CN103842795A

CN103842795A - 在受控气氛中以受控应变率在高循环状态下执行材料疲劳试验的装置和方法

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Publication number: CN103842795A
Application number: CN201180073602.4A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·布鲁克豪森; 彼得·哈纳; 伯克哈特·菲舍; 丹尼尔·科尔尼; 克里斯托弗·于雷尔; 让-皮埃尔·勒科尔尼
Original assignee: European Union represented by European Commission; SNECMA SAS
Current assignee: European Union represented by European Commission; Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: JP5856296B2; US20140245833A1; US9383303B2; JP2014521103A; KR101877596B1; WO2013014487A1; CA2842467A1; EP2734826A1; CN103842795B; EP2734826B1; KR20140056269A; CA2842467C

Abstract

一种用于在高压下执行样本（12）的高周疲劳试验的装置（10），包括：压力容器（14）；加载系，由第一角状件（16）和第二角状件（18）构成，在第一角状件（16）与第二角状件（18）之间设置样本（12）；其中所述加载系被设置在压力容器（14）的内部室中；以及变换器（24），适于通过激励第一角状件（16）而将超声波施加到加载系中，以便对样本（12）施加动应力。第二角状件（18）的基部(30)被以可动方式安设在压力容器（14）中，使得在压力容器（14）中形成两个单独的室（26、28），并且第一室（26）用以容纳样本，其中两个室（26、28）都能够被供给气体并被加载不同的气压，从而对样本施加静应力。

Description

在受控气氛中以受控应变率在高循环状态下执行材料疲劳试验的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于在受控气氛中以受控应变率在高循环状态（highcycle regime）下执行样本的材料疲劳试验的装置和方法。

本发明更具体地涉及在借助超声波激励的超高循环状态（超过10⁵循环）下，以最小应变与最大应变之间的可变的应变率R并且在可变的压力水平环境下进行的材料高周疲劳（HCF，高循环疲劳）试验。

本发明尤其能够改进用于处于长时期机械动载荷下、并且存在如氢气氛等有危险的气氛中的航天应用的不同材料的特征。

与本发明相关的工作已经收到来自“授权协议”n°218849下的欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）的基金投入。

背景技术

惯例上，材料的机械性能由在单向拉伸载荷期间的极限抗拉强度及其屈服强度（弹性极限）来表示。

另一项重要参数是材料疲劳，其是在材料受到循环载荷（cyclic loading，周期载荷）时发生的渐进的且局部的结构损伤。在本文中致力于研究处于非零静载荷的样品的疲劳或者将高频循环载荷加载到低频疲劳。

专利文献FR2680003公开了一种被开发为用于材料的疲劳试验的装置，该装置用于燃气轮机工业和航天工业，并且能够将恒定或缓慢改变的张力以及可调整幅值的纵向和/或横向振动疲劳力施加到一样本。该装置包括：液压起重器，其能够施加恒定的张力或者设定循环的张力；以及两个超声波换能器，以介于10-100kHz之间的频率工作。样本被设置在一对角状件（horn）（即位移放大器）之间。该装置还包括静力传动系统和用于测量振动幅值的光学装置，该静力传动系统由钢架（或镫形件）构成。

专利文献AT354146公开了另一种技术方案，该方案用于在高循环疲劳状态以及恒定或可变的载荷叠加的条件下试验样本，并且因此消除了对称的推拉模式的限制。

对于如航天应用之类的一些应用，理想的是对样本进行这样的疲劳试验：该试验处于受控的气氛下（例如存在氢或者其它确定的气体或气体的混合物，其可能具有潜在危险性并且处于高压下，这样可能造成一危险的环境）。以上公知的装置不能够容易地与高压相关联地使用。实际上，在受控的气氛下，这些装置依赖机械杆来将载荷的恒定部分传递到样本，并且会需要使用馈入装置或波纹管，这在高压下是难以实现的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种借助超声波激励，在高压下以及在例如氢气氛等潜在的危险气氛中更为安全地且以受控的应变率R（其中R=最小应变/最大应变）对样本执行高周疲劳试验的装置和方法。该构思能够使用较小的气体工作容量，对安全设计更为有利。

