CN103454165B - 一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统 - Google Patents
一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，它由疲劳试验机、转换接头、试样夹具、高/低温环境箱、液氮罐、定位销钉、裂纹观测系统和试样组成；试样夹具通过转换接头安装在疲劳试验机上，试样与试样夹具连接，并通过定位销钉穿过试样夹具和试样的定位孔进行定位；高/低温环境箱将试样夹具和试样包在里面，液氮罐和高/低温环境箱连通以实现低温环境；裂纹观测系统通过显微镜由计算机记录裂纹扩展情况，其中，疲劳试验机、转换接头、试样夹具、定位销钉和试样按串联顺序连接在一起。本发明结构简单、操作方便，用于高/低温环境下裂纹扩展性能试验测试，测试结果对于结构损伤容限评定具有重要的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，属于试验测试技术领域。
背景技术
工程材料与结构在使用过程中，都承受着交变载荷，会发生疲劳破坏，为保障其安全性，需要测试其疲劳性能，经多年技术发展，业已形成完善的疲劳性能测试标准；但是，工程材料与结构也常常在寒冷或酷热环境下服役使用，因此，必须测定其高/低环境下的裂纹扩展性能，用于评估其高/低温环境下的疲劳裂纹扩展寿命。目前国内外对裂纹扩展性能测试，主要通过放大镜划线靠人工观测和记录，精度低而且难以用于高/低温环境下的疲劳裂纹扩展性能测试，也就是说，目前尚缺乏有效的高/低温环境下裂纹扩展性能试验测试系统。为此，本发明将常规疲劳试验机、转换接头、试样夹具、高/低温环境箱、液氮罐、裂纹观测系统和试样集成为高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，用于高/低温环境下裂纹扩展性能试验测试，测试结果对于结构损伤容限评定具有重要的工程应用价值。
发明内容
1、目的：本发明的目的在于提供一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，以用于材料或结构在高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试。
2、技术方案：本发明一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，由疲劳试验机、转换接头、试样夹具、高/低温环境箱、液氮罐、定位销钉、裂纹观测系统和试样组成。它们之间的位置连接关系如下：试样夹具通过转换接头安装在疲劳试验机上，试样与试样夹具连接，并通过定位销钉穿过试样夹具和试样的定位孔进行定位；高/低温环境箱将试样夹具和试样包在里面，液氮罐和高/低温环境箱连通以实现低温环境；裂纹观测系统通过显微镜由计算机记录裂纹扩展情况。其中，疲劳试验机、转换接头、试样夹具、定位销钉和试样按串联顺序连接在一起：
疲劳试验机→上转换接头→上试样夹具→定位销钉→试样→定位销钉→下试样夹具→下转换接头→疲劳试验机
所述的疲劳试验机为常规用低频疲劳试验机，用以对试样施加交变疲劳载荷，疲劳试验机的载荷范围需大于试样的试验载荷，可以是常规的MTS、INSTRON等疲劳试验机或者自制疲劳试验机。
所述的试样为各种不同材料和类型的裂纹扩展试样，该试样为两端各有5孔的矩形条状件，裂纹扩展试样两端的夹持端能够与试样夹具连接在一起，并施加交变疲劳载荷。试样的尺寸和形状可以参照《测量疲劳裂纹扩展率的试验方法》（ASTM E647-2008:Standard TestMethod for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates）中的标准进行设计。
所述的上、下两个转换接头是多台阶轴状件，用以连接试验机和试样夹具，需根据高/低温环境箱的结构形式设计和制造，可以采用普通合金钢材料制作。
所述的试样夹具是由圆柱及带槽的5孔矩形件组合成一体，用以安装夹持试样，需根据试样夹持端的形状和尺寸设计和制造，能够将试样牢固夹持并施加交变疲劳载荷。
所述的高/低温环境箱为材料试验环境箱，呈方框状，能够实现高/低温环境，高温环境可以利用环境箱的加热系统实现，低温环境可以通过将环境箱充入液氮冷却实现，控制环境箱的加热功率或液氮输入量可实现对不同温度范围的调节，其温度范围要满足试验要求。需要特别注意，环境上必须设置可透视的观察窗口，以便裂纹观测系统观测裂纹扩展情况。
所述的裂纹测量系统是三轴随动的，配有高分辨率和放大倍数的显微镜，通过计算机自动记录裂纹扩展情况（包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸），可以得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况。
所述液氮罐是常规用的液氮容器，按需配置。
所述定位销钉是常规用的带有台肩的圆轴件。
所有装置根据试验要求连接和调试完毕后，便可根据具体试验要求完成高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试。该套系统有效解决了高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试问题。
3、优点及功效：本发明的有益效果是可以完成材料或结构在高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试，而且该系统具有操作方便和测量精度高的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是用于高/低温疲劳试验的M(T)试样示意图。
图2是转接接头示意图。
图3是试样夹具示意图。
图4是定位销钉示意图。
图5是疲劳试验机示意图。
图6是高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统结构图。
