂纹长度。
2.根据权利要求1所述的一种裂纹扩展试验方法,其特征在于:上述方法中采用配重和激振仪对试件施加循环载荷。
3.根据权利要求2所述的一种裂纹扩展试验方法,其特征在于:所述方法通过调整配重的大小改变载荷的大小,通过信号发生器与功率放大器调整激振仪的振幅和频率,实现对循环载荷频率调整。
4.根据权利要求3所述的一种裂纹扩展试验方法,其特征在于:所述测定裂纹处的载荷大小采用X射线仪以及动态应变仪直接测定。
5.根据权利要求4所述的一种裂纹扩展试验方法,其特征在于:所述测量工件表面的裂纹长度采用工业扫描仪来测量。
6.根据权利要求5所述的一种裂纹扩展试验方法,其特征在于:所述方法中的激振仪可以是电磁式激振仪也可以是偏心块式激振仪。
7.根据权利要求1所述的一种裂纹扩展试验装置,包括底座和支架,其特征在于:所述支架安装在所述底座上,所述支架上安装有夹装试件的第一夹具,所述底座上设有滑槽,所述滑槽内安装有滑动块,所述底座上设有与所述滑动块对应的固定块,所述滑动块中部设有螺孔,所述螺孔内安装有端部顶压在所述固定块上的所述旋转螺杆,所述滑动块和所述固定块上设有第二夹具。
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