该目的借助如独立权利要求中限定的根据本发明的装置和方法来实现。本发明的其它的实施例为从属权利要求中所描述的主题。

作为本发明的根基的主要思想是使用用于样本的压力容器或压热器（autoclave，高压釜），并且将其划分成能以不同的气压充注的两个室，使得能够在压热器中设置的加载系（load train，载荷列）中引起静应力，使得能够在压热器中将样本静态地加压，并且不需要任何波纹管或杆的馈入装置。两个室中的气压之差决定了样本上施加的静应力。

根据本发明的一个方案，本发明涉及一种用于在受控的气氛中，以受控的应变率R在高循环状态执行样本的材料疲劳试验的装置，该装置包括：

压力容器，具有外壁，该外壁限定一内部室；

加载系，由第一角状件和第二角状件构成，在该第一角状件与该第二角状件之间设置样本；其中所述加载系具有纵轴线y'-y，并且基本上设置在所述压力容器的所述内部室中；以及

变换器，适于通过激励第一角状件而将超声波施加到加载系中，以便沿平行于所述纵轴线y'-y的方向对该样本施加动应力，

其特征在于，所述内部室被划分为限定围绕所述加载系的至少一部分的自由容积的第一室以及沿着所述纵轴线y'-y与所述第一室轴向对齐的第二室，所述第二角状件包括基部，该基部部分地且可移动地接合到所述第二室中，以在所述第二室中限定与所述第一室的第一自由容积分隔开的第二自由容积，第一衬垫插设于所述基部与大体上平行于所述纵轴线y'-y的所述压力容器的外壁的一部分之间，以将所述第一室与第二室以密封方式分隔开，并且设置第一供给装置和第二供给装置一向所述第一和第二室的第一和第二自由容积分别供给有具有不同气压的气体，以便对样本施加预定的静应力。

能够以不同的气压充注的两个室的构思使得能够更换用于将静应力施加到样本的机械装置（诸如杆或波纹管）。因此，由于不需要用于杆或者相似物的馈入装置，显著地减小了任何泄漏的风险，这使得甚至在有危险的气氛的环境中也能够进行试验。

根据本发明的另一方案，该第一角状件包括：基部，具有圆柱形部，该圆柱形部突出到压力容器之外以被附接到变换器，以及肩部，该肩部设置在与大体垂直于所述纵轴线的压力容器的外壁的一部分相对的位置；第二衬垫设置在所述肩部与所述外壁的部分之间的界面处，以将所述第一角状件的所述基部与所述压力容器的所述外壁以密封方式分隔开，同时使所述第一角状件能够纵向振荡。

第一角状件、第二角状件以及样本的尺寸有利地被设定为以通过变换器耦联到加载系中的超声波的频率共振，并且第一衬垫和第二衬垫以及样本的中心优选地位于所述加载系的位移的节点处（即位移幅值为零的位置），在所述节点处所述应力处于最大值的。

这样将有助于使样本的应力施加优化，并且尤其有助于控制最大应力的施加，同时在两个室之间保持恒定的压力差（其将导致施加到样本的恒定的应力），或者在两个室之间施加缓慢变化的循环压力差（其将导致施加到样本的缓慢变化的循环应力）。

可注意到的是，如本领域技术人员所公知的，术语“角状件”在此是指起共振元件的作用、并且允许放大或扩大由变换器/换能器施加的振动运动的一般呈渐缩形的元件。在大多数传统的设计中，角状件是呈线性、指数型或者阶梯形式的渐缩形。连续变细的角形（至少对于顶端部分）是优选的，这是由于它们允许利用样本中的应力的集中，尤其是利用样本的中部中的应力的最大值而在样本上以优化方式施加应力（该样本优选地具有沙漏形状，并且它的最窄部分在样本的中间）。因此，第一和第二角状件有利地设计为从它们的基部到连接到样本的它们的顶端具有通常逐渐变细形状的构件。

