CN102645377A - 4.2～300k温区的疲劳性能测试装置 - Google Patents

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李来风
徐冬
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Abstract

本发明涉及一种4.2～300K温区的疲劳性能测试装置，包括：电液伺服疲劳试验机(1)、力学支撑架(2)、输液管(3)、液体容器(4)、温控器(6)、真空杜瓦(7)和液体蒸发器(8)。本发明的疲劳性能测试装置不仅可以进行最低温度达到4.2K/-269℃的疲劳性能数据测试，而且通过低温液体(液氮)与低温温控系统配合使用能够实现4.2～300K/-269～27℃温区内任意温度点的疲劳性能数据测试，且温控准确，结构简单、可靠性高、工作寿命长、效率高。

Description

4.2～300K温区的疲劳性能测试装置
技术领域
本发明涉及测量装置，尤其涉及一种适用于低温环境(4.2～300K)下的疲劳性能测试装置。
背景技术
随着我国氢能源、核聚变能、航空航天、应用超导、气体工业以及一些大科学工程等领域的发展，涉及到低温工程的项目越来越多。因此对低温材料的需求越来越大，对低温材料的性能数据要求越来越全面。材料在低温环境下工作，其低温物理性能通常不同于常温性能。其中，疲劳力学性能是工程中材料或工件的一个重要性能指标。工件在变动载荷和应变长期作用下，内部将产生交变应力，在交变应力下，工件即使承受应力值低于材料的屈服强度，经一定的循环周次后材料仍可能断裂，这种现象称之为疲劳。在工程中许多机件和构件服役时都承受变动载荷，如曲轴、连杆、齿轮、辊子等，它们的失效形式主要是疲劳断裂。据统计，在断裂失效中疲劳失效约占80％以上。为防止工件和结构的疲劳失效，有关材料疲劳性能的科学研究已成为材料科学领域中的一个重要组成部份。在低温工程中，许多材料或工件在实际工作中经常受到低温环境中的周期性循环载荷的作用而发生疲劳失效，从而影响器件的使用寿命及服役可靠性。如：超导磁体的铠甲材料，超导磁体缘绝端子，制冷机传动装置等。材料或工件在低温环境中的疲劳性能数据是低温工程项目实施时不可缺少的参考数据。
目前材料或工件室温或高温环境下的疲劳性能研究已较为广泛和深入，并且用于室温或高温环境下材料或工件疲劳性能测量的各种各样设备不断涌现。但是，目前研究开发的疲劳性能测量设备只能进行室温或高温环境下的材料或工件的疲劳性能测量，缺陷在于：不能进行低温环境下疲劳性能数据测量。因此，开发一种适用于低温环境(4.2～300K)下疲劳性能数据测量系统具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够进行材料或工件低温环境(4.2～300K/-269～27℃)的疲劳性能数据测试装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明，提供一种4.2～300K温区的疲劳性能测试装置，包括：电液伺服疲劳试验机(1)、力学支撑架(2)、输液管(3)、液体容器(4)、温控器(6)、真空杜瓦(7)和液体蒸发器(8)，其中，
所述力学支撑架(2)用于装配待测样品(5)，其与电液伺服疲劳试验机(1)刚性相连并可上下移动，用于传递来自电液伺服疲劳试验机(1)的作用力至待测样品(5)；
所述真空杜瓦(7)设置在力学支撑架(2)的下方，用于密封力学支撑架(2)并使之与外界绝热；
所述液体容器(4)提供冷却液体，该冷却液体通过所述输液管(3)输送到真空杜瓦(7)内；
所述液体蒸发器(8)设置在所述真空杜瓦(7)内，用于蒸发所述冷却液体；
所述温控器(6)设置在所述真空杜瓦(7)内，用于监测待测样品(5)周围的环境温度。
在上述技术方案中，所述电液伺服疲劳试验机(1)具有力学传感器和位移传感器，并为待测样品提供力学动力源。
在上述技术方案中，所述力学支撑架(2)将待测样品(5)的力学信号和位移信号传递给电液伺服疲劳试验机(1)的力学传感器和位移传感器。
在上述技术方案中，在测试时所述真空杜瓦(7)密封力学支撑架(2)、温控器(6)、液体蒸发器(8)并为它们提供绝热保温环境。
在上述技术方案中，所述输液管(3)为真空绝热的管道，一端与真空杜瓦(7)连通，另一端与液体容器(4)连通。
在上述技术方案中，所述液体蒸发器(8)为加热元件，在所述测试装置进行测试时，加热元件浸泡在冷却液体中。
在上述技术方案中，所述力学支撑架(2)具有用于夹持待测样品(5)的夹具，该夹具能安装拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学的待测样品。
在上述技术方案中，所述液体蒸发器(8)由外部计算机控制其蒸发速度。
在上述技术方案中，所述温控器(6)为环形的，环绕在待测样品(5)周围。
与现有技术相比，本发明测试装置的优点在于：