图6中：1.疲劳试验机，2.转换接头，3.高/低温环境箱，4.试样，5.试样夹具，6.液氮罐，7.定位销钉，8.裂纹测量系统。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本发明的具体实施方式。本发明一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，由疲劳试验机1、转换接头2、试样夹具5、高/低温环境箱3、液氮罐6、定位销钉7、裂纹观测系统8和试样4组成。在图6中，试样夹具5与试样4连接，并通过定位销钉4穿过试样夹具3和试样4的定位孔进行定位，能够保证试样4均匀轴向加载；通过转接接头2将疲劳试验机5和试样夹具3连接；液氮罐6与高/低温环境箱3相连；通过用计算机控制的三轴随动裂纹测量系统8对试样的裂纹扩展过程进行监控和记录。以上设备和装置集成对接后，便组成了高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统。
在高/低温疲劳试验中，试样的设计非常关键，必须能够保证均匀施加轴向交变载荷，图1具体给出了一种用于高/低温疲劳试验的中心缺口板状试样，具体尺寸参数可参见图1，在试样两端的夹持部位设计了定位孔，能够起到轴向定位作用。试样夹具3的尺寸参数如图3所示，有四个紧固螺栓的孔和一个定位孔。转接接头2和定位销钉7的具体尺寸参数如图2和图4所示。疲劳试验机如图5所示，可以使用商用的MTS、INSTRON等疲劳试验机或者自制疲劳试验机。将试样4与试样夹具3通过定位销钉7连接定位并用紧固螺栓夹紧后，再通过转接接头2将试样夹具3与配备有高/低温环境箱3的疲劳试验机1相连。液氮罐6与高/低温环境箱3相连。需要特别注意，环境上必须设置可透视的观察窗口，以便裂纹测试系统8监测裂纹扩展情况。裂纹测量系统8监测试样4裂纹扩展情况，裂纹测量系统8是三轴随动的，配有高分辨率和放大倍数的显微镜，通过计算机自动记录裂纹扩展情况（包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸），可以得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况。所有装置根据试验要求连接和调试完毕后，便可根据具体试验要求完成高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于试样的设计，试样可以是中心带开孔或不带开孔的板件，尺寸参数可以与具体实施方式一中的不同，高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统其它的设计思想和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于试样的设计，试样可以棒形的或者其他结构形式，高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统其它的设计思想和连接方式与具体实施方式一相同。
Claims (1)
1.一种高/低温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，其特征在于：它由疲劳试验机、转换接头、试样夹具、高/低温环境箱、液氮罐、定位销钉、裂纹观测系统和试样组成；试样夹具通过转换接头安装在疲劳试验机上，试样与试样夹具连接，并通过定位销钉穿过试样夹具和试样的定位孔进行定位；能够保证试样均匀轴向加载；通过转接接头将疲劳试验机和试样夹具连接；高/低温环境箱将试样夹具和试样包在里面，液氮罐和高/低温环境箱连通以实现低温环境；通过用计算机控制的三轴随动裂纹测量系统对试样的裂纹扩展过程进行监控和记录；其中，疲劳试验机、转换接头、试样夹具、定位销钉和试样按串联顺序连接在一起：
疲劳试验机→上转换接头→上试样夹具→定位销钉→试样→定位销钉→下试样夹具→下转换接头→疲劳试验机
在高/低温疲劳试验中，试样的设计非常关键，必须能够保证均匀施加轴向交变载荷，在试样两端的夹持部位设计了定位孔，能够起到轴向定位作用；试样夹具有四个紧固螺栓的孔和一个定位孔；将试样与试样夹具通过定位销钉连接定位并用紧固螺栓夹紧后，再通过转接接头将试样夹具与配备有高/低温环境箱的疲劳试验机相连；以便裂纹测试系统监测裂纹扩展情况；得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况；
所述的疲劳试验机为商用的MTS或INSTRON的疲劳试验机或自制低频疲劳试验机，用以对试样施加交变疲劳载荷，疲劳试验机的载荷范围需大于试样的试验载荷；
所述的试样为各种不同材料和类型的裂纹扩展试样，该试样为两端各有5孔的矩形条状件，裂纹扩展试样两端的夹持端能够与试样夹具连接在一起，并施加交变疲劳载荷；试样的尺寸和形状参照《测量疲劳裂纹扩展率的试验方法》中的标准进行设计；
所述的上、下两个转换接头是多台阶轴状件，用以连接试验机和试样夹具，需根据高/低温环境箱的结构形式设计和制造，采用普通合金钢材料制作；
所述的试样夹具是由圆柱及带槽的5孔矩形件组合成一体，用以安装夹持试样，需根据试样夹持端的形状和尺寸设计和制造，能够将试样牢固夹持并施加交变疲劳载荷；
所述的高/低温环境箱为材料试验环境箱，呈方框状，能够实现高/低温环境，高温环境利用环境箱的加热系统实现，低温环境通过将环境箱充入液氮冷却实现，控制环境箱的加热功率或液氮输入量能实现对不同温度范围的调节，其温度范围要满足试验要求；环境上必须设置可透视的观察窗口，以便裂纹观测系统观测裂纹扩展情况；
所述的裂纹测量系统是三轴随动的，配有高分辨率和放大倍数的显微镜，通过计算机自动记录裂纹扩展情况，包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸，得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况；包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸；
所述液氮罐是常规用的液氮容器，按需配置；
所述定位销钉是带有台肩的圆轴件。
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