第二角状件的基部可包括外围槽，该外围槽装配有衬垫，用于将两个室彼此大体密封地分隔开。衬垫尤其用以减小从一个室到另一室中的泄漏。

根据本发明的一个方案，第一和第二供给装置的各自包括：至少一个气体源，具有预定成分；控制装置，用以限定预定的气体压力；气体导管以及至少一个通道，设置在压力容器的外壁中，用以分别与第一自由容积或第二自由容积连通。

根据一具体实施例，第一供给装置包括：第一气体源，具有预定的成分；控制装置，用以为取自第一气体源的气体限定一预定气压；第一气体导管，连接到所述第一气体源，并且连接到输出至所述第一自由容积中的进入通道；以及出口通道，与所述第一自由容积连通，并且输出至连接到所述第一气体源的第二气体导管中，所述控制装置还限定流经第一自由容积的预定气体，该第一自由容积大于第一室与第二室的第一自由容积与第二自由容积之间的剩余泄流。

因此，该压力容器可包括至少一个通向上部室的第一通道以及至少一个通向下部室的第二通道，其中这些通道的形成是用于将气体供给到这些室，并且允许气体导管的附接。因此，这些通道使该装置能够与气流控制系统耦联，这样能够控制通过控制该装置中的气流，尤其是控制压力容器中的两个气体室之间的压力差来控制对样本施加的静应力。

该装置还可包括气体入口和排出控制装置，该排出控制装置适于在第一室与第二室之间保持近于恒定的预设压力差。借助该气体入口以及与至少一个室关联的气体排出装置，可形成流经所述室的气流，使得该室能够以新鲜的气体连续地充注。

该控制装置可被构造成能够特别地通过保持流过第一室的气流来控制第一室中的气体成分，该气流大于第一室与第二室之间的泄流。

在第一室或第二室中填充的气体可以是例如氢气或氩气等纯气体，或者例如氢气与至少另一气体（如氩气）的混合物之类的不同气体的混合物。

这样允许在装置中的所要求的危险环境中执行样本的试验。

该装置可被设计为使第一和第二室的第一和第二自由容积中的压力能够上升到1000bar，例如从200bar到500bar。这样允许在高压的条件下以及有危险的气氛中试验样本。

优选地，加载系的纵轴线y'-y大体上是竖直的，第一角状件限定上部角状件，而第二角状件限定下部角状件。

根据本发明的另一方案，提出一种在受控的气氛中，借助如以上描述的本发明的装置，以受控的应变率R在高循环状态下执行的样本的材料疲劳试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通过将样本的一端固定到第一角状件的顶端并且将该样本的相反端固定到第二角状件的顶端，而将样本定位在第一室中，

在压力容器的第一和第二室中供给气体，使得由于第一和第二室两者中的压力差而将期望的静应力施加到该样本，

控制变换器，使得通过激励从变换器耦联到加载系中的超声波而将动应力施加到该样本，并且

通过控制经由所述第一和第二供给装置流动到第一和第二室的气体，在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差。

如果使用纯气体来供给第一和第二室的第一和第二自由容积，则在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差的步骤可包括：

控制从第一和第二室之中具有较低压力的一者的排气，并且增加流入第一和第二室之中具有较高压力的另一者中的气体，使得所述第一室与第二室之间的泄流被补偿。

或者，如果使用气体混合物来供给第一和第二室的第一和第二自由容积，则在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差的步骤可包括：

保持预定的气流经过第一和第二室之中具有较高压力的一者，所述预定的气流大于第一室与第二室之间的泄流，从而控制在所述第一和第二室之中具有较高的压力的一者中的气体成分。

因此，该方法包括通过控制流动到多个室的气流，而在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差的操作。