不仅可以进行最低温度达到4.2K/-269℃的疲劳性能数据测试，而且通过低温液体(液氮)与低温温控系统配合使用能够实现4.2～300K/-269～27℃温区内任意温度点的疲劳性能数据测试，且温控准确，结构简单、可靠性高、工作寿命长、效率高。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1是本发明优选实施例的低温疲劳性能测量装置处于测试状态的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的低温疲劳性能测量装置处于未测试时的结构示意图。
附图标记一览表
1、电液伺服疲劳试验机；2、低温力学支撑架；3、低温液体输液管；4、低温液体容器；5、待测样品；6、温控器；7、低温真空杜瓦；8、低温液体蒸发器.
具体实施方式
图1是本发明的低温疲劳性能测量装置的结构示意图。如图1所示，本发明的低温疲劳性能测量装置主要包括：电液伺服疲劳试验机1、低温力学支撑架2、低温液体输液管3、低温液体容器4、待测样品或试样5、温控器6、低温真空杜瓦7、低温液体蒸发器8等。下面仅对几个主要部件进行详细说明。对于本领域普通技术人员熟知的系统或元件(例如真空系统、控制液体流量的阀门)，本发明将不再另作说明。
电液伺服疲劳试验机1为试样5提供力学动力源(即加载力)，其还包括力学传感器和位移传感器。力学传感器测量加载力大小，位移传感器测量形变位移。通常，该试验机1包括可移动的横梁部分，以及不可移动的底座部分。低温力学支撑架2与电液伺服疲劳试验机1刚性相连，并且可随电液伺服疲劳试验机1的横梁部分而上下移动，其作用是支撑试样5，并传递试样测试过程的作用力，将作用力从室温传递到低温环境中，作用于试样5上。具体地，低温力学支撑架2可将电液伺服疲劳试验机1的力学动力源传递给试样5，同时将试样5的力学信号和位移信号分别传递给电液伺服疲劳试验机1上的力学传感器和位移传感器。试样5装在低温力学支撑架2的测量夹具中，低温力学支撑架2所带的可以是不同的测量夹具，以安装例如拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学(Kic、Jic)测试样品。低温真空杜瓦7设置在低温力学支撑架2下方，当低温力学支撑架2向下移动准备测试时，电液伺服疲劳试验机1的横梁可与杜瓦7形成真空密封，从而为低温力学支撑架2、温控器6、低温液体蒸发器8提供绝热保温环境。温控器6用于控制样品周围的环境温度，在本实施例中，采用设置在样品周围的环状温控器。在其他实施例中，也可采用其他形状的温控器，例如棒状温控器等。优选地，温控器6由外部计算机控制，其在监控温度的同时可将采集到的温度信息反馈给外部计算机，操作人员可通过外部计算机实现对样品周围的环境温度的实时监控。低温液体蒸发器8设置在低温真空杜瓦7的底部，该蒸发器可以为本领域常规使用的加热元件，在本实施例中采用加热板。优选地，低温液体蒸发器8可连接有单独的控制器，例如可以通过其设置蒸发速率、加热速率及加热时间，或者在达到预定冷却温度时，设置停止加热。可以理解，该控制器可以与用于温控器6的外部计算机相结合而使用，即根据温控器6反馈回的温度信号向加热元件发出继续加热、停止加热等指令。低温液体容器4用于存储低温液体(液氮、液氦)，其设置在电液伺服疲劳试验机1外部。低温液体输液管3将低温液体从低温液体容器4中输入到低温真空杜瓦7里。具体地，该低温液体输液管3为真空绝热的两端开口结构的管道，一端与真空杜瓦7相连，另一端与低温液体容器4相连，还可以在低温液体输液管3上安装控制流量的阀门。
以下是根据本发明上述实施例的低温疲劳性能测量装置的操作流程：
首先将待测样品5安装在低温力学支撑架2上，在低温力学支撑架2上安装上温控器6，同时将低温液体蒸发器8放在低温真空杜瓦7底部，将电液伺服疲劳试验机1横梁连同低温力学支撑架2升起，将真空杜瓦7放置于低温力学支撑架2下方(如图2)，将电液伺服疲劳试验机1横梁连同低温力学支撑架2降落，使低温力学支撑架2，温控器6，低温液体蒸发器8处于低温真空杜瓦7中(如图1)，可用螺栓将真空杜瓦7与低温力学支撑架2固定，使低温力学支撑架2、温控器6，低温液体蒸发器8密封于真空杜瓦7中，将低温液体输液管3一端连接低温真空杜瓦，另一端连接低温液体容器4，通过低温液体输液管3向真空杜瓦7中输入低温液体(液氮或液氦)，通过计算机控制温控器6和低温液体蒸发器8，控制样样品及样品周围的环境温度，当达到预定温度并稳定后，开启电液伺服疲劳试验机1，进行疲劳性能测试。
由此可见，本发明的疲劳学性能测量装置以电液伺服疲劳试验机为基础，利用低温液体(液氮或液氦)作冷却介质，实现低温环境(4.2～300K/-269～27℃)下疲劳性能数据测量。因此，本发明主要用于在低温(4.2～300K/-269～27℃)环境下对待测样品(材料试样或工件)进行疲劳性能测量，与传统的疲劳性能测量装置相比，本发明的低温疲劳性能测量装置具有可测量4.2～300K/-269～27℃温区内任意温度环境的材料试样或工件疲劳性能的特点，并且温控准确，结构简单、可靠性高、工作寿命长、效率高。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解，可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (9)