本发明的以上和其它的目的、特征和优点将从下文与附图配合的描述及随附的权利要求书中变得显而易见，其中相似的部件或元件由相似的附图标记标示。

以下将参照示范性实施例更详细地描述本发明。然而，本发明不局限于这些示范性实施例。

附图说明

图1示出本申请的用于执行高周疲劳试验的装置的一个实施例的立体图，该装置以沿纵向平面切割的半部视图示出，以更好地展示内部部件；

图2示出图1的实施例的纵向剖视图；

图3示出在共振条件下，图1的实施例的上部角状件中的轴向位移幅值和轴向应力幅值的分布的FEM计算的结果；

图4示出当在图1的实施例中的共振下被激励时，沿着上部角状件的轴线的轴向应力幅值及位移幅值的曲线图；

图5示出在共振条件下，在图1的实施例中进行试验的样本中的标准化轴向位移幅值及轴向应力幅值的分布的FEM计算的结果；

图6示出当在图1的实施例中的共振下被激励时，沿着样本的轴线的轴向应力幅值及位移幅值的曲线图；以及

图7示出在图1的实施例中气体流动的概况，以及与该装置关联的气体供给单元的简图。

具体实施方式

在下文中，在功能方面相似或相同的元件可具有相同的附图标记。

根据本发明的装置能够借助超声波激励在超过10⁵循环（例如10⁹循环）的高周及超高周疲劳状态下进行材料的疲劳试验。该装置允许在高压下、在有危险的气体（如氢气）中并且以受控的应变率R执行这些试验，其中R=最小值应变/最大值应变。

如专利文献AT354146中所公开的样本的超声波激励造成对称的推拉模式，其中压应力和拉应力具有相同的幅值。在该模式中，应变率是-1。然而，在通常的应用中，是将循环应力（例如来自涡轮机的回转部分）叠加到恒定应力（例如来自离心应力），这使得以正应变率进行的试验更为适宜。

为了消除在以（应变率）R=-1的对称推拉模式工作的限制，应将额外的（通常是张力的）静应力或准静应力应施加到样本。根据本发明，该额外的应力能够借助高压容器来产生，样本被设于该高压容器中。该容器被分成具有不同气压的两个室，这能够使样本上被施加成比例的（相称的）力。

图1示出用于对样本12进行试验的装置10的实施例，该装置10包括采用压热器14的形式的压力容器。在压热器14中，在其第一室26内，设有包括上部的第一角状件16和下部的第二角状件18的加载系。样本12被置于第一室26中并位于角状件顶端20、22之间。变换器24（未全部示出）包括超声波换能器，用以产生上部角状件16的超声波激励，该变换器24耦联到上部角状件16。在该变型中，变换器24位于压热器14的外部。因此，第一角状件16的基部的圆柱形区段25被容置在压热器14的顶壁上的通孔27中。该圆柱形部25的外端被牢固地附接到变换器24。在第一室26的内部，圆柱形区段25沿轴向继续进入到肩部区段或凸缘部29中。衬垫38位于该肩部区段29与围绕通孔27的密封表面之间。

由于在肩部区段29与大体垂直于加载系的纵轴线y'-y的压热器14的外壁的部分39之间的间隙中设有聚合物密封件38，使得圆柱形区段25的振动能够不产生泄漏。

上部角状件16将超声波激励传递到样本12，该样本12位于上部角状件16的顶端20（图1和图2中的下部）与下部角状件18的顶端22（图1和图2中的上部）之间。例如借助螺钉或任何其它合适的装置，将样本12的一端固定到顶端20并将其另一端固定到顶端22。下部角状件18的基部30被可移动地安设在压热器14的下部中，更具体而言被安设在盲孔31中，（并且因此沿轴向被引导）。该盲孔31的长度使其可限定下部室28，该下部室的空腔保留在底部角状件18以下。该空腔形成第二室28的自由容积，并且被第二角状件18的基部30的底表面、孔31以及压热器14的底壁43限定。

衬垫32安装在第二角状件18的基部30上的外围槽中，并因此阻挡第一室26与第二室28的自由容积之间的气体的交换。当第一室26与第二室28之间的气体的流动被衬垫32阻碍的同时，下部角状件18的基部30仍然能够在加载系受到振荡时在压热器14的盲孔31中移动。基部30还可根据样本的不同而适应不同的纵向位置，从而将样本的长度可能根据试验材料的不同而改变这一情况考虑在内。

两个室26、28（即它们的自由容积）均能够被供给气体，从而控制除从变换器24经由上部角状件16施加到样本12的动应力之外的施加到样本12的拉应力或压应力。所施加的应力实质上取决于两个室26、28之间的压力差。两个室26与28之间的恒定压力差导致样本12上被施加恒定的应力。

通过调节这些压力室之间的压力差，下部角状件18的位置可被稍微改变，因为作用在加载系上的应力将使其长度被稍微更改。然而在实践中，长度的变化是极小的（远小于1mm）并且不会显著地改变下部角状件18的实际位置。

图2以纵向剖视图示出图1的装置10。借助例如可购得的基于压电晶体的变换器24，从顶部执行上部角状件16的超声波激励。在图2中，仅示出变换器24的一部分。图2的视图示出通过压热器14的壁到达上部的第一室26的第一通道343以及通过压热器14的壁到达下部的第二室28的第二通道363。两个通道343和363允许将气体导管（图2中未示出，但在图7中示出）附接到压热器14，以便控制所述室26、28内部的压力，并且特别地借助一气体进入及排出控制装置（图2中未示出，但在图7中示出为控制装置341、361）而在两个室26、28之间保持期望的压力差。可被结合在一个单元中的控制装置341、361能够适于在两个室26、28之间保持近于不变的压力差。

在所述室26、28中充注的气体可以是任何适于限定待试验样本的现实环境的气体。其例如可以是H2（氢气）、Ar（氩气）、这些气体的混合物或者根据需要而选择的其它气体。

图1的立体剖视图和图2的剖视图还示出了上部角状件16和下部角状件18的形状。上部角状件16的直径总体上（除了肩部29之外）从角状件的基部（上部）25到角状件的顶端20（下部）逐渐变小。下部角状件18以类似方式被成形，其直径通常从其基部30（下部）到其顶端22（上部）逐渐变小。由于上部角状件16的直径到样本12的中心逐渐减小（优选为沙漏形状），因此能够在样本12的中心引起（动）应力的最大值，使得样本12的断裂将最可能发生在其中心区域O中。

下部角状件18并未固定在压热器14的内部；其仅在孔31中被沿轴向引导，并且仅以其顶端22连接到样本12的下部。当上部室26中的压力大于下部室28中的压力时，除由超声波激励引起的动应力之外，样本12还被施加静拉应力。样本的中心的截面与将两个室26、28分隔开的衬垫32的截面的比率限定了用于静载荷的放大因数。该放大因数乘以室26与28之间的压力差决定了样本的中心处的静应力。

应变率R是最低与最高应变的比率。如果D是正弦应变的幅值（例如由超声波激励引入）而S是静应变（例如由气体室26、28中的压力差所导致），则R能够被写成：

R=(S-D)/(S+D)，其中D>0，而S是任意值。

为了例证，在以下表格中列出了根据本发明的装置的实施例的典型操作参数（其可被设计为用于高达几百bar的总压力），但是其它值也被涵盖于本发明的范围之内。

压力上部室	高至400bar
		压力下部室	高至400bar
激励频率	≈20kHz
		动应力	<1000MPa
静应力	<1000MPa
		应变率R	-∞<R<+1(例如<0.8)
工作气体	例如作为纯气体或气体混合物的H²或Ar

下一个图表示出典型的动应力幅值、压力差以及产生的应变率R：

动应力[MPa]	压力差[bar]	静应力[MPa]	R
				410	-50	-400	-81.00
500	0	0	-1.00
				400	50	400	0.00
100	100	800	0.78

为了保持用于实现R≠-1的恒定应力，需要两个室26与28之间具有压力差。因此，上部室26中所需的压力不同于下部室28中的压力。该装置的实施例能够利用例如H²或Ar等多种气体作为工作气体来操作，但是还可根据需要而使用其它类型的气体。

在当前的描述中，已考虑到的是上部室26中的压力高于下部室28中的压力。在这种情况下，样本12除了受到由超声波激励所导致的循环应力之外还受到静拉应力。然而，上部室26中的压力可低于下部室28中的压力。在这种情况下，样本12除了受到由超声波激励所导致的循环应力之外还受到恒定压应力。因此，取决于室26或28的哪个具有较高的压力，该力能够导致样本12中的拉应力或者压应力，这样的拉应力或压应力被叠加到由超声驻波产生的对称交替的应力场。