1.一种4.2～300K温区的疲劳性能测试装置，包括：电液伺服疲劳试验机(1)、力学支撑架(2)、输液管(3)、液体容器(4)、温控器(6)、真空杜瓦(7)和液体蒸发器(8)，其中，
所述力学支撑架(2)用于装配待测样品(5)，其与电液伺服疲劳试验机(1)刚性相连并可上下移动，用于传递来自电液伺服疲劳试验机(1)的作用力至待测样品(5)；
所述真空杜瓦(7)设置在力学支撑架(2)的下方，用于密封力学支撑架(2)并使之与外界绝热；
所述液体容器(4)提供冷却液体，该冷却液体通过所述输液管(3)输送到真空杜瓦(7)内；
所述液体蒸发器(8)设置在所述真空杜瓦(7)内，用于蒸发所述冷却液体；
所述温控器(6)设置在所述真空杜瓦(7)内，用于监测待测样品(5)周围的环境温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电液伺服疲劳试验机(1)具有力学传感器和位移传感器，并为待测样品提供力学动力源。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述力学支撑架(2)将待测样品(5)的力学信号和位移信号传递给电液伺服疲劳试验机(1)的力学传感器和位移传感器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测试时所述真空杜瓦(7)密封力学支撑架(2)、温控器(6)、液体蒸发器(8)并为它们提供绝热保温环境。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输液管(3)为真空绝热的管道，一端与真空杜瓦(7)连通，另一端与液体容器(4)连通。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体蒸发器(8)为加热元件，在所述测试装置进行测试时，加热元件浸泡在冷却液体中。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力学支撑架(2)具有用于夹持待测样品(5)的夹具，该夹具能安装拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学的待测样品。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体蒸发器(8)由外部计算机控制其蒸发速度。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温控器(6)为环形的，环绕在待测样品(5)周围。
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