在下文中，对具有20kHz的超声波激励频率的根据本发明的装置的实际实施例进行描述，但是该数值仅作为示例被给出。上部角状件16和下部角状件18以及样本12优选为依照激励频率处的共振条件而被专门地设计。特别地，为了最优化操作，要格外认真地关注角状件16、18和样本12中的位移（应力的最大值）的节点的定位。位移的两个节点优选应被定位在上部衬垫38（图2）在顶部端接压热器14的点以及下部衬垫32（图2）将两个压力室26、28彼此分隔的点处。第三结点优选地应位于样本12的中心O处。由于样本12的长度取决于试验材料，因此下部衬垫32的位置被固定在下部角状件18的基部30上，但是可以相对于压热器14的内部（盲孔31）而改变。

由于限定在衬垫32的水平位置将两个气体室26、28分隔开的边界的下部角状件18的基部30仅由下部角状件18的顶端22刚性地连接到样本12，而并不连接到限定盲孔31和下部压力室28的压力容器14的外壁，两个压力室26与28中的气压之差导致在样本12上施加成比例的力。

压力容器或压热器14可以按不同的方式构造，并且所阐示的示例的压热器14的竖直位置仅为优选实施例。

在图2的示范性实施例中，压热器包括可动的上部41或盖部，以允许插入包括上部角状件16的基部的肩部29的加载系。上部41限定大体水平的外壁39，该外壁39位于上部角状件16的相对的肩部29，以限定衬垫38所位于的界面。上部41还限定通孔27，该通孔27使压热器14外部的圆柱形部25的突出部能够与变换器24耦联。衬垫44位于限定压热器14的本体的中部42与上部41之间。上部41可通过螺栓、螺钉或者任何其它公知的连接装置连接到中部42。该中部42连接到底部43，该底部43构成基板并且关闭下部室28。衬垫45插设于中部42的下端部与底部43之间。底部43可通过任何公知的连接装置（如螺栓或类似物）连接到中部。

图3示出在相关模式中的共振条件下，本装置的这一实际实施例的上部角状件16中的轴向位移（左图）和轴向应力（右图）的分布的FEM（有限元法）计算。在图4中，当在共振中被激励时，轴向应力幅值的曲线A和位移幅值的曲线B沿着上部角状件16的对称轴线被绘制。

以图4中的竖直虚线表示的位移（位移=0）的节点位于非常靠近表面的位置，其中上部角状件16的凸缘部将在衬垫38的水平位置处与气体容器的壁部39（压热器的内部）接触（见图1和图2）。这是为了当将角状件16安装在压热器14的上部压力室26的上部凸缘39中时保持共振条件。由于其形状，角状件16使激励幅值以近似10的因数放大，这样有助于实现样本12中的高应力水平。

为了获得用于指定的激励幅值的高应力值，机构的几何形状被优化，使得应力的最大值位于样本12的具有最小直径的中心O处。这使得能够最佳地利用样本12的沙漏形几何形状，这导致样本12的中心O处的应力增大，并且限定疲劳导致的断裂将发生的位置。样本12的精确长度取决于试验材料。

图5示出在共振条件下（在任意单元中），样本12上的标准化轴向位移幅值（左图）及轴向应力幅值（右图）的分布。

在图6中显示了当在共振中被激励时，沿着样本12的纵轴线y'-y的应力幅值（曲线C）及位移幅值（曲线D）的变化。能够清楚地看到的是，样本12的沙漏形状导致样本12的中心处的应力幅值增大。

图7示出在根据本发明的装置中流动的气体的概况。主气流被用于控制上部室26和下部室28中的各自的压力。两个室26与28之间的泄流35可能产生难题。特别是，由于下部角状件18的衬垫32的磨损，尤其是如果衬垫32未精确地设置在下部角状件18上的位移的节点处的情况下，在单个测量或试验期间该流量35可能随着时间的推移而增大。

当在纯气体气氛中操作（例如仅氢气或仅氩气，或者如氦气等任何其它纯气体）时，该泄流35能够由来自下部室28的受控的排出以及流入上部室26中的气体的相应的增加而补偿。在气体混合物（例如氢气和氩气或任何其它气体的混合物，或者任何其它多种气体的混合物）作为工作气体的情况下，由于混合物的不同的气体成分，泄流35将不同，这将对上部室26中的气体成分具有影响。上部室26中期望的气体混合物能够通过保持气流通过上部室26来保证（该气流大于室26与28之间的泄流35），使得在上部室26中总是具有新鲜的气体。

在图7中，示意性地示出用于第一和第二压力室26、28的两个单独的气体源340、360。假设气体源340、360排出如控制单元341和361限定的相应的压力室26、28所需的压力下的所需气体，该控制单元341和361尤其可包括压力计和/或流量计。然而，该系统可包括一个共用的主气体源及两个单独的控制单元，这两个控制单元不仅用于监控而且用于调节气体的流动和压力，用以通过管线342和362供给相应的第一和第二室26、28。

如果气流必须受控，则第一室26需要进入管线342和排出管线345，并且第二室28需要进入管线362和排出管线365。然而，如果未决定在第一室26和/或第二室28中保持气流，则可以仅使用进入管线342、362来将两种不同压力下的气体供给第一和第二室26、28，而不设有排出管线345和/或排出管线365。

综上所言，本发明消除了高周疲劳试验机与样本直接机械接触以产生静应力的需要。本发明尤其避免了在高压环境中使用任何可动的部件，并因此要比为了对样本施加静应力而使用波纹管或杆的馈入装置的试验机更安全。

虽然已使用具体的用语描述了本发明的多个优选实施例，但这种描述仅用于示范性的目的，并且要理解的是，可在不背离随附权利要求书的范围的情况下做出多种更改和变型。

Claims

1.一种用于在受控的气氛中，以受控应变率（R）在高循环状态下执行样本（12）的材料疲劳试验的装置（10），包括：

压力容器（14），具有外壁，该外壁限定一内部室，

加载系，由第一角状件（16）和第二角状件（18）构成，在所述第一角状件（16）与所述第二角状件（18）之间设置所述样本（12），其中所述加载系具有纵轴线（y'-y），并且所述加载系基本上被设置在所述压力容器（14）的所述内部室中，以及

变换器（24），适于通过激励所述第一角状件（16）而将超声波施加到所述加载系中，以便沿平行于所述纵轴线（y'-y）的方向对所述样本（12）施加动应力，

其特征在于，所述内部室被划分为限定围绕所述加载系的至少一部分的自由容积的第一室（26）以及沿着所述纵轴线（y'-y）与所述第一室（26）轴向对齐的第二室（28），所述第二角状件（18）包括基部（30），所述基部部分地且可移动地接合到所述第二室（28）中，以在所述第二室（28）中限定与所述第一室（26）的第一自由容积分隔开的第二自由容积，第一衬垫（32）插设于所述基部（30）与大体上平行于所述纵轴线（y'-y）的所述压力容器（14）的外壁的一部分之间，以将所述第一室（26）与所述第二室（28）以密封方式分隔开，并且设置第一供给装置（34）和第二供给装置（36）以向所述第一室（26）和第二室（28）的所述第一自由容积及第二自由容积分别供给具有不同气压的气体，以便对所述样本（12）施加预定的静应力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一角状件（16）包括：基部（25），具有圆柱形部，所述圆柱形部突出到所述压力容器（14）之外以被附接到所述变换器（24）；以及肩部（29），所述肩部设置在与大体垂直于所述纵轴线（y'-y）的所述压力容器（14）的外壁的一部分（39）相对的位置，第二衬垫（38）设置在所述肩部（29）与所述外壁的部分（39）之间的界面处，以将所述第一角状件（16）的所述基部（25）与所述压力容器（14）的所述外壁以密封方式分隔开，同时使所述第一角状件（16）能够纵向振荡。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一角状件（16）、所述第二角状件（18）以及具有中心（O）的所述样本（12）的尺寸被设定为以通过所述变换器（24）耦联到所述加载系中的超声波的频率共振，并且所述第一衬垫（32）和所述第二衬垫（38）以及所述样本12的中心（O）位于所述加载系的位移的节点处，在所述节点处所述应力处于最大值。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一供给装置（34）和所述第二供给装置（36）各自包括：至少一个气体源（340、360），具有预定成分；控制装置（341、361），用以限定预定的气体压力；气体导管（342、345、362、365）以及至少一个通道（343、344、363、364），设置在所述压力容器（14）的所述外壁中，用以分别与所述第一室（26）的所述第一自由容积或所述第二室（28）的所述第二自由容积连通。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一供给装置（34）包括：第一气体源（340），具有预定的成分；控制装置（341），用以为取自所述第一气体源（340）的气体限定一预定气压；第一气体导管（342），连接到所述第一气体源（340），并且连接到输出至所述第一室（26）中的所述第一自由容积中的进入通道（343）；以及出口通道（344），与所述第一室（26）的所述第一自由容积连通，并且输出至连接到所述第一气体源（340）的第二气体导管（345）中，所述控制装置（341）还限定流经所述第一自由容积的预定气体，所述第一自由容积大于所述第一室（26）及第二室（28）的所述第一自由容积与第二自由容积之间的剩余泄流（35）。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述纵轴线（y'-y）大体上是竖直的，所述第一角状件（16）限定上部角状件，而所述第二角状件（18）限定下部角状件。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一室（26）或所述第二室（28）中所要供给的气体是纯气体。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一室（26）或所述第二室（28）中所要供给的气体是不同气体成分的混合物。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一室（26）或所述第二室（28）中所要供给的气体至少包括氢气。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一角状件（16）和所述第二角状件（18）被设计为具有从它们的基部（25、30）到它们的顶端（20、22）通常呈渐缩形的构件，所述顶端连接到所述样本（12）。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一室（26）和第二室（28）的所述第一自由容积和第二自由容积中的压力低于1000bar。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一室（26）和第二室（28）的所述第一自由容积和第二自由容积中的压力介于200bar与500bar之间。

13.一种用于在受控的气氛中，借助如权利要求1到9中任一项所述的装置，以受控的应变率（R）在高循环状态下执行的样本（12）的材料疲劳试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通过将所述样本（12）的一端固定到所述第一角状件（16）的所述顶端（20）并且将所述样本（12）的相反端固定到所述第二角状件（18）的所述顶端（22）而将所述样本（12）定位在所述第一室（26）中，

在所述压力容器（14）的所述第一室（26）和第二室（28）中供给气体，使得由于所述第一室（26）和第二室（28）两者之间的压力差而将期望的静应力施加到所述样本（21），

控制所述变换器（24），使得通过激励从所述变换器（24）耦联到所述加载系中的超声波而将动应力施加到所述样本，并且

通过控制经由所述第一供给装置（34）和第二供给装置（36）流动到所述第一室（26）和第二室（28）的气体，在所述第一室（26）与第二室（28）之间保持近于恒定的一预设压力差。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用纯气体来供给所述第一室（26）和第二室（28）的所述第一自由容积和第二自由容积，并且在所述第一室（26）与第二室（28）之间保持近于恒定的一预设压力差的步骤包括：

控制从所述第一室（26）和第二室（28）之中具有较低压力的一者的排气，并且增加流入所述第一室（26）和第二室（28）之中具有较高压力的另一者中的气体，使得所述第一室（26）与第二室（28）之间的泄流被补偿。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用气体混合物来供给所述第一室（26）和第二室（28）的所述第一自由容积和第二自由容积，并且在所述第一室（26）与第二室（28）之间保持近于恒定的一预设压差的步骤包括：

保持预定的气流经过所述第一室（26）和第二室（28）之中具有较高压力的一者，所述预定的气流大于所述第一室（26）与第二室（28）之间的泄流，以便控制所述第一室（26）和第二室（28）之中具有较高压力的一者中的气体